光子晶体是一种由不同折射率周期性分布而形成的人工晶体材料,它的基本特征是具有光子带隙,进而对电磁波有特殊的操控能力。自从光子晶体的概念在1987年由Yablonovitch和John分别提出以后,光子晶体的理论研究和相关实验及其应用研究都得到了迅速发展。同时,近年来在微波段乃至红外波段已经实现了介电常数和磁导率同时或只有一个为负的特异材料。人们通过将特异材料引入到一维光子晶体中,发现了新型的光子带隙。这些光子带隙具有与传统的Bragg带隙截然不同的性质,并具有潜在的应用前景。 目前,含有特异材料的一维光子晶体及相关结构在科学及工程上成了研究热点,并在理论研究上取得了比较突出的成绩。然而,这方面的实验研究相对还比较少。特异材料主要包括负折射率材料(又称左手材料)和单负材料。它们可以通过多种人工介质结构来实现,其中的左右手复合传输线结构,原理比较简单、易于宽带实现,并且在一定频段内可调谐。本论文主要以左右手复合传输线为基础实现了具有不同性质的特异材料,并基于这些特异材料分别从实验上研究了由特异材料构成的一维光子晶体及相关结构的电磁传输特性。 在本论文的第二章,介绍了通过左右手复合传输线实现特异材料的原理及其等效参数的提取和样品制备。 在第三章,主要研究了左、右手材料交替组合构成的一维光子晶体和准一维梳状光子晶体的非Bragg光子带隙性质。在实验中,分别用左右手复合传输线和微带线单元实现了左手材料和右手材料,实验结果与理论模拟结果有很好的吻合。研究结果表明：由左、右手材料组成的一维光子晶体和准周期结构具有零平均折射率(zero-(n))光子带隙,带隙在晶格尺度同时增大相同倍数时基本不发生移动,两带隙边界分别由零甲均介电常数(ε)=0和零平均磁导率(μ)=0决定。由左手材料作为波导,右手材料作为谐振器的准一维梳状光子晶体也具有特殊的光子带隙,带隙对晶格尺度也不敏感,在谐振器的平均长度不变的情况下,两带隙边也不发生移动。这一带隙不同于普通的布拉格带隙和zero-(n)带隙,带边分别由(ε)=0和左手材料的零磁导率μ(f)=0决定。 在第四章中,主要研究了由两种单负材料交替组合构成的一维光子晶体的传输性质。实验上分别选取不同的左右手复合传输线结构参数,进而在不同频段实现负介电常数(ENG)材料和负磁导率(MNG)材料。基于这些单负材料单元构成的光子晶体具有零有效相位(zero-φeff)带隙,带隙的宽度在晶格尺度同时增大相同倍数时基本不发生改变。另外,带隙宽度可以在不改变材料介电参数的情况下,很容易通过改变两种单负材料的单元厚度比来调节,这一特性将有利于小型化、高品质因子滤波器的实现。理论结果表明,单负材料光子晶体在满足有效波阻抗和有效相位分别匹配的条件下,可以实现有效的左手材料,在此我们首次基于传输线技术通过单负材料光子晶体,在实验上实现了有效的左手材料。根据zero--n带隙和Zero-φeff带隙的性质发现,由特异材料构成的光子晶体具有空间平均单负带隙。在零入射角的情况下,带隙的两边界分别由-ε=0和-μ=0决定,进而对光子晶体的晶格尺度不敏感。zero--n带隙和zero-φeff带隙都可以看成是一种空间平均单负带隙,这一性质将有利于确定带宽的光子带隙的实现,进而在微波、光学工程中具有潜在的应用。 在第五章中,主要研究了由单负材料构成的双层和三层结构的电磁隧穿特性。实验上两种单负材料均不支持电磁波的传播,然而由两种不同的单负材料构成的双层结构在特定条件下却具有隧穿模。隧穿模不随结构尺度而发生变化,但其品质因子随着结构尺度的增加而增加。由于倏逝场在单负材料中的放大,在两界面处具有很强的局域场。在隧穿情况下,这种双层结构可以用来实现一种特殊的不受半波极限限制的光学腔。当在这种光学腔中引入一个二能级系统,例如一个人造原子(开口谐振环耦合线)时,由于界面模与人造原子的共振耦合,则此含有二能级系统的微腔会产生类拉比分裂的性质。这一拉比分裂的性质不同于在一般光学微腔中所观察到的,它不随着结构尺度而发生变化。另外,对于在两种单负材料的界面处引入中间层而形成的三明治结构来说,由于表面或体极化激元的激发,也具有特殊的隧穿电磁模。中间层材料的性质和厚度将决定着此三明治结构具有不同的隧穿模特性,这一点将有利于通道滤波器的应用。