表面增强拉曼散射(Surface-enhanced Raman scattering,SERS)是一种基于振动光谱的技术,其被广泛地应用于高灵敏、免标记的化学或生物传感领域。近几年来,大量研究着眼于低成本且可实现大面积制备的高增强SERS基底的研发。随着微细加工技术的不断发展,具有异常光学特性的亚波长结构(超材料)开始进入大家的视野,其优异的电磁调控特性拓宽了光学传感器件的设计思路。考虑到加工的难易程度与器件的体积大小,二维的超材料(超表面)正在成为光电研究领域的研究热点之一,其轻薄的体积及优异的性能在传感、全息成像、信息传输等领域有着较为广泛的应用前景。针对目前SERS基底存在的测试波长单一、制备困难和信号不强等问题,本论文对具有超表面结构的SERS基底开展了较为深入的研究。结合不同材料之间的相互作用以及特殊的谐振模式,提出了多种基于超表面的新型SERS基底。本论文的主要研究工作主要包括:1.基于金属-介质-金属(Metal-Insulator-Metal,MIM)型超表面结构提出可大面积制备的低成本SERS基底设计。利用MIM结构形成的光学微腔增强结构与入射光之间的耦合,达到拉曼信号增强的效果。不同的金属具有不同的增强效果,利用多种金属相互作用可以改变器件响应频率。我们从实验上实现了目标频率下共振吸收强度的提高且将宽带响应(530 nm)转换为了窄带(67 nm)。通过不同温度的退火处理,器件的共振带宽再一次被改变,这种调制方法较其他而言更加直接且方便,为可以在多频段下使用的SERS基底提供了新的设计思路。2.结合具有高深宽比(Aspect ratio,AR)的柱形超表面结构提出均匀的高灵敏性SERS基底设计。利用电子束光刻等方式完成SERS基底的加工可大大提升器件的可重复性及均匀性。数值模拟发现结构纵向上的光学共振可以被等效为一系列的驻波叠加,且其效果与结构的高度和激发光的频率有关。另外我们也分析了周期排布方式与结构尺寸对于整体增强强度的影响。利用罗丹明分子对基底的拉曼增强能力进行表征,其增强因子高达10~9,并在532 nm及785 nm的测试波长下均可呈现拉曼增强效果。可重复高灵敏的SERS基底为进一步提升传感器件的实用性提供了基础。3.基于不对称结构诱导的Fano共振提出超灵敏可调谐的SERS基底设计思路。利用多种谐振模式杂化产生的法诺共振实现高强度窄带宽的共振光谱。以不对称的结构引入不对称度,改变不对称度能获得仅有1 nm的共振线宽。改变周期阵列的大小,其共振频率可以实现可控的改变,这些特性有望为实现超灵敏SERS基底及像素化的光学传感器件提供理论基础。