通过在亚波长尺度上调控材料的光学特性,超材料和超表面的新领域已经出现,并展现了对电磁场的显著控制。然而,控制和操纵电磁波通常需要纳米级的结构材料,这只有通过高保真的先进纳米制造工艺才能实现。超薄介电薄膜、半导体和金属层的堆叠提供了一个具有类似或独特特性的替代平台。光子学中薄膜的新时代提供了除干涉光学涂层之外的许多新的可能性。这些应用包括完美和选择性的光吸收、结构色、气体传感、增强自发辐射、生物传感、能源、成像应用以及超透镜。此外,基于硫系化合物的相变材料（PCM）的有趣光学特性的发现再次为光子数据存储创造了机会,因为这些材料的光学常数可以通过热、光学或电子手段快速激活。由于这些材料可以快速调制并具有多功能性,因此非常适合用于可重构光子器件。此外,石墨烯也作为一种潜在的有源光电子材料在薄膜结构中得到应用。本论文讨论了下一代基于薄膜的纳米光子学器件的智能化、功能化和可调谐的薄膜基金属-介质纳米腔的设计策略。我们介绍了这些薄膜结构的潜在应用,包括自发辐射、光电子、可重构薄膜纳米光子器件、光学计算和热设计管理。能源和光电子是薄膜纳米光子学至关重要的两个关键领域。自发辐射（SE）是与光的产生有关的基本现象,它对于微型激光器、发光二极管、用于量子信息的单光子源和太阳能收集等各种应用至关重要。我们通过数值模拟的方式研究了可调谐双曲超材料（HMM）对量子发射器自发辐射率的动态控制。可调谐性是由于PCM能够在光学或电学上改变相位,以及石墨烯在外部偏压时能够通过化学势改变电导率。我们研究了作为可调谐HMM潜在构件的几种材料,以在可见光、近红外和中红外波长范围内调节自发辐射率。通过在HMM中加入可调谐的金属或介电薄膜,金属-介电薄膜堆栈在给定频率下的色散可以实现从椭圆色散到双曲线色散的拓扑转换。这种转换改变了发射器的局域光学态密度,从而改变其发射率。由于PCM的可调谐特性,其在光电子应用中变得越来越重要。利用光学常数对比度大的PCM中的可逆和亚纳秒快速开关,我们提出了可实现近乎完美光学调制的纳米腔。调制器从可见光到近红外（NIR）具有可调谐、完美和多波段吸收。有趣的是,由于Sb2S3的高折射率,所设计的腔支持超薄（～λ/15）Sb2S3薄膜中的临界共振,具有完美、宽带和可调谐的吸收。此外,当Sb2S3从晶体相（Cry）（Eg=2.01 eV）变到非晶相（Amp）（Eg=1.72eV）时,其带隙（Eg）表现出显著的对比,并且与传统半导体（如Si、MoS2和TiO2）相比,在其非晶相与Au形成最低的肖特基势垒。我们提出了基于PCM的热电子光电探测器（HEPD）设计。提出的HEPD可以实现响应范围为720 nm＜λ＜1250 nm（Cry）和604 nm＜λ＜3542 nm（Amp）的可调谐吸收。我们还提出了一种利用相变材料VO2的半导体-金属相变实现单腔和双腔之间切换的新方案。VO2作为耦合介质集成在双腔中,在相变到金属相时,响应性提高了 50%。此外,我们还提出了一些具有光谱和角度选择性响应的薄膜设计。这种多层膜设计可用于辐射制冷（RC）、热伪装和热管理。RC是一种被动制冷方法,原则上不需要能源消耗,可以显著减少制冷行业的碳足迹,并成为全球净零碳排放的主要推动力。尽管这是一种古老的冷却技术,但纳米光子学建模、工具和制造的出现导致了辐射制冷技术的重大突破,在克服了一些瓶颈后,可以扩大辐射制冷的应用领域。为此,我们分析了角度选择性对热发射器辐射制冷性能的影响。我们提出了一种实用的发射器设计策略,该发射器的厚度为9 μm,比之前提出的角度选择性薄膜薄2个数量级以上,层数少3个数量级。我们的结果表明,结合角度和光谱选择性对于达到亚冰点温度是必要的。虽然光谱选择性热发射器在潮湿环境中的冷却性能较差,但角度选择性热发射器即使在高湿度水平下也能达到亚冰点温度。我们发现,角度选择性对寄生加热并不稳定,需要严格的热管理。接下来,我们基于多层膜设计了一种结合热伪装和有效的热管理的结构。各种各样的热应用引起了人们对伪装技术的日益关注。特别是,红外（IR）伪装对于有效隐藏高温物体至关重要,然而由于物体的热辐射取决于物体温度的四次方,使得这很有挑战性。在高温下进行热管理的红外伪装已被证明是有效的热管理。我们设计了一种由多层薄膜制成的智能、功能性的角度和光谱选择性膜层,用于热伪装和有效的热管理。这种膜层是HMM、梯度ε近零材料（ENZ）和顶部的聚合物聚醚酰亚胺（PEI）的组合。HMM使膜层在可见波段透明而在红外区域全反射。ENZ层在大气窗口 8-12 μm中提供Berreman（BZ）模式（较大角度:～50°-80°）,PEI在5-8 μm非大气窗口中提供吸收带。因此,通过这种由PEI吸收带（非大气窗口5-8μm）和梯度ENZ层（较大角度:～50°-80°下）在大气窗口中的辐射制冷组合,有望实现有效的热管理。同时,该膜层可以提供红外伪装（大气窗口 8-14 μm,＜50°）。双曲超材料使膜层在可见波段透明（类似电介质）和红外波段反射（类似金属）。因此,结合非大气窗口和红外伪装,可以在大气中实现同步辐射制冷,从而提供更有效的解决方案来管理设备中的热量。我们在石英气凝胶层上添加膜层的结果表明,模拟中的表面温度从800 K降至400 K。最后,我们讨论了薄膜在光学计算方面的潜力。最近,人们对基于波的模拟计算产生了极大的兴趣,这种计算可以避免模拟到数字的转换,并允许大规模并行操作。特别是,基于人工设计的光子结构、基于纳米结构的设计,如超表面,提出了基于波的模拟计算的新方案。我们提出了一种基于金属介质腔的无光刻薄膜设计,通过调谐波长实现明暗模式的成像。这种设计可以直接应用于显微镜,并作为生物成像中非常有用的工具。空间微分的概念在基于边缘的分割和图像锐化等应用中起着重要作用。梯度算子（一阶）和拉普拉斯算子（二阶）是二维中最简单的导数算子,因此在这些应用中起着至关重要的作用。以电子方式实现空间微分是有可能的。然而,在需要高通量图像微分的实时应用中,数字计算被证明具有挑战性。使用光模拟计算可能克服这些挑战,光模拟计算可能提供高吞吐量和低能耗操作。先前的空间微分学研究主要集中在一维或反射模式的纳米光子学结构上,而透射模式的操作更可取,因为它直接用传统的图像处理和识别系统实现。此外,基于传输模式的图像微分器通常由纳米结构、超表面或光栅制成,或者基于薄膜的图像区分器由于涉及多层设计（＞23层）,需要适当的优化,导致整体厚度较大。我们在理论和实验上演示和讨论了一种超薄（～600 nm）图像微分器,其数值孔径接近1,工作在透射模式和反射模式下。通过这种超薄的金属和电介质膜层,可以使用不同工作波长的反射和透射模式实现明暗场成像。