光学天线作为微波／射频天线在光学波段的延伸,可以在亚波长尺度上对光场进行调控,因而得到了广泛关注,它可以应用于近场光刻,近场显微,纳米操纵和非线性光学等众多领域。在众多的光学天线类型中,领结形纳米孔光学天线由于其超透射特性和产生局域增强光点的能力而格外引入注目。本文基于领结形纳米孔光学天线的近场局域增强特性,提出了一种新的背面刻蚀的加工方法,可以得到间隙宽度小于16 nm的领结形纳米孔,进而大大提高其近场局域特性。之后将这种加工方法应用于近场扫描光刻的模板制备中,实现了16 nm的加工分辨率。然后我们对领结形纳米孔的结构形式进行拓展,将出射面间隙处用金属桥相连,从而实现电场和磁场的同时局域增强。最后我们进一步扩展其结构形式,通过将多个领结形纳米孔串联,产生法诺谐振,实现对波长的纳米尺度选择。本论文工作对改良光学天线的制备工艺,实现高分辨率,低成本的纳米制造技术以及光学超材料的研究有重要意义。具体研究内容如下：1.对领结形光学天线的光学特性进行了研究,并分析其内在的物理机理,在此基础上提出出射面间隙宽度作为影响近场局域增强特性的关键指标。分析了聚焦离子束加工中的非陡直侧壁产生的物理机理及其对出射面间隙宽度产生的展宽效应。据此提出了背面刻蚀的方法解决了非陡直侧壁的影响,制备出间隙尺寸稳定小于16nm的领结形纳米孔。用时域有限差分的仿真方法和散射式近场光学显微镜的实验方法分别研究其近场特性,并与正面刻蚀方法制备的纳米孔进行对比,表明其具有更加优越的近场局域特性。进一步将邻近加工方法与背面刻蚀方法相结合,制备出间隙尺度小于5 nm的领结形纳米孔光学天线。2.将背面刻蚀的方法应用[于近场扫描光刻的模板力工中,制备出间隙宽度稳定小于15 nm的领结形纳米孔。利用调制传递函数,计算和比较背面刻蚀和正面刻蚀加工出的纳米孔可以实现的光刻分辨率。引入柔性平台技术,控制模板与光刻胶的接触,并搭建一套近场扫描光刻系统。在实验中比较两种加工方法加工的领结形纳米孔应用于近场光刻的分辨率以及纳米孔间隙尺寸对分辨率的影响,并与理论分析的结果对比。最终通过优化曝光参数和扫描速度,得到16 nm的加工分辨率。3.扩展领结形纳米孔光学天线的结构形式,将出射面间隙用金属桥相连,实现电场和磁场的同时局域增强并用光学电路理论和虚拟电流环理论进行解释。研究桥的三维尺寸和金属膜厚度对电场和磁场强度的影响,进一步研究其内在的物理机理,并对结构参数进行优化。得到金属桥上表面最大电场增强和磁场增强分别为585和170,金属桥下表面分别为5200和1439。而在x,y方向上,电场的半高宽为46 nm和64 nm,磁场为32 nm和34 nm。并用背面刻蚀的方法加工出参数可调的桥连领结形纳米孔光学天线,提出测量近场电场和磁场分布的实验方案。4.进一步扩展领结形纳米孔光学天线,将多个领结形纳米孔串联,实现纳米尺度的波长选择.该结构在垂直入射光激励下,产生超辐射宽谱偶极子模式和亚辐射窄谱多极子模式,两种模式干涉产生法诺谐振峰。时域有限差分仿真和散射式近场光学显微镜测量表明,在法诺谐振峰附近,法诺谐振情况发生明显变化,导致近场幅值和相位分布改变。综合分析幅值和相位信息,可以对法诺谐振的物理机理进行研究。这种近场分布的变化,可以应用于纳米尺度的波长选择,不同波长的入射光选择性通过不同通道。利用波长选择比,对波长选择特性进行定量表征。本论文的创新点：1.提出了背面刻蚀的加工方法,制备间隙宽度小于16 nm的领结形纳米孔光学天线,并用散射式近场光学显微镜进行高分辨率近场表征。并将这种背面刻蚀加工的具有优越近场局域性能的纳米孔用于扫描近场光刻,结合柔性平台技术,实现了16nm分辨率的近场扫描光刻。2.设计了新型桥连领结形纳米孔光学天线,实现对电场和磁场的同时局域增强,并利用光学电路理论和虚拟电流环理论进行解释,研究桥的三维尺寸和金属膜厚对电场和磁场强度的影响,并优化结构参数。3.设计了新型多领结形纳米孔光学天线,通过法诺谐振的产生,实现纳米尺度的波长选择,并利用多波长散射式近场光学显微镜对其近场幅值和相位进行表征,研究其内在物理机理。