表面等离激元（Surface Plasmons,SPs）是金属表面自由电子的集体振荡,它可将光场束缚在金属纳米结构表面以及在纳米尺度上实现对光的操控,因此具有特殊的光学性质。众所周知,通过调节金属微纳结构的材料、形状以及结构尺寸可以实现对其SPs共振特性的调控,这在纳米光子学领域具有重要的应用价值,其中基于SPs共振的折射率生物传感器是目前国内外的研究热点之一。本文通过研究金属微纳结构中电/磁SPs共振与介质波导膜的强耦合特性,设计出了高性能折射率传感器,在无标记生物传感领域具有潜在的应用前景。本论文首先介绍了SPs的研究背景,阐述了表面等离极化激元的物理机制、局域表面等离激元的理论基础以及基于SPs共振的前沿应用。接着,介绍了超构材料的负折射率特性、磁表面等离激元的基本概念以及基于局域表面等离激元共振的折射率生物传感器的原理和应用。最后,本论文创新性地设计出两种高性能折射率生物传感器。论文的研究内容包括以下两个方面:一、设计了一种基于三维超构材料的高性能折射率生物传感器,该三维超构材料由金属垂直开口谐振环（Vertical Split-ring Resonators,VSRRs）/氧化铟锡波导层/二氧化硅衬底复合结构组成。研究结果表明,VSRRs中激发的磁表面等离激元共振与介质波导中传播的光波导模式的强耦合可以形成一种杂化模式,这种杂化模式具有超窄的带宽以及巨大的磁场增强。更为重要的是,这种杂化模式对周围环境介质的折射率变化极为敏感,该三维超构材料具有很高的传感灵敏度（S=300 nm/RIU,S*=16 nm/RIU）和品质因子（FOM=30,FOM*=390）,因此在无标记生物传感领域具有重要的应用价值。二、设计了一种光学波导模式增强的局域表面等离激元共振生物传感器,这种传感器由金纳米球周期阵列/氧化铟锡波导层/二氧化硅衬底复合结构组成。研究表明,该结构在光正入射时,介质波导中的零阶TE和TM波导模式与金属纳米颗粒的局域表面等离激元共振耦合,可以形成两个窄带杂化波导模式。通过改变金纳米球的阵列周期,可以选择性地激发任意波导模式（TM、TE或两者）以及调控波导模式的位置。同时,通过改变氧化铟锡层的厚度,也能够实现对波导模式位置的调控。该金属微纳结构的零阶TM、TE波导模式的反射共振峰的半高宽仅为2.4 nm和3.2 nm,这对传感性能的提升十分有利。计算结果表明,基于这种金属纳米结构所设计的折射率传感器的灵敏度可达S=80 nm/RIU,品质因子可达FOM=32,在生物医学传感领域具有良好的应用前景。