始于20世纪中叶的半导体科学技术革命，催生了大规模集成电路，推动了信息产业的迅猛发展，极大地推动了人类社会的文明进程。随着人们对高速计算和低能耗的不断追求，微加工技术不断进步，电路集成度亦越来越高，半导体电子器件的特征尺度已经发展到接近纳米量级，传统的集成电路技术遭遇发展瓶颈。光子和电子同为最重要的信息载体，而光子相较于电子在宽带高速传输以及空间相容性等方面具有优势，因此集成光路在未来具有巨大的应用潜力。尽管光子是优良的信息和能量载体，但其在实际应用中通常难以实现有效操控。近年来兴起的光子人工微结构有望为光子难以操控的问题提供有效解决方案。具有拓扑性质的光子晶体(photonic crystal)和超构材料(metamaterial)是光子人工微结构领域近几年兴起的热门研究方向。一方面，随着;拓扑这一全新概念的引入，光子人工微结构的设计理念得到了极大拓展和提升；另一方面，具有拓扑特性的光子人工微结构存在诸多新奇的物理效应，具有重要的应用价值。本书聚焦光子人工微结构的拓扑调控问题，尝试从能带拓扑性与等频轮廓拓扑性两条主线展开，系统介绍相关的物理机制、典型模型、表征方法与器件应用。全书共7章。第1章为绪论，主要概述拓扑光子学的研究意义、理论和技术的历史发展、国内外研究现状，为读者更好地阅读全书起到引导和指南作用。本书其余内容分为两部分：第一部分(第24章)主要介绍光子人工微结构的能带拓扑性调控。第2章围绕典型拓扑光子链的物理机理展开，阐述了紧束缚机制下的系统哈密顿量构建以及拓扑系统的能带和拓扑序确定；进一步介绍了拓扑激发和态密度的表征测试，并对拓扑态的鲁棒性进行了分析。此外，本章还对典型物理模型如Su_Schrieffer_Heeger(SSH)模型和Kitaev模型的基本拓扑特性和研究方法进行了解析。第3章介绍基于拓扑边界态的电磁波传输器件。本章以两类单负超构材料为基础，研究了以下两方面内容：一是利用一维光子晶体等效单负超构材料异质结的拓扑界面态实现光学滤波；二是利用二维电路基单负超构材料的拓扑界面态实现多样化近场光路由。第4章对拓扑边界态构造的近场功能器件进行介绍。本章从非厄米SSH模型、Harper模型以及Kitaev模型的特殊拓扑态出发，介绍了拓扑模式用于构造鲁棒性的无线电能传输和无线传感器件的方法。第二部分(第57章)主要介绍光子人工微结构的等频轮廓拓扑性调控。第5章对等频轮廓的拓扑相变进行系统介绍不论由封闭的椭球到开放的双曲面的，还是两类开放双曲面之间的拓扑相变，都可以实现光与物质相互作用的有效调控；本章还对基于等频轮廓拓扑相变构造的新型光学微腔和波导进行了介绍。第6章主要介绍基于双曲等频轮廓构造新型传输器件的方法。开放的双曲等频轮廓支持大波矢的电磁模式，为实现超分辨成像、光学传感、光子路由以及空间滤波等提供了全新的研究平台。第7章围绕等频轮廓接近无限小的球所对应的零折射率超构材料，介绍其在近场功能器件构造中的应用。零等频轮廓不仅在近场电磁屏蔽方面具有独特的优势，而且还为构造能量收集和能量分配器件提供了有效途径。本书主要内容源自作者团队在同济大学先进微结构材料*重点实验室的长期研究成果。研究与写作过程中，本书作者得到羊亚平教授、谢双媛教授、陈宇光教授、江海涛教授、孙勇教授、李云辉教授以及赫丽老师的大力支持与帮助，在此一并致以诚挚感谢。感谢课题组多位研究生在实验研究方面所做的大量工作，为本书内容的完善奠定了扎实基础。同时，感谢课题组王宇倩、胡胜宇、章涵、张海燕四位博士研究生对本书部分撰写工作的贡献与支持。书稿的形成与定稿，离不开团队长期积累的研究基础与多轮讨论修订。我们在此也特别感谢在资料整理、图表完善、文字校核与排版审阅等环节给予帮助的同事与同学。限于篇幅与体例，未能逐一具名致谢之处，敬请谅解。本书在写作时力求深入浅出，确保概念清晰、推导顺畅、结论明确且可复现，以兼顾不同背景读者的阅读与查阅需求。鉴于笔者学识有限，虽经多次校阅，书中仍难免存在表述不清或欠妥之处，恳请广大读者与各位专家批评指正。拓扑光子学作为前沿领域，发展日新月异，新模型、新平台与新应用层出不穷，本书难以尽述其全貌，取舍之间难免存在疏漏与不足。未尽之处，恳请读者批评指正，并期待在后续研究与修订中逐步完善。郭志伟 陈鸿于同济大学2026年1月

在后摩尔时代，如何更高效地操控光子成为信息与通信技术发展的关键问题。本书围绕光子晶体与超构材料等光子人工微结构，结合拓扑光子学前沿进展，系统阐述电磁波在复杂结构中的传播与调控机制，揭示拓扑相变对波的耦合、辐射与传输行为的深层影响。内容兼具前沿性与工程价值，是理解与进入拓扑光子学领域的重要参考。

以光子晶体和超构材料为代表的光子人工微结构材料的出现，极大地提高了人们对电磁波的操控能力，其在军事国防、高效通信和航空航天等方面具有重要应用价值。近年来拓扑光子学的兴起更有力地推动了光子人工微结构的发展。通过设计光子拓扑结构，可以研究新奇的拓扑特性和研制新型波功能器件，这具有重要的科学和应用价值。本书围绕能带拓扑性和等频面拓扑性，系统总结了光学拓扑相变对于电磁波耦合、辐射、传播等特性的调控作用。相关内容不仅可以帮助人们理解复杂光子拓扑结构的电磁波调控特性，掌握经典系统的拓扑调控手段，而且为设计具有拓扑保护特性的光学开关、传感器等新型功能器件提供了新的解决方案。本书可供从事光子人工微结构理论与应用的科技工作者、研究生以及高年级本科生阅读。

郭志伟：博士，同济大学副教授、博士生导师。主要从事人工微结构电磁调控的基础与应用研究。在 Nature/Science 子刊及 Physical Review Letters 等国际期刊上发表论文100余篇。入选国家科技专家库、上海市;东方英才计划（青年）、上海市;晨光计划、;小米青年学者、;20232025年全球前2%顶尖科学家榜单等，并获;2024中国新锐科技人物卓越影响奖。

陈鸿：博士，同济大学特聘教授、博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者。主要从事光子人工微结构材料的实验与理论工作。国家重大科学研究计划项目首席专家、国家重点研发计划项目首席专家、*创新团队项目负责人。曾获宝钢教育奖特等奖、上海市自然科学奖一等奖、;新世纪百千万人才工程国家级人选称号等荣誉。

第１章 绪论 １１．１ 研究背景与意义 １１．２ 国内外研究现状 ２１．３ 本书的主要内容 １８本章参考文献 ２１第 一 部 分第２章 基于光子人工微结构的能带拓扑性研究 ３３２．１ ＳＳＨ模型 ３３２．２ Ｋｉｔａｅｖ模型 ４３本章参考文献 ５０第３章 基于拓扑边界态的电磁波传输器件研究 ５４３．１ 拓扑界面态实现光学滤波 ５４３．２ 拓扑界面态实现光子路由 ６３本章参考文献 ８２第４章 基于拓扑边界态的近场功能器件 ８６４．１ 拓扑边界态实现鲁棒性无线电能传输 ８６４．２ 拓扑边界态实现鲁棒性高灵敏度传感器 １０５本章参考文献 １１７第 二 部 分第５章 基于光子人工微结构的等频轮廓拓扑性研究 １２７５．１ 等频轮廓的拓扑相变 １２７５．２ 基于等频轮廓拓扑相变的简单光学器件 １３３本章参考文献 １５１第６章 开放双曲面拓扑特性的传输器件研究 １５６６．１ 双曲超构材料的应用研究 １５６６．２ 线性交叉超构材料的应用研究 １７２本章参考文献 １８７第７章 各向异性零等频轮廓的近场功能器件 １９４７．１ 零折射率复合材料的近场磁屏蔽 １９４７．２ 零折射率材料的传输调控 ２１３本章参考文献 ２３０索引 ２３４