针对传统纳米天线结构存在频段窄、透射率低的问题, 设计了十字缝隙分形纳米天线结构。采用时域有限差分法计算了十字缝隙分形纳米天线结构的异常透射特性, 分析了均匀十字缝隙结构与其之间的透射特性差异, 并讨论了物理参数对十字缝隙分形纳米天线异常透射特性的影响及分形尺寸与非分形尺寸下的纳米天线透射谱变化关系。结果表明, 较于均匀十字缝隙结构, 十字缝隙分形结构实现了光的异常透射及全 2π透射光束相位调控, 尺寸更小型化, 半波宽(FWHM)更宽, 透射率更高, 最高可达 99.51%; 通过调整物理参数, 透射谱呈现出红移或蓝移的特性, 实现了透射谱的可控性; 同时, 当 h=50 nm时, FWHM约为 356 nm, 透射率仍高达 95.66%, 普遍高于传统结构; 并且在大入射角度(70°)下, 峰值透射率仍旧大于 74%。总之, 较于其他纳米天线结构, 十字缝隙分形纳米天线具有宽频、可控可调、结构更微型化等特点, 且实现了光的异常透射。

周期性亚波长孔阵列的异常透射性质在亚波长光电器件设计中具有重要意义。两层或更多膜层上周期孔阵列结构, 由于层之间电磁场的相互作用可以导致新的光学性质。利用时域有限差分方法理论研究了带有矩形孔阵列的Au-介质-Au多层膜的透射特性。结果表明: 该结构在近红外波段的透射谱存在多个透射峰, 并且透射峰的数量、位置和强度可以通过改变结构的几何参数和介质膜的材料进行调控。详细分析了介质膜的厚度和折射率、孔阵列的周期、矩形孔的边长等因素对多层膜矩形孔阵列透射谱的影响, 为利用多个表面等离子共振设计多波长控制器件提供了一定的参考。

提出一种多圆孔周期性银膜阵列结构,并利用时域有限差分算法探究该结构的光学特性。计算结果表明,当线性偏振光入射时,该结构表面激发出表面等离激元,且纳米孔间产生了局部表面等离子体共振,使得该结构的异常透射增强。针对这一现象,通过对中心孔与边孔所呈角度、入射光偏振角度、结构参数(中心孔直径、边孔直径、结构厚度、边孔与中心孔的间距)的调控来实现结构光学透射属性的优化。此外,分析所提结构在不同环境折射率条件下透射峰的变化规律, 发现该结构也对周围的环境折射率具有较高的敏感度。因此该结构在表面等离激元滤波器和折射率传感器中具有广泛的应用前景。

牛眼结构是一种典型的纳米光学结构。本文设计了一种带有同轴纳米柱的牛眼结构，利用时域有限差分法(FDTD)研究了该结构的增强透射效应。研究发现，柱的半径和高度对透射特性具有显著的影响，恰当选择柱的半径和高度会得到最大的透射强度。另外，牛眼结构对环境折射率有较高的灵敏度。理论分析表明，该种结构的透射增强效应是由局域表面等离激元与表面极化等离激元相互作用产生。这为纳米光学元件的研发与应用提供一个新的思路。

基于光学异常透射现象的光纤传感器, 因其具有高度的近场增强效应和介电环境的高度敏感性等优点, 在化学、 生物医学等领域有广泛的应用前景。 但是由于在光纤端面加工周期纳米结构需要复杂的工艺或者昂贵的微加工仪器, 限制了基于光学异常透射现象的光纤传感器的发展。 针对这一问题, 提出了模板转移法在光纤端面加工金属周期纳米结构, 并搭建实验系统对应用该方法制作的光纤传感器的传感特性及其物理机理进行了研究。 实验结果表明, 模板转移法能够很好地完成在光纤端面加工高质量的周期金属纳米结构。 应用该方法制作的光纤传感器具有很好的传感特性, 传感器的最高灵敏度达到594.45 nm·RIU-1, 品质因数值达到33.12。

为了研究1阶和2阶模式下的非连续性相位L型天线的超表面阵列特性, 采用异常透射的散射场理论, 设计了一种L型天线结构, 控制天线的几何参量, 选取阵列单元组, 使得其覆盖相位超过2π。并根据不同的拓扑荷 , 设计1阶和2阶涡旋相位板, 产生不同阶数涡旋光束。结果表明, 用太赫兹线偏光垂直入射时, 天线单元垂直偏振透射方向的模拟仿真效率达到55%左右; 相位覆盖0～2π和0～4π时, 其线性阵列的异常透射角不同, 分别为-14.7°和-30°, 其结果与广义斯涅耳定理一致。此研究对太赫兹涡旋光束的器件研究有重要的应用价值。

为了优化设计自由空间的高增益广角集光天线, 采用有限元数值计算方法分析不同结构参量对“牛眼”结构、喇叭型结构及碗型结构的透射增强特性的影响, 得到了凹槽个数与3种结构的表面等离子体异常透射增强系数之间的关系, 获得了碗型亚波长结构光学天线的透射增强优化结构参量。结果表明, 在单个凹槽结构能够有效激发表面等离子基元时, 喇叭型结构光学天线的透射增强系数得到有效提高; 通过结构参量优化, 当入射角在±5°内时, 喇叭型结构的透射增益倍数为20倍~140倍, 在±5°~±26°之间获得较为平坦的增益, 平均透射增强系数为10, 和现有的结构参量相比, 性能提高1倍;碗型结构在入射光为±60°的范围内有着较好的透射增强特性, 平滑区的平均透射增强系数为10。碗型结构比喇叭结构具有更加出色的广角传输特性。

利用时域有限差分方法，在理论上研究了直角三角孔空气孔阵列结构金属膜的异常光学透射特性。结果表明，直角三角形孔阵列金属膜出现了多峰透射现象。通过研究直角三角孔阵列两直角边的变化对透射的影响，发现两直角边的大小及其比例影响着透射峰的位置和数量。这些结果可为设计多波长共振器件提供一定的参考。

根据金属光栅结构变化对TE波异常透射特性影响的研究需要，建立了相应的模型。应用时域有限差分(FDTD)方法分别计算了单缝结构、多缝结构、不同宽度和不同周期等结构下的透射分布特征。研究发现添加凹槽会对金属表面能量的传递起阻碍作用。透射频域宽度随薄膜宽度增加而增加。随着狭缝宽度的增加，透射率分布曲线包络线趋于平坦，主透射峰短波长侧透射曲线分布基本不变，而主透射峰及其长波长侧的透射曲线分布变宽。这说明宽度的变化影响了表面共振模式，从而影响透射的分布。单个狭缝的透射与多周期结构相比，透射率曲线几乎重合，表明狭缝对表面模式没有调制作用，各狭缝的透射相对独立。