实验物理教学中心基础物理实验建设的方向之一将抽象、复杂的基础性和前沿物理现象引入低年级本科生的实验课程，使本科生用通用教学仪器可直观地观测相关现象，从大学物理基础知识出发可计算理论结果、理解实验原理，进而了解前沿、发现兴趣。

同轴光子晶体是由两种特征阻抗的同轴电缆交替连接构成的阻抗周期性变化的结构，可形成与能带类似的电磁频带和带隙，还可用于探究正常和反常色散特性、超光速与慢光现象。

实验物理教学中心基础物理实验教学团队提出了一种由N根并联同轴电缆和单根电缆交替连接构成的同轴光子晶体结构，如图1所示。由于N根并联电缆的特征阻抗为单根电缆的1/N，因此，该结构仅用一种同轴电缆即实现了两种特征阻抗、且具有高阻抗比（N:1），使得用更少的同轴电缆即可实现更显著的电磁带隙特性；还提出了用通用教学仪器——信号发生器和示波器——测试同轴光子晶体相位特性的方法。此外，本科生基于大学物理电磁学知识、传输线方程和传递矩阵方法可方便地计算出理论结果。这些工作使得该实验可方便地在低年级本科生的基础物理实验课程中开展。

图1同轴光子晶体，由2根并联电缆（特征阻抗为单根的1/2）和单根电缆交替连接构成

同轴光子晶体的幅度-频率特性和相位-频率特性的实验与理论结果如图2所示。幅度-频率特性中，在9-15 MHz频率范围内透射信号的幅度很小、为信号传输被抑制的电磁带隙。带隙两侧为允许信号通过的电磁频带。测试结果与理论计算结果符合的很好，并且二者都得到了专业仪器矢量网络分析仪测试结果的验证。

图2 同轴光子晶体的幅度-频率特性(a)和相位-频率特性(b)

将同轴光子晶体等效为折射率为n的均匀同轴电缆，由相位-频率特性可计算出折射率随频率变化的色散特性以及群速度-频率特性，如图3所示。在电磁带隙所在9-15MHz频率范围出现了折射率随频率减小的反常色散特性，且群速度在约12MHz处达到约2.1倍真空光速（但通常认为信息传递速度不超过光速，即不违背因果律）。

图3 同轴光子晶体的色散特性(a)和群速度-频率特性(b)

在同轴光子晶体中引入缺陷，方法为将其中间位置处的同轴电缆增加一根，破坏周期性阻抗结构，如图4所示，则在原带隙频率处会出现一个透射峰（图5(a)）。透射峰附近具有强正常色散（图5(c)），群速度显著减小（图5(d)）、出现约0.34倍真空光速的慢光现象。

图4 有缺陷的同轴光子晶体

图5 有缺陷的同轴光子晶体的幅度(a)、相位(b)、色散(c)和群速度-频率特性(d)

用信号发生器产生一个脉冲波包，用示波器可直接测试波包分别通过同轴光子晶体和通过有缺陷的同轴光子晶体后的波形，如图6所示。脉冲波包通过同轴光子晶体后波包“质心”的延时很小（图6(b)），表明群速度大，同时伴随着信号幅度的较大衰减。而通过有缺陷的同轴光子晶体后，波包“质心”的延时较大（图6(c)），表明群速度小，同时伴随着由色散导致的波形的明显变形。

图6 脉冲波包(a)通过同轴光子晶体后的波形(b)和通过有缺陷的同轴光子晶体后的波形(c)

该工作以《Theoretical and experimental examination of simple coaxial photonic crystals for undergraduate teaching》为题发表于2022年1月21日的物理教学期刊《American Journal of Physics》上，论文作者为实验物理教学中心郭旭波、刘滢滢、常缨、朱美红和张留碗老师，并获得1项国家发明专利授权。实验中心建设了21套实验装置，自2020年春季学期起用于大二下学期实验教学，已有200多名本科生完成实验，引起了学生的极大兴趣。该工作得到了清华大学第四届实验室创新基金重点项目和教育部基础学科拔尖学生培养计划课题的支持。论文作者感谢实验室处、教务处、物理系和清华学堂叶企孙物理班长期以来对基础物理实验建设的支持。

论文全文链接为：https://aapt.scitation.org/doi/full/10.1119/5.0059320