荧光现在在显微成像、光学器件、医学研究和诊断，以及生物领域都有广泛的应用。在化学、生物上，荧光分子可以用来表征蛋白质分子的合成和能量转移、提高生物分子成像质量检测癌细胞，和DNA测序等等。在物理上，荧光分子可以作为一个光子发射源，把它放到各种微腔中研究它们之间的强耦合作用，如Rabi分裂等。荧光分子还可以作为增益介质和共振腔一起形成受激辐射，得到激光，如染料激光器和Spaser等。　　随着金属人工微结构的不断发展，运用表面等离激元(SPP)调制荧光的技术可以显著地提高荧光强度和灵敏度，因而引起了人们的研究兴趣。　　论文中我们通过设计金属微纳结构来调控荧光分子周围的电磁场环境，分别从理论、模拟和实验上研究了金属微结构材料中的电磁耦合效应，进而实现对染料分子发出的荧光的有效调控。主要研究了一维周期光栅结构的色散关系;SPP带边增强荧光;荧光的放大的自发辐射;SPP微腔等。　　具体包括以下几个部分:　　1、平面金属SPP的色散关系曲线是斜率逐渐减小的光滑曲线，在金属表面引入一维矩形周期光栅结构后，SPP的色散关系就会受到调制。该结构能提供多个倒格矢，在色散关系曲线的布里渊区边界产生带隙。原本位于光锥线外部的带隙能通过倒格矢平移、折叠到光锥线内，实现带边模式的垂直激发。带隙的位置主要受周期P的影响，带隙的宽度则由凹槽的宽度d和深度h决定。 FDTD模拟的带隙宽度与计算的相应傅利叶系数成正比关系。当凹槽宽度为P/2时，没有带隙;当凹槽宽度为P/4和3P/4时，带隙最大，但激发的共振模式不同。d=P/4激发的电场上带边较强，下带边较弱;而d=3P/4则是下带边较强，上带边较弱。计算、模拟的结果得到了实验验证。　　2、态密度是与色散关系曲线的斜率成反比的，通过计算一维周期金属光栅结构的态密度发现，越靠近带边，态密度越大。带隙越大，带边附近的斜率越小，带边位置的态密度越高。FDTD模拟的电场分布图表明带边处耦合可以产生很强的SPP共振模式。由费米黄金定则可知，染料分子的发光强度主要受到分子周围电磁场的场强和态密度影响。SPP在带边同时具有很高的态密度和场强，所以可以用来增强荧光。通过结构设计，我们把SPP的带边调到荧光发射峰的波段。实验对比发现，最优化的Au结构是占空比为3/4，在此结构上的荧光发光强度是在平面金属上的120倍;当占空比为1/4时，增强95倍;当占空比为1/2时，仅40倍。　　3、提出了一个可以实现荧光的放大自发辐射的金属微结构的模型，即将染料分子置于金属/介质/金属中的介质层，并在上层金属上刻蚀一维周期光栅结构。当把介质微腔中的F-P腔模与相邻金属光栅的SPP模调到同一波段时，二者产生强烈的耦合。两种模式是否产生耦合是通过改变金属光栅的深度来调节的。耦合作用越强，荧光谱的半峰宽(FWHM)越窄，放大的自发辐射的阈值越低。当凹槽的深度h=25nm时，F-P模与SPP模恰好耦合，此时结构对应的激发阈值最低，为5W/cm2。由于结构表面存在一维周期光栅结构，因而具有一定的偏振特性，从采集到的结果来看，81％的能量经过SPP再辐射到空间中，只有19％的能量直接穿过上表面透射出来。利用液氮研究了样品阈值随温度的变化规律，随着温度的降低，样品内部的损耗减少，因而阈值在不断地降低。　　4、在调研了不同的光子晶体缺陷微腔激光器之后，我们在金属周期结构中引入缺陷微腔。当入射光激发了微腔两边的SPP后，经过反射就会在中间的微腔内产生共振。实验结果表明，该共振结构可以极大地增强染料分子的荧光，并使峰宽变窄，初步结果是实现了荧光的放大自发辐射。但是要实现SPP微腔激光器，仍面临很多困难，如:如何克服SPP损耗问题、如何使微腔共振进一步加强、以及增益介质的选择等，这些都需要我们不断地探索。