近年来,随着激光技术的不断发展,微纳加工技术的不断成熟,由光学微腔和机械振子组成的腔光机械系统在实验上取得显著的成果和突破。同时,随着人们对腔光机械系统研究的不断深入,人们发现其在量子信息处理、光子器件、精密测量、新型激光等方面都表现出了其特有的应用优势。因此,腔光机械系统在理论及实验上都引起了人们的广泛关注。本文中,基于腔量子电动力学的基础知识,我们研究了混合腔光机械系统中的光学非线性特性,并基于混合腔光机械系统的光学二阶边带值和电荷的依赖关系,提出了超灵敏电荷检测传感器的设计方案;同时,我们还研究了基于微腔系统的金属纳米粒子的等离激元效应,提出了两种不同的检测金属纳米粒子半径的方案。主要研究的具体内容如下:1)在光电混合的腔光机械系统中,我们提出了用增益腔实现二阶边带产生效率增强的方案,同时提出利用带电振子和带电体之间的库伦相互作用对二阶边带产生效率的最大值的依赖性,实现全光的电荷检测传感器的设计方案。该系统是由增益腔耦合到一个经典腔光机械系统构成的,经典腔光机械系统的振子带电并通过库伦相互作用和外界带电体耦合。研究结果表明,增益腔的存在不仅能显著的增加二阶边带的产生效率,还能提高系统中二阶边带产生效率最大值对带电体所带电荷数的依赖程度。对比没有增益腔存在时的经典腔光机械系统,我们发现该系统中能实现的二阶边带产生效率的值比经典腔光机械系统中能实现的高一个数量级。随后,我们讨论了这样一个增益腔辅助的光机械系统作为一系列高灵敏度传感器用于测量电荷的应用。选择实验可实现的参数,我们确定了辅助增益腔允许我们增强二阶边带产生和提高传感器灵敏度的条件。最后,我们比较了增益腔存在和不存在时,两种情况下电荷检测传感器的灵敏度。结果表明增益腔存在时电荷检测传感器的灵敏度的值比没有增益腔存在时的腔光机械系统能实现的电荷检测传感器的灵敏度的值高了至少四个数量级。本研究有助于人们更好地理解混合光-机-电系统中非线性光谱学。2)我们提出了一种在混合非线性微腔中实现单个金属纳米粒子（MNP）超灵敏尺寸传感器的潜在应用方案。该方案通过利用一个成熟的微腔工程等离子体共振机制来实现的。此外,微腔系统中还嵌入了一个简并参量放大器（DPA）。研究结果表明,在DPA的作用下,探测场的透射谱中的透射峰发生了劈裂,并且劈裂峰之间的距离跟金属纳米粒子的半径有关。因此,通过监测两个峰之间的宽度,可以从透射光谱中推断单个MNP的半径。利用实验可实现的参数,即使纳米粒子的半径只有10nm,我们提出的检测MNP半径的传感器的灵敏度仍然能达到0.198 THz/nm。最后,由于DPA的作用,该系统能很好的抑制光子散粒噪声对传感器灵敏度的影响。相较于其他的基于微腔系统的检测单个纳米粒子的方案,我们提出的方案中对光学微腔的要求不高,品质因子仅需要达到2500,在实验上更容易实现。3)基于微腔提供的可调控的电磁环境,我们在理论上提出了另外一种检测金属纳米粒子半径的方案。该方案中,相互耦合的二能级量子发射极和金属纳米粒子被放置到低品质因子的光学微腔中。通过详细的数值模拟和解析建模,我们发现透射谱中放大窗口的线宽对MNP的半径很敏感。随后,我们讨论了这种混合光学微腔系统作为一种高灵敏度传感器用于测量MNP的微小半径的应用。选择实验可实现参数,我们得到传感器的检测灵敏度可以达到约2.6GHz/nm。与其他系统比较,我们的方案有两个优点:第一,方案中我们对微腔的品质因子要求不高,有利于实验上实现;第二,该方案中我们选择透射谱的线宽作为观测量来反应MNP的半径大小,而模式展宽传感机制不仅对激光频率噪声和热波动噪声不敏感,还对腔场的品质因子要求不高,因此模式展宽更适合作为传感器的观测量。综上所述,本论文的研究有利于加深人们对腔光机械系统中非线性光学特性的认识和理解,有利于人们对腔光机械系统在传感器方面的应用价值的认知。这些研究对非线性光谱学、精密测量以及腔光力学的发展都具有一定的参考价值。