表面等离激元以其独特的属性及其灵活可操控性引起了物理学各分支学科以及化学、生物分子学、声学等多个科学领域的广泛关注。近年来,人们在纳米尺度上对金属结构的精巧设计与物理表征使表面等离激元及其应用研究进一步拓展和延伸。控制表面等离激元的激发和传输并人为干预表面等离激元与纳米结构的相互作用,探究新的光学现象,研究开发表面等离光学元件,开展表面集成光学、超分辨成像、光学微操控、高灵敏光谱检测等研究,均已成为微光学和光子学领域中的新技术和研究热点。表面等离激元可被金属纳米结构激发,且以倏逝波的形式沿纳米结构界面传输。调整金属纳米结构可人为改变表面等离激元激发的强度和相位,并操控表面等离激元的传输方向,进而实现表面等离激元的偏转和聚焦以及表面等离激元涡旋的产生。这种纳米阶的光场调控行为为平面光子器件的设计、表面光波导和平面光互连的搭建、集成光子线路的实现提供了有力的技术支撑。本论文基于金属纳米孔和金属纳米缝激发表面等离激元,开展了表面等离激元的可控聚焦和表面等离涡旋的研究。论文的创新性工作包括以下三个方面:一是利用金属纳米孔设计了偏振可控的多焦点表面等离透镜,同时实现了表面等离透镜的空间复用和偏振可控聚焦的功能;二是利用金属纳米螺线缝开展了表面等离涡旋的研究,提出了α螺线的模型,分析了不同螺线产生表面等离涡旋的有效性;三是基于螺线缝开展了高阶表面等离涡旋的研究,提出了修正螺线轨迹的模型,调整螺线螺距获得理想的大拓扑荷的高阶表面等离涡旋。这些工作为拓展表面等离激元的实际应用起到重要作用。论文的具体内容安排如下:第一章为论文的绪论。本章主要介绍与论文工作相关的理论基础。首先介绍表面等离激元的研究背景,概述了表面等离激元的色散关系和光场表达式,介绍了包括棱镜耦合、光栅耦合等表面等离激元的激发方式,说明了超表面在表面等离激元激发中的优势。其次介绍了纳米孔、圆弧结构对于表面等离激元多点聚焦、定向聚焦的调控。紧接着本章还阐述了光学涡旋研究的意义,围绕计算全息、螺旋相位板、空间光调制器等介绍了光学涡旋产生的方法,进一步说明了螺旋线结构对于产生表面等离涡旋的便利性。论文第二章介绍了两种表面等离透镜。我们以纳米孔作为基本结构,分别利用传输相位补偿和几何相位补偿两种不同的方法设计了两种表面等离透镜,实现了表面等离激元的方向性可控聚焦。组成表面等离激元透镜的四组线性排列的纳米孔阵列在空间的分布不同。第一种线性排列的纳米孔阵列间的间距不同,第二种线性排列的纳米孔阵列间的间距相同但有不同的转角。不同的设计方法使两种表面等离透镜的聚焦展现了不同的偏振依赖性,由此获得了偏振可控的多焦点聚焦。理论分析、仿真模拟以及实验都验证了表面等离透镜的光学性能。此外,我们进一步优化表面等离透镜参数,获得了强度增强的表面等离激元的聚焦。我们提出的表面等离透镜既可用于偏振态检测器,也可用于超表面方向性开关,应用其紧凑聚焦的特征表面等离透镜又可用在集成光路和光学微操控中。第三章介绍了α螺线及其产生的高阶表面等离涡旋。鉴于阿基米德螺线、费马螺线和指数螺线等传统螺线在光学涡旋产生中的应用以及它们仅被用来产生低阶光学涡旋的现状,我们提出了α螺线纳米结构,探究了产生的光学涡旋。普通螺线作为α螺线的特殊情况。研究发现对于不同α值的螺线激发的表面等离涡旋,螺线螺距越大涡旋完整性破坏程度越严重。大量的仿真实验显示α螺线在产生理想涡旋的阶数是有有效范围的,且金属薄膜材料会产生影响。我们的这项研究揭示了普通螺线产生高阶涡旋时出现畸变的物理根源,标定了α螺线产生的理想涡旋阶数的有效范围,打破了利用螺线无法实现高阶表面等离激元涡旋的产生的局限。简洁结构的α螺线的提出将有助于高阶涡旋产生并扩展更广阔的应用。第四章介绍了利用修正螺线产生的高阶表面等离涡旋的研究。通过分析金属纳米螺线产生的高阶表面等离涡旋的畸变的物理根源,提出了一种修正轨迹的纳米螺线结构,进而产生了高质量的高阶等离涡旋。研究发现,调节螺线螺距可灵活调节表面等离涡旋的拓扑荷数。实际实验证明了我们提出的方法的有效性。高阶完整涡旋的产生和拓扑荷的灵活控制有利于拓展表面等离涡旋在高密度信息编码、集成光通信和光学传感中的应用。第五章是本文的全文总结。本章概括了文章的主要内容和创新性,同时对于论文存在的不足和还可以完善的工作进行了讨论,为接下来的工作做好了铺垫。