表面等离子体激元(Surface plasmon polarization, SPPs)或称表面等离子体(Surface plasmon, SPs)是由金属表面自由电子和光子相互作用形成的倏逝波。基于表面等离子体的各种纳米光子器件被认为是当今最有希望实现纳米全光集成回路的基础。亚波长金属纳米结构是激发和控制表面等离子体的主要结构,有效激发表面等离子体的金属纳米光子器件不仅能改善传统器件的性能,而且会产生一些新奇的物理现象和实现新的器件功能。本文采用时域有限差分法(FDTD),结合表面等离子体亚波长光学及电磁场相关理论,研究了金属周期性纳米结构的光学性能,通过构造不同的结构参数,分析表面等离子体共振的基本调控机制和物理机理,发现了新的物理现象,丰富了亚波长光学结构的调节手段,并探索可能产生的新应用。本论文主要研究工作如下：1、研究了由两层金薄膜上打有周期性倾斜狭缝阵列的亚波长金属周期结构的光学特性及表面等离子体特性。比较了两层狭缝同轴和不同轴(即狭缝间有侧向位移)两种情况的光学性能的异同,分析了双层亚波长金属狭缝阵列的两种不同透射共振模式(表面等离子体共振模和局域波导共振模式),分别通过改变倾斜狭缝的侧向位移、薄膜间距、薄膜厚度、狭缝宽度等结构参数来考察此结构的光学性能及表面等离子体激元耦合情况的变化。随着结构参数的改变,两种模式的共振峰变化规律不同,分别出现蓝移、红移、分裂、合并、增强、衰减等现象。模拟结果可以为设计金属狭缝光学器件及扫描近场光学显微镜等光学器件提供理论指导。2、探讨了亚波长金属周期性矩形狭缝阵列-薄膜体系和倾斜狭缝阵列-薄膜体系的表面等离子体及光学性能。与单层周期性亚波长矩形狭缝比较,矩形狭缝阵列-薄膜体系出现了更多的透射峰,同时,在这些透射峰之间透射极小,几乎全部是光学禁带,证明组合系统比单一的打孔薄膜拥有更优秀的滤波和频率选择特征。此结果可以考虑做为光学滤波器、选频器件方面的应用。比较了单层倾斜狭缝阵列和倾斜狭缝阵列-薄膜体系的光学特性,分析了各种结构因子对此类型复合结构光学特性的调控作用。结果表明复合体系要比单一纳米结构具有更多的等离子体模式,且复合结构体系比单一结构具有更多的可调控因子,便于人们对电磁波进行操控。3、分析了金属纳米粒子阵列的光学及表面等离子体特性。在共轴纳米球壳阵列中,对不同球壳厚度、球壳尺寸和粒子间距下进行理论计算,并且给出了不同共振峰的场分布模式,发现低能量峰主要起源于球等离子体耦合,而高能量峰来源于球和腔两者的等离子体耦合。宽光子禁带的出现以及近场增强效应可以用来设计带宽滤通器及生物传感器等。研究了非同轴的金纳米管阵列,发现非同轴金纳米管阵列的光学特性能够被中心偏移值、管的尺寸、管间距离和纳米管厚度所调制。另外,基于瞬时电场分布模式讨论了纳米管阵列的等离子体激元共振的多极性质。研究结果对于设计新型光子器件有重要的指导作用。4、研究了含介质的金纳米球壳阵列及含缺陷的金纳米管阵列。发现核介电常数ε1、周围环境介电常数ε2的增加导致透射谱的红移。利用金属纳米粒子对周围介质环境高度灵敏的特性,可以用来制作高敏感高集成的生物传感器。探讨了移除一个特定的纳米管、中间纳米管填充不同介电常数的电介质、改变中间纳米管尺寸等缺陷对金纳米管阵列的光学性能的影响。通过引入不同介电常数的电介质和不同类型的缺陷,金属纳米粒子阵列表现出更多的可调性,对于拓宽亚波长周期性金属结构在光学器件领域的应用有指导作用。