传统透镜是通过在弯曲表面产生连续的光折射来实现光束整形的。而伴随着集成光学的快速发展,传统透镜由于其体积,性能等各方面因素的制约,使其在微纳光学系统中的应用遇到了前所未有的挑战。金属纳米天线结构能够将自由光波耦合产生表面等离子体激元(surface plasmon polaritons,SPPs),通过控制SPPs便能够调整入射光的波前形状,进而在一个很薄的平面区域内实现对光场的全方位调控。有效防止了光学畸变,像散和慧差的产生。V形纳米天线是众多表面等离子体(surface plasmons,SPs)纳米天线结构中的一种。其凭借超薄、双共振效应、全相位调控、无畸变等诸多优异特性,成为用来设计超薄平面聚焦透镜的良好选择。本文首先基于V形纳米天线设计出了一个可实现光束聚焦的超薄平面透镜。接着,针对该透镜在聚焦性能上所存在的不足提出了相关改进方法。最后,基于超振荡原理对该平面聚焦透镜进行调制,使其在远场实现了超分辨聚焦,并完成了相关实验制备与光学测试。本论文具体研究内容及相关成果如下:1.开展V形纳米天线结构光学特性研究。一方面,分析了该天线的共振模式,并利用时域有限元差分法(finite different time domain,FDTD)计算出了散射光在通过V形纳米天线时所产生的相位分布与振幅响应。另一方面,介绍了一些利用V形纳米天线阵列设计平面聚焦透镜的方法,并利用这些方法设计出了多种不同焦距、不同排列方式以及不同用途的超薄平面聚焦透镜。经过仿真计算可得,这些基于V形纳米天线阵列所设计的平面透镜结构均可实现高效聚焦。2.开展基于V形纳米天线阵列所设计的平面透镜的聚焦性能研究。为了提升SPs平面透镜的聚焦性能,本文提出了一种金属-介质-金属(metal-insulator-metal,MIM)的结构,这种结构由顶部的V形纳米天线阵列,底部的金薄膜和位于两者之间的硅介质组成。该设计通过对两层金属结构的间距及底部金属薄膜厚度进行优化,使原本在两个金属层表面单独传输的SPs波在一定条件下产生了共振耦合增强,从而使MIM结构透镜的聚焦光强比之前提升了约1.5倍。除此之外,本文还提出了一种可有效提高平面聚焦透镜分辨力的方式,即将平面聚焦透镜浸入折射率大于空气的介质中。通过计算不同折射率介质下的聚焦效果对比分析后发现,这种简单且可行性大的油浸方式不仅可以显著提高该聚焦透镜的分辨率,而且还可以增加其焦距长度。最后,本文还对基于V形纳米天线所设计的平面透镜的一些自身聚焦特性进行了分析。这些特性包括宽波段聚焦特性和斜聚焦特性。3.提出了一种基于V形纳米天线阵列的超振荡透镜(super oscillatory lens,SOL)的设计方法。即基于超振荡原理,通过相位屏蔽的方法设计出了一种可实现远场超分辨聚焦的透镜结构。通过优化设计得出,当对该透镜的第8-17圈V形纳米天线附加一个相位?时,其可在34?m处实现0.89倍衍射极限的聚焦效果。为了对其超分辨聚焦效果进行验证,本文还对制备V形纳米天线阵列的工艺方法开展探索与研究,并利用聚焦电子束(electron beam lithography,EBL)结合微细加工工艺制备出了该SOL结构。最后搭建光学检测平台完成光场分布测试。测试结果与仿真结果相差无几,从而验证了之前的设计方法及原理正确性。以上工作将促进V形纳米天线在激光直写、光学集成、超分辨成像、望远、高密度集成等方面的应用。