亚波长金属光栅可以通过设计光栅结构和改变光栅尺寸,实现在不同波段的滤波效果,具有透射率高、体积小、偏振性能好和易于集成等优点,并且可以利用纳米压印等微纳米制造技术实现大批量制造,因此在光学显示、光学传感器以及光学检测等领域有着巨大的应用前景,近年来受到了越来越多的关注。本文首先介绍了适用于亚波长光栅的基础分析理论。时域有限差分算法理论和严格耦合波分析理论为矢量衍射理论,在光栅仿真过程中进行精确的数值计算。等效介质理论为近似方法,利用均匀介质近似代替亚波长光栅的周期性结构,利用该理论可以对光栅偏振性能的产生进行物理层面的解释。其次,设计了一种双层亚波长金属光栅滤波器,分析了光栅结构参数(光栅周期、占空比、金属光栅高度、介质光栅高度、介质光栅折射率)对偏振和透射性能的影响,并对透射曲线中出现的异常现象进行了解释。利用该结构在可见光波段实现了蓝色、绿色和红色三种颜色的高透射、窄带宽的偏振滤波功能,半峰全宽FWHM(full width at half maximum)分别为35nm、37nm和38nm,峰值透射率分别达到77%、75%和73%,中心波长对应的消光比分别为20dB、25dB和30dB。另外,设计了一种多层阶梯式亚波长金属光栅滤波器,由多层光栅组成,中间层为介质,两侧为金属,通过调节中间介质层折射率,在可见光波段实现青色、品红色和黄色三种颜色的滤波功能,波谷透射率得到较好的抑制,旁带透射率高,该结构具有较好的减色滤波效果。最后,提出了一种新的组合优化算法,将遗传算法与梯度下降法结合,同时实现了大范围粗糙搜索和小范围精细搜索。利用该算法对所设计的光栅结构进行优化,进一步改善了光栅的滤波效果。分析了算法的优化性能,分别用该组合算法与传统遗传算法对多种目标进行优化,比较了不同算法的收敛速度,另外,探讨了种群大小对算法准确度的影响。结果表明,在选择合适的参数下,该方法具有较好的收敛速度和较高的准确度,可以有效地对亚波长光栅结构进行优化设计。