纳米光学天线虽然是传统射频微波天线在光频段的对应物,但其物理特性和标度行为却与传统天线有着很大的不同。例如,纳米光学天线利用金属结构中表面等离激元特有的光学特性,可以在光波段范围内对传播场与局域场(隐失场)进行有效的相互转换。此外,纳米光学天线在新型光源、高密度数据存储、光刻、太阳能电池、光学显微镜及拉曼散射等领域的应用前景都相当广泛。在纳米光学天线的研究中,由于需要在亚波长尺度实现光波的转换和增强,所以对其结构尺寸的设计和性能的优化始终是一个重要的挑战。本文针对纳米光学天线的物理特性及应用,主要从以下三个方面展开了研究:1)基于表面等离激元的物理学,对偶极子源与纳米光学天线的系统理论进行了详细阐述,并对球形和椭球形两种天线的珀赛尔因子以及效率这两个极为重要的物理量进行了研究,研究它们对偶极子源与天线之间的距离、天线半径以及入射光波长的依赖关系,计算出了不同金属在不同光波段下的介电常数,并使用Matlab对推导结果进行了验证。此外,还研究了不同材料下的球形纳米光学天线物理特性。2)采用时域有限差分法(FDTD),对工作于可见光和近红外光波段的偶极纳米光学天线的形状和尺寸进行研究,并且使用软件FDTD Solutions仿真了特殊结构的偶极天线,获得天线的珀赛尔因子和效率随入射光波长的变化规律,其中主要对偶极天线的尺寸,电偶极子源的位置等方面对天线特性的影响进行了仿真分析;然后增加天线阶数,逐渐过渡到蝶形天线,并对蝶形天线尖端角度的变化对天线特性的影响进行了介绍。通过对比分析,得到小角度的蝶形纳米光学天线的特性最佳,为最优结构。3)对纳米光学天线的应用进行了初步探索,首次提出了把光波导与纳米光学天线相结合,利用纳米光学天线对被探测的信号进行放大,再使用光波导构成的光子势阱,利用其共振效应对电磁信号段进行选择。为此,先从理论上论证了基于光波导的光子势阱模型,然后设计了系统模型,研究了光波导光子势阱问题,使用Matlab对影响透射系数的各种参量进行了仿真分析。