表面等离激元(Surface Plasmons,SPs)是金属中自由电子的集体振荡,并具有一系列独特的光学性质,例如对光的选择性吸收与散射、局域电磁场增强、电磁波的亚波长束缚等。近年来,随着对纳米结构的研究不断深入,人们发现表面等离激元金属纳米结构在生物传感、超快光信息处理、全光学纳米器件以及特异性材料等方面都有着广泛的应用前景。论文首先从表面等离激元的基础概念、特点、现象以及当前表面等离激元学领域的最新研究进展进行介绍。接着,通过对该领域的研究进展的学习和探索,系统介绍了基于金属纳米结构中表面等离激元共振传感器应用的相关原理以及应用技术。最后,本论文创新性地提出了两种具有高传感性能的表面等离激元金属纳米结构的设计方案。论文内容包括以下两个方面:1.提出通过将金属纳米颗粒阵列置于法布里-珀罗(Fabry-Pérot,FP)共振微腔中可以实现具有高灵敏度的生物传感器。我们研究表明,当调节FP共振微腔的高度使FP腔中的光腔模式的位置与金属纳米颗粒的局域表面等离激元共振位置重合时,它们将发生强烈的耦合从而在反射光谱中产生两个超窄线宽的杂化等离激元模式。当这两种模式被激发时,金属纳米颗粒周围的电场将获得极大的增强。此外,我们研究还发现,这两种超窄带的杂化模式展现出较高的折射率传感性能,其灵敏度达到600 nm/RIU,而品质因子可达28。这些研究结果表明我们提出的这种光腔耦合的方案在生物传感中具有非常重要的应用价值。2.提出由光学微腔增强的基于磁等离激元共振的超构材料传感器。该传感器由金属U型环周期阵列,中间介质层以及金属衬底组成,而金属U型环与金属衬底将构成一个光学微腔。我们研究发现,当调节光学微腔的间距使中间介质层中的微腔模式与金属U型环的磁共振位置重合时,金属U型环的磁共振的辐射损失将被抑制,其线宽将显著的减小。由于磁共振位置处,较窄的线宽、较深的调节强度以及巨大的磁场增强,我们提出的这种光腔耦合的超构材料传感器具有非常高的灵敏度(S=400 nm/RIU)和品质因子(FOM=33)。这些研究结果表明我们所提出的超构材料传感器在生物医学领域具有巨大的应用潜力。