1899年,A.Sommerfeld等人提出了一个新的概念“表面波”,它的产生过程是当一束光照射在金属表面时,其表面的自由电子就会由于电磁场的作用而发生集体振荡的现象,进而形成了沿金属表面传播的电子疏密波,这种波我们通常也称其为表面等离激元(surface plasmon polariton,SPP)。随着对其内在物理机制研究的不断深入,人们逐渐开始对其进行应用,光异常透射现象(EOT)就是得益于SPP应运而生的产物。与此同时,在存在着电子集体共振的EOT过程中,由于局域场的增强,对于金属表面非线性光学的研究也成为了一个新的研究热点。拉盖尔-高斯(Laguerre-gaussian,LG)模式是高阶光模式中的一种,不论是其低阶形式的涡旋光还是含有径向因子p的高阶LG模式,均在光通信、量子信息、光操控等方面的应用中有着极大优势。特别是高阶LG模式特殊的场强分布也对很多精密探测有所帮助,可以大大提高其感应极限。在本论文中,我们将以具有plasmon共振的金属超表面为载体,来研究高阶LG模式的一系列光学效应,这也为其在集成光子学领域的应用提供了有力的依据,具有潜在的应用价值。具体内容如下:1.通过测量透射倍频信号的方法,我们成功的计算出金属周期阵列在plasmon共振时的二阶非线性矩阵元的有效值。实验中我们采用时域有限差分法来设计样品,使样品在基波波长处存在plasmon共振效应,即“shape resonance”。此时通过数值模拟、理论推导、实验和结果的分析,我们得到了χ_xxx和χ_yyy的绝对值。最后又通过数值模拟解释两个有效值之所以不同的原因。本实验结果对于高效非线性微纳光子学器件的设计具有十分重要的意义。2.我们研究了在傍轴近似的情况下,带有轨道角动量的涡旋光在发生光异常透射现象时所展现出的光学性质。我们首先通过数值模拟来设计具有周期结构的样品,使样品在特定波长处发生EOT效应,然后我们应用马赫-曾德干涉仪来分析透射光的模式。最后我们得到以下结论:在周期结构样品中,经过光异常透射的涡旋光特性仍然可以得到保持;同时,涡旋光模式的引入也不会改变光异常透射的性质(包括透射峰、透射强度等)。3.我们研究了涡旋光在等离激元共振增强时的倍频过程。正如同第一个工作所述,本实验中我们依旧应用小孔内部的“shaperesonance”来增强局域场进而增强整个非线性转换过程的强度。通过实验我们得到结论:在小孔偏转方向一致的金属超表面体系里,涡旋光在plasmon共振增强的倍频转换过程中,出射的倍频光的拓扑荷数l2与入射基波光的拓扑荷数l1遵循公式2l1=l2,即轨道角动量守恒。这样的实验结果对于涡旋光在非线性光操控和微纳光子学器件中的应用起到了一定的铺垫作用。4.我们使用一个各向异性的金属超表面实现了高阶LG模式光束的产生。实验中我们使用的金属超表面是由一系列偏转角度不同的长方形纳米小孔构成的,通过模拟我们可知,当一束光透过此类金属超表面时,其在透射光中引入的相位的变化(θ)大小可以近似由小孔的偏转角度φ来决定,他们之间遵循公式θ = ±2φ。根据上述原理,我们成功的设计并制备了宽带波长范围内的高阶LG模式产生器件,其可以稳定的工作在700nm到100nm,p在原理上不受限制,本实验中p可以做到高达10。实验结果不仅揭示了光与各向异性的金属超表面之间的光学效应,此高阶LG模式产生器件还可以用于微纳领域的光操控和光操作中。