近些年来,在传统能源逐渐枯竭和高新技术飞速发展的背景下,超材料作为一种新颖的科学技术受到人们的广泛关注。微纳米结构超材料具有丰富的频谱特性,为纳米光学器件提供了广阔的设计空间。基于超材料设计的微米、纳米尺寸的功能结构是光学传感器、高速光开关、光学超表面、微纳透镜、微纳天线等众多纳米光学器件的核心。本文的主要研究光与微纳结构相互作用机理,通过调控微纳结构超材料的结构特性,设计特定光谱,实现具有特定功能的微纳光学器件。本文的主要研究内容包括:(1)微纳超材料结构太阳光吸收器的设计。微纳结构可用于太阳光吸收的增强和调控,实现高效的光热转换。根据不同物理吸收机理,本文提出了多种太阳光吸收器结构,吸收效率均超过90%。铁材料被首次应用于金属吸收器的设计中,并且展示出了良好的宽带吸收性能。设计的选择性太阳光吸收器采用电磁多极子模式的吸收机理,体现出近理想选择性吸收、入射角度不敏感、吸收波段可调等特点。(2)微纳超材料结构散射特性以及定向散射现象的研究。通过对微纳结构的散射特性以及电磁多极子激发模式的研究,本文首次提出了使用结构调控的方式实现高阶的电磁四极子模式定向散射图样;此外,研究总结了散射面内实现斜向定向散射的方法,实现了散射面外定向散射的结构设计,提出了散射面外实现斜向定向散射的结构设计思路。(3)周期微纳结构的频谱特性研究。通过对周期微纳颗粒阵列中存在的多极子共振模式的激发以及调控的研究,设计基于高阶极子模式的电磁感应透明以及Fano共振频谱。首次实现了基于电磁四极子模式的电磁感应透明现象;其次,首次利用对称结构激发出暗模的四极子模式,实现了具有超高Q值的Fano共振频谱。该Fano共振峰的半波宽远小于1nm,品质因数最大可超过2×105,可应用于光开关以及光传感。(4)微纳结构相位谱的研究以及新型超表面的设计。针对传统惠更斯超表面的元素相互作用敏感的缺点,提出了两种新型的惠更斯超表面的设计方法。一种是通过结构的间距以及超表面元素的进一步优化来实现相位的矫正。利用这种方法实现了三个元素的高透射型惠更斯超表面,其反常折射角度能达到30°。另一种是使用电磁四极子模式来实现惠更斯超表面,由于电磁四极子模式对相互作用不敏感,该方法从物理上减弱结构之间的相互作用,克服了传统偶极子超表面的相互敏感特性。本文通过研究光与微纳结构相互作用的物理机理,归纳并且厘清了微纳结构中的多种电磁共振模式以及激发条件,为光频谱的设计提供了充分的物理依据。理论设计了一系列高效率的光学微纳结构或者光学表面,对于相关的光器件设备具有重要意义。研究成果涉及清洁能源利用、节能减排、光通信、光芯片等诸多应用领域,将促进光器件的高效化、微小化、功能化以及可控化。