具有超高品质因子的光学微腔是构造各种集成光子器件的重要组件，以光子晶体微腔为基础的混合微腔为实现强烈的光和物质相互作用提供了一个新颖的平台，在腔量子电动力学、集成单光子源、量子计算等方面都具有十分广阔的应用前景。本文基于双异质结构光子晶体微腔，结合蝶形金纳米天线等离激元结构，设计实现了一种可见光波段的新型光子-等离激元混合微腔，并通过改变蝶形金纳米天线的间隙、角度、长度、厚度、相对位置等结构参数，利用三维时域有限差分法研究了等离激元纳米结构对混合腔的品质因子、有效模式体积、品质因数的调控规律，模拟结果显示，混合腔的有效模式体积和品质因数分别始终稳定在10^-6（λ/n）³和10⁸（λ/n）^-3数量级，最佳品质因数值可达5.730689×10⁸（λ/n）^-3，优于其他类型的微腔。

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。

太赫兹(THz)技术在基础研究与产业应用中具有重要研究意义,但其广泛应用仍受限于高效、紧凑的THz源,特别是0.5~2.0 THz波段。目前,人们已经采用了多种技术产生THz辐射,基于光学的方法是其中最重要的手段。首先,针对THz脉冲波及连续波,基于光电导效应及非线性光学差频的THz辐射产生机理,总结了近年来微纳光学结构在提高泵浦光至THz转换效率上的应用。然后,分析了金属纳米光天线通过增强泵浦光局域电场提高THz辐射效率和将金属纳米光天线作为THz辐射源两种增强情况。最后,展望了其他类型的光学微纳结构,尤其是全介质光学天线支持的米氏谐振、无辐射模式以及连续域中束缚态等新颖物理现象在THz辐射产生中的增强作用。

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。

以硅十字架二聚体纳米天线为研究对象,采用有限元法(FEM)系统研究其远场单向散射特性,利用多极分解的方法对其散射特性进行解释。通过分析纳米天线中不同共振模式的响应对散射特性的影响,发现这些共振模式的耦合作用导致了高介电材料硅十字架二聚体结构磁热点的产生和远场单向性散射,为实现远场单向性可控的纳米天线提供了坚实的理论基础。

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。