在過去的幾十年裡，調控材料光學特性的新興領域逐漸發展起來。如果設計和制備出某種特殊的材料，通過全反射、在特定方向傳播、在特定空間內限制等方式，能夠調控所需頻率範圍的光波，將會帶來巨大的技術變革。例如，能夠引導光波的光纖光纜已經地改變了電信行業。光學材料步能夠推動激光工程、高速計算機和光譜學等領域的發展，這就是本書寫作的初衷。
1.2光子晶體
什麼樣的材料可以控制光的傳播呢？這個問題可以用現有的電子材料行類比說明。晶體是由原子或者分子周期排列構成，而原子或分子在空間周期重就是晶格。晶體對在其中傳輸的電子產生周期性勢場，晶體的成分和晶格的幾何構型共同決定了晶體的導電性。
量子力學理論解釋了物理學中周期勢場的一個重大謎團：在導電晶體中，為什麼電子的傳播方式與氣體中的自由粒子一樣？如何避免被晶格散射？答案是電子以波的形式傳播，符合特定條件的電子波可以在周期勢場中傳播而不發生散射（它們可能會被缺陷或雜質散射）。
重要的是，晶格可以阻礙特定的波傳播。晶體的能帶結構可能存在光子帶隙，即禁止某些擁有特定能量的電子沿特定的方向傳播。如果晶格勢足夠強，這個光子帶隙可以擴展並覆蓋所有可能的傳播方向，形成光子帶隙。例如，半導體在價帶和導帶之間存在著電子帶隙。
光學領域的類似材料就是光子晶體，其中原子或分子被不同介電常數的宏觀介質所取代，周期勢場被周期介電函數（或等效周期折射率）所代替。如果晶體中材料的介電常數差值足夠大，材料對光的吸收小，那麼在各界面上光的折射和反射能夠對光子（光模態）產生許多類似於原子勢對電子產生的現像。采用光子晶體（低損耗的周期性電介質）就是控制和操縱光的有效方案之一。是可以通過設計和構建具有光子帶隙的光子晶體，避免特定頻率（如特定波長範圍或）的光沿某些方向傳播，光子晶體也能允許光以異常而有效的方式傳播。
為一步延伸這個概念，也需要考慮金屬波導和諧振腔與光子晶體的關繫。金屬波導和諧振腔廣泛應用於微波傳輸的調控，金屬諧振腔的腔壁屏蔽了頻率在一定閾值之下的電磁波的傳輸，金屬波導隻允許波的軸向傳播。對於頻率不在微波範圍的電磁波，如可見光，如果具有類似的性能也將具有廣闊的應用前景。但是，可見光的能量在金屬材質中會很快耗散，所以這種光學控制方法不能一概而論。光子晶體可以利用諧振腔和波導的特性來覆蓋更寬的頻率範圍，如可以構建毫米尺度給定形狀的光子晶體來調控微波，或者微米尺度的光子晶體來調控紅外光。
還有一種廣泛應用的光學設備是多層介質鏡（Multilayer Dielectric Mirror）如1/4波長多層膜，它由多層不同介電常數的材料交替排列而成。特定波長的光照射到這種多層材料上會被反射。原因是光波在材料的每一層界面處被部分反射，如果空間具有周期性，那麼入射光的多次反射會發生嚴重干涉，直至消除光波的傳播。1887年，Rayleigh闡述了這種眾所周知的現像，它是眾多光學設備的設計基礎，其括介質鏡、法布裡-珀羅濾光器（Fabry-Perot Filters）和分布式反饋激光器（Distributed Feedback Lasers,DFL）等。這些設備含一維周期排列的低介電損耗材料，定義為一維光子晶體。即使是簡單的光子晶體都能夠擁有令人驚訝的性能。盡管普遍觀點認為反射隻適用於法線的入射光，但通過設計的多層介質材料可以反射從任何角度入射的光，即具有任意角度偏振——全向反射性能。
在某些頻率範圍內，如果光子晶體能夠阻止任何光源向任何方向傳播的偏振電磁波，則說明晶體具有光子帶隙。擁有光子帶隙的光子晶體很顯然是全角度反射器，但反之未必正確。前面提到的多層電介質雖然並沒有光子帶隙（因為材料僅在一個方向上存在界面），但仍能設計成全角度反射器，且於遠離晶體的光源。通常為了獲得光子帶隙，主要方式是電介質晶格必須沿三個軸向周期排列，形成三維光子晶體。但是也有例外，在周期排列的介質中存在少量缺陷並……
