根据ITO/Au纳米核壳二聚体粒子在生物医学领域的应用合理性,设计了一种实时检测生物液体的核壳二聚体探针消光式传感器; 由偶极子理论推导出输出波长与外界环境折射率关系; 利用MATLAB设计ITO/Au纳米核壳二聚体粒子结构; 采用软件DDSCAT7.3结合离散偶极近似法,利用二聚体有效半径模拟计算了300~950nm可见光到红外光波段不同核壳比、二聚体间距、以及不同介质折射率的消光光谱; 根据传感芯片折射率与偶极共振、耦合八级共振的响应关系得出ITO/Au二聚体的折射率灵敏特性。与传统Ag/Au核壳纳米粒子相比,ITO/Au纳米核壳二聚体结构引入了可作为传感芯片灵敏性自参考参数的耦合八级共振峰,同时ITO/Au二聚体结构的折射率灵敏度可达到419nm/RIU。这些工作及其结果对制作消光式传感器具有重要的意义。

为提高传统GaN基LED的发光效率, 提出了一种基于纳米光栅结构的透射式表面等离激元增强型GaN-LED。该增强型LED包含覆盖在p型GaN光栅槽内的低折射率SiO2膜、Ag膜以及槽表面的ITO薄膜。详细阐述了该结构增强LED发光特性的基本原理, 利用基于有限元法的模拟软件“COMSOLTM-RF Module”对该结构进行参数优化和数值模拟分析。研究结果表明, 在周期p=280 nm, 占空比f=0.5, SiO2层的厚度d■=25 nm, 银层的厚度dAg=15 nm, ITO层的厚度dITO=30 nm时, 该结构在可见光范围内具有较高的传输效率, 其零阶透射率高达0.716, 零阶反射率为0.224, -1阶透射率峰值0.183, 且Purcell因子增强了近16.4倍。该结构可以同时提高GaN基LED的内量子效率、光萃取效率和SPP萃取效率。

构建了一种含双支节结构的石墨烯/介质/石墨烯亚波长波导结构。该结构将支节结构的选频特性和石墨烯的电可调特性相结合,能够实现在可见光到中红外范围内对入射光光强的动态调制。表面等离激元将光能量局限在纳米尺度的介质狭缝中,使调制器突破衍射极限,并且增强了石墨烯与光的相互作用。利用有限元法分析了石墨烯的化学势、支节长度以及介质材料对波导结构输出光强的影响。仿真结果表明:当入射波长为1550 nm、支节长度为315 nm、化学势由0.80 eV下降到0.78 eV时,消光比可达到6.77 dB。与传统调制器相比,所提光电调制器能够在保证高消光比的同时具有较高的调制效率,并且体积小、结构简单紧凑,可满足大规模集成应用的要求。

设计了一种带圆角的金属脊和低折射率空气间隙的新型混合表面等离子体波导结构。基于有限元法建立数学模型, 在工作波长为489 nm的可见光波段研究了该波导的电场分布、归一化模式面积、传输距离、品质因子和珀塞尔因子随金属脊曲率半径的变化情况。结果表明, 调整结构参数可使波导实现超深亚波长的光场限制, 同时获得较大的SPPs辐射增强倍数。在最优几何参数(纳米线半径为95 nm, 金属脊曲率半径为20 nm)下, 波导有效模式面积为0.0037λ2, 品质因子为268, 珀塞尔因子为65, 增益阈值为 0.2768 μm-1, 其表征激光增强值为69800。该激光器谐振腔具有超强的局域能力和激光增强能力, 可以实现超深亚波长的低阈值激射。

设计了一种双通道表面等离子体共振光纤传感器, 分析了Au、Cu两种材料对波长调制型表面等离子体共振光纤传感器的影响, 优化了金属厚度并且选取优化后的金属厚度dAu=47 nm, dCu=53 nm进行数值仿真分析。结果表明, 金属层为金的通道比金属层为铜的通道灵敏度高,但是金属层为铜的通道比金属层为金的通道检测精度高4倍; 金属层为金的传感通道适合检测折射率较低的物质, 而金属层为铜的传感通道适合检测折射率较高的物质, 该传感器的提出扩大了单一传感器的应用范围, 并且文中提出的传感器比传统的SPR传感器检测精度高, 灵敏度和单通道传感器一样。

设计了一种新颖的混合双肋型表面等离子体波导结构，基于有限元法对该波导在工作波长为1550 nm下的传输特性进行了数值仿真和优化分析。研究了该结构的电场分布、传输损耗、归一化模场面积、品质因子和增益系数。结果表明，通过最优参数设计，有效模场面积可达1.5×10-4λ2，品质因子为135，增益系数为1286 cm-1，且此时具有较小的损耗。与矩形金属脊混合波导结构相比，所设计的结构具有更强的光场限制能力，可以获得更好的波导传输效果。所设计的波导结构是未来解决光电技术高速化、小型化、集成化的一个重要途径。

设计了一种带有金属脊和氟化镁夹层的紫外混合表面等离子体纳米激光器。在COMSOL Multiphysics软件的基础上, 使用有限元法分析了所设计激光器结构的电场分布、模式特性、品质因数和增益阈值。结果表明: 在工作波长为390 nm的紫外波段, 通过最优参数设计, 其光场约束可达到较好的深亚波长水平, 同时保持高的品质因数、低的损耗和阈值。与平坦金属层结构相比, 在相同的参数下, 所设计的结构具有更强的光场限制能力和更强的微腔束缚能力, 有潜力使纳米设备趋于小型化和集成化。

提出了一种基于混合表面等离子体波导（HPW）的纳米激光器，并对其进行了理论研究和仿真分析。此结构通过金属-介质界面的表面等离子体模式与高增益介质半导体纳米线波导模式耦合，使中间的空气间隙场强得到显著增大，并保持低损耗传输，实现对输出光场的深亚波长约束。通过对几何参数进行优化，得到具有较小阈值和较高品质因数的纳米激光器。与边缘耦合混合表面等离子体纳米激光器比较可知，当二者的几何参数相同时，基于HPW的纳米激光器具有更小的阈值。

连续波发生器的SPASER(Surface Plasmon Amplification by Stimulated Emission of Radiation)相当于净放大等于零，不能作为放大器使用，文中采用改进的MIM波导结构实现SPASER作为放大器可能性。利用汉密尔顿函数的理论模型得到了放大器激射条件，数值计算表明：采用改进的MIM波导结构实现解决SPASER的内反馈问题和消除SP的净增益问题是可行的；改进结构在不到100 fs的时间里实现了SP激子数的稳定水平；改进SPASER放大器响应时间为100 fs，带宽为1.5~2 THz，SP的放大增益在30~60 dB范围。上述研究成果将为大规模集成光子学芯片设计提供了理论和技术基础。

为了研究MIM结构中腔的物理性质对SPP传播的影响，采用了对波导模式、谐振和反射系数以及相位分析的理论方法，讨论了腔长和厚度对SPP传播的相关参数的影响，仿真了MIM波导中电动势、腔长和反射系数等参数在结构中作用。结果表明，SPP传播产生的电动势能达到相对较大的1V，激发产生的能场会有放大的作用；腔的有效功率变化与腔长变化一致，不同的腔厚度中腔长对SPP传播的结果趋势相同；近场中传播系数存在一个最大值。这一问题的分析与讨论对非线性THz光谱研究、纳米级光电探测、SPP模式的发生器、强局域场都具有一定的意义。