随着纳米光学的发展,表面等离激元、光学天线、超材料、超表面等新概念相继出现,人们通过对结构的新设计可实现对电磁波场的强大调控,表现出了新颖的光学性能,实现了各种新型的微纳光电子功能器件。多层膜结构作为一种经典而又基本的结构,在光场调控方面一直发挥着重要作用。最早的介质多层膜结构基于干涉原理可以用于光学滤波、光学增反与增透。将人造单元结构以特定方式排列形成的具有特殊电磁特征的超材料(Metamaterial),可以实现天然材料所不具备的负折射、0折射、双曲色散等超常物理性质。等效介质理论(EffectMedium Theory,EMT)是解析多层膜结构电磁场特性的重要理论,可以对宏观多层膜进行均匀化,用有效材料参数来表征它们。然而,近期的研究指出:在特定情况下,EMT应用在全介质深亚波长多层膜结构中时会逐渐失效。此外,利用多层膜结构的表面模式是实现光场调控的另一重要方式。其中应用最为广泛的表面等离激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs),被用于构造 Plasmonic Lens 实现近场聚焦。为了克服SPP的传输损耗,存在于介质多层膜中的表面布洛赫波(Bloch Surface Wave,BSW)被提出并应用于近场聚焦等方面。基于以上,本论文围绕亚波长尺度下的多层膜结构,重点研究了亚波长下的EMT,以及多层膜的表面电磁场特性,并设计了相关微纳结构实现对表面光场的调控。本论文的主要研究工作如下:1.在 Kretschmann 衰减全反射结构(Attenuated Total Reflection,ATR)的基础上发明了一套基于金属薄膜表面等离激元共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)色散的图像化测量装置,利用成像的方式将不同波长下的ATR曲线在同一张色散图像中表示出来。并利用图像化测量装置,实现了宽光谱范围内金属薄膜复折射率的成像测量,提高了测量速度与精度。2.系统地分析了 EMT在全介质深亚波长多层膜结构中的失效问题,指出了 EMT的失效由两个相互独立的原因组成:1.EMT色散关系的泰勒展开阶数不足;2.出射层的介电系数与等效介电系数接近引起的边界效应。并分别对以上两种原因提出了解决方法:1.将等效介质理论的色散关系展开至更高阶;2.在等效介质层之后额外引入一层匹配层。通过以上两种方法,可以使等效介质理论被很好的修正,并且在更广泛的条件下被很好地应用,为解决多层介质膜的电磁场问题提供便利,为基于多层介质膜的光场调控提供了坚实的理论基础。3.在多层膜结构上构造同心圆环,设计了表面布洛赫波透镜,系统地分析研究了其面内聚焦特性。给出了半无限维和有限维介质多层膜表面布洛赫波(Bloch Surface Wave,BSW)的色散特性,通过其色散特性分析,指出当层数达到一定数量时,有限维介质多层膜的BSW模式色散将趋近于半无限维的色散,由此确定了在实际应用中的结构参数。通过分析螺旋天线的手性,确定了同心圆环沟槽结构可以实现TE模式下BSW近场聚焦,指出BSW Lens的环距需要根据沟槽内外的不同BSW模式进行调整。并进一步证明BSW穿过沟槽时的反射损耗是影响BSW Lens聚焦效率不可忽视的因素,基于此给出不同沟槽深度下的最佳环数。为近场成像、微纳光学操控、新型光子器件的设计提供了理论依据。本论文的创新点主要包括:1.发明了一套基于金属薄膜表面等离激元共振色散的图像化测量装置,利用成像的方式将不同波长下的ATR曲线成像于同一张色散图中,一次性获得整条色散曲线,无需角度或波长扫描,极大地提高了信号获取的速度。2.系统地理论分析了等效介质理论在全介质深亚波长多层膜结构中的失效问题,指出了引起EMT失效的两个相互独立的原因,并给出了相应的解决方法,为解决多层介质膜的电磁场问题提供便利,为基于多层介质膜的光场调控提供了坚实的理论基础。3.理论指出了当层数达到一定数量时,有限维介质多层膜的BSW模式色散将趋近于半无限维的色散。解析了 TE模式下BSW聚焦光场的特性,全面地分析了手性结构参数对焦场调控的影响,给出了 BSW焦场调控效率最大化的方法,为基于多层介质膜的光场调控及片上集成器件的实现奠定了坚实的理论基础。