表面等离激元学(Plasmonics)是一门新兴的光学学科，自1998年T.W.Ebbesen等人报道了光透过金属薄膜上的亚波长小孔阵列发生异常透射的现象以来，金属等离子体表面波（Surface Plasmon Polariton，SPP）便重新受到了全世界的关注。人们从基础理论和实验应用的角度对Plasmonics展开了广泛的研究，而基于SPP的新型金属亚波长光电子器件以其灵敏度高、速度快、体积小易集成，并可以突破传统光学衍射极限等特点，成为近年来的一大研究热点。目前对于Plasmonics的研究正处于深入探索和实验的阶段，仍然存在未知的现象和特点等待着人们去发现和挖掘。本论文围绕新发现的Plasmonics中存在的临界角(Plasmonic Critical Angle，PCA)现象，从理论、实验和应用三个方面展开了深入研究，主要研究内容为表面等离激元的临界角现象研究，PCA附近激发SPP的理论研究及实验验证，以及PCA在广角耦合接收中的应用研究，具体工作如下:　　首先，研究了新发现的表面等离激元中存在的临界角现象，揭示了PCA现象的物理本质，并给出了PCA现象的原因及其存在条件，研究表明PCA与亚波长金属光栅的周期、厚度、占空比、细缝内填充的介质和入射光波长无关，而只与入射介质的折射率和出射介质的折射率有关。该现象的发现及研究为Plasmonics的基础理论及现象提供了新的探索和见解，并在Plasmonics新型光电子器件中具有潜在的应用，具有重要的理论价值和应用意义。　　其次，探明了PCA的异常特性:在PCA角度附近激发了沿金属光栅出射表面单向传播的SPP，且该激发特性与光栅的周期、厚度、占空比、细缝内填充的介质和入射光波长无关。给出了一种利用搭载在电动位移旋转平台上的反光镜的测试方法，能够实现入射角度动态可调，并利用直角耦合棱镜，实现大角度从光密介质入射到目标结构。利用自主搭建的测试平台对加工样片进行测试，证明了PCA附近激发SPP的现象及其宽带特性。从理论和实验上完善了对PCA现象的研究，并提出了一种新的SPP激励机制，在空间光耦合接收、SPP激发以及光束偏转等方面具有潜在的应用。　　最后，提出了一种利用PCA附近激发SPP现象实现扩大接收角度范围的方法，并提出了一个四层结构的广角耦合接收器，实现空间光广角耦合入金属-介质-金属(Metal-Dielectric-Metal，MDM)波导。利用PCA附近激发金属光栅出射表面单向传播的SPP，正向传播SPP模式的第0阶光栅共振效应和MDM结构中散射光的第1阶Fabry-Perot(FP)共振效应这三个物理效应，可在750 nm到1μm的波长范围内实现接收角度范围的半高全宽大于50°的空间光耦合入波导，且耦合效率达到25％之上。该广角耦合器要满足PCA的条件，具有宽带、接收角度范围动态可调的特性，对结构参数不敏感，对实际的加工误差具有很大的容忍度，大大降低了对加工工艺精度要求，在光互连、太阳能电池以及生物化学检测中有应用价值。