随着大数据时代的到来,人们对数据传输速率和存储密度的要求日渐提高,技术成熟的电子学器件和传统光子学器件已无法满足社会进步的需求,新型光子学器件由于带宽高、小型化、易集成的优点成为解决上述问题的最佳选择。然而衍射极限的制约一直是光子学器件难以进一步小型化的拦路石。近年来,表面等离激元（Surface Plasmon Polaritons,SPPs）的相关研究为器件小型化注入新的活力。SPP作为导体和电介质界面传播的一种电磁激发,能够将能量局域在亚波长尺度,具有场增强效应,同时不受衍射极限的制约,在通讯技术、数据传输、生物传感、太阳能电池等诸多领域具有十分广泛的应用前景。传统等离子学（Plasmonics）多以金属材料为载体来研究SPP的激发,但金属材料的固有损耗严重影响SPP相关器件的性能,从而限制了SPP的应用,因此低损耗的半导体材料成为研究的热点。目前,利用极性不连续在半导体界面产生二维电子气或二维空穴气的相关研究备受关注,为相邻半导体界面激发SPP提供契机。本论文基于铌酸锂（Lithium Niobate,LN）和氧化铟锡（Indium Tin Oxide,ITO）系统的界面极性不连续产生的二维电子气,系统地研究了ITO/LN界面支持的可见光波段SPP的激发及其与入射光的亚波长耦合带来的一系列新奇现象,并将该激发系统拓展到无覆盖的极性钽酸锂中,为设计新型光子学器件和光子回路提供了新的思路。首先,基于铌酸锂的强自发极化实现了ITO/LN界面静电改性所致的金属化。利用扩散方程和Thomas-Fermi屏蔽模型计算得到紧邻铌酸锂的ITO薄层中的载流子密度分布和界面电场分布,发现界面改性厚度为纳米量级且近界面处的载流子密度可与贵金属金和银相媲美,表明界面形成了类金属薄层。基于获得的载流子密度,分别利用Drude模型和密度泛函理论计算了不同改性程度的ITO薄膜的介电常数。在高密度载流子的作用下,改性后的ITO在可见光和近红外区域实现了负数的介电常数实部,表明ITO/LN界面可以支持相应波段的SPP激发。随后,基于铌酸锂自发极化的方向性导致的两个ITO/LN界面极化电荷电性的不同,通过实验测量得到两个界面光学响应的差异,表明界面电荷的电性会影响界面的光学响应。利用界面处积累的丰富载流子并借助光折变位相光栅的诱导在实验上实现了界面SPP的激发,并分析了两个界面激发的SPP的传播特性,发现不同界面的SPP激发不仅可以极大地增强与入射光之间的能量耦合,而且能够提供相反的能量转移方向。通过测量ITO覆层Z-切割掺铁铌酸锂晶片的第一表面反射,得到高达1.73×105 cm-1的指数增益系数,比原来报道的实验值高三个数量级,证实了亚波长能量耦合的存在。分析了SPP激发引起的非对称散射和类杨氏双缝干涉现象,证实了两个界面能够支持两组独立传播的SPP并进一步发现SPP可以继承入射光的相干性。依据ITO和铌酸锂的+Z与-Z界面处积累的光伏和热释电电荷电性相反的特性,揭示了两界面处位相光栅的π相位差,成功诠释了两界面截然相反的第一表面反射变化趋势。通过改变入射光的偏振状态和光程初步分析了弱相干和非相干光激发SPP的可能性。最后,利用无覆盖的掺铜钽酸锂晶体研究了极性材料的自发极化所致的静电改性并在其表面实现了SPP的激发,将ITO/LN系统激发SPP的方法拓展到一般的极性铁电材料中。利用密度泛函理论分析了钽酸锂表面的电荷积累所致的静电改性,同时在实验上证实了表面金属化,并通过光折变位相光栅的介导实现了SPP的激发。分析了SPP与可传播光束的耦合过程并对观测到的透射圆环及沿表面的散射模式进行了解释。本论文的研究拓展了支持二维电子气的材料范围,并为研究低损耗、可调的表面等离激元器件提供理论依据和实验指导,在界面二维材料、光逻辑门、光电调控、电光器件集成化等领域有着广阔的应用前景。