集成化、微型化、多功能,是光子学器件未来发展的重要趋势。目前,相比于成熟的集成电路器件,光子学器件在多功能、集成化方面的发展仍处于初级阶段,离标准集成化和大规模市场化应用还有一定的距离。等离激元超表面吸收体（PMA,Plasmonic Metasurface Absorbers）作为微纳光子学领域中一个重要的分支,因其优异的光场局域能力、电磁参量调控能力以及光热转换能力,有望在气体传感、红外探测和物质检测等领域实现广泛的应用。深入研究PMA的理论基础和物理机制、分析与设计方法、数值仿真方法、器件制备与表征方法及实际应用等方面的工作具有十分重要的意义。本论文围绕PMA实现红外宽带吸收的物理机理与优化设计展开工作,并探索其在非制冷红外成像和红外热辐射信息加载方面的应用,主要包括以下内容:（1）介绍了PMA的研究背景,论述了PMA的红外宽带吸收对于实现集成化、多功能的非制冷红外成像应用具有重要意义,接着对PMA的发展趋势和研究现状进行综述,其中重点介绍了实现红外宽带吸收的物理机制,以及PMA在红外探测和热辐射信息加载领域的应用现状;然后介绍了表面等离激元的理论基础;随后对PMA领域主流的理论分析方法以及数值仿真方法进行介绍;最后介绍了器件的制备方法和表征方法,为器件的实际应用研究打下坚实的基础。（2）提出了一种实现红外宽带吸收的新物理机制——基于光学声子强耦合效应。理论分析并实验验证了光学声子模式和局域表面等离激元谐振模式之间的强耦合效应对吸收特性的调控作用,为宽带PMA的实现和红外辐射调控提供了一种全新的机制。同时证明了这种调控机制具有良好的偏振扩展性和波段扩展性,能够应用于偏振相关的设计并扩展至其它波段。结合弯折线结构和强耦合效应,实现了一种周期仅为1.47μm,中心波长为12.6μm,吸收带半峰全宽为3.94μm的深亚波长宽带吸收体,并运用表面等离激元谐振模型,系统地探索了这种弯折线吸收体压缩周期尺寸背后的物理机制,随后将器件与小像素红外焦平面集成并进行光热特性的仿真分析。（3）改进了目前PMA的设计方法——提出了基于粒子群算法的逆向设计方法。首先从逆向设计的背景和概念出发,介绍基于智能优化算法的逆向设计,着重介绍了粒子群算法的原理和实现方式。随后针对宽带偏振选择PMA研究不足的情况,以中波红外为设计波段,采用逆向设计的方法,实现了一种工作波长覆盖3-5μm,平均吸收率高于70%,偏振选择比高达40.6的偏振选择PMA。（4）拓展了PMA在热辐射信息加载领域的实际应用。利用光学声子对PMA吸收/辐射特性的灵活调控能力,实现了一种红外信息编码、复用与隐藏技术;通过实验,展示出该技术能够有效地调控热辐射的空间分布、强度、偏振等参量,并且采用覆盖涂层的方式能够隐藏加载的信息;随后在实验上验证了声子耦合的PMA能够以接近衍射极限的密度加载和编码红外信息,同时借助数值仿真工具对此进行了验证,并实现了具有13个灰度级的红外图像的加载与显示。（5）拓展了PMA在非制冷红外偏振成像领域的实际应用。通过对非制冷红外偏振成像技术和分焦平面红外偏振成像技术的研究现状、发展趋势和不足进行综述,提出了一种基于宽带吸收PMA的分焦平面成像架构,并论证该架构具有光学串扰小、制备工艺简单、集成度高以及有望实现双色偏振探测等优势。针对长波红外波段,以多尺寸纳米带状结构为设计基础,优化并实现了一种在8-14μm波段吸收率高达87.2%的偏振选择PMA。同时在逆向设计的过程中考虑实际工艺的限制和兼容性,设计出能够使用Iline步进式光刻机实现的高性能PMA。最后,还提出了一个综合的品质因数,能够用于评估集成偏振选择吸收体的微测辐射热计的红外偏振成像性能。