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金属表面的自由电子振荡与入射光耦合可以形成紧束缚于金属表面的电磁波模式,包括传输的表面等离极化激元(SPP)和非传输的局域表面等离激元(LSP)。所具有的超快响应速度,亚波长局域和场增强效应等优良特性使得它们在全光芯片、数据存贮、信息传递、成像、生物传感、太阳能等领域有重要的应用价值。近年来,随着微加工技术的不断提高,人们可以通过金属表面的微结构设计实现对SPP和LSP的有效调控,极大地提高了人们对光的操控能力。而表面等离激元光子学也成为了目前最热门的研究领域之一。 本文的研究工作正是在表面等离激元光子学的研究背景下展开的。通过金属表面微结构的设计在光场调控,偏振调控,光谱响应等方面做了实验和理论研究。内容包括调控SPP散射实现空间无衍射光束,基于介质加载等离激元波导实现空间光的偏振调控以及一种复合平面超材料的光学性质研究。 1)光束在传递的过程中由于衍射效应的存在会逐渐展宽,能量也随之快速衰减,而无衍射光束能够超越衍射效应的限制,在光信息传递、光子器件集成和粒子操纵方面有很好的应用价值。我们从Helmholtz方程出发,推导了Bessel光束、Airy光束以及非傍轴的Bessel型和Mathieu型光束等几种无衍射光束的数学形式。并提出了一种基于SPP的相位调制方法,利用金属表面非周期光栅的散射将传播的SPP转换成空间的Airy光束和Bessel光束。通过实验和模拟计算验证了空间Airy光束的无衍射、自弯曲、自愈合等特性。 2)利用相位调制方法可以方便地实现其他形式的空间光场分布,同样通过金属表面光栅的设计我们实现了对SPP散射光的点聚焦,线聚焦和准直。其中光的聚焦是对光场最基本的操作之一,光能的聚集、光探测、成像等应用都离不开聚焦。通过对相位调控方法的简单变换,可以实现任意焦距和角度的斜聚焦。实验上我们在介质加载等离激元波导体系中实现了对不同模式的斜聚焦,将正交的TM0模和TE0模分别聚焦在不同的位置,通过改变激发光的偏振实现聚焦的动态调控。 3)通过对周期阵列的设计实现想要的远场频率响应和近场强度分布一直是人们追求的目标,其中平面超构材料由于加工的方便得到了广泛而深入的研究。我们设计了一种具有连续性形貌的复合“鱼鳞”平面超构材料,它的每一个重复单元由两条异质开口环链组成。这种阵列能在近红外支持双暗模式的激发,分别是对称杂化模式和反对称杂化模式。我们基于模拟计算和杂化模型理论,研究了这两种暗模式的起源和激发条件。并比较了双链结构的杂化模式与单个“超分子”的杂化模式之间的联系和区别。我们的结果为复杂超构材料及其动态调控的研究和设计提供了一定的参考。