通过FDTD仿真模拟计算，文中系统地研究了电流阻挡作用对GaN基蓝光激光器增益分布和光学性能的影响，发现回音壁激光模式主要在靠近微盘边缘1.5个波长范围谐振，因此，如果电流阻挡层面积太小，无法最大化减小激光器电流阈值；如果面积太大，回音壁激光模式与无增益区存在耦合效应，从而减少激光功率。另外，随着无增益区域向微盘边缘发生偏移，各个激光模式输出的峰值功率均下降，其中二阶模式峰值功率比一阶模式下降得更加显著，这主要是由于二阶模式分布范围更接近微盘中心区域。同时，进一步发现如果在微盘激光器的仿真模型中引入侧壁缺陷，则将导致边缘无法形成增益区，相比于二阶模式而言，一阶模式的发光功率随侧壁缺陷区域增加而下降的幅度更为显著，这主要是由于一阶模式分布范围更接近微盘边缘。

针对透明衬底上紫外共振金属纳米阵列制备的技术需求，在不导电石英衬底上，采用电子束曝光制备Al纳米阵列，并对其形貌及性能进行研究。在电子束曝光过程中，引入Cr金属层克服衬底不导电问题。采用曝光剂量测试和加工参数调节优化纳米棒形貌。采用时域有限差分法分析Al纳米棒在325 nm紫外光激发下的电场分布，并以Langmuir-Blodgett（L-B）技术将CdSe/ZnS量子点沉积在Al纳米阵列表面进一步明确其荧光增强性能。结果表明，1 200 μc/cm²剂量下制备的Al纳米棒尺寸分布均匀，最终获得了取向互相垂直的四个区域集成的Al纳米阵列。光学性质分析表明，Al纳米棒阵列可使CdSe/ZnS量子点的荧光强度增强约1.7倍。仿真结果表明，紫外光辐照下Al纳米棒末端电场强度明显高于纳米棒两侧，明确了量子点发光增强机理。成功在不导电衬底上获得多取向集成的、对量子点具有显著荧光增强效果的Al纳米阵列，为背光激发下量子点发光调控和偏振调制提供了一种新策略。

结合时域有限差分（FDTD）方法、传输线方程和长钢轨激励场快速计算方法，研究了一种高效的时域混合算法，实现长钢轨电容补偿电磁脉冲耦合效应的时域快速计算。首先，为避免对钢轨不规则结构的直接建模，根据趋肤效应，将钢轨等效为管状导体模型并提取对应的单位长度分布参数。然后，根据长钢轨激励场快速计算方法，快速计算长钢轨沿线电场分布，并结合传输线方程构建钢轨等效圆柱模型与补偿电容一体化的电磁耦合模型。最后，使用FDTD方法求解传输线方程，获取钢轨沿线各点的电磁脉冲耦合响应。研究结果表明，钢轨耦合电流波形不断展宽，但是峰值随长度增加到一定值后达到饱和状态，此结论可为轨道电路系统电磁防护设计提供重要的数据支撑。

为获取高品质的单通帯波长信道，设计了三种类型的渐变结构微谐振器光子晶体波导，用FDTD方法研究了这些结构的功率传输谱，并采集功率谱通帯参数对比分析了其输出性能。随微谐振器中心柱半径的增大，每支波导输出端单通帯传输模式表现为从短波向长波三次规律的周期性变化。波导结构选择及其参数的优化有助于输出性能的改善，在开发更多单通帯波长信道上都具有潜在能力。结果表明，优化后的结构拥有高品质的单通带波长传输特性，如：规律性周期变化模式、利于信号增强设计、稳定传输性能、优良宽带适应能力。该类波导可根据所需波长灵活选择最佳类型结构设计，在密集型光通信系统，光路集成，紧凑型光传感接口等设计中具有应用价值。

本文对梯度折射率光子晶体的亚波长聚焦特性进行了研究。该光子晶体是由硅和圆形空气孔构成的平行平板，通过改变空气孔的结构来实现折射率的梯度渐变。采用时域有限差分（finite-different time-domain，FDTD）算法对光子晶体的聚焦过程进行仿真分析。研究发现，适当地修正光程差可以大大地提高聚焦效果，同时焦距和中心空气孔的结构对聚焦效果也有影响。综合以上3种要素，最终设计出的梯度折射率光子晶体平板可实现较好的亚波长聚焦效果，其中在光子晶体外部1.45 λ处的光斑最佳，半宽值可达到0.3447 λ。为了提升应用性能，设计了一个动态的调焦系统。在该光子晶体中加入半导体制冷片来调节温度，通过改变温度可以实现1.1374 λ～2.6264 λ的焦点调谐，同时焦斑半宽均小于0.4 λ。

研究了激光诱导沉积制备光纤表面增强拉曼散射(SERS)探针, 并对探针的SERS性能进行检测。 探讨光纤探针制备过程中金纳米棒溶液的浓度对探针灵敏度的影响。 结果表明, 将不同浓度的金纳米棒溶液进行激光诱导, 在光纤端面会形成金纳米棒团簇和分散两种纳米结构。 金纳米棒溶液的浓度、 激光功率、 诱导时间等因素都会对诱导沉积图案产生影响。 实验利用功率为5 mW的激光进行诱导, 在1.5×10^-9, 1.0×10^-9和7.5×10^-10 mol·L^-1的金纳米棒溶液中, 经5 min沉积, 制备出不同图案的光纤SERS探针。 采用晶种法合成金纳米棒, 用透射电子显微镜(TEM)观察金纳米棒形貌, 并根据TEM图像分析计算了合成金纳米棒的长径比约为3.8。 用扫描电子显微镜(SEM)观察金纳米棒的形貌以及激光诱导沉积后的纤维修饰端形貌, 7.5×10^-10 mol·L^-1的金纳米棒溶液进行激光诱导, 金纳米棒在光纤端面分布较为分散, 而1.5×10^-9和1.0×10^-9 mol·L^-1的金纳米棒溶液进行激光诱导, 光纤端面都有大量的金纳米棒聚集成团。 以4-氨基苯硫酚(4-ATP)为样品分子, 通过拉曼光谱对光纤探针的SERS性能进行检测; 为了方便比较, 选取了拉曼频移1 079.972 cm^-1处的拉曼强度作图, 结果表明, 金纳米棒浓度为7.5×10^-10 mol·L^-1时, 经激光诱导制备出的光纤探针性能较好。 采用时域有限差分法(FDTD)模拟形成的图案的热点分布, 进而解释了金纳米棒浓度为7.5×10^-10 mol·L^-1时制备的光纤探针性能较好的原因。 为了检验光纤探针的重复性, 将测试SERS光谱后的光纤浸入无水乙醇中24小时, 使4-ATP充分溶解在酒精中, 15天后, 再次检测光纤探针的SERS检测性能, 得到与之前检测同样的光谱图, 证明得到的光纤SERS探针具有较强的可重复利用性。 激光诱导制备光纤探针具有操作简单、 成本低廉、 探针制备时间短等优点, 能够实现高灵敏度光纤SERS探针的重复、 批量制备。

贵金属表面附近的荧光分子因其表面等离子体共振的影响，荧光发射特性发生显著变化，被广泛应用在荧光探针等纳米器件的设计、开发中。荧光分子与金属之间的能量转移机制是设计此类荧光探针的基础。使用时域有限差分(FDTD)方法，对Au/SiO₂/Ag核壳纳米复合结构的等离子体杂化场中荧光单分子的表面能量转移（SET）效应和金属操控自发辐射效应进行了理论仿真研究。研究了金核和银壳共同作用时，荧光分子的SET和金属调控自发辐射过程随荧光分子位置及分子偶极矩取向的变化规律。计算结果表明，由于金核和银壳之间的局域表面等离子体共振杂化耦合，荧光分子与金属间的能量转移效率与距离d呈现出10次方的关系，这一结果明显区别于常规的荧光共振能量转移（FRET）效应，较之单金属结构的SET效应更加剧烈。这一结果有希望在生物光子学领域的纳米级局域光源的创建和生物分子的检测中得到应用。