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光子禁带是光子晶体广泛应用的物理基础，光子禁带的研究可从根本上提高光子晶体的控光能力。本论文将遗传算法引入到光子禁带的设计中，逆向分析设计了不同类型光子晶体以及不同应用背景下的禁带优化设计问题。
首先，采用象素型结构表示具有反演对称的二维光子晶体原胞，使基于遗传算法等的优化设计成为可能。进而，研究了象素型结构表示下模拟计算二维正方晶格和三角晶格光子晶体禁带结构的平面波展开法，提出了利用位移特性计算介电函数傅立叶变换的离线计算机制，以提高遗传算法的的运行效率。基于此，提出了针对象素型光子晶体的快速遗传算法模型。
基于快速遗传算法，对传统大禁带优化设计问题进行了深入研究。首先，对正方晶格二维光子晶体的禁带优化问题，在遗传算法中引入占空比控制算符以提高寻优性能，并搜索到了同等制备难度下的优良结构(正方晶格最大绝对禁带相对值为13.25％；有限高平板光子晶体最大绝对禁带相对值为10.28％)。对三角晶格二维光子晶体，则获得了更为满意的结构(最大禁带相对值为23.25％)，并发现了“六角介质空气柱”的新原胞结构模型，通过遗传算法搜索到了该模型下具有更好禁带特性的新结构(最大绝对禁带相对值为29.09％，远高于目前文献报道结果)。
基于快速遗传算法的基本框架、通过设计适应度评价机制，研究了针对具体应用的禁带设计问题。针对偏振相关器件的禁带设计问题，综合考虑宽频、广角、高消光比等多种因素，提出了基于两级适应度函数的排序比较方法，对正方晶格和三角晶格均搜索到了相应的优良结构。针对规定位置的禁带优化问题，实现了规定两条禁带位置条件下光子晶体的遗传算法计算模型，所优化出的光子晶体结构可用于双波长(1.3μm和1.55μm)的带通/带阻滤波器，探测器等。
最后，在遗传算法所优化出的原胞结构基础上研究了中远红外波段的大禁带平板光子晶体的工艺制备问题，并对所制备样品进行了分析。
本论文工作为光子晶体的结构设计提供了一种新的有效思路和方法。基于此，可以结合光子晶体设计问题的特点，进一步改善遗传算法的搜索机制，研究满足不同设计期望与制备需求的光子晶体结构。