不同微纳金属结构的等离激元具有各自独特的性质,获得了广泛研究。这些微纳结构包括金属纳米颗粒、纳米环、纳米棒(或者纳米条)等,在传感器等光学器件中得到了广泛的应用。当等离激元结构和入射电磁场波矢量的表面分量满足匹配条件时,金属微纳结构中的电子就会以入射光的频率振荡,从而形成局域表面等离激元谐振,电磁场被局域在临近微纳结构的表面并获得增强。因此,等离激元微纳结构可以用于电场增强和折射率传感等,能够显著地增强对低浓度生物分子的探测能力。本论文研究了三种不同纳米金属结构的表面等离激元特性,包括:带有金属底板和电介质中间层的纳米狭缝金属光栅结构、纳米狭缝腔和微腔耦合结构、带有金属底板和电介质中间层的金属纳米环阵列结构。具体来说,本论文主要研究内容和成果如下:1.提出了一种能增强太赫兹电场的一维纳米狭缝金属光栅-电介质-金属三层结构。研究发现金属光栅厚度和狭缝宽度在趋肤深度以下时,光栅的周期、狭缝宽度、中间电介质层的厚度决定了电场增强效果,通过改变这些参数可以对太赫兹电场增强的倍数进行调节。该结构可以对太赫兹电场进行有效增强,从而在太赫兹波传感测量中具有潜在应用。2.研究了一种顶层周期单元为纳米金属环阵列的金属-电介质-金属三层结构,揭示了其在红外波段的完美吸收特性。研究发现,由于间隙等离激元谐振机制,谐振波长位置强烈地依赖纳米环表面覆盖样品的折射率。随着样品折射率的增大,该结构的吸收系数几乎不变,呈现完美吸收,谐振波长出现红移,并与折射率变化呈线性关系,可以作为高灵敏度折射率传感器。并仔细研究了不同的电介质中间层如SiO2、TiO2、TiN、Al2O3,以及不同的金属材质,如Au、Ag、Al、Cu,对传感性能的影响。该结构在红外波段的完美吸收特性使其可作为折射率传感器应用于化学和生物传感。3.提出了一种基于表面晶格谐振的金属-电介质-金属结构实现窄带吸收体。该结构包括周期金属纳米环阵列、金属底板、中间电介质层,其吸收性能主要取决于这些结构的尺寸。它具有窄线宽和完美吸收的优点,吸收率可以达到90%、吸收带宽小于10 nm。金属纳米结构表面周围环境的折射率对表面晶格谐振的影响明显,利用这个性质将其作为折射率传感器应用,其灵敏度可达S=500 nm/RIU,体灵敏度品质因子FOM=25,比间隙等离激元谐振机制的相应因子大一个数量级,表面灵敏度品质因子可达FOM=0.42,比间隙等离激元谐振机制的相应因子大一倍。4.提出了一种可以实现窄带完美吸收的金属纳米狭缝腔耦合微腔的金属-电介质-金属的周期结构,它包含一个带有纳米狭缝的金属光栅、电介质中间层、金属底板。该结构中每个周期中有一个纳米狭缝,可以在实现完美吸收的同时对光的电场进行增强。金属光栅的厚度、电介质中间层的厚度、纳米狭缝的宽度是影响吸收性能的主要因素。研究表明该结构不但可以实现窄带吸收而且可以在微小体积中获得巨大的电场增强。我们在此基础上提出了一种折射率传感器,其品质因子可以达到25。这种折射率传感器能够用于生物探测、医疗传感等领域。