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等离激元超材料（Plasmonic Metamaterial）是利用超材料电磁参数（介电常数、磁导率）可变的特性，借助表面等离激元的电场增强和局域特性实现电磁波的人工操控。由于表面等离激元大于自由空间波矢和超材料单元的亚波长性质，合理的设计等离激元超材料将可以使得光子集成器件打破衍射极限从微米尺寸降到纳米量级从而更加灵活地控制电磁波的耦合、增强、传输等特性，实现人们一直以来对光子的调控追求。本论文将研究表面等离激元超材料的场增强和亚波长特性及在若干结构和光电器件上的应用。 首先，我们对周期性纳米蝴蝶结结构进行系统性的研究。对比单个蝴蝶结结构和周期性结构的场增强效应并分析其物理机理;揭示了蝴蝶结单元的间隙、厚度和角度观察对场增强因子的影响，实现了三个数量级以上的电场增强效果，并提出利用静电场近似中的偶极子效应进行解释;改变蝴蝶结的衬底折射率以及蝴蝶结的周期大小进一步研究了外部环境对场增强效应产生的影响。 其次，借助完美吸收的概念设计了一种基于金属表面等离激元的新型纳米颗粒传感器。通过引入金反射衬底并优化设计纳米颗粒的尺寸实现完美吸收，巧妙地利用了金属的热损耗问题;针对中间介质厚度对完美吸收的指标产生的巨大影响，提出了利用局域表面等离激元和传输的表面等离激元之间的强耦合效应进行解释，获得半高全宽为40 nm和品质因子357的优异传感性能参数。 然后，我们利用H形分形结构多谐振波长和亚波长结构的性质，分别研究了近、中红外波段四级分形缝隙结构和分立式结构的共振特性，通过其截面电场和能流分布情况分析其物理机理，根据超材料静电场近似中的参数提取方法获得了该单层分形结构的等效介电参数和归一化阻抗，验证了其宏观散射参数反演的正确性;最后将两互补结构组成谐振腔，并实现了对比单层结构更窄的反射谱线以及60倍以上的场增强效果。 接下来，针对超导氮化铌(NbN)纳米线单光子探测器(SNSPD)的系统探测效率的决定因素，分析其可能提高的途径;对非对称谐振环(AsymmetricSplit Ring，ASR)进行模拟分析，设计了超材料结构实现单光子探测功能;对设计的单光子探测器进行模拟仿真，结果表明我们可以实现95.5％以上的光子吸收率;另外进一步讨论了角度依赖性质，并提出可用于实际探测的面积为10μm×10μm的探测器设计，最后讨论了该探测器探测性能与单元数目之间的相干关系。 最后，利用全息原理的纳米结构控制纳米尺度光源的辐射波形。该概念成功的应用在电子束产生的跃迁辐射和表面等离激元的调控上，实现了在50μm×50μm面积上波束方位角可控、每纳安电子束能量辐射1.3×106的光子数，结果表明该方法可以产生高准直、低发散的平面波和光学涡旋等光束，为主动式探测的红外激光器的发展提供了有益的指导。 文末我们总结了本论文的主要内容，并指出了接下来的可能研究方向。