二维光子晶体能带调控及其表面晶格共振特性研究
摘要
二维光子晶体的能带结构使其能在亚波长尺度调制光波，在微纳光子器件领域受到
广泛关注。实空间中微纳结构的晶格排布、晶格周期、单元尺寸、占空比和环境折射率
与倒易空间能带结构存在密切联系，其丰富的自由度为光学模式调节带来巨大的优势和
发展前景。
金属的表面等离激元模式在具备局域场增强作用的同时，能够突破光学衍射极限，
常用于纳米尺度光信息传输和光与物质相互作用增强的研究。但由于等离激元系统中金
属存在较强的欧姆损耗，在金属和介质界面传播时存在相位失配而无法向自由空间中辐
射，导致其应用受限。当二维光子晶体的周期性结构与等离激元体系相结合时，可以弥
补这些缺陷，提供相位匹配并抑制损耗，从而获得高品质的共振，即表面晶格共振
（SurfaceLatticeResonance，SLR）。这种具有窄线宽，高强度的共振模式大大提升了光
与物质的相互作用效率，在荧光发射增强、生物传感探测和光信息传输等领域展现出广
阔前景。
本论文基于周期为400nm的金属光子晶体结构，分别在六方晶格排布的银纳米孔
阵列和蜂窝晶格排布的铝纳米锥阵列上，分析并调控其能带结构与荧光染料罗丹明6G
（Rhodamine6G，R6G）发光产生的相互作用，实现了具有方向性和偏振依赖性的放大
自发辐射（AmplifiedSpontaneousEmission，ASE）发光现象，并依据能带和SLR在动
量空间的信息探究ASE特性。本论文主要研究内容如下：
（1）基于实空间与倒易空间的转换构建传播路径模型，采用传播路径模型和时域
有限差分方法（Finite-DifferenceTime-Domain，FDTD）对晶格的能带和光谱进行仿真与
分析，系统性研究了六方晶格与蜂窝晶格光子晶体能带及其SLR特性。
（2）采用阳极氧化和物理气象沉积方法，制备了六方晶格银纳米孔和R6G的复合
结构，实现了基于周期性调制表面等离极化激元（Bloch-SurfacePlasmonPolariton，Bloch-
SPP）的放大自发辐射现象，并对发射光的方向性与偏振依赖性进行了研究。随着信号
发射方向与偏振的改变，可以同步实现光强度的变化，在光放大器、光开关和集成光子
器件方面有着良好的应用前景。
（3）基于蜂窝晶格铝纳米锥阵列结构的SLR实现了R6G的放大自发辐射，搭建了
动量空间能带测量系统，揭示能带与SLR在倒易空间中的光学特性，探究发光信号的光
哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文
参量调控原理，对研究微纳结构中的光模式调控和光与物质相互作用具有重要的参考价
值。
关键词：表面晶格共振；放大自发辐射；金属光子晶体；能带结构；
二维光子晶体能带调控及其表面晶格共振特性研究
Abstract
Thebandstructureoftwo-dimensionalphotoniccrystalsenablesthemtomodulateoptical
wavesatthesubwavelengthscale,whichhasattractedmuchattentioninthefieldofmicro/nano
opticaldevices.Thelatticearrangement,latticeperiod,sizeofunitcell,occupationratioand
refractiveindexofnanostructuresinrealspacearecloselyrelatedtotheenergybandstructure
ofreciprocalspace,whoseabundantdegreesoffreedombringgreatadvantagesand
developmentprospectforopticalmodemodulation.
Surfaceplasmonsofmetalp