生物医学光子学这个新兴学科的发展迅速,迫切需要能获取细胞到组织信息的光学成像技术。纳电子和纳光子器件的研制,也亟需颠覆性的光刻技术。这些势必都依赖于可突破衍射极限的超分辨率成像,但突破衍射极限仍存在不小的技术难度。近年来,双曲超材料的出现极大地推动了微纳光学成像突破衍射极限。双曲超材料超常的开放性色散曲线特性使得倏逝波得以在远场被重建,从而实现了超分辨成像,因此备受关注。目前,在突破衍射极限的微纳光学成像领域,更高的成像质量、更小分辨率的成像、从2D成像拓展至3D成像都是研究热点,但仍存在两个像点之间会互相干扰导致成像质量下降、3D成像中径向分辨率精度不够、特定结构只能改善单一成像质量等若干问题。本文设计了一种引入纳米间隙层的新型双曲超透镜结构,先以金属和特定折射率介质薄膜组成基本单元,再由基本单元构筑管状3D结构,最后去除部分单元形成纳米间隙层而成,器件结构简单,易于未来加工制备。该器件结构可以利用双曲超材料激发表面等离激元突破衍射极限成像,在牺牲了一定远场成像焦点位置的条件下,与传统双曲超透镜相比具备可减少像点干扰从而提升成像质量、大幅度提升了 3D成像的径向分辨率、改善其它多种成像特性的优点。论文主要工作及成果如下:(1)利用10nm厚银(Ag)和10nm厚三氧化二钇(Y2O3)组成基本单元,构建出传统2D平板型双曲超透镜,进而成功将其推广至3D双曲超透镜。有限元仿真表明:92周期基本单元组成的3D微管型双曲超透镜(内径为400nm、外径为2240nm),可将水平相距180nm的两个365nm点光源在远场成的像分开,此时远场焦点的位置是距外壁355nm处,还获得了远小于半波长的20nm径向分辨率,从而实现了突破衍射极限的微纳3D成像。仿真还发现两个点光源的像点附近均存在旁瓣,为此新定义了一个用于评估超透镜突破衍射极限成像质量的物理量——旁瓣抑制比,给出计算公式并计算得到3D微管型双曲超透镜的旁瓣抑制比为4.82dB。(2)在此基础上,通过在3D微管型双曲超透镜结构中引入纳米间隙层,简单且高效地提升了突破衍射极限的成像质量。系统性地优化纳米间隙层的层数、折射率、厚度、位置参数后得到:纳米间隙层为1层,厚度为30nm,内部保持真空,其初始位置与管内壁的距离为三个基本单元,即60nm。(3)利用波矢量方法,理论解释了引入优化完纳米间隙层的3D微管型双曲超透镜远场焦点位置与旁瓣抑制比变动的原因,后续有限元仿真表明:相较于传统3D微管型双曲超透镜,纳米间隙层的引入仅以远场焦点位置缩至距外壁216nm为代价,使得3D成像的径向分辨率提升了 85%,首次达到了 3nm水平;同时,旁瓣抑制比提升了3.95dB,达到了 8.94dB,两个像点间由于旁瓣导致的互相干扰至少降低了一倍,从而提高了成像质量。