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自从1965年Gordon Moore提出摩尔定律以来,已经过去了57年,传统电子芯片的发展也已经越来越接近其瓶颈。无论是在尺寸、信息传输速度及容量、抗干扰能力等方面,光子芯片及相关技术都带来了新的发展和突破。然而,新的光子技术必然需要与传统的电子技术相互兼容,为了解决两种技术手段接口处器件相匹配的问题,表面等离子体光学被提出。从1902年“Wood异常”的发现开启表面等离子体研究的序幕,到1957年“金属等离子体”和1960年“表面等离子体震荡”概念的提出形成整个领域的研究框架。最终在2003年,William L.Barnes等人在Nature上论述了表面等离子体激元能够突破衍射极限且具有界面场强局域的特性,标志性着“表面等离子体学”的诞生。本文主要以石墨烯微结构激发表面等离子体激元为基础,以等离子体诱导透明（Plasmon-induced transparency,简称PIT）现象为主要研究对象,将研究重点放在多重等离子体诱导透明（Multi-PIT）现象以及微结构对入射光偏振态的响应特性,通过时域有限差分法（Finite-difference time-domain,简称FDTD）进行仿真实验,并采用耦合模理论（Coupled mode theory,简称CMT）对仿真结果进行理论分析及拟合,最终实现基于Multi-PIT现象的微纳光学应用的理论分析,以及对石墨烯微结构的偏振响应特性做了详细的数学描述并建立了响应机制模型。主要研究内容如下:一、基于多层石墨烯微结构的Multi-PIT现象及应用。1、基于多层的石墨烯微结构,实现了双重等离子体诱导透明（Dual plasmon-induced transparency,简称Dual-PIT）现象,并利用石墨烯费米能级的可调性,实现了电光开关的应用。根据计算,该光开关的消光比为7.77 d B,振幅调制度可达83.3%,另在“开”状态下的插入损耗为7.2%。而且,通过调节不同层的石墨烯费米能级,实现了三个共振频率的独立频率调制,在三个共振点处的频率调制度分别为8.0%、7.4%和11.7%。因此,该工作为光开关、频率调制器等的应用提供了可能。2、通过构建形状为双矩形、垂直的单矩形、垂直的双矩形,和单矩形的石墨烯微结构,仿真实现了动态可调的三重等离子体诱导透明（Triple plasmon-induced transparency,简称Triple-PIT）现象。基于该现象,并结合石墨烯费米能级的可调性,发现了石墨烯微结构的Triple-PIT光谱中的“协同效应”,即:随着调制相位的增加,单等离子体诱导透明（Single plasmon-induced transparency,简称Single-PIT）可以演化为Triple-PIT进而变为Dual-PIT。另外,通过调节不同的费米能级,Triple-PIT可以实现了多频同步光开关,在四个共振频率下的振幅调制度分别为74.7%、87.8%、76.5%和77.7%。该工作对multi-PIT的形成解释有重要参考价值,并且为同时性光开关的应用提供了理论支撑。二、石墨烯微结构中Multi-PIT现象对入射光偏振态的响应分析。1、设计了包括四个条状石墨烯和四个块状石墨烯的偏振敏感石墨烯微结构。通过调节石墨烯的费米能级,实现了同步和异步光开关效应,在2.059 THz、2.865 THz、3.381THz和3.878 THz频率处,其调制度分别达到77.7%、58.9%、75.4%和77.6%。而且,发现这种“偏振光影响微结构”的现象反过来可以实现“微结构对线偏振光的选择透过性”。基于此,提出了可调偏振片的应用,其偏振消光比分别为4.2 d B、7.8 d B和12.5 d B。该研究工作为偏振敏感超材料和SPP基检偏器的研究提供了理论支持。2、提出了对入射线偏振光响应不敏感的光开关。首先通过石墨烯条和石墨烯方环组成的单层微结构实现Triple-PIT现象,然后通过每个微结构独立的研究和极坐标分析,发现这种石墨烯微结构对偏振光是不敏感的,在x偏振光和y偏振光甚至是左旋和右旋偏振光的情况下,Triple-PIT是等效的。因此,实现的光开关也是对任意方向的偏振光都是有效的,其振幅调制度对应于1.905 THz、2.455 THz、3.131 THz和4.923 THz分别为90.1%、80.1%、94.5%和84.7%。因此,该工作对偏振不敏感光开关的应用具有重要意义。3、结合“偏振敏感”和“偏振不敏感”的相关PIT基器件的研究,提出偏振敏感的石墨烯微结构对入射光偏振态的响应满足玻尔兹曼函数。在提出的四重等离子体诱导透明（Quadruple plasmon-induced transparency,简称Quadruple-PIT）微结构中,发现在这种玻尔兹曼函数作用下,两个石墨烯微结构同时存在时的透射率之和为一个常数,因此称两个微结构是共轭的,从而导致了偏振的不敏感性。另外,推导计算了用于拟合多重PIT现象的n重CMT理论,大大简化了运算步骤,解决了每次计算特定维度CMT理论时需要重复计算低维CMT的问题。并且,在n=5时与FDTD的Quadruple-PIT现象拟合较好。该工作为石墨烯微结构对偏振响应特性的研究提供了重要的理论支撑。