金属纳米结构在入射光激励时,其自由电子将与入射光相互作用,适当条件下,将形成一种沿着金属表面传播的近场电磁波,即表面等离激元(Surface Plasmon,SP)。根据金属纳米结构对SP的边界约束条件,SP可分为局域表面等离激元(Localized Surface Plasmon,LSP)和表面等离极化激元(Surface Plasmon Polariton,SPP)。由于表面等离激元效应,金属纳米结构具有奇特的光电响应特性。这些奇异的特性已经形成了最具活力的热门研究内容,其研究成果已经成功应用于生物传感、医学诊断、光电功能材料、超高容量光存储以及新型能源等领域。本论文提出并设计了几种特殊的金属纳米结构,采用有限元法(FEM)数值模拟,从理论上研究其表面等离激元共振耦合特性、诱导透明及光学手性效应。主要研究工作如下:1.理论分析并数值模拟研究具有双扇形构型光学纳米天线的表面等离激元共振特性。结果表明,扇形金属纳米结构尖端及两扇形间隙处具有显著的电场增强,其消光谱具有多级共振峰,且具有明显的定向远场能量辐射特性。通过分析各共振峰位置波长激发下的双扇形结构的电荷和电场分布,发现各共振峰均由绑定模式耦合产生。通过调节两扇形的中心角、夹角、距离等结构参数,可以实现对共振峰位置的调节。相关研究结论为光学纳米天线的研制,及其在生物光谱传感等方面应用提供了可靠理论依据。2.提出并设计了纳米圆环和纳米叉组成的复合金属纳米结构,分别研究了环与叉相接及环与叉分离两种状态下体系的表面等离激元共振性质。结果表明,当环叉相接时,通过调整纳米叉的交叉角度、交叉点位置以及结构尺寸大小,可以实现对LSP共振峰的调制,并观察到超高阶的表面等离激元共振峰及局域电场增强效应,特别是当叉夹角为90°时,环叉构型具有偏振无关特性。通过研究共振峰位的电场及电荷密度分布,基于模式耦合模型对消光光谱特性进行分析。当环叉分离时,通过改变纳米叉与纳米环间距离,发现与环叉相接情况相比,产生新的高阶共振模式。相关研究结论为设计可调谐滤波器提供了可能途径。3.构建了纳米环和纳米棒构成的二维和三维超结构,研究结构排列方式、空间对称性和周围介质环境属性变化对表面等离激元诱导透明效应的影响规律。结果表明,通过调节纳米棒在纳米环中的相对位置,破坏其结构的空间对称性,在透射谱上同时出现了两个表面等离激元诱导透明窗。基于表面等离激元耦合模型分析可知,位于短波长处的透明窗是亮模-暗模相互耦合作用产生,而位于长波长处的另一透明窗口则是由亮模-亮模杂化耦合产生。并基于洛伦兹振子模型对亮-暗耦合的表面等离激元诱导透明现象进行了理论分析。环棒复合纳米结构所具有的两种不同的模态耦合共存产生的表面等离激元诱导透明效应,可为新型光谱滤波器设计提供很好的参考。4.以Born-kuhn模型为基础,对金属-介质-金属构型的双重旋转手性纳米结构阵列的表面等离激元共振特性和圆二色性展开研究。结果表明,该结构具有很强的圆二色性及光学手性,且强烈依赖于结构尺寸大小,上下层间距等参数。基于Born-kuhn理论模型,将上、下两层纳米结构等效为电偶极子,通过分析层间电荷的耦合模式,对共振峰位置随结构参数变化产生频移现象进行解释,揭示其圆二色性产生机理。所设计的手性纳米结构具有的近场增强效应和手性光学性质,可为生物靶向分子检测、光谱传感提供实验依据。