表面等离子体共振传感具有实时监测、无需标记、灵敏度较高等特点,目前在化工、医疗、材料、食品、环境等方面均有广泛应用。而金属周期性纳米结构是当前表面等离子体共振传感领域的最新发展热点。利用金属周期性纳米结构经过调制的局域表面等离子体共振效应,可以获得区别于传统表面等离子体共振传感结构的独特性能。本论文在前人的基础上研究了多种金属周期性纳米结构的表面等离子体共振传感特性。通过时域有限差分算法和比较模型讨论了金属周期性纳米结构增强透射效应的机理,验证基于金属特性的表面等离子体和局域表面等离子体是形成增强透射的主要因素之一。通过时域有限差分算法研究了利用增强透射峰的移动作为依据来做传感的金属周期性纳米狭缝平板表面等离子体传感模型和利用窄波段范围内反射峰的移动作为依据来做传感的金属周期性纳米连续光栅平板表面等离子体传感模型,并给出了优化结果。通过严格耦合波分析算法和等效折射率方程研究了金属周期性纳米结构增强型棱镜表面等离子体共振传感结构模型。模拟表明这种类型的结构可以利用局域表面等离子体效应对原本普通的棱镜型表面等离子体共振传感结构产生重要影响,改变其反射率曲线形状和位置,并得到显著的共振角度移动增强。而后者直接导致了传感灵敏度的提高。文中针对金属周期性纳米光栅引起的反射率曲线吸收峰值位置、反射率曲线吸收峰的宽度、最小反射率以及共振角度移动增强等几个因素的各自变化分别进行了详细计算和讨论。在矩形金属周期性纳米光栅对表面等离子体共振传感增强理论的基础上,本论文还利用通过严格耦合波分析算法和等效折射率方程研究了其它三种新型结构的模型。其中,基于周期性纳米小孔的表面等离子体共振传感灵敏度增强结构既在内部存在局域表面等离子体效应,又具备普通表面等离子体结构的平滑表面,消除了小尺度光栅表面带来的各种问题。而基于金属周期性梯形和倒梯形光栅的表面等离子体共振传感灵敏度增强结构则可以通过调节梯形腰的倾斜度而在高的共振角度移动增强和好的反射率曲线质量之间取得平衡,为表面等离子体共振传感增强金属周期性纳米光栅的设计提供了更大的灵活性。最后,通过在介质光栅底部加入金属,形成基于周期性金属-电介质混合光栅的新型透射式多用途结构,可以改善透射峰的质量以及提高表面等离子体共振传感的灵敏度。这三种新型结构均给出了优化结果。用传输矩阵算法和等效折射率方程研究了一种基于硅波导的带金属周期性纳米结构的新型集成表面等离子体共振传感结构。引入周期性金属纳米结构到集成波导表面等离子体共振传感结构上,解决了硅波导因为对白光的吸收而无法用于表面等离子体共振传感的问题。经过模拟计算,可以发现金属周期性纳米结构的存在使得波导表面等离子体共振传感结构吸收峰向长波长方向发生了移动。通过优化设计,可以让吸收峰远离硅材料在可见光区的本征吸收,能很好地反应传感信息。此外,在这样的条件下,结构同时具备高灵敏度。该结构在未来有潜力集成于微型硅芯片上,以达到“片上实验室”的目标。进行了相关结构的制备工艺和测试技术研究,工作主要包括四部分:研究了基于纳米压印工艺的周期性纳米结构制备工艺;设计和搭建了分离式的新型棱镜表面等离子体共振传感系统;制备了基于绝缘体硅片的硅波导表面等离子体共振传感结构,搭建了波导对准测试系统;测试了金属周期性纳米结构石英平板的透射谱。