提出了一种新的表面等离子体激元透镜结构,该结构通过在两个亚波长小孔的外表面放置非周期的三角形电介质光栅实现对入射光束的有效汇聚。利用时域有限差分法（FDTD）计算了该结构中的稳态电磁场分布,讨论了光栅数目对成像特性的影响,计算发现,聚焦光斑可能出现一个、二个甚至三个;探讨了光栅折射率对成像的影响,发现在一定介质范围内,随着折射率的增大,焦距也随之增大;除此之外,亚波长小孔的数目、光栅中心距离小孔的位置及中间无三角形等因素都在不同程度上对透镜的成像特性有一定影响。

衍射聚焦器件轴向光强分布的焦深和焦移特性，直接决定着系统接收面的装配误差和获得最佳的能量利用率。当器件的口径和面型特征尺寸可与照射波长比拟时，必须考虑光波与衍射器件的电磁作用。利用严格电磁分析方法——时域有限差分法，对有限口径衍射微柱透镜的轴向光强分布进行了严格分析，并且与传统的标量分析方法进行详细比较。分析比较了TE和TM极化波入射情况下，不同面型分布(8台阶，16台阶量化面型和连续面型)的衍射微柱透镜焦深和焦移特性与透镜F数的关系。结果表明透镜轴向光强最大点向透镜面偏移，焦移量的严格计算结果要大于标量计算结果，表明透镜的快聚焦特性，而二者得到的焦深量基本一致，同时两种理论方法都表明透镜焦深和焦移随F数的增加而增加。

应用哈特曼一夏克（H-S）波前检测仪检测大数值孔径（NA）透镜时，需要采用纳米级针孔产生参考球面波前对H-S传感器进行标定。为了制作出满足要求的高质量针孔，本文对影响参考波前质量的各种要素进行了仿真计算和分析，以获得最优针孔加工参数。基于矢量衍射理论，在会聚高斯光束照射下，计算了针孔厚度和直径大小对衍射波前误差的影响，衍射波前中的像差成份、能量透过率、强度均匀性、针孔加工误差及光束相对针孔中心发生平移、离焦、倾斜时衍射波前误差的变化。分析计算显示，在NA为0．6时，为了使相对于理想球面波的波峰波谷值（P-V）偏差不大于0．005^（x-193nm），在实际针孔的加工制作中，应选取材料铬，并取厚度200rllTl，直径180nm为适宜。

提出了一种新的表面等离子体激元透镜的设计方案,该方案通过在两个亚波长小孔的外表面放置电介质光栅实现对入射光束的有效会聚。利用遗传算法研究了波导中表面等离子体激元的色散关系,结果表明,通过调节亚波长小孔的宽度和介电常数可以有效地调控有效折射率,从而实现对亚波长金属平板波导结构中表面等离子体激元传播特性的调控。利用时域有限差分方法（FDTD）结合完美匹配层（PML）边界条件数值模拟了此结构中的光场分布,讨论了光栅周期数对成像特性的影响,从而深入理解了纳米聚焦效应的物理机制。结果显示,随着表面光栅数的增多,焦距和焦斑大小都在增加。光栅数从5增加至11时,焦距由1.715μm增大至2.325μm,焦斑大小由0.615μm增大至1.715μm,这一结构有可能被用作未来集成光路中的纳米聚焦器件。

用三维时域有限差分方法对带纳米金属棒孔径光纤探针成像进行了数值模拟。采用等高扫描从分辨率和灵敏度的角度分别讨论了纳米金属棒长度、扫描高度、孔径大小及镀膜厚度对成像的影响。数值模拟结果显示,带纳米金属棒镀膜孔径探针的性能主要受纳米棒的尺寸决定,较普通孔径探针在分辨率和灵敏度方面都有明显改进,并且稳定性更高。

利用时域有限差分法,对镀纳米结构薄膜光纤探针的成像特性进行了三维数值模拟。在考虑光纤和样品相互作用的基础上,采用等效入射波法设置入射波和等高扫描。从成像分辨率和灵敏度的角度比较了不同纳米颗粒与样品间距、纳米颗粒大小、排列方式以及排列密度对成像的影响。结果表明,镀纳米结构薄膜光纤探针的光子隧道显微镜无论在制备的可行性上,还是在分辨率和灵敏度上都有显著的改进。

采用时域有限差分法对L形和V形纳米小孔进行优化设计。结果表明,两种小孔的出射峰值光强均比具有相同开孔面积的方孔提高了两个数量级。发现在具有相近峰值光强的情况下,且在距离出射面小于60nm的范围内,V形孔光斑尺寸在x方向和y方向的宽度可以比L形孔的光斑小10～15nm。本文对优化设计L形和V形小孔在纳米显微、光存储、光刻、光学操作等近场光学应用领域方面,具有一定的指导意义。