亚波长金属结构中的共振在纳米传感器领域是很重要的。本文研究了金属结构中纳米腔的共振特性及传感应用。构建了相关的倾斜腔、V形腔和X形腔, 其中V形腔由两个倾斜腔构成, X形腔由两个V形腔构成。利用时域有限差分方法模拟了三种腔与波导的耦合作用, 并应用耦合模理论对透射谱进行拟合验证。应用驻波理论分析了三种腔内共振的物理机制, 发现在倾斜腔和V形腔内皆有1条共振回路, X形腔内有2条共振路径。相对于倾斜腔, V形腔中存在连接模; 在X形腔中同时出现了对称和反对称的连接模。当破缺X形腔结构的对称性, 其共振模式发生分裂。考虑三种谐振腔结构的差动传感特性, 得到倾斜腔、V形腔和X形腔构成的气体折射率传感器的平均测量误差分别为0.003 91、0.001 85和0.000 37, X形腔传感最精确。X形腔中多共振回路形成多个共振模式, 有效地消除了多个环境因素的变化对传感的干扰, 从而得到更高的传感测量精度, 这为差动传感器的应用提供有价值的理论参考。

工型金属结构单元构成的超材料具有异常的电磁性质。利用时域有限差分法对工型结构超材料进行模拟研究后发现：当结构对称时, 出现了3个模；当结构的对称性破缺和尺寸增加时, 分别出现了1个新模, 结构中存在5个特殊的反射模。建立理论模型, 结合近场分布分析了这5个反射模形成的物理原因, 认为：表面等离子体在工型结构单元内不同位置的共振耦合导致了这5个特殊的反射模；当结构的对称性破缺时, 出现新的共振模；当结构尺度增加时, 出现了高阶共振模。

在光学集成中，金属表面的等离子体传输控制非常重要。应用表面波全息法设计结构控制表面等离子体波耦合到自由空间中的光波。模拟金属表面等离子波束与自由空间中目标光束的标量叠加，得到干涉光强。在光强极大值的地方刻蚀凹槽，获得凹槽结构。当表面等离子波入射到设计的结构中，凹槽散射等离子体波并在自由空间中进行叠加，得到所需的光束。利用此原理，在金属表面设计了两个结构，将传输的等离子体波耦合到自由空间中，汇聚于指定的一点或者两点。利用时域有限差分法模拟验证了此原理的可行性。这种耦合方式可以作为解决表面等离子体集成光路中探测问题的一种方案，将传输的表面等离子体信号耦合到自由空间，然后利用传统光电探测设备探测。

在亚波长光学集成中，波导中表面等离子体传输模式的激发是一个重要的问题。利用表面全息法设计结构，并对表面等离子体波进行整形。将平面等离子体波匹配到双线波导中的对称和反对称模式，从而实现波导中两种模式的有效激发。利用时域有限差分法对设计结构进行验证，发现双线波导中两种模式能够有效激发。对结构参数进行优化，对称与反对称模式的激发效率分别达到8.7%和10.8%。

由于光在不同长度的波导中传输时出现不同的相位延迟，特定的波导阵列可以对光波波阵面进行调制。通过理论推导发现左右两边带有凸出三角形的波导阵列结构可以实现光波场的聚焦。利用时域有限差分法模拟了左右两边带有凸出三角形的波导阵列对光波的聚焦情况，找出在波导厚度h=6000 nm，波导长度差d=100 nm，波导数目m=10，波导宽度w=100 nm时聚焦效果最好，同时通过研究不同参数对该结构的聚焦特性的影响，找出该结构具有利用价值的性质。此外，通过模拟发现前凹三角形金属波导阵列结构在波导宽度w2=80 nm，中央波导宽度w1=150 nm，波导长度差d=200 nm，波导厚度h=4400 nm，波导数目m=8时能实现光波场的分束。

亚波长金属结构的光学性质已成为光学研究的热点之一。应用三维时域有限差分(3D-FDTD)法模拟研究了利用三维金属纳米天线实现的金属薄膜上亚波长狭缝的光波强透射。分别在金属膜前后放置金属天线，计算光波透过金属薄膜上亚波长狭缝的透射率。通过改变小孔和天线的相对位置，发现当天线和小孔共振模的阶数同为二阶和三阶时，相位匹配，能相互耦合，形成两个强透射峰。当天线放置在狭缝前方和后方，天线共振可以将能量耦合进入和耦合出小孔，都能实现强透射。

由于光波在不同长度的波导中传输产生的相位延迟不同，特定的波导阵列可以对光波波阵面进行调制。理论推导发现三角形波导阵列可以实现聚焦，得出凸三角形波导阵列聚焦高度和焦深。利用时域有限差分法模拟了凸三角形波导阵列对光波的聚焦情况，通过比较发现模拟和理论推导结果非常吻合。同时模拟发现凹三角形波导阵列结构可以实现光的分束。

亚波长波导能够控制光在亚波长的尺寸中以很小损耗传输，在集成光学中有广泛的应用。利用二维时域有限差分(FDTD)法，研究了光波在金属层中亚波长两狭缝之间的耦合过程。分别在较厚的金属层前表面和后表面刻上两个狭缝，纵向错开一定距离(间距)，横向重叠一定长度(耦合长度)，两个狭缝能够将光波从金属层的前表面耦合到后表面。改变两个狭缝长度、间距和耦合长度等参数，耦合波长和效率发生明显变化。结合振幅分布，认为光波在两狭缝形成波导共振，前表面狭缝的共振将入射波能量耦合进入狭缝中，后表面狭缝的共振将能量耦合出去，两个狭缝之间通过隧穿效应耦合。

利用时域有限差分法模拟了厚金属层上单一亚波长狭缝内壁刻有一微型腔结构光波传输,结果发现在特定波长发生异常的增强透射。结合透射峰值对应波长近场分布,利用麦克斯韦方程组和波导理论对增强透射进行解释,认为光波在微型腔和狭缝中形成共振腔模起了重要作用:在狭缝内形成纵模,可以形成透射峰;在腔内形成不同的腔模也可以形成透射模。