以金属介质纳米结构为基础的表面等离激元学,是横跨物理、化学、生物、信息技术等领域的研究热点。金属介质纳米结构已经呈现出各种奇异的光学性质,诸如突破衍射极限、局域场增强、周围介质敏感性,使得它被广泛应用在亚波长光学、表面增强拉曼、生物传感、增强透射、超散射等诸多领域。本文对金属介质纳米结构中的模式色散和模式耦合特性及其相关调控机理进行了较为系统的理论研究,扩展了人们对金属纳米结构光学响应的调控手段。本文主要涉及了表面等离激元透镜色散控制、双曲透镜三维亚波长成像和聚焦控制、金属单颗粒中的模式耦合调控,以及新颖的金属介质纳米结构的纳米压印制备技术。论文的主要内容如下:(1)研究了表面等离激元透镜的色散特性,并提出了对其进行调控的方法。金属的强色散特性使得表面等离激元透镜也带有强烈的色散,这不利于不同颜色的光波在同一个平面内成像。我们用数值模拟证明,通过引入表面等离激元相位波带片组成复合透镜,不仅可以补偿甚至消除表面等离激元透镜的色散,还可以设计它的色散特性,来改变不同波长光波的聚焦顺序,产生不同于传统的“正常色散和反常色散”的色散特性。对表面等离激元透镜色散性质的人工可控裁剪,也可以借鉴去调控其它表面等离激元器件的色散。(2)研究了双曲透镜的色散特性对成像和聚焦位置的影响。因为表面等离激元的振幅沿着垂直界面的方向(z方向)指数衰减,所以双曲透镜亚波长成像或者聚焦的位置一般都在透镜表面。通过设计更加弯曲的双曲型色散曲线并结合时间反演的方法,可以使得双曲透镜成像或者聚焦的位置远离透镜表面。双曲透镜亚波长成像和聚焦的位置在Z方向上的亚波长可控性,使得双曲透镜能够实现三维亚波长成像和光刻。(3)论证了在单个金属纳米盘中也存在Fano共振和超散射现象,并且通过改变纳米盘的直径或者高度,单个金属纳米盘的消光谱可以从Fano共振演化到超散射。我们用双驱动耦合谐振子模型解释了演化背后的物理机制,并提出了一种通过改变局域表面等离激元模式的共振频率和损耗来控制模式之间干涉相位的方法。设计的具有超散射效应的单个金属纳米颗粒,不仅能增强远场的散射光谱和近场电场的局域,还能增强共振的品质因子,提高传感的灵敏度。(4)提出了新型的平面自对准压印技术,并成功用其在同一个衬底表面制作了金属-介质纳米异质结构。通过将所有平面图形的信息转变成压印模板上的不同高度信息,平面自对准压印技术将原本复杂的多次压印简化到只需要一次纳米压印,从而避免了对准问题。简单的工艺流程,极大的降低了工艺成本,并且能够与滚轴纳米压印技术完美结合,这些优点让平面自对准压印技术有望成为未来加工平面异质结构、平面集成光路的主流工艺。