复杂微纳米结构的光学特性研究在超材料设计和制备、空间光场调控等领域具有广泛的应用前景,也是当前研究热点课题之一。各类微纳米表面结构或膜系结构制备中表面微粗糙度或缺陷的存在对其光学特性会产生明显的影响,研究具有微缺陷的微纳米结构复合光散射特征,对微纳米膜系结构的设计、无损检测、光学操控和超材料研究的发展与应用具有重要的研究意义。本文主要研究了不同微纳米结构介质表面光场特性以及与单、双或者周期排布粒子,以及微纳表面镶嵌或者掩埋多层粒子的复合/差值场光散射特性,并且对金属纳米结构表面等离激元效应、含缺陷微纳表面光场调控以及多层膜系微纳结构表面光学微操控进行了研究。论文的主要研究成果与创新之处:1.基于时域有限差分基本原理,并运用蒙特卡洛方法建立了二维半空间微粗糙光学表面与目标复合散射模型。系统地研究了微粗糙光学表面与多体目标的复合/差值场散射特性,对多个缺陷粒子以及多层微粒的定位与形态特征进行了分析,并且讨论了微纳米结构表面光学特性的影响因素。2.针对掩埋于三维光学表面的周期排布粒子的检测问题,研究了含微粗糙度光学表面掩埋周期排布缺陷粒子的光散射特性,运用差值场与互易性定理相结合理论,建立了周期缺陷粒子的双站差值雷达散射强度模型,对比分析了周期缺陷粒子的差值场散射频域变化。重点研究了周期缺陷粒子在总散射场中的散射贡献,分析不同因素对散射特性的影响规律。3.基于金属微纳结构中光散射产生的等离激元特性,本文将Drude模型与高斯波束结合,建立微纳尺度下特殊结构微纳表面等离激元激发与分布特征的计算模型。数值分析了不同微纳结构下等离激元色散关系与激发条件,通过微纳结构的改变对超材料表面的光场进行了有效地调控,系统研究了形态缺陷、粗糙度等不同因素对单层/多层周期结构薄膜表面的光场特性的影响。4.基于光学微操控的理论与应用,推导了三维全空间离散Maxwell应力张量方程,建立任意微纳结构光学操控力计算与特性分析的计算模型。结合微纳尺寸下金属特殊结构的等离激元特性,研究了表面等离激元对近表面粒子的操控特性,理论上实现了通过不同结构设计的微纳表面对微粒进行特殊运动、转移、定位与束缚。并最终讨论了不同参数因素对光学微操控的影响,通过微观机理对宏观现象进行了解释。5.基于表面等离激元的光学微操控理论,研究了多层周期结构薄膜对于近表面粒子的操控特性,建立了含缺陷三维微纳米结构光学操控计算模型,数值分析了粗糙度对多层膜系超材料表面等离激元光学微操控特性的影响,通过详细的分析与讨论,理论上验证了通过结构参数的改变消除缺陷对表面等离激元操控近场粒子的负面效应,为实际应用过程中微纳米粒子操控提供了新的思路与方法。