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金属材料中存在大量自由电子,当入射光照射在金属纳米结构表面,将引起其表面自由电子的集体振荡,即产生表面等离激元效应。表面等离激元以金属纳米结构为载体,能够把光束缚在纳米结构表面,可以突破光学衍射极限,在纳米量级尺度上对光进行操控。基于表面等离激元效应设计的金属纳米结构已经在表面增强光谱、生物传感等诸领域广泛研究。通过将表面等离激元效应与手性相结合,设计手性表面等离激元金属纳米结构并研究其独特的光学手性成为当前的研究热点之一。本论文设计具有手性特性的金属纳米结构阵列,并基于有限元法(Finite Element Method,FEM)数值模拟,计算其电磁场分布特性,研究手性结构在不同旋向的圆偏振光激发下的电磁耦合机制,在此基础上引入二维材料石墨烯,研究复合手性金属纳米结构在可见光及近红外波段的手性响应。本论文主要研究工作如下:1、设计垂直Q形纳米结构阵列(Vertical Q-shaped Nanostructure Arrays,VQNAs),并研究其圆二色(Circle Dichroism,CD)特性。数值计算表明,VQNAs的CD光谱在可见光波段范围内呈现出四种表面等离激元共振模式。通过控制变量法调节结构的几何尺寸、两个非手性结构间的夹角等几何参数,发现CD光谱的幅值均随着单个参数的增大存在先增大后减小的规律,这对应于不对称因子的非单调性,证明了对称破坏具有相对性且可调谐。相关研究结论有助于加深理解通过对称破坏获得CD光谱的物理机制。2、提出将石墨烯带(Graphene Ribbons,GRs)引入至h形平面手性金属纳米结构(Planar h-shaped-metal Chiral Nanostructures,PHCNs)中,设计得到石墨烯-平面手性金属纳米结构阵列(PHCNs@GRs),研究其CD光谱特性。数值计算结果表明,PHCNs与GRs之间产生的等离激元共振耦合使得PHCNs在左旋圆偏振光(Left-handed Circularly Polarized Light,LCP)和右旋圆偏振光(Right-handed Circularly Polarized Light,RCP)激发下的吸收光谱得到不同程度地增强,从而有效增强纳米结构整体CD光谱的信号强度。所提出的混合手性纳米结构中GRs具有较强的表面电流,在增强催化反应和拉曼散射光谱方面具有一定的应用潜力。3、基于局域表面等离激元(Localized Surface Plasmons,LSP)与表面等离极化激元(Surface Plasmon Polaritons,SPP)共振耦合作用,提出并研究半透型Y形孔状纳米结构阵列(Y-shaped-groove Semi-permeable Nanostructure Arrays,YSNAs)与石墨烯带(GRs)阵列组成的混合等离激元手性纳米结构YSNAs@GRs的CD响应特性。多层平面纳米结构YSNAs由平面Y形孔状纳米结构(Y-shaped-hole Nanostructure Arrays,YNAs)与金属纳米衬底组成。通过FEM数值计算,研究YNAs@GRs与YSNAs@GRs的吸收光谱和CD光谱特性。计算结果表明,GRs能够显著增强纳米结构中的LSP共振响应的CD信号,而对于SPP共振的CD信号增强不明显;而通过增加金属纳米衬底,可以实现SPP共振显著增强。此外,YSNAs和GRs之间的等离激元耦合与YNAs@GRs中的共振耦合相似,其均由石墨烯增强Y形凹槽在z方向的LSP共振所贡献。同时,空气柱厚度对纳米结构具有驻波效应,其上方空气层里形成驻波能对入射光的能量进行调控分布。另外,改变YSNAs@GRs的Y形凹槽的面积可以调节YSNAs@GRs的吸收增强。相关研究结论为设计具有较强圆二色性响应且易于制备的人工手性等离激元纳米结构提供可能途径。