显示技术为视觉信息提供载体和可视化手段,是信息社会的关键技术之一。由于全息技术可以产生完美逼真的三维场景,已被公认是最有前途的3D显示技术。全息显示的核心器件是空间光调制器,全息视频显示器件需要实现足够空间带宽积,即要求器件单元的大小接近光波长,当然还需要有足够的衍射效率以及2π相位调制量等。目前已商业化的硅基液晶(LCOS)是一种广泛使用的空间光调制器,它借助液晶一定盒厚的双折性变化来实现相位调制,这种机制不利于器件的进一步缩小以达到全息显示所需要的空间带宽积。表面等离子激元技术为在亚波长尺度上操纵光提供了有效的方法,包括实现光相位的调制方法,为解决全息视频显示所面临的瓶颈问题提供了新的途径。本文研究了深亚波长金属光栅结构和介质光栅结构的光相位调制特性,实现在亚波长尺度操纵光的相位调制。由于金属-介质-金属(MDM类波导结构)能够增强金属光栅的调制效应而且与已商业化的LCOS结构类似,可以为将来器件的实际制作提供一定的工艺上的一致性,在设计中我们将考虑使用类LCOS结构。具体的设计是用金属亚波长光栅代替现在的LCOS顶部ITO电极层,保留原来的液晶层和单元驱动层的结构。虽然结构类似,新器件的液晶层的物理作用完全不同,是一种新颖的相位调制器件模型,能够实现在亚波长尺度操纵光,并且达到[0,2π]的相位调制范围。论文的主要研究工作及创新点如下:1)本文针对可见光波段的金属-介质-金属三层结构模型和介质-介质-金属三层结构模型,以深亚波长金属光栅中Fabry-Perot共振和金属表面等离子激元(surface plasmon,SP)的耦合物理为基本原理,研究光栅狭缝中水平和垂直的共振机制,分析它们在亚波长尺度操纵光相位的作用,改进了两种亚波长光栅耦合结构模型,通过FDTD Solution和CST仿真软件验证所设计的两种亚波长光栅耦合结构的性能。2)基于深亚波长金属光栅的MDM结构,用亚波长光栅结构代替LCOS顶部电极层,以将来可用于全息视频调制的器件为目标,对此器件的光波场调制的新的物理过程进行形式化描述。当入射光进入金属光栅狭缝,腔边缘的反射相位可以用界面的麦克斯韦方程或TM波的磁场来描述。而且,根据液晶双折性的调制范围,我们研究了电介质变化对相位调制的影响,寻求达到2 相位线性单调调制的深亚波长金属光栅几何结构参数。仿真结果证明在可见光范围,电介质媒介参数在液晶折射率变化率范围内,该器件模型可以实现2π相位调制量。所提出的结构模型可以为今后进一步地设计全息视频显示器件提供很有价值的基础。3)通常Au,Ag等金属被用于等离子体材料,而本文实验验证了铝作为等离子体材料的可行性以及它的优势。在目前有关表面等离子的文献中铝通常不被认为是有吸引力的等离子体材料,但是它资源丰富、便宜而且与CMOS兼容,它也被广泛使用在目前商业化的空间光调制器中,例如LCOS。但是,众所周知铝等离子体特性对材料的几何形状很敏感。然而,我们在亚波长光栅耦合结构的设计中有效地克服上述这些问题,模拟结果还发现当铝光栅中铝纳米棒的尺度在140nm变化到190nm区间变化时,所得到的相位调制量基本是鲁棒的,尺寸的变化对调制的影响极小可以忽略不计,这为器件的柔性制备提供了依据。研究不同光栅参数对相位调制的影响的实验结果,为真实器件的制备提供大量的可借鉴的数据。