为了实现红外波段的双频带完美吸收，采用将不同电子掺杂浓度的单层带状黑磷在同一平面内交错排列的方法，进行了理论分析和仿真模拟，得到了此器件在红外波段的吸收光谱和传感性能。结果表明，此吸收体可以在波长2 μm~5 μm的红外波段范围内实现双频带的完美吸收（吸收率大于99.9%）,此高吸收率是由于入射光波与器件满足了临界耦合条件而形成了共振加强; 在共振波长处，光波被限制在黑磷附近; 此超材料吸收体的双频带特性在其作为传感器使用时具有独特的优势，可以提高传感器的可靠性和准确性; 吸收波峰的偏移量与覆盖在此器件上的未知物质的折射率基本呈线性关系，用此器件测得的未知物质的折射率与实际的折射率的误差在1%以内。该超材料吸收体结构简单，对制作工艺的尺寸精确度要求不高，在红外波段的多频带吸收和传感检测方面将会有广泛的应用。

为了提高发光二极管（LED）的发光效率, 在LED出光面放置金属光栅, 采用时域有限差分法进行了理论分析和模拟计算。结果表明, 对光栅优化后, 金属光栅对波长460nm的透射率接近1, 可提高LED的光提取效率;在此波长下, 可同时激发局域表面等离激元和表面等离极化激元, 有助于提高LED内量子效率; 且具有金属光栅结构的LED的发光效率是仅在出光面放置一层Ag薄层的LED的30倍。该研究为未来制备高发光效率的LED提供了理论指导。

为了改善金属完美超材料吸收器（PMA）制造成本高，且存在欧姆损耗的状况，同时为了解决PMA对光的偏振态和入射角较为敏感的问题，本文采用低损耗介质材料设计了双通道偏振无关介质窄带PMA，并利用时域有限差分法进行理论分析和验证。研究发现，所本文设计的偏振无关介质窄带PMA无论在横电（TE）还是横磁（TM）偏振态下，它们的吸收波长、吸收效率和半峰全宽都相同。TM和TE偏振能够在同一波长实现窄带宽超高吸收，是因为PMA结构是旋转对称的。PMA之所以会实现双通道窄带宽，是因为在PMA光栅中分别形成了法布里-珀罗腔共振和导模共振，该研究可为将来制备高质量偏振无关介质窄带宽PMA提供新思路。

利用金属纳米柱阵列和石墨烯构造出一种吸收效率可调的超材料完美吸收器（MPA），并基于时域有限差分法进行了优化与分析。仿真结果表明，通过调谐石墨烯的化学势可实现吸收效率调谐范围为0.5的MPA，且MPA的最高吸收效率可达到0.97，原因是入射光在MPA中同时激发了表面等离子激元（SPP）共振和磁激元（MP）共振。分析MPA结构参数对其吸收特性的影响时发现，纳米柱的周期会影响SPP的共振波长，金属纳米柱的厚度和半径则会影响MP的共振波长，因此，可通过改变纳米柱阵列的周期、纳米柱的厚度和半径实现MPA吸收波长的调谐。

为了分析高折射率对比度光栅（HCG）参量和入射波长对光束偏转角的影响, 采用严格耦合波法设计了透射光束可偏转非周期三角HCG, 并通过时域有限差分法证明了所设计的非周期三角HCG可实现30.3°的透射光束偏转。结果表明, 当低折射率介质材料折射率从1增加到1.4时, 透射光束偏转角可实现11°的调谐；当入射波长从波长1.5μm增加到1.6μm时, 该非周期三角HCG可实现3.527°的透射光束偏转角调谐。这一研究结果可对将来制备高性能光束偏转光栅提供理论指导。

超材料吸收器(MA)是近年来非常热门的研究课题,但是如何在近红外波段实现双波长高吸收的同时还保持窄带宽是一个难题。本文提出了一种结构简单、紧凑的双通道窄带宽MA,该MA由SiO₂衬底、金薄层以及非对称周期金属光栅构成。经模拟计算发现,MA在波长λ₁=1.1005 μm和λ₂=1.19024 μm处具有高吸收效率,且线宽分别只有0.21 nm和3 nm。对MA的磁场分布进行分析后可知,MA在波长λ₁处实现窄带宽高吸收主要是由于表面等离子极化(SPP)共振,在波长λ₂处实现窄带宽高吸收则是SPP共振和法布里-珀罗(FP)腔共振的共同作用。最后研究了MA结构参数对其吸收特性的影响,结果发现改变MA参数能够实现MA吸收波长λ₁和λ₂的调谐。

为了能够同时提高GaN发光二极管（light emitting diode，LED）的光提取效率和内量子效率，将GaN LED与准对称光波导（包含光栅、Ag薄层和SiO₂层）集成，并基于时域有限差分法对该结构的GaN LED进行了优化与分析。经模拟计算发现，有源区发出的光在Ag薄层激发了表面等离激元，且表面等离激元与有源区产生了珀塞尔效应，因此显著提高了内量子效率。另外，高透射光栅使得LED的光提取效率得到显著提高，且光栅层使得 Ag薄层两侧处形成了折射率准对称的波导结构，这进一步提高了表面等离激元的光提取效率，且Ag薄层两侧的电场呈均匀分布。

为了改善因为铟锡氧化物(ITO)薄层对紫外光具有高吸收率, 从而导致石墨烯紫外LED低光提取效率(LEE)问题, 采用ITO微纳结构(矩形和三角形)作为石墨烯紫外LED缓冲层的方法, 利用时域有限差分法, 对ITO微纳结构进行优化, 并对石墨烯紫外LED进行了理论分析。结果表明, 当矩形微纳结构厚度为160nm、占空比为0.7、周期为220nm时, 在单层石墨烯下紫外LED的LEE可达10.668%;利用矩形微结构作为插入层相比于利用ITO薄层作为插入层的单层石墨烯紫外LED提高了45.06%; 而当三角微纳结构在最优参量时, 石墨烯紫外LED的LEE仅有6.64%, 明显低于ITO薄层石墨紫外LED。该研究可为后续制备高光功率的紫外LED提供理论基础。