光子晶体和亚波长金属微结构材料属于人工微结构功能材料领域，它们分别利用介质的介电常数周期性分布和金属或金属-介电微结构来调控光子的行为。人工微结构功能材料给人们调控光和相关元激发的能带结构和传输性质提供了新的材料体系和物理原理。本论文研究了基于人工微结构功能材料的新效应、新器件以及新性能。针对光学器件中对光场局域的特殊要求，研究了表面等离子体的局域增强效应及光子晶体自准直、带边共振效应对光场的调控作用;基于上述效应研究了新月传感器、光子晶体自准直传感器及光子晶体新型面发射激光器;结合介电材料与金属材料，构建了新型的人工超材料，该材料具有传统功能材料所不具备的性能。　　本文的主要研究内容和创新点为:　　1.研究了基于纳米新月结构的表面等离子波的相干调控及其在化学传感和位置探测中的应用。采用粒子外侧向激发表面等离子体的方式，从TM光三个分量的角度详细分析了纳米新月结构的电磁场局域。发现了纳米新月结构存在显著的表面等离子波的干涉效应，利用相长干涉可增强探测信号和扩大可探测区域。单个新月结构的灵敏度达到940 nm/RIU，FOM值约为7，与最近国际报道的局域表面等离子共振传感器的指标可比拟。而新月对结构虽然只有450 nm/RIU，但其可实现不同功能区的分离和可控传感。还研究了引入其他金属纳米粒子对单个新月结构灵敏度的影响。另外，首次从理论上研究了新月结构在位置探测中的应用，加入探测光的相位作为探测参数可提升位置探测的准确度。这些研究使得纳米新月结构有望用在生物化学医疗传感、信息存储及处理、纳米非线性以及太阳能电池中。　　2.首次提出了光子晶体自准直传感器的概念及设计，为光子晶体传感器家族增添了新的一员。光子晶体自准直效应具有光束传输不发散、交叉无串扰的显著优势，有望应用于光路集成、光子及量子芯片。利用此效应，我们首先设计了可调的光子晶体Michelson自准直干涉仪，理论上采用液晶调谐其开关比可达12 dB，机械调谐的带宽可达8nm。然后，基于光子晶体折叠型Michelson自准直干涉仪设计了一种新型的折射率传感器。引入两个传感功能区，其中干涉臂区适用于小折射率变化范围的精确探测，而反射镜区适用于大折射率变化范围的粗略探测，从而可实现先定折射率变化区间再做精确确定的通用型传感。粗略探测时的FOM*最大为14.7，精确探测时灵敏度达到157.5nm/RIU，FOM为13.3，与最近国际报道的光子晶体传感器的指标可比拟。此外，我们还给出了一种单片集成的并行传感器阵列的灵活设计。光子晶体自准直传感器概念的提出以及新设计，有望用在单片集成、廉价、高灵敏度、无标签、实时的并行传感中。　　3.将FP激光器及光子晶体融合集成在一起，设计了新型的横向腔光子晶体面发射激光器。在无DBR结构的商业外延波导晶片上，利用深孔刻蚀技术使光子晶体穿透或接近有源区来直接或间接调制有源区的激射模式，以获得Γ2-1模式的横向振荡、垂直输出特性。在光子晶体未穿透有源区时，室温下获得了电注入1575 nm的面发射激光。与光子晶体穿透有源区的激光器相比，在出光功率、边模抑制比及阈值电流方面都有显著改善。此外，还创新性地应用光子晶体Fano共振理论分析了刻蚀的圆台形空气孔的模式特性及等效孔径。理论得到的等效Γ2-1模式与实验符合得很好，而且三维等效激光器结构的能量分布也展示了激光器的光振荡及传输特性。这种新型的激光器为电注入面发射激光器的研制提供了新的思路，为该类激光器的批量生产提供了可能。　　4.构建了介质波导光栅和金属光栅套构的超材料结构，其对1.55μm的光具有单向吸收和单向反射的特异性能。我们通过理论研究结构的吸收谱来间接反应器件的辐射性能。当采用Au光栅与SiO2波导光栅套构时，单向吸收的吸收率达到96.34％，峰宽度比仅为0.0037。吸收角谱表明，反向入射时吸收率高于90％的角度范围为0.3°，正向入射时仅为0.03°。采用Au/SiO2多层光栅取代Au光栅后，单向吸收的吸收率提高到98.71％，峰宽度比降为0.0033。正向入射时吸收率高于90％的角度范围为0.462°，反向入射时为0.102°。这些指标部分与国际现有报道可比拟，同时说明器件有望用在光信息处理和隐身技术上。而就辐射而言，两种结构类型的超材料呈现窄带、高方向性辐射，且前一种结构还具有单边辐射的特性，这些可用于器件的高效定向加热及热辐射型探测器。通过调整结构参数，辐射体的辐射波长可扩展至近中红外，有望与功率有限或高成本的红外LED和量子级联激光器媲美。这种套构的超材料结合了表面等离子体效应与光子晶体效应，是未来构建新型功能材料的发展方向之一，在此基础上的器件也将有望表现出更加优异的特性。　　总之，本论文的研究主要围绕人工微结构功能材料对光场的调控性能，构建具有特异性能及高性能的光电子器件，促进等离激元光子学器件、光子晶体功能芯片、微纳光源等器件向更加灵巧、智能化的方向发展。