切趾在成像和光通信领域得到了重要的应用。传统的切趾方法基于相位或者振幅调制，存在工作带宽窄或者分辨力低的问题。本文提出了一种宽带消色差的超表面滤波器，可以在不损失空间分辨力的情况下实现切趾成像。通过该滤波器在整个可见光波段完成了几乎无色散的相位调制。仿真结果表明，超表面滤波器的聚焦效率是相位滤波器的两倍；其成像对比度可以提升至高斯滤波器的三倍。通过我们的方法，在400 nm到700 nm的可见光波段内，点扩散函数的旁瓣能被压缩到10-5数量级，同时能够实现衍射极限甚至超衍射的分辨力。

超透镜是超表面在成像领域中具有较大应用潜力的平面光学器件，但限于色差和较窄的工作带宽，通常难以应用于彩色成像及显示技术。本文设计了一种相位调控型透射式超透镜，实现了400 nm～650 nm波段的宽带消色差聚焦功能，带宽范围内焦平面处的平均聚焦效率约为29%。该方法利用具有低损耗、高折射率优势的二氧化钛(TiO2)介质柱结构，在可见光波段内获得了类似截断波导产生的传输相位响应。同时分析了几何相位和传输相位相结合的色散调控机制，并使用粒子群算法对构建的相位响应仿真数据库进行优化，完成了实际波面与理想聚焦波面的相位匹配。设计的宽带消色差器件有望在显微成像、计算机视觉和机器视觉等领域发挥作用。

悬链线型亚波长结构可以实现连续的相位调控。但是, 普通悬链线孔径两端较窄, 不易于加工。另外, 以往直接在仿真软件 CST中建立复杂模型较为困难, 仿真过程较为繁琐。本文提出了用等宽悬链线狭缝替代普通悬链线狭缝, 并设计了用于产生贝塞尔光束的等宽悬链线超表面, 为二维光电器件的设计提供了新思路。在建模仿真过程中使用 Matlab调用 CST进行联合仿真, 直接在 Matlab中完成所有建模、仿真、修改参数等操作。该方法可以用于设计复杂结构, 同时结合 Matlab数值优化能力得到更理想的仿真效果。

复眼成像系统具有视场大、体积小、质量轻等优势, 近年来得到国内外的广泛研究, 是光学成像技术未来发展的方向之一。受限于较小的子孔径口径, 现有大视场复眼系统得得分辨率较低, 无法满足遥感、航空侦察等领域的需求。针对上述问题提出了双模式复眼成像系统, 该系统不仅具备传统复眼的多孔径和大视场成像能力, 同时可将所有子孔径指向同一视场, 对采集的多幅子图像进行高分辨重建, 大幅提升了成像分辨率。对该系统的原理和实现方法进行分析, 通过搭建实验装置验证了双模式成像的可行性, 为复眼成像系统发展提供了新的思路。

本文将Bowtie 孔径结构与金属-介质-金属结构相结合，提出了一种新的局域表面等离子体共振纳米直写光刻结构，得益于金属-介质-金属结构中顶层透射Ag 对透射光的放大增强以及底层反射Ag 对透射光的反射补偿作用，聚焦光斑的尺寸得到压缩的同时深度得到了显著提高，理论仿真中当焦斑的FWHM 为28 nm 时，焦斑深度可以达到20 nm 以上，这相对于传统纳米直写光刻结构，将焦斑的深度提升了4 倍。随后，通过相关验证实验在光刻胶中获得了FWHM 为47 nm，曝光深度为25 nm 的焦斑图形，进一步证实了该结构在压缩焦斑尺寸以及提升焦斑深度上的显著优势。

本文理论研究了金属 -介质多层膜光学超衍射材料频谱滤波的物理机制。严格矢量分析光波在金属 -介质多层膜中频谱耦合传输的带通行为规律, 理论分析单元厚度、填充比、膜层材料虚部和 Al/MgF2多层膜对数对空间频谱的带通窗口和透射振幅的影响因素。研究表明单元厚度和填充比主要影响空间频谱的带通窗口, 膜层材料虚部和膜层对数主要影响空间频谱的透射振幅。该研究结果有望应用于超分辨成像光刻、表面等离子体结构照明、表层显微和生物传感等领域。

本文提出和研究了利用超分辨缩小成像平板超透镜，在i 线光源波长下实现纳米尺度光刻方法。为了在超分辨透镜像面位置获得高质量的光刻图形，采用超分辨透镜-光刻胶-反射银膜的结构方式，解决由于超透镜磁场偏振传输模式带来的成像光场畸变问题，大大提高了成像质量和光场对比度。采用掩模图形结构预补偿的方法，消除超分辨透镜的倍率畸变像差影响。基于有限元电磁计算方法，数值模拟结果验证了该方法在i 线光源波长下实现纳米尺度缩小成像光刻的可能性。在i 线(365 nm)光源波长下，得到约35 nm 线宽的高对比成像光场模拟结果，并分析了结构参数变化对成像光场带来的影响。

介绍了一种利用激光干涉光刻技术得到特征图形，并通过离子束刻蚀将图形转移到铬层上，从而获得掩模的方法。针对掩模透光率以及对干涉图形对比度可能产生影响的两个参数分别进行了数值仿真，从而证明此方法的可行性和参数的优化选择。自搭干涉光刻实验系统，用257 nm的激光光源实现光刻，得到特征尺寸为100 nm的图形，再经过离子束刻蚀，最终得到周期200 nm、线宽100 nm的掩模。

本文研究一种利用金属光栅结构激发表面等离子体，实现增强非线性二次谐波激发效率的方法。通过设计金属光栅周期、沟槽深度等结构参数，使其满足推导出的准相位匹配条件，实现泵浦光与倍频光的表面等离子体模式同时共振激发，得到高效输出的倍频光。文中利用时域有限差分方法对该方法进行了模拟仿真，验证了准相位匹配条件和共振激发表面等离子体模式对提高二次谐波输出的关键性作用，同时分析了光栅结构参数变化对二次谐波激发效率的影响规律。

介绍了利用纳米缝隙结构激发表面等离体子,进行光学相位调制从而形成亚波长结构构成的奇异材料,分析并总结了亚波长结构材料的特性,在此基础上,回顾了该类材料在纳光子器件中的应用。