人类对于红外辐射的利用已经覆盖了从军事到民用的方方面面,各种红外探测和传感手段为我们的生活提供了诸多便利。红外吸收是红外探测和传感器件的重要性能指标,红外器件的性能往往受限于自然材料的低吸收率和表面反射,想要获得高效的红外吸收就需要设计特殊的吸收结构。相比于传统的吸收结构,基于金属微纳结构的表面等离激元谐振增强吸收方式可以在远小于波长的厚度内实现对入射光的完美吸收,是太阳能收集、热探测、热辐射等吸收层的理想选择。表面等离激元具有近场增强、共振波长可调节等特点,利用其独特的色散特性和结构敏感性,可以在亚波长尺度上调控光的振幅、偏振和相位。利用金属微纳结构的表面等离激元响应,我们可以在实现高效吸收的同时,在更多的维度上调控光与物质的相互作用,实现许多新奇的功能。本文围绕亚波长微纳结构的表面等离激元响应特性,研究增强红外吸收的方法和途径,提出了一系列长波红外宽带、多波长以及偏振选择的超材料吸波体设计和近红外增强吸收结构,本文的主要研究内容和创新性研究成果如下:1.利用多种谐振模式设计实现了长波红外宽带,偏振角和入射角不敏感的完美吸收。采用环形谐振器的超单元结构激发了多个传播型和局域型表面等离激元模式实现了宽带吸收。提出了长波红外本征吸收介质材料和超材料吸波体结合实现宽带吸收的一般策略。将长波红外常用的吸收层材料氮化硅与超材料吸波体结构结合,利用表面等离激元增强的氮化硅吸收和表面等离激元混合模式实现了覆盖长波红外波段的宽带吸收。实验制备并验证了宽带超材料吸波体。2.利用单个谐振器的多模式响应,提出Ti-Si3N4-Ti三层超材料吸波体结构实现了中波红外、长波红外以及甚长波红外三波段完美吸收。利用二聚体十字形谐振器的耦合效应,激发了单个谐振器周期结构难以激发的暗模式响应,实现了中波红外的多波长窄带吸收。3.以切线谐振器为基础探究了偏振选择吸收的实现方案。利用切线谐振器偏振敏感的表面等离激元响应,在Ti-Si-Al三层结构中实现了长波红外偏振选择和空间集中的宽带吸收。通过将底层的连续金属反射层换为线对光栅结构,实现了长波红外的高消光比偏振选择宽带吸收,理论计算表明长波红外的消光比可达1000以上。提出了一种偏振分选超材料结构,可以对非偏振入射光同时实现偏振选择吸收和透过,相比于以往的偏振选择吸收设计,我们的偏振分选超材料可以实现90%以上的能量利用和高达250的消光比。4.针对现有In P探测器较高的表面反射率限制其探测性能的问题,设计了近红外超表面减反射层。利用周期性亚波长金属圆柱阵列的表面等离激元谐振,实现了入射光的有效捕获和近场增强。在1330 nm和1550 nm两个目标波段,In P探测器的表面反射率由25%降低至1%以下,吸收率提高20%以上。In Ga As层的光场相对原始结构增强了3倍。