金属微结构具有丰富的非线性响应,能够提供超快的响应速度,在超快光开关、光计算、光通信、集成光子学、微纳加工、生物光子学等领域有着广阔的应用前景。表面等离激元的参与使金属微结构的非线性响应易于操控与设计,方便了器件的小型化与集成化,对于开发下一代低功率全光开关和全光可调谐装置非常重要。基于金属微结构的非线性光学器件的响应时间受到金属中电子动力学的影响,一般处于皮秒量级,缩短响应时间意味着信息传输和处理效率的提升。立足于此研究背景,本论文对银纳米棒阵列双曲超材料的线性与非线性性质进行了研究,提取了I型双曲超材料面内与面外复有效介电系数,确定了光学非定域性对银纳米棒阵列的有效介电系数的具体影响。观察到了银纳米棒阵列的基于电子-声子散射的百飞秒级超快响应,使用理论计算和模拟分析了此现象的成因与形成条件。基于银纳米棒阵列的复有效介电系数进一步提取了飞秒泵浦下银纳米棒阵列的复有效介电系数随时间的变化,发现银纳米棒阵列支持偏振敏感的超快响应,确认了该超快响应的成因主要是近零共振对透射率的动态影响。本文主要开展了以下几项工作:测量银纳米棒阵列双曲超材料的有效介电系数,并分析银纳米棒阵列的光学非定域性。首先利用B样条曲线对银纳米棒阵列的有效介电系数进行建模,使用Levenberg-Marquardt算法计算了银纳米棒阵列的面内和面外有效复介电系数。然后分析了直径不同的纳米棒阵列的光学非定域性对有效介电系数的影响,发现光学非定域性会导致双曲超材料的有效介电系数的波动与近零介电系数位置的蓝移。实验测量了直径为4 nm的银纳米棒阵列样品的有效介电系数。确定了光学非定域性对有效介电系数的具体影响,并确定了可以忽略光学非定域性影响的银纳米棒具体尺寸。实验观察基于电子-声子散射的百飞秒级超快响应,并分析其形成原因。首先测量了探测光以不同角度入射银纳米棒阵列的瞬态吸收光谱,得到了弛豫时间可调的超快非线性吸收响应。使用双温度模型和能带模型对银纳米棒瞬态吸收光谱进行建模,对实验得到的超快非线性吸收响应进行了计算,结果表明这种超快响应由电子-声子散射导致。使用有效介质理论分析了超快响应的成因与形成条件。探究了金属/电介质层叠结构等金属微结构中电子温度对透射谱的影响,发现通过改变结构能够调控超快响应。测量了飞秒脉冲泵浦下,银纳米棒阵列有效介电系数随时间的变化,并用来分析银纳米棒阵列超快响应的机理。首先用B样条参数对银纳米棒阵列的有效介电系数进行建模,测量样品的线性透射光谱与瞬态吸收光谱,通过拟合线性透射谱得到样品的线性有效介电系数,通过拟合瞬态吸收光谱得到样品的有效介电系数随时间的变化。然后利用有效介电系数随时间的变化分别分析银纳米棒阵列支持的两个共振对瞬态吸收光谱的影响,发现超快响应主要来源于样品的近零介电系数附近的共振。提取了宽波段范围的介电系数动力学曲线的弛豫时间,发现在超快表面等离激元现象中,宽波段范围内介电系数的弛豫时间没有明显变化。