太赫兹波作为未来6G通信的一个重要波段，是目前光学和电子学交叉方向的研究热点，但是其中的太赫兹源，尤其是基于微纳光学的集成型太赫兹源备受关注。基于纳米天线阵列中的等离子体共振响应特性，设计了一种宽波段的太赫兹辐射源。利用麦克斯韦方程和金属等离子体的动力学方程，研究了纳米天线阵列在脉冲激光激发下太赫兹时域信号的产生过程。研究发现产生的太赫兹辐射的偏振和入射光的偏振垂直，其发射带宽和激发光的脉宽密切相关。纳米天线阵列具有可设计和易集成性，有望在集成型太赫兹源器件方面有较好的应用，并为未来基于表面等离子体光学的太赫兹源设计提供理论基础。

提出了一种三角形硅二聚体纳米天线结构, 该结构可以从激发和发射过程同时提高荧光物质的荧光发光效率, 并且实现荧光的远场定向发射增强。利用时域有限差分法详细研究了不同组合方式的三角形二聚体、不同三角形直角边长以及不同二聚体底角间距对荧光发射增强效果的影响, 并进行了结构参数的优化, 研究了该结构对荧光激发过程的影响。结果表明, 三角形硅二聚体纳米天线结构的直角边长为300nm, 二聚体底角间距为0nm是纳米天线的最优参数。相对于裸光源, 硅二聚体纳米天线使点光源的荧光发射增强了7倍, 实现了远场定向发射。而且, 在405nm波长光的激发下, 荧光激发过程也得到了增强。

针对传统纳米天线结构存在频段窄、透射率低的问题, 设计了十字缝隙分形纳米天线结构。采用时域有限差分法计算了十字缝隙分形纳米天线结构的异常透射特性, 分析了均匀十字缝隙结构与其之间的透射特性差异, 并讨论了物理参数对十字缝隙分形纳米天线异常透射特性的影响及分形尺寸与非分形尺寸下的纳米天线透射谱变化关系。结果表明, 较于均匀十字缝隙结构, 十字缝隙分形结构实现了光的异常透射及全 2π透射光束相位调控, 尺寸更小型化, 半波宽(FWHM)更宽, 透射率更高, 最高可达 99.51%; 通过调整物理参数, 透射谱呈现出红移或蓝移的特性, 实现了透射谱的可控性; 同时, 当 h=50 nm时, FWHM约为 356 nm, 透射率仍高达 95.66%, 普遍高于传统结构; 并且在大入射角度(70°)下, 峰值透射率仍旧大于 74%。总之, 较于其他纳米天线结构, 十字缝隙分形纳米天线具有宽频、可控可调、结构更微型化等特点, 且实现了光的异常透射。

在纳米光子学中, 提高荧光物质的定向发光强度是许多应用要解决的关键问题。为了优化电介质纳米天线的荧光增强能力, 本文提出了一种由硅纳米球二聚体与TiO2微球组成的电介质球复合纳米天线。通过时域有限差分法, 本文分别从量子产率增强、荧光收集效率增强以及荧光激发率增强3个方面研究了该复合纳米天线对荧光的增强效果。结果表明, 这种复合纳米天线不仅可以解决单个TiO2微球增强荧光时量子产率较低的问题, 还可以弥补单个硅纳米球二聚体增强荧光时荧光收集效率较差的不足。该复合纳米天线可使CdSe量子点的量子产率增强约4倍、荧光收集效率增强约2倍。此外, 由于硅纳米球二聚体与TiO2微球对荧光激发过程具有增强效果, 该复合天线最终可以产生较高的荧光定向增强倍数。在量子点发光的中心波长523 nm处, 荧光定向增强约为3 064倍。

共形超颖表面可以打破物体几何形状与光学功能之间的限制, 使散射波前得到任意的调制。文中展示了一种自适应的共形超颖表面, 该超颖表面由非手性镜面对称的Ω型金纳米天线组成, 可以集成在任意形状的基底上, 在可见光范围内(λ=450 nm)实现曲面全息。共形超颖表面的相位调制方法依赖于贝里相位, 通过旋转纳米天线的方位角, 可以在每个亚波长单元中进行连续的相位控制。这种共形超颖表面包裹在曲面拓扑物体上可以用于各种实际应用中, 如曲面透镜聚焦、隐身和安全打印技术。

针对单一结构纳米天线吸收率不高和波段较窄的缺点,结合多缝隙结构和蝶形偶极子,提出了一种多缝隙蝶形偶极子纳米天线。多缝隙蝶形偶极子是由Au纳米蝶形偶极子刻蚀多条缝隙构成的,该结构能同时实现尖端近场耦合、光栅耦合以及不同介质间的杂化耦合,这三种耦合的共同作用可以在宽波段内有效提高吸收率。采用时域有限差分方法分析了宽波段下该纳米天线的吸收性能,数值分析表明:在400~1800 nm波段,多缝隙蝶形偶极子纳米天线的吸收特性曲线出现多个吸收波峰,吸收峰值最高可达98.4%,平均吸收率为84.1%。该天线的吸收性能明显优于蝶形偶极子纳米天线,在不同偏振状态以及不同角度入射光下,该天线均能在宽波段内保持较好的吸收性能。

过去几十年中, 短波红外 InGaAs探测器被广泛用于近红外探测系统中, 通过将 InGaAs光电探测器与纳米光天线结合可以增强光吸收并提高量子效率。然而, 这种纳米光天线往往由聚焦离子束或电子束光刻制备而成, 制备成本较高。本文介绍了一种更经济的沉积法来制备纳米光天线。用沉积法制备了纳米 Ag颗粒阵列, Ag球平均半径为 200 nm。研究了 Ag纳米球阵列的表面等离子体效应对 InGaAs光电探测器光吸收性能的影响, 发现在整个近红外波段, InGaAs光电探测器帽层的透过率均显著提高。并且发现 SiO2涂层激发了局域表面等离子体共振, 分析了其对波长 1 .m附近的入射光的透过率增强效应。

利用时域有限差分法研究了Au纳米天线对GaSb纳米线的消光增强.通过分析不同形状Au纳米阵列的电场特性和光学特性, 发现三角形为最优结构, 并具有高强度共振吸收峰和高的电场增强倍数.分别对三角形尺寸和纳米线的间距进行调节, 结果表明：随着尺寸由70 nm增加到210 nm, 消光峰位从783 nm单调增加到1 638 nm, 峰位强度和电场增强倍数逐渐增加, 尺寸为210 nm时的增强倍数为70 nm时的6倍; 随着间距由80 nm增加到130 nm, 消光峰位从1 655 nm减小到1 460 nm, 峰位强度和电场增强倍数略微减小.因此可通过先调节间距再调节尺寸的方法来设计Au纳米天线结构.

太阳能收集是解决无线传感器网络能量受限的有效手段。针对传统采用光伏电池收集太阳能的方法易受环境与光照时间限制、吸收波段窄等问题，提出了一种耦合对称U形缝隙的多谐振纳米天线阵列用于太阳能收集。该天线的单元结构是在银介质基板上刻蚀4个对称的U形缝隙，U形缝隙附近产生的表面等离激元相互耦合，使其在宽波段内产生多个谐振点，从而提高宽波段的平均吸收率。利用时域有限差分方法分析了多谐振U形缝隙纳米天线阵列的吸收特性。仿真结果表明，天线阵列在400~870 nm，960~1 100 nm两个波段内吸收率较高，并出现多个吸收峰，吸收峰值最大可以达到99%。

提出了一种有双谐振频率和较宽谐振区域的纳米天线结构。利用有限积分法，计算了由金构成的表面等离子体光学纳米天线的谐振特性，研究了在谐振区域内谐振频率和谐振电场随位置变化的情况。结果表明，在不同谐振频率下存在两个谐振电场，在中间区域，谐振频率为270 THz，在侧边间隙区，谐振频率为390 THz；激励源为1 V/m时，其谐振电场均达700 V/m以上，是普通偶极子天线的18倍；第一谐振区域的谐振场集中在10~25 nm，在此范围内，谐振电场较大、谐振频率几乎不变；加上折射率为1.5 的玻璃衬底后，天线的谐振电场达到800 V/m，与没有衬底时相比，谐振频率变化很小。研究的天线结构在高性能的光学纳米天线、太阳能电池和生物传感器方面有潜在的应用价值。