SPASER是所报道的最小的、第一个在可见光或更宽的波长范围内工作的纳米级的有源器件。采用双稳态方法，将SPASER技术引入到改进的MIM波导结构实现表面等离子波放大器的设计，理论上采用SPASER的激光理论的Bloch方程推导得出：泵浦速率小于阈值时，增益介质反转粒子数保持为0，在泵浦速率大于阈值时，反转粒子数随泵浦速率线性增长；系统的几何特性完全由本征模式函数描述，在给定本征模式下，其性质完全取决于材料参数；选择合适的材料参数，可以使各状态的驰豫特征时间都在亚皮秒量级。模型计算结果表明：改进结构不会改变SPPs的强局域化特性；器件解决了SPASER内反馈造成的表面等离子净增益消除的难题。 研究成果可应用到生物传感、波谱检测、显微成像、超快通信等领域。

设计了褶皱石墨烯波导结构激发表面等离子体激元，通过设计周期阵列结构实现了表面等离子体激元传播损耗的补偿.理论分析了周期阵列结构的表面等离子体激元传播模型和补偿损耗的方式，结果表明褶皱衍射激发表面等离子体激元波导不仅能够激发表面等离子体激元，还能利用表面等离子体激元波矢关系实现器件参数控制，周期阵列增益全程补偿损耗的方式可以显著增加表面等离子体激元的传播距离.数值分析结果进一步表明：该结构具备了保持亚波长尺寸的强局域化优势；周期阵列增益全程补偿可以显著提高纳米腔中的电场强度，降低传输损耗；波导结构的粒子反转水平较高，自发辐射噪声的扰动较低.设计的石墨烯波导器件可以为微纳光学集成、光子传感和测量等领域提供理想的亚波长光子器件.

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。

为实现长距离传输及亚波长尺度的模式限制，在传统介质加载型表面等离子结构的基础上，设计了一种微孔介质加载混合表面等离子体波导，采用时域有限差分法(FDTD)对该波导模式场分布及传输特性进行了相应的研究。研究表明所设计的波导结构具有较强的局域场限制，通过在孔内填充增益介质，使混合等离子体波导的传输损耗得到了补偿，输出端的表面等离子激元实现了增益放大。结果表明，通过调整波导的几何参数和电磁参数，可以显著提高波导的场限制，降低波导本身的损耗，其中当孔与金属之间距离为44 nm时，波导的损耗达最小约为-13 dB/μm。这一设计可以为光子器件集成提供一定的理论和实验借鉴价值。

基于表面等离子激元自发辐射放大噪声系数理论, 研究了长程表面等离子激元噪声系数变化规律, 设计了嵌有金属条的长程表面等离子结构.数值模拟得到表面等离子及周期条状长程表面等离子的噪声系数变化规律.给出入射波长从0.5 μm到1.75 μm, 每隔0.25 μm的噪声特性, 发现随着波长的增加噪声系数趋近于常数.仿真结果表明: 表面等离子及长程表面等离子自发辐射放大的噪声系数随着增益介质增大而明显增强；周期条状长程表面等离子结构中, 随着金属膜厚度以及金属条高度及个数增加导致噪声系数增加, 其中金属膜厚度对于其作用较明显.

为了深入探讨带状波导的表面等离子激元透射特性,采用衍射光栅耦合方式实现表面等离子激元激发,通过改变金属薄膜厚度和入射光角度,得到薄膜厚度、入射光角度与透射率的变化特性.结果表明：金属薄膜厚度的减少会导致透射带宽迅速降低,同时透射率也随之降低;而入射光角度的改变导致透射光效率的变化.这一研究对于半导体设备的纳米等离子激元耦合具有一定的意义.

设计了加载MIM波导的Otto结构研究SPPs的传输和衰减特性, 应用球面EM场的解法求解了整个介质区域的本征函数的特征值。对SiO2厚度分别为750 nm和1 500 nm的设计结构进行了仿真, 结果表明: 750 nm改进结构的TM0传播常数达到了1.541, 衰减系数仅仅为2.80; 随着SiO2层介质厚度的减小, 反射系数随之增大, 且不同金属介电常数的谐振方向变化趋势一致; 随着腔厚度的减小, 在反射相位减少的同时其存储能量也随之减少。

设计了一种由双平行圆柱形纳米棒构成的金属-介质-金属（MDM）型等离子体波导, 采用时域有限差分方法（FDTD）分析了波导结构的传输特性。当光波垂直主轴入射时, 电磁场被很好地局限在两纳米棒所形成的中间区域以及介质层中, 从而在该波导中能够有效地耦合电磁场能量。在工作波长为1 550 nm的情况下, 随着内层金属芯半径的增大, 有效折射率减小, 传播距离增大; 而中间介质层厚度增大时, 有效折射率增大, 传播距离减小。当外层金属壳厚为20 nm时, 电场可以很好地被限制在纳米棒的介质层内。上述结果表明: 通过调整波导结构的几何参数可以显著提高金属纳米棒的场限制, 降低波导本身的损耗, 使波导的有效折射率和传播长度达到最优化。这种等离子体波导能够实现亚波长的光限制, 可以应用于光子器件集成和传感器领域。

为了能够更有效地调节和产生表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons, SPPs)的激射, 设计了一种光栅耦合的可集成SPPs激射装置, 利用电子束激发和光栅耦合方式实现了SPPs在无源金属层中的传播和激射。分析了该装置SPPs传播的波矢特性, 通过某一条件下激射条件和光照波长的分析得出了结构的一般特性。结果表明: 基于光栅耦合结构的装置产生的SPPs激射具有显著的强局域特性, 通过控制注入电子束强度可有效调节SPPs的激射, 该装置可在光照波长710 nm左右的可见光范围实现有效的SPPs传播。该装置的研制对于构建等离子体单元电路, 探测纳米线结构和纳米级飞秒光学场极有意义。