本论文针对金属亚波长结构阵列,对其在表面电磁场增强和光学异常透射的机理及相关应用方面进行了研究。表面增强拉曼散射(surface enhanced Raman scattering, SERS)可以极大地提高拉曼信号,使单分子探测成为可能,并且其背后蕴藏的物理和化学效应也为基础科学的研究提供了新的方向,因此受到了人们的高度重视。由于SERS信号的增强和样品分子所处位置的电场四次方成正比,因此,SERS的研究始终围绕着微纳结构的电场增强展开。目前,有关微纳结构电场增强大多是利用热点效应,电场增强的区域很小,对样品分子的定位要求很高,在实用中受到了一定限制。本论文提出了微纳阵列结构的大面积场增强现象,降低了样品分子的定位要求,并利用半解析模型对这种现象进行了定量分析和微观物理解释,有利于指导实际应用中的参数优化方向。本论文在具有二维周期亚波长散射体阵列结构的金属表面观察到了大面积电磁场增强(large-area electromagnetic enhancement, LAEE)现象。利用LAEE效应,得到了约占总面积50%的电场增强区域,降低了在增强光谱应用中对样品分子的定位要求,并提高了总的光谱辐射信号。发现LAEE是金属亚波长周期阵列中普遍存在的现象,并且对不同类型的亚波长散射体(例如,孔或凸起)都表现出相似的场分布。基于微纳阵列中每个散射体处激发的表面波,建立了表面电磁场增强的微观表面波模型,其中表面波是由表面等离激元(surface plasmon polariton,SPP)和准柱面波(quasi-cylindrical wave, QCW)通过特定比例组合而成,称为复合波(hybrid wave, HW)。基于上述微观理论,发现LAEE来源于表面波(SPP和QCW)在金属表面的长程传播以及在相位匹配条件下的相长干涉叠加,这种基于长程传播模式相长干涉的物理机制导致了大面积的场增强效应。通过引入增益介质,补偿表面波在散射体处的散射损耗,增强了表面波共振,从而优化了LAEE的增强因子,获得了高达2000的电场增强因子,这和没有增益介质的情况相比高了一个数量级。针对有限厚度增益介质层对SPP传播损耗的补偿作用,系统研究了增益层厚度h、增益系数ngain"、波长λ等对损耗补偿的效果以及对SPP模式场分布的影响。实现了在完全补偿传播损耗的同时,在空气-介质界面上仍保持较强的SPP电磁场,保证了传感等相关应用中SPP场与待测物质的相互作用。发现当增益层厚度增大时,由SPP等效折射率虚部Im(nSP)表征的SPP传播损耗先增大,然后才开始下降,通过以下两种相反效果的综合作用对此作出了解释：增益介质层相对空气较大的折射率实部导致的传输损耗增大,以及增益对传输损耗的补偿作用。基于对LAEE的理论分析,设计参数并加工了实现LAEE的金基底方孔阵列结构。对结构进行了近场测量,并在IX71显微镜基础上搭建光路对结构的反射率进行了测量,验证了大面积电场增强基于表面波共振的物理解释。光学异常透射(extraordinary optical transmission, EOT)现象是指当光通过亚波长金属孔阵列时,得到的透射率在特定波长位置会比经典的小孔透射理论预言的数值高若干个数量级。EOT一经提出,立刻引起了研究者们对这种现象背后所蕴藏的物理机制的广泛关注,成为表面等离激元光学(plasmonics)进入活跃发展期的标志性事件。目前为止,关于光学异常透射物理机制的各种解释可以分为两大类：宏观Bloch模式解释和微观表面波解释。本论文通过建立微观模型对金属表面孔阵列的表面Bloch模式(surface Bloch mode, SBM)进行描述,进而使EOT的宏观Bloch模式解释和微观表面波解释得到统一。同时,由于建立了物理含义明确的描述SBM的微观理论,实现了利用平整表面支持的表面波来描述SBM,对基于SBM的超材料(metamaterials)的设计具有指导意义。本论文通过考虑金属孔阵列中各孔激励的HW表面波的多重散射过程,建立了金属孔阵列表面Bloch模式的微观表面波模型(即HW模型)。基于该HW模型,得到了SBM的复传播常数kSBM以及模式场分布的解析描述,为SBM人工界面的设计提供了理论指导,并在金属亚波长孔阵列光学异常透射的宏观SBM解释和微观表面波解释之间建立了联系,指出SBM和EOT是通过入射平面波的水平波矢分量kx的复极点联系在一起的,在复极点位置SBM模式场分布和EOT对应的散射场分布相似,均可表达为各孔激励的HW的赝周期线性叠加。利用EOT的微观表面波解释,与南京大学金飚兵教授研究组合作,对太赫兹波段、低温超导材料NbN薄膜上矩形孔阵列的EOT现象进行了数值模拟与微观模型分析,解释了EOT实验数据,明确了太赫兹波段超导材料EOT的物理机制。