为了在宽频内实现可开关的高效率线极化转换，设计了一个嵌入PIN二极管的十字架型极化转换超表面。仿真结果显示，当PIN二极管处于导通状态时，在4.03～7.71 GHz范围内，该超表面的极化转换率超过90%，相对带宽为62.7%；当PIN二极管处于截止状态时，该超表面在工作频段相当于反射板。通过理论分析和表面电流分布解释了极化转换机理。最后，对所制作样品的实验测量进一步证实了该超表面可开关的极化转换效果。所设计的超表面有望应用于电磁兼容和极化探测等领域。

基于包含拉曼效应的三次-五次变系数非线性薛定谔方程的啁啾孤子解,研究了周期色散分布的饱和非均匀光纤系统中啁啾单孤子和双孤子的频谱演化特性。结果表明,在均匀光纤和非均匀光纤中,由于高阶效应仅与孤子的相位相关,因此高阶效应不会影响孤子时域中的波形,但会直接影响孤子的频谱。在均匀光纤中,孤子啁啾参数约化为零,高阶效应使无啁啾的单孤子频谱发生红移,且频谱的高频侧出现旁瓣;相对于单孤子,平行演化和相互碰撞的双孤子的频谱均会产生分裂,而高阶效应会加剧双孤子频谱的分裂。与均匀光纤中单孤子和双孤子的特性相比,在周期色散分布光纤中,啁啾参数周期性的变化导致单孤子的脉宽和频谱周期性地被压缩和展宽;而对于双孤子,在碰撞时其频谱出现极大展宽,啁啾使准平行传输和相互碰撞的双孤子在相互靠近时的频谱发生蓝移,而高阶效应使其频谱发生红移。研究结果对研究超快光通信系统中高功率信号的频谱特性具有重要的意义。

基于光敏半导体材料电导率可被外部泵浦光调控的特性,通过在嵌套的类方环单元结构中嵌入半导体材料砷化镓,设计了一种动态光控单频/双频可切换的超材料吸收器。在此基础上,根据不同波长的泵浦光对不同半导体材料的激发特性,引入第二种半导体材料锗,将第一种结构进行拓展,提出了一种光可控的多频段超材料吸收器,利用不同波长的泵浦光调控半导体材料的电导率,实现了单频/双频/三频吸收状态任意切换的吸收特性。仿真结果表明,所设计的吸收器具有偏振不敏感和宽角度入射的特性,有望在调制器、频率选择器、探测器等领域得到应用。

基于描述超材料中超短脉冲传输的高阶非线性薛定谔方程,采用行波法得到一种精确的飞秒准亮孤子解及其存在条件。研究发现,在群速度色散、三阶色散、三次-五次非线性、自陡峭和二阶非线性色散效应的精确平衡下,超材料中可存在该飞秒准孤子;当三阶色散和二阶非线性色散不存在时,该准孤子无法存在。基于Drude模型,详细讨论了不同非线性超材料中该飞秒准亮孤子存在的不同折射区域。结果表明,该飞秒准孤子可存在于自散焦非线性超材料的负折射区和自聚焦非线性超材料的正折射区,而且在不同区域具有不同的脉冲强度和宽度。这意味着,通过选择不同非线性超材料和输入电磁波的频率,使其位于相应的存在区域,可以实现对孤子特性的调控。

本文设计了一种支持多重Fano谐振的金属-介质-金属(MIM)型表面等离子体光波导(SPW)结构,该结构由带有枝节谐振腔的直波导耦合同心双圆环谐振腔组成。利用有限元法进行数值仿真,研究了耦合距离、枝节的高度以及同心双圆环内、外环半径对Fano传输特性的影响。同时,结合磁场分布图,分析了多重Fano谐振形成的物理机理。另外,通过改变填充在同心双圆环谐振腔内介质材料的折射率研究了该结构在折射率传感器领域的应用。该波导结构具有灵敏度为1 400 nm/RIU,品质因数高达1 380的传感特性。最后,本文研究了该波导结构的慢光特性,研究表明Fano峰附近的最大群折射率约为11.4,最大延迟时间约为0.076 ps。这种SPW结构在纳米尺度的滤波器、折射率传感器以及慢光器件等领域有着潜在的应用前景。

采用Hirota方法研究了描述超材料中电磁波传输的非线性薛定谔方程,解析得到了线性增益和非线性吸收平衡下两个精确的空间啁啾暗孤子解:暗孤子I(DSI)和暗孤子II(DSII)。基于Drude模型,研究了DSI和DSII在不同电和/或磁极化非线性超材料中的形成条件、存在区域和传输特性,并进行了数值验证。研究发现:存在于负折射区的DSI,传输过程中速度逐渐增加,而存在于正折射区的DSII,传输过程中速度逐渐减慢;DSI具有正的啁啾,而DSII具有负啁啾;DSII的波束宽度远小于DSI的波束宽度;DSI和DSII的背景幅度和半峰全宽由其系统模型的参数决定,因此与入射波的频率直接相关,在每种非线性情况下DSI和DSII的传输特性都不同。这些研究结果表明,通过选择不同的非线性超材料和入射电磁波频率可以控制啁啾暗孤子的传输特性。

本文设计了一种带有两个水平侧耦合Fabry-Perot (FP)共振腔的基于金属-绝缘体-金属(MIM)结构的Y型表面等离子体光波导结构。传输谱存在一个较窄的阻带，两个腔的长度相同时，两个输出端的传输谱几乎完全重合；两个腔长度不同时每个输出端的传输谱上的阻带位置也不同，并且当一个输出端透射率达到最小时，另一个输出端的透射率接近最大。通过调节两个FP共振腔的长度、宽度以及腔内介质的折射率，可以调节表面等离子体激元在腔内发生共振从而形成驻波的工作波长，实现探测灵敏度高达1280 nm/RIU、品质因子大于200的传感特性。利用这些特性可以在两个输出端对不同的工作波长实现滤波、开关、分束等功能，因此这种亚波长表面等离子体光波导结构在集成光学滤波器、纳米光开关、分束器以及折射率传感器等领域有一定的应用前景。

基于包含渐减色散和周期集总放大的变系数非线性薛定谔方程, 通过一种简单变换, 解析出其精确孤子解, 并研究了色散渐减周期集总放大(DDPLA)光纤链路中孤子的传输、放大和恢复。研究结果表明, 当光纤色散、损耗和放大器增益相互平衡时, 色散渐减光纤链路中可实现孤子的周期放大和恢复; 而且可根据光纤损耗和放大周期来设置放大器的增益, 或根据光纤损耗和放大器增益来设置放大周期, 从而实现孤子的周期性放大或恢复。另外, 采用数值计算的方法讨论了孤子的稳定性和相邻孤子间的相互作用。研究结果对实际的色散渐减周期集总光纤链中孤子的传输及周期放大链路的精确配置具有一定的理论指导意义。

设计了一种槽深呈线性渐变的表面等离子光栅光吸收器, 运用有限元算法分析了该吸收器的结构参数及光入射角度对其在可见光波段内的吸收性能的影响, 并与槽深呈对称分布的光吸收器进行了对比。结果表明, 增加空气凹槽的数目、宽度和深度以及减小相邻凹槽间距, 均可有效提高光吸收率。与槽深呈对称分布的光吸收器相比, 该吸收器的吸收性能更优越。