缺陷检测是基于金属膜层激发表面等离子体进行超衍射加工前的重要工艺流程，但目前先进空白晶圆缺陷检测设备光源多位于深紫外波段，恰好在KrF等深紫外光刻胶的感光范围内，检测带有该光刻胶的晶圆表面时易导致光刻胶感光而改性失效。针对此问题，笔者提出并设计了一种基于可见光波段的激光偏振暗场检测装置。该装置利用晶圆表面顶层银膜的偏振转换特性，通过调控入射光的偏振态与入射角，使微粗糙银膜表面的弱散射光偏振态与膜层表面颗粒的散射光偏振态产生差异，然后利用偏振器件对来自银膜表面的散射光进行部分滤除，有效提高了颗粒信号的信噪比。实验结果表明：所设计的装置在不影响光刻胶的同时还可以减少金属膜层表面散射所带来的缺陷误检。在对百纳米级颗粒进行检测时，由于使用了激光照明及高灵敏度的sCMOS作为探测器件，本装置单次曝光时间仅为150 μs，是奥林巴斯公司基于白光的DSX1000暗场显微镜的4‰左右。通过抑制噪声，笔者采用该装置实测了均方根（RMS）粗糙度为3.4 nm的银膜表面上直径为61 nm的聚苯乙烯乳胶颗粒，结果显示，该装置在探测极限和探测效率上较DSX1000均有较大提升。

超材料设计和光纤光束控制是光场调控研究的两个重要议题。传统方法取得一定研究进展的同时，也面临着有效性和适应性的问题。为弥补传统方法的不足，研究者们尝试将深度学习方法应用于以上两个议题。介绍了基于深度学习进行超材料设计和光纤光束控制的近期研究工作。超材料设计方面，重点回顾了采用多层感知机、卷积神经网络、循环神经网络、生成对抗网络等经典神经网络模型的相关工作；光纤光束控制方面，主要介绍了典型的搜索方法与深度强化学习方法。基于深度学习进行超材料设计和光纤光束控制的方法，具有速度快和自动化程度高的优势，为光场调控集成化、智能化提供新思路。

折射和反射是波动传播时的基本现象，光波、电磁波和声波等均可被材料界面折射和反射。近来研究发现，通过在界面上制备人为设计的亚波长结构阵列，可改变传统折射和反射行为，为成像、电磁/几何外形解耦、全息显示等技术提供新的手段。本文综述了近年来折反射定律研究取得的进展，介绍了不同材料体系中波的折反射行为，阐述了相关的基本理论和具体应用。最后，结合本课题组的最新结果，分析了现有研究存在的不足，展望了本领域未来的发展趋势。

超分辨定位成像技术凭借对数千甚至数万张采集的原始图像进行单分子定位及重建, 可以获得几十纳米的超高分辨率, 观察到之前看不到的细胞结构以及生物现象。然而, 在实际的成像过程中, 采集到的图像会受到像差(来源于光学系统的不完美或样品本身的不均匀性)的影响而导致分辨率下降, 甚至会造成错误结果。为此, 定量表征了几种典型像差对超分辨定位成像的影响, 并提出了一种基于样品图像本身的像差校正方法。仿真和实验结果表明, 像差会造成系统点扩展函数的变形以及成像分辨率的下降, 使用基于图像本身的像差校正方法可以恢复图像的成像质量。

本文设计了一种三维双层开口谐振环可动悬臂阵列，利用双层材料(Al 和SiO2)之间热膨胀系数的差异，温度控制悬臂的弯曲形变，根据悬臂的可弯曲性来实现太赫兹传输的动态可调，设计出一个太赫兹可调阻带滤波器，可调范围达到0.32 THz。该研究结果对太赫兹可控功能器件如传感器，调制器以及相移器等器件研发具有一定的借鉴意义。

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。

本文设计了一种基于银 -铝-银复合膜层结构的金属亚波长缝 -槽结构。该结构由亚波长狭缝和周期性沟槽组成, 在 632.8 nm波长下, 可实现远场的高方向性辐射。文中用有限元法分析了狭缝宽度、沟槽深度和沟槽周期对出射光高方向辐射特性的影响, 并据此优化得到了器件的结构参数。使用搭建的光学远场测试平台对该缝 -槽结构进行测试发现, 结构的远场发散角约为 4.1°, 测量结果与仿真结果基本吻合, 进一步证实结构的远场高方向性辐射特性。

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。