随着微加工技术的进步,越来越多复杂的金属纳米结构被制造出来。这些金属纳米结构具有丰富的光电性质,并在表面增强拉曼、集成光路、传感器、数据存储和光学天线等领域展现出了极大的应用前景。同时,在国际学术界也催生出表面等离激元学(Plasmonics)这一覆盖物理学、化学、材料科学、信息科学和生物科学等学科的交叉研究领域。本论文从理论上研究了新型等离激元波导和等离激元纳米激光器的物理性质以及工作品质。我们采用数值计算的方法对实验制备的人工“磁原子”结构——金双三角纳米颗粒阵列的磁共振性质进行了深入的研究。具体内容包括以下几方面：1、论文首先介绍了表面等离激元的基本物理概念、特点。接着论文对等离激元集成光路、基于等离激元共振腔的纳米激光器和人工“磁原子”结构这三个与表面等离激元密切相关的重要应用方向的研究发展、现状和应用前景进行了回顾。2、设计出了一种新型等离激元波导结构——梯形截面的狭缝等离激元波导。论文利用有限元的模式分析方法,详细地研究了该类型波导的SPP传播色散曲线、传播距离和传播模式场的分布情况。对比人们已经目前已知的V型凹槽等离激元波导,我们设计的波导结构具有更宽的工作带宽和更小的模式场尺寸。此外,我们还研究了波导的传播特性随着波导的凹槽深度、劈尖角度以及劈尖的钝化程度的变化情况,发现这种梯形截面的狭缝波导具有很好的工作稳定性。研究表明,基于该类型波导构造出的回音廊共振器等离激元分立器件也具有理想的工作效果。3、设计了一种新型的等离激元纳米激光器,这种纳米激光器是由纳米量级的银层包裹上光学增益介质球核组成的。数值计算的结果表明,这种金属纳米球壳结构可以支持具有高局域性的局域等离激元腔共振模式,由于这种腔模共振模式的大部分电场被很好地局域在球壳腔内,因而具有很高的品质因子和较低的模式体积。我们以腔模模式作为激光器的受激辐射模式,计算得到了银纳米球壳激光器的受激辐射条件。研究表明,银纳米球壳具有远低于其它类型等离激元纳米激光器的阈值。此外,我们还考虑了球壳对称破缺后的阈值变化情况,发现只要金属球壳开口的角度小于10度,上述激光器的阈值没有明显的增加。我们预期这种银纳米球壳激光器有可能作为一种有效的亚波长相干光源达到在室温环境下的受激辐射。4、利用角度分辨微球刻印技术,制备出开口相对的金属双三角纳米颗粒阵列,这种金双三角纳米颗粒在形貌上类似于人工“磁原子”结构——金属开口环。论文从实验和数值计算方面详细地研究了双三角纳米颗粒阵列在垂直入射和斜入射条件下的光谱。研究发现,在垂直入射条件下,入射电磁波的电场分量可以激发双三角纳米颗粒的非对称磁共振模式,在这种模式下单胞内的磁偶极子共振方向相反,整个阵列的平均磁响应被相互抵消；在斜入射条件下,电场分量沿着双三角臂的偏振方向时可以激发磁偶极子同向的对称磁共振模式,电场分量沿着双三角底边时可以同时激发对称和非对称磁共振模式。此外,我们还研究了磁共振模式位置对于结构参数之间的依赖关系。
