提出并研究了一种基于表面微腔光子晶体的发光二极管(LED), 利用多个谐振腔出射光之间的相干耦合作用产生束流准直效应, 从而在提高光提取效率的同时, 也改善了出射光的空间指向性。通过对表面光子晶体LED结构进行优化设计, 使得表面微腔光子晶体LED的光提取效率较完整光子晶体LED提高了77.3%, 而较普通平板LED提高了1.8倍以上。同时, 微腔光子晶体LED相对普通平板LED和完整光子晶体LED来说具有更加明显的远场能量汇聚效应, 让出射光具有更好的空间指向性。

为提高近场捕获的能力与灵活性，研究了一种利用镀膜光纤探针对纳米微粒进行近场捕获的方法。采用麦克斯韦应力张量和三维时域有限差分方法建立了近场中纳米微粒的作用力模型，通过光阱力与其他作用力的比较讨论了近场捕获的稳定性，并根据各轴向光阱力的分布情况分析了纳米微粒的捕获尺寸与捕获位置。结果表明，只有当微粒尺寸小于探针孔径时才存在捕获效果，探针尖端不同位置出现不同捕获过程，在光阱力的作用下微粒最终被捕获至孔径边缘并形成圆状分布。结合纳米定位与检测方法，设计了全光纤低损耗的光纤探针近场捕获系统，并对120 nm的聚苯乙烯微粒进行了捕获实验。结果表明，采用极低的激光功率能把粒径为激光波长1/7的纳米微粒捕获至光纤探针尖端，并形成内径与探针孔径一致的圆环状分布。该计算与实验结果为近场纳米操作的实验研究打下了基础。

本文针对纳米材料的纳米操作，提出了一种复合激光近场光镊与AFM 探针进行纳米操作的方法，并基于动量守恒原理，采用三维时域有限差分方法建立了该方案中激光近场对纳米微粒的作用力模型，分析了各轴向光阱力的分布情况，讨论了两探针间距离、针尖材料的电导率、入射平面光场的偏振方向、入射角和波长等参数对近场光阱力的影响。结果表明：位于耦合光场中特定位置的微粒可被捕获至固定位置，所需的捕获功率大大低于传统光镊所需的捕获功率；为实现稳定的纳米操作，光纤探针与AFM 探针的距离应保持在孔径范围内，两探针的相互位置应保持成垂直关系，同时应选用短波长的捕获激光，并保持激光偏振方向与AFM 探针轴线的匹配。本文设计的近场光镊与AFM 探针相复合的纳米操作系统，能大大扩宽近场光镊和AFM 系统在纳米操作上的应用范围。

分析了980 nm波长的光在透过制作在金膜上的亚波长周期性孔阵时的透射增强现象。通过建立中心带缺陷孔的三角晶格的孔阵模型, 并采用三维时域有限差分方法对该模型的透射情况进行模拟分析。结果表明通过优化孔阵周期参数可以对特定波长的光实现一定程度的选择透过性。当孔阵周期为450 nm, 中心缺陷孔径为400 nm, 孔阵中单个孔孔径为150 nm时, 980 nm波长光透过该孔阵时具有明显的透射增强效应, 并且距孔阵表面3 μm的远场光斑尺寸被局限在亚波长尺度(880 nm)。研究了使用聚焦离子束在金膜上制备孔阵的工艺, 成功研制了与设计尺寸一致的孔阵。这种孔阵可以集成在980 nm垂直腔面发射激光器上, 用于改善器件的远场光学特性。

超分辨近场结构(super-RENS)技术通过在传统光盘结构中插入掩膜结构而实现近场超分辨,是目前最具实用化前景的超高密度光存储技术之一,其中掩膜层的近场光学特性是决定其光存储性能的关键。利用三维时域有限差分法(3D-FDTD)对合金掩膜的近场光强分布进行了数值仿真和分析,提出二元共晶合金薄膜在激光作用下形成的规则微结构可能是以其作为掩膜层的超分辨近场结构光盘产生较高信噪比(SNR)的原因。