电磁波在媒质中的传输行为与媒质等频线的形状密切相关。双曲超材料的等频面为开放的双曲面,它支持任意大波矢的传播,将通常环境中以倏逝波形式存在的电磁波大波矢分量转换为传播场,从而实现更多奇特的电磁传输性。基于双曲线型等频面超材料,通过调节等频线的形状,制备出兼具双曲超材料和零折射率材料的新型材料,该材料不仅可以支持大波矢实现高方向性单向传输,同时可以将任意角度入射的电磁波以零角度折射,从而实现亚波长聚焦和超分辨特性。利用微波实验验证了高方向性单向传输特性、亚波长聚焦和超分辨特性,该研究为双曲超材料的理论和应用研究提供了更多的可能性。

半导体量子点因其具有精准的尺寸调控、独特的光电特性、丰富的表面活性位点等优势，在光催化剂设计和机理研究中获得了广泛关注。与传统半导体量子点主要作为光吸收单元不同，新兴的碳点更是在增加光吸收、促进电荷分离和增加表面反应位点等光催化不同环节均展现出优异的应用潜力。然而，量子点光催化剂由于小尺寸带来电荷复合严重、易团聚、稳定性差等问题而限制了其光催化性能。解决这些问题的主要途径之一是将零维(0D)量子点负载到超薄的二维(2D)纳米片上，形成0D/2D纳米复合材料，使量子点更加分散和稳定，且2D纳米材料促进的加速电荷转移能够抑制光生电荷的复合，从而可以有效地改善量子点基光催化剂的催化活性和稳定性。本文系统阐述了半导体量子点和碳点基0D/2D异质结光催化剂的构筑及应用，着重讨论了不同类型0D/2D异质结的光催化作用机理及面临的挑战，最后对其未来发展进行了分析和展望。

表面等离激元是金属表面自由电子在入射光激发下产生的电子集体振荡行为及其相应的电磁场分布。 目前, 金微纳颗粒表面等离激元除了在可见光波段内被大量研究和应用外, 在中红外波段内也显示出独特的光谱特性, 具备设计生产优良传感器的潜力, 因而同样备受瞩目。 研究表明, 在中红外波段内设计表面等离激元传感器的关键问题在于如何有效地调节共振谱的共振波长、 峰值吸收率以及半峰宽等主要特征参数。 相比于单个微纳颗粒而言, 阵列结构由于拥有良好的周期性, 从而能够在上述参数的宽光谱调节方面具有独特的优势。 基于此, 提出一种基于金微纳颗粒组成的阵列结构, 利用时域有限差分方法, 在4～18 μm波段范围内, 通过分别改变该阵列的结构参数, 包括颗粒半径、 高度、 间距及颗粒形状等, 系统地研究了该微纳阵列结构在中红外波段对入射光的反射光谱、 透射光谱和吸收光谱等特性的影响。 研究发现, 在8～10 μm光谱内, 入射光能够与其所激发的金微纳阵列表面等离激元产生共振效应, 表现出明显的共振峰特性。 可以通过分别改变上述结构参数来有效调节吸收率谱线共振峰的共振波长、 峰值吸收率和半峰宽等主要特征参数。 研究结果对中红外光谱内基于金微纳阵列结构传感器的科学研究和实际设计具有独特的理论应用价值。

基于三维光子晶体空间完全带隙的特性, 本文在实验上构建了一种由非共面的两个波导和一个立体微腔组成的四端口通道下载滤波器。讨论了球体、正方体、长方体微腔滤波器的选频特性, 以及连续旋转长方体微腔时, 其输出频率的变化。研究结果表明, 无论是对称型还是非对称型微腔, 都可以较好地实现选频。提高微腔的不对称性, 共振输出频率随之发生移动, 说明改变微腔的对称性, 可以有效调节滤波器的选频特性。连续旋转非对称型长方体微腔, 输出频率会随之发生明显的移动,如果引入有效调节机制, 可以产生连续调节输出频率的效果。该研究结果给多端口选择性输出空间滤波器的设计提供了新的思路, 为光学器件集成化的设计提供了重要的理论参考。

理论分析并实验制备了795 nm两组份偏振纠缠光场。当分析频率为1.8~6.5 MHz时, 归一化的斯托克斯算符的量子关联噪声小于1, 得到了两组份偏振纠缠态; 当分析频率大于3 MHz时, 关联噪声达到0.5左右。该非经典光源可应用于未来的量子存储, 并且可能用于实现量子通道和量子节点之间、两个量子节点之间的纠缠以及量子态的传输。

通过计算损耗型单负材料双层异质结构中的透射、反射和吸收随损耗系数的变化, 对单负材料双层异质结构基于损耗的光学性质调控进行了研究。首先, 对损耗型单负材料单层结构的透射行为进行了计算, 给出了单层结构随损耗系数增大的非单调透射的变化图像。接着, 计算了损耗型单负材料双层异质结构中的透射、反射和吸收随损耗系数的变化曲线, 并分析了不同频率下透射与损耗系数之间的关系。研究结果表明, 在远离隧穿频率处, 随损耗系数的逐渐增大, 异质结的透射呈现出先减小后增大的变化。计算的电磁场强度分布图像表明, 双层异质结中透射与损耗系数之间为非单调关系, 起源于损耗型单负材料界面处的反常场局域效应, 即随着损耗系数的增大, 场局域先减弱后增强。

将损耗型负介电常数材料-光子晶体匹配的异质结构作为基本单元排列成周期性结构，组成一种新型的光栅结构，利用有限元分析方法计算了该结构的透射特性。通过分别对比不同的光栅周期长度以及异质结构在光栅结构中不同占比对透射率的影响，确定了光栅结构的透射率与单独的异质结构相比有显著的提高。同时，通过对电磁场的分析，解释了该光栅结构透射率提高的物理原因，这是由光栅结构对电磁场的周期性调制作用导致的。

利用隧穿机制研究了含磁光金属Co6Ag94的三明治结构（磁光金属嵌入两个磁光光子晶体中）的透射性质和磁光法拉第旋转效应。在含磁光金属的三明治结构中，分别研究了双透射峰和单透射峰两种情况。研究结果表明，无论是双透射峰还是单透射峰情况，局域在磁光金属和磁光光子晶体界面上的电磁场，都能够同时增强磁光金属的透射和磁光法拉第旋转效应。另外，分析了磁光金属Co6Ag94存在增益时该三明治结构法拉第旋转角达到-45°的情况，此性质为设计小型化的磁光隔离器件提供了理论依据。

理论研究了基于各向异性光子晶体带隙的窄带带通角度滤波器。利用电磁有限元数值仿真方法计算出不同入射角的光子晶体的角度带隙结构及掺杂后光子晶体的角度缺陷模。数值计算结果表明，随着入射角度的改变各向异性光子带隙结构是可调的，而且在这个系统中掺杂后能够产生随入射角度变化的窄带缺陷模，因此掺杂的各向异性结构具有角度滤波的特性，可以实现窄带角度滤波，有望在未来的光子器件中发挥作用。