近年来,随着生命科学研究的不断深入,对光学显微镜的成像分辨率提出了越来越高的要求。为了突破衍射极限,基于不同原理的超分辨成像技术被广泛研究,光学显微镜的分辨率也在不断提高。其中,介质微球超分辨技术由于具有高强度亚波长级别的聚焦光束（hot spot和光子纳米喷射）受到广泛的关注。但其也存在不足之处,首先,传统单一折射率介质微球的聚焦能力有限,束宽大多在一百纳米以上,并且微球对超分辨成像的分辨率提升有限,成像机制尚未完全明确;其次,微球的聚焦光束长度大概在几个波长左右,导致微球和样品相距太近,无法在远场成像,且视场很小;最后,微球在实际使用中,存在定位不准、操作难度大等问题。在此背景下,本文围绕上述微球超分辨聚焦和成像技术存在的问题开展研究,首先利用高折射率包层和对称嵌入体结构将微柱聚焦光束压缩至百纳米以下,然后基于立方微柱构型提出一种易于加工和使用的微纳阵列结构,最后提出一种曲面截断微柱结构增加了光子纳米喷射的有效长度,具体研究内容如下:1.开展了微柱聚焦光束的超窄聚焦特性研究。针对如何将微柱聚焦光束束宽压缩至百纳米以下,提出了一种基于高折射率包层和对称嵌入体的微柱结构设计方法,通过出射端的局部模式调控成功实现了束宽为66.70nm（λ/8.47）的聚焦光束的高能量出射,通过局部模式调制的波叠加理论解释了如何压缩光斑束宽及引导光斑出射。研究表明当微柱的体积和外层厚度一定时,微柱的整体最高谐振模式取决于柱内部和外部折射率,嵌入体结构的局部模式与柱体主模式的共同作用形成了聚焦光束的最小宽度,改变嵌入高度可以调控相消干涉程度使聚焦光束出射,发现全宽半高与局部结构参数在二十纳米的变化范围内呈正相关,减小局部结构折射率可以增加有效长度,使聚焦光束逐渐向外延伸。进一步压缩聚焦光束的束宽可以提高基于微柱的激光加工的精度和扫描式微球超分辨成像系统的分辨率。2.针对微柱存在的两种聚焦光束:hot spot和光子纳米喷射进行研究,发现通过调制折射率和局部参数,二者可以实现相互转化。基于折射率梯度微柱验证了缩短束宽的设计方法。同时针对微柱内部存在的多种物理现象:回音壁模式、局部驻波干涉、多光束出射、光钩现象和定位出射等开展了研究,探究了每种物理现象随微柱结构参数的变化规律和形成机制,给出了合理的物理解释。3.针对其微球使用中存在的问题,首先提出了一种易于加工和使用的单一折射率立方微柱阵列结构,其次采用双光子3D打印技术成功加工微柱阵列结构,经过实验检测,实验结果和仿真结果的聚焦光束束宽特性基本一致。最后,基于束宽缩短设计方法,分别设计了高折射率和低折射率的双层立方微柱阵列结构,探究了核心参数对微柱聚焦光束特性的影响。立方微柱及其阵列化的办法可以有效的解决单个微球难以固定和不易操作的问题,推动微柱超分辨技术的实用化。4.开展了微柱光子纳米喷射有效长度超长特性的研究。针对光子纳米喷射有效长度和工作距离较短的问题,提出了一种动态可调光子纳米喷射有效长度超长的结构设计方法,通过改变第二分界面构型及两分界面间距,使焦点处的能流趋近于平行,聚焦光斑有效长度最长可实现209.49λ,通过离散化微柱替代的方式可以获得近似的结果,提出了两种易于使用的结构设计,有效的解决了光子纳米喷射有效长度和工作距离较短的问题,有利于拓宽微球超分辨的应用范围。搭建了一套微球超分辨探测系统,利用钛酸钡微球对100nm左右的荧光纳米小球开展了超分辨探测实验,通过后端显微成像光路实现了对荧光纳米小球的超分辨探测。开展了微柱耦合倏逝波为传输波的特性研究,在两种倏逝波产生条件下,分别探究了圆形微柱和立方微柱耦合倏逝波转化为传输波的特性,研究了微柱折射率、入射光相位、Au纳米粒子散射等因素对其耦合转化能力的影响。