光子晶体是由不同折射率介质材料通过周期性排列而构成的一种人工材料。人们可以利用光子晶体的禁带和光子局域化效应来控制光子的传输行为,从而为制造光子集成器件提供可能。经过二十多年的发展,光子晶体在理论和实验研究上都取得了重大的进展。在这过程当中,光子晶体的优化设计起着非常重要的作用。近些年来,作为新一代全局优化算法的代表,遗传算法以其强大的随机搜索能力和鲁棒性得到了广大设计者们的青睐并广泛应用到各种光电磁器件的设计中。本文的主要研究内容便是探讨遗传算法在一维、二维光子晶体以及电磁吸收材料(也称吸波材料)设计中的应用,具体研究内容与结果归纳如下：(1)基于遗传算法和传输矩阵法,提出了一维光子晶体全方向反射器的通用设计方法。以非四分之一波长膜系构成的准周期光子晶体异质结为模型,得到了适用于光纤通信波段(800-2000nm)、可见光波段(390-780nm)和任意波段(0-2ω0)的全方向反射器设计结果。其中以材料Te和Si02构造的光纤通信波段全方向反射器具有800-1620nm的工作带宽,覆盖了中心波长分别为0.85μm、1.3μm和1.55μm的三个主要光纤通信窗口;以材料SnS2和SiO2构造的可见光波段全方向反射器的工作带宽为446-779nm,覆盖了绝大部分可见光；以材料Te和Si02构造的任意波段全方向反射器具有0.529-2.0ω0的工作带宽,超过了文献中报道的设计结果。为了验证上述设计方法的可行性,特别对光纤通信波段的设计结果进行了相关实验。采用脉冲激光沉积法制备了光纤通信波段的一维光子晶体全方向反射器并利用近红外光谱仪对其进行了反射光谱测量,结果显示测量值与理论值吻合的很好。(2)提出了基于非对称元胞设计大完全带隙二维光子晶体的理念。以正方晶格光子晶体为例,分别以少量六角介质柱和圆形介质柱构成的非对称元胞为模型,结合遗传算法和平面波展开法得到了元胞中含有不同数目介质柱时对应的高频带和光频线以下频带二维光子晶体设计结果。其中以五个六角介质柱构成的非对称元胞具有中心频率为1.0502x2πc／a和绝对宽度为0.1314×2πc／a的高频带完全光子带隙：而以四个圆形介质柱构成的非对称元胞结构具有中心频率为0.4084x2πc／a和绝对宽度为0.0618×2πc／a的光频线以下频带完全光子带隙。采用多重散射、边界条件和光子态密度等理论解释了上述设计结果的物理意义。(3)如何同时实现发射效率优化和发射角度控制是目前二维光子晶体波导定向发射器设计时存在的主要问题。本文从经典的Moreno定向发射模型出发,结合天线理论修正了该模型的定向发射物理机制并提出利用非对称褶皱出射面来解决上述设计问题的思想。结合遗传算法和时域有限差分法对非对称褶皱出射面进行了优化,得到了给定发射角度下的高效率二维光子晶体波导定向发射器设计结果。此外,基于修正后的物理机制,提出了采用非对称单层光栅出射面来设计光子晶体定向发射器的思想。遗传设计结果表明,利用单层光栅出射面同样可以得到给定发射角度下的高效率二维光子晶体波导定向发射器设计结果,而且得到的定向发射器从发射效率和结构复杂程度上都要明显优于利用非对称褶皱出射面设计得到的定向发射器,因此可作为一种高性能的波导耦合器件应用到光子集成器件中。(4)基于传输线理论提出了评价平板型吸波材料性能的三个目标函数。根据不同纳米材料的电磁参数,分别采用自适应遗传算法和快速帕累托多目标遗传算法NSGA-Ⅱ来设计平板型吸波材料,得到了具有二目标和三目标特征的平板型吸波材料设计方案。通过对设计结果的比较发现,多目标遗传算法相对单目标遗传算法能更好地实现多目标函数之间的权衡化并提供更为丰富和优秀的具有多目标特性的设计结果。例如利用NSGA-Ⅱ得到了一个总厚度为2.81mm的四层吸波材料设计方案,其对2～18GHz范围内以任意入射角和任意极化方式入射电磁波的平均反射损耗系数为-11.95dB,反射损耗低于-10dB的平均带宽为0.52,可应用为一种具有“吸收强、频带宽、厚度薄“特点的新一代高性能平板型吸波材料。作为一种强大的全局优化算法,遗传算法能够有效地解决各种复杂电磁器件的设计问题,对提高器件的设计效率和证明器件中存在的物理机制都起到重要的作用。本文基于遗传算法得到的光子晶体及电磁吸收材料设计结果可为本领域的研究人员提供方法上的借鉴以及工程应用上的参考。