表面等离激元因其性质独特，在纳米光子集成电路、高密度信息存储、生物传感和化学检测等领域展现出广阔的应用前景。表面等离激元的激发和控制通常来自于光与亚波长金属结构的相互作用。作为产生表面等离激元的重要载体，亚波长光栅与超构材料这两种周期结构受到众多学者的关注。本文基于亚波长光栅和超构材料在表面等离激元波束调控和折射率传感方向上的应用需求开展相关基本物理特性和实验研究工作，具体研究内容和成果如下:　　(1)为解决定向发射器的角度控制问题，本文提出了一种金属/电介质双狭缝亚波长光栅定向光束发射器模型。通过将遗传算法和时域有限差分法有机结合，优化了模型的结构参数，并分析了定向光束的特性（如角谱的半高宽、偏转效率、增强因子等）和定向发射的表面等离激元作用机制，获得了从0°～70°范围内目标角度任意可控且高效率的定向发射光束，其最远的传播距离可达到约50λ（λ为入射波长），最大的偏转效率可达到97.37％，增强因子可达到7.58×102。该定向光束发射器性能优异，结构参数可扰动范围大，实用性强，在集成光通信领域具有潜在应用价值。　　(2)针对太赫兹波束可调谐器件的发展需求，本文提出了基于单层石墨烯覆盖的硅（铜）亚波长光栅太赫兹可调谐波束聚焦和整形器件模型。通过对石墨烯/硅亚波长光栅模型的研究发现，透镜的焦距和焦点强度受化学势的影响显著。将石墨烯的化学势从0.1eV调到0.9eV时，透镜的焦距可调长度达到405μm(～4λ);化学势调节灵敏度达到5.060λ/eV;但散射率对焦距的变化作用不明显，研究中可以将其影响忽略。通过对石墨烯/铜亚波长光栅模型的研究发现，改变石墨烯的化学势，可以实现太赫兹光束“二合一”和“三合一”的高效整形调制。采用光栅衍射理论和石墨烯的表面等离激元理论对光束的聚焦、整形调制效果进行了合理的解释。相关研究成果在太赫兹通信、成像、传感等方面具有应用前景。　　(3)针对超构材料折射率传感性能的提升需求，本文围绕四种不同结构的金属表面等离激元超构材料开展理论和实验研究工作。为了提高近红外波段折射率传感灵敏度，本文研究了开口环超构材料中开口数目、开口位置及对称性变化对传感灵敏度的影响，设计和制备了一种非对称双开口方式的样品，其最高实验灵敏度达到1000nm/RIU左右。为了拓展折射率传感工作频带，本文分别就H型超构材料垂直对称度，平行杆超构材料水平对称度，以及类开口环超构材料的周期调节对传感特性的影响进行了研究，实现了500-2000nm可见及近红外全波段传感响应。本文还应用LC等效电路和表面等离激元杂化理论对上述结果进行解释。相关成果在药物研发、疾病检验、工业安全生产监控等方面具有应用前景。