本文基于硅基底空气孔型二维光子晶体(photonic crystals)，提出了一种可以实现等效负折射和亚波长成像的结构。点光源通过三角形光子晶体出射后在两侧形成两个像点。通过在光子晶体两侧添加光栅，增加了光源的透过率，消除了旁斑对双重像点的影响。当光栅的空气带隙宽度w=0.76a 和到光子晶体的距离dg=0.1a 时，左侧像点image1的最小半宽度达到0.433λ，此时右侧像点image2 达到0.842λ，均小于入射波长。另外，当光源波长在3.19a 到3.26a范围内时，光子晶体可以实现宽光谱的双重亚波长成像。最后，根据点光源和双重像点的位置变化，求出了关于其坐标x, z 的相对关系。

基于二维光子晶体的负折射和亚波长成像特性,提出了一种可以实现超分辨成像的共聚焦系统,使用时域有限差分法(FDTD)仿真了共聚焦系统的聚焦和成像的过程。在焦点离光子晶体透镜下表面1.55 μm处,横坐标X=4 μm时,焦点半峰全宽(FWHM)为0.593λ,小于入射波长,此时反射光在右侧像点的FWHM达到0.496λ,实现了超分辨成像,并且随着焦点的右移,像点FWHM不断减小。同时,在针孔和焦点位置不变时共聚焦系统的轴向分辨率达到2.2λ。

超透镜光刻技术是一种很有前景的纳米结构成像技术, 由于其具有可以克服衍射极限的能力, 直到2005年, 张翔和他的同事在365 nm紫外线波长下成功的对一排纳米线和刻在高分子膜上的四个字母“NANO”实现了超分辨成像, 分辨率高达1/6入射波长。通过传递矩阵方法优化出超透镜结构, 并通过选择适当的材料和设计在超透镜结构中的每个层的厚度以及合理的优化实验等方法制备一个新的超透镜结构, 利用这种超透镜结构实现了周期性纳米结构及孤立纳米结构的亚波长成像。实验结果表明, 对于周期性的纳米结构, 其图像分辨率达到100 nm, 而孤立结构的分辨率低于50 nm, 小于入射波长的1/7。

利用时域有限差分方法，理论上研究了由正方形金属嵌入背景材料硅中组成的二维正方晶格和三角晶格光子晶体的亚波长成像特性。采用Drude模型描述金属银的色散特性，在近红外波段该模型可以很好地描述金属的实际介电常数。通过结构参数的设计，在上述两种结构中实现了波长在1550 nm附近的亚波长成像，并且发现金属对入射光的吸收使得成像位置处的光强稍有降低，但是对于光子晶体亚波长成像的质量并无影响。相对于通常的硅基空气孔型光子晶体亚波长成像器件，该种硅基金属型全固态光子晶体结构更加稳定，因而可以更好地在复杂全光集成回路中加以实际应用。

银金属在特定波长范围内的负折射率性质可以放大倏逝波，在近场成像中能够保留次波长信息，因此是制造“完美透镜”的优良材料。由银金属和其他介质组成的复合材料能够通过其调整体积分数来改变“完美透镜”的工作波长，使其在可见光和近红外范围内实现完美成像。除体积分数外，复合材料中金属颗粒的大小和形状也会对透镜的工作波长和成像质量有影响。在考虑尺寸效应修正的基础上，通过分析尺寸对成像性质的影响发现: 减小金属颗粒尺寸会使工作波长发生蓝移，当银颗粒尺寸减小到10nm时，会显著降低成像质量。

分析了由Ag和Si3N4多层纳米薄膜组成的特异材料的模式特性，使用本征模展开法(EME)结合完全匹配层（PML）边界条件模拟了该结构的亚波长成像行为，在法布里-珀罗(Fabry-Perot)条件（结构的长度是半波长的整数倍）条件下，研究发现邻近系统的点源会在另一侧成实像，这种成像基于自准直而并不是负折射.研究结果证实了金属-电介质多层膜结构可以在光波段实现近场成像.

提出了点源嵌入正折射率介质板进行亚波长成像的新方法,分析了位于负折射率媒质里的正折射率介质板内外的电压倏逝波和电压传播波分布。正和负折射率媒质分别由2维未加载传输线和2维加载电感、电容传输线网络组成。微波电路和数值仿真结果都显示由于板内增大的倏逝场,在正折射率介质板的两个界面附近出现了很大的电压幅度,该结果证实了该正折射率介质板透镜能够恢复电压倏逝波,从而提高像的分辨率。

用光子学方法研究了叠栅技术中,当试件光栅被拉压和旋转后,叠栅条纹的空间周期和相对于基准光栅的取向,试件光栅被拉压后的节距等相关问题。根据衍射光波的空间周期可能大于试件光栅空间周期的特点,对二维亚波长周期结构衍射成像进行了设计研究。首先,对二维亚波长周期结构衍射物进行编码,以获得包含编码光栅空间信息的均匀波;其次,使编码得到的均匀波通过光学系统,并被放大到CCD相机所能辨识的大小;再次,经解码光栅解码,滤掉编码波,最终获得二维亚波长周期结构物的空间结构信息,达到超分辨的目的。同时,对成像过程进行了较为详尽的分析,对编码器、解码器的位置以及它们相对衍射物的取向进行了设计研究,对滤波器的选择给予了必要的说明,指出了取得超分辨成像的关键。

当用波长为λ的单色平行光垂直照射到光栅常数d<λ的亚波长周期结构衍射物时,会产生隐失波。由于快速衰减,这种亚波长周期物是不能成像的。但是,通过对亚波长周期结构物进行适当的编码后可得到均匀波,使这种携带了隐失波信息的均匀波通过经特别设计的光学系统并被放大到CCD所能识别的像素大小后,再进行必要的解码以滤掉编码波,即可得到原亚波长周期结构衍射物的像,最终达到超分辨的目的。基于这种新颖的成像技术,用常规仪器就实现了对亚波长周期结构物的成像。在运用光子学方法对实验和成像过程进行较为详尽的理论分析的同时,对编码器、解码器的位置以及它们相对物光栅的取向给出了设计性研究,对滤波器的选择给予了必要的说明。实验结果验证了该设计理论的正确性。