表面增强拉曼散射（Surface Enhanced Raman Scattering， SERS）的发现克服了传统拉曼光谱分子检测方法中，由于分子拉曼散射截面很小而导致的拉曼散射光信号很弱、探测灵敏度低等不足。当贵金属（如金、银、铜）表面制作具有一定形式的亚波长尺度微结构时，结构附近电磁场可获得极大的增强，进而增强该区域内被测分子的拉曼信号，从而大大提高灵敏度，甚至达到单分子探测的水平。SERS无序金属基底虽然可以采用化学方法得到且制备成本较低，但是只能提供统计意义上的数据，不利于SERS机理的研究和SERS器件的优化设计。矩形槽金属腔结构简单，易于加工，而且能够产生很强的电磁增强。本论文开展了金属腔及其阵列电磁增强的研究，建立了电磁增强的物理模型，揭示了矩形槽金属腔电磁增强的物理机制，用以指导器件设计，完成了电磁增强结构的设计、制作及测试，得到的结论具有重要的理论意义和实用价值。　　 本论文建立了单金属槽电磁增强的Fabry-Perot模型，精确预言了全矢量方法严格计算的结果，并给出电磁增强机制的深入分析。系统地研究了结构参数和照明条件对电场增强因子(Enhancement Factor， EF)的影响。结果表明槽深、槽宽对EF的影响很大，而照明波长、金属类型和入射角对其影响很小。槽深满足共振条件时，窄槽槽口可以产生103～104的电场增强，对应的SERS电磁增强因子为106～108。基于Fabry-Perot模型的分析，明确了基模多次反射共振和较大的波阻抗是窄槽产生较高电场增强的物理原因。　　 以双金属槽为研究对象，本论文建立了电磁增强的表面波模型，精确复现了全矢量方法严格计算的结果，揭示了表面波被金属槽激励产生、沿金属表面传播、耦合进入金属槽从而影响槽内电场增强效应的物理机制。结果表明，改变槽间距时，表面波耦合成为槽基模的振幅和相位随之改变，进而改变槽内基模共振产生的电磁增强效应。波长的改变会影响表面波中表面等离子体（Surface Plasmon Polariton，SPP）和准柱面波的相对比例，导致表面波的衰减特性和相移常数发生变化，进而改变表面波耦合成为槽基模的系数，最终对槽内电磁增强因子产生影响。　　 论文建立了金属槽阵列电磁增强的Fabry-Perot模型，精确复现了严格耦合波算法的严格数值结果，深入分析了产生电磁增强的物理机制。系统地研究了结构参数和照明条件对阵列EF的影响。通过与单金属槽电磁增强比较，显示了阵列中槽间表面波电磁相互作用对电磁增强的影响。与单金属槽电磁增强类似，当槽深满足模型给出的基模共振条件时，阵列槽口的EF达到最大值，而且窄槽对应的EF较大，照明波长对阵列电磁增强的影响较小。不同的是，共振条件下阵列产生的EF比相同结构参数的单金属槽几乎高出一个数量级，而且阵列EF受入射角的影响较大。模型分析揭示了阵列结构激励SPP导致的透射极小值对电场增强的重要影响，明确了阵列中槽间表面波电磁相互作用对EF的增强效应，这种电磁相互作用来自阵列中各个槽激励产生的表面波，这些表面波会沿金属表面传播并耦合进入相邻槽。另外，论文也建立了金属狭缝阵列的Fabry-Perot模型。通过对狭缝阵列电磁增强和异常透射的研究发现，当狭缝深度满足模型给出的基模共振条件时，会同时发生电磁增强和异常透射现象。　　 基于理论分析结果，设计了SERS实验中金基底槽阵列和狭缝阵列结构，讨论了实际加工的结构中槽长度L和周期数目N的有限近似对EF的影响，给出了接近理想电磁增强性能的L和N的数值。分析了加工的误差容忍度，以及金基底厚度、铬膜等对电磁增强的影响。完成了金基底槽阵列和狭缝阵列器件的加工，实验测试了器件表面亚甲基蓝样品的拉曼光谱，并与平整金膜上样品的拉曼光谱对比，显示了阵列结构对拉曼光谱的增强效果，分析了实验误差产生的原因，验证了理论设计的有效性。