基于贝塞尔积分及广义惠更斯-菲涅耳衍射积分方法,导出了超几何激光束通过聚焦透镜光学系统的光场解析传输公式,计算了其在不同传输距离的光强分布特性。研究了超几何光束对瑞利微粒的辐射力和梯度力的分布情况,并对超几何激光束的捕获稳定性条件进行了分析。

本文利用方形谐振器与两个金属／介质／金属型波导结构耦合设计了一个亚波长的表面等离子体波导传感器,并通过有限元分析研究了此结构的传输特性。研究表明,通过谐振器耦合能有效增强共振波长的表面等离子体波的透射能力,同时减小两侧波导结构与方形谐振器之间的金属势垒层宽度可提高透射率。传感器的共振波长与介质材料的折射率之间存在着线性关系,1阶共振模的灵敏度可达1100 nm／RIU。这种传感器可实现器件的小型化,在生物、工业传感领域有着很大的潜力。

利用传输矩阵研究了银-光子晶体-银结构中两Tamm等离子体极化激元(TPPs)的耦合态。我们的数值结果表明当光子晶体的周期数n＞10时,存在两本征波长相同的非耦合Tamm等离子体极化激元(非耦合TPPs),当n≤10时,两非耦合Tamm等离子体极化激元发生耦合,劈裂成两本征波长不同的耦合Tamm等离子体极化激元。随着n的减小,两耦合Tamm等离子体极化激元(耦合TPPs)间的劈裂能量增大,当n=3时,劈裂能量达到287.5 meV。从银-光子晶体-银结构中的实时电场分布可以得到:本征波长较长的耦合TPP由两非耦合TPPs对称耦合产生,而本征波长较短的耦合TPP由两非耦合TPPs反对称耦合产生。

基于渐变包络近似(SVEA)研究了非线性薄膜波导的TE模传输特性,得到了较为简洁的模式本征方程和导波的电磁场分布规律。对于芯区为自聚焦Kerr型介质,随着光功率强度的增大,导波的有效折射率增大,芯区中的传输功率比也增大,非线性介质的自聚焦效应就愈加明显。研究还表明,利用渐变包络近似得到的相关规律不仅简单清晰,而且十分有效,在光功率强度不太大时有很高的精确度。

利用圆柱形介质设计了一个Bragg微腔结构,含有圆柱形和环形两个微腔。基于传输矩阵理论,通过研究会聚柱面波的反射相移,根据反射相移在Bragg禁带中的尖锐突变来确定微腔结构的共振模。较之其他计算方法,相移方法操作简单,图像直观,且行之有效。研究表明,随着中心圆柱形微腔的半径增大,方位指数相同的两微腔共振模之间会发生相互作用,在腔模光子能量相近时耦合效应最强,导致双微腔的耦合共振模曲线出现反交叉现象。最后给出了耦合共振模的空间电磁场分布。

设计了一个一维金属（M1）-光子晶体（PC）-金属(M2)结构，利用传输矩阵理论，通过M1-PC-M2结构反射谱中的dip（凹处）来确定光学Tamm态（OTS），数值计算表明在金属与光子晶体界面处存在两个OTSs，当45 nm≤dM1≤52 nm时，M1-PC-M2结构可同时实现对两个OTSs的横向电场(TE)偏振完美吸收，吸收峰的峰值波长约为743.1 nm 与745.7 nm，吸收率均在95%以上。当入射角从0°增大到60°，该结构对两个OTSs的吸收率均在95%以上，同时实现对两个OTSs的TE偏振完美吸收，并且两个吸收峰的峰值波长发生蓝移。当光子晶体周期数在7到15之间变化时，均可实现双波TE偏振完美吸收。

利用传输矩阵法研究了Thue-Morse序列准周期光子晶体的传播特性。线性结构的共振谱具有自相似的分形结构，共振模在晶体中的电场分布也具有类似的自相似结构。对于具有Kerr非线性的奇数阶Thue-Morse序列结构，由于其内部电场分布的不对称性，可以导致正反向入射时不同的双稳态现象。通过额外的抽运光激励，可以实现某光强的光单向透射，使得结构真正体现全光二极管的功能。

基于F-P腔理论研究了不对称非线性缺陷光子晶体的光学二极管效应。 要有效提高光学二极管的正反向透射比, 同时又要保证正向透射率不太低,应增大入射光频率的预置量,适当提高缺陷两侧结构的不对称性,并使入射光强在相应 变化范围内靠近低值。数值模拟结果支持了该理论的分析。

基于法布里珀罗腔理论，研究了由2块相同单负材料作为反射镜构成微腔结构的共振特性。若反射镜是负ε材料，在一定条件下可实现TM腔模的全向透射；若是负μ材料，则可实现TE腔模的全向透射。随着入射角的增大，全向透射谱变窄，品质因子提高。腔中介质折射率的提高，可有效缩短TM全向透射微腔结构的尺寸，但对TE全向透射微腔结构尺寸的调制就稍弱。单负材料损耗的存在，不会破坏两种微腔结构的全向共振特性，但随着入射角的增大腔模的透射率有所降低。通过优化处理给出了这两种微腔结构能实现全向透射时所需满足的各种条件，为全向滤波器的设计提供理论指导。

为了了解对称双缺陷光子晶体的传输特性，采用传输矩阵法进行了数值模拟研究。当两缺陷层中间的介质层数目大于缺陷两外侧介质层总数时，在禁带中只出现单一的缺陷模，且其透射率随它们的差异的增大而迅速减小；但当中间的介质层数目小于两外侧介质层总数时，在禁带中将会出现两个透射率为1的缺陷模，且两缺陷模的间距随它们的差异的增大而增大。结果表明，缺陷层的位置对缺陷模的影响较大，要使缺陷层中的局域电场得到有效提高，必须使缺陷层靠近光子晶体的正中心。