近日，东南大学丘成桐中心李铁香教授、上海数学与交叉学科研究院（SIMIS）林文伟教授及南京师范大学吕星龙博士合作，在三维光子晶体能带预测和逆向设计研究中取得进展。论文“Symmetry-aware framework for bidirectional modeling of 3D photonic crystals and band structures”发表于国际知名期刊《Materials & Design》，李铁香教授为通讯作者。
光子晶体通过周期性介电结构调控光传播，能带是其设计的重要依据。三维仿真成本高、结构与能带的对应关系不唯一，制约了从目标性能出发的逆向设计。
团队融合晶体对称性与生成式人工智能，利用神经网络快速预测能带，以条件扩散模型生成多种候选结构，再经筛选和电磁仿真验证，建立结构与能带的双向建模框架。
图1逆向设计流程：目标能带引导结构生成，经预测模型筛选后，由FAME仿真验证。来源：论文图3。
依托FAME电磁计算软件，团队建立了包含41,021组结构与能带数据的数据库，覆盖36个立方空间群和154类几何原型，为模型训练与验证提供支撑。
在随机划分的测试集上，正向预测的平均绝对百分比误差为0.22%，论文测试配置下单次预测约需12.9毫秒。逆向设计为每个目标生成1,000个候选结构，经筛选与FAME验证，500个测试目标中有91.4%获得误差低于1%的解，成功案例的平均误差为0.426%。
图2逆向设计结果与结构多样性。代表性结构经FAME验证，各簇谱相似性由预测模型评估。来源：论文图5。
本研究将快速能带预测与多样化结构生成相结合，使三维光子晶体设计能够从目标光学响应出发，探索多种候选方案，减少对反复高成本仿真的依赖。通过编辑目标能带实现局部平坦化，研究进一步展示了面向指定波矢路径慢光特性的设计潜力，为光学功能材料的定向设计提供了数值方法。
《Materials & Design》是Elsevier出版的国际知名材料科学期刊，拥有四十余年的办刊历史，在材料设计与工程应用研究领域具有广泛影响力，近五年影响因子为9.1。期刊注重材料结构、性能与加工之间的联系，为材料科学、计算方法与工程设计的交叉创新提供了重要学术交流平台。
论文信息： Symmetry-aware framework for bidirectional modeling of 3D photonic crystals and band structures. Materials & Design, 2026, 116962.
论文链接： https://doi.org/10.1016/j.matdes.2026.116962
（供稿：吕星龙）