针对金属表面等离激元光镊热损耗问题, 设计了一种硅基双纳米柱加纳米环的光镊结构.通过有限元仿真在1 064 nm入射光场下计算了三种不同硅基纳米结构(硅基纳米球、纳米柱、纳米环)的场增强效果.利用硅基纳米结构光学共振机理, 设计了一种电场增强倍数达到7.39倍的硅基双纳米柱光镊结构.在此基础上, 增加纳米环使光镊结构的环中心与双纳米柱间隙产生光学共振耦合现象, 得到的电场增强倍数高达11.9倍, 形成了稳定的光学势阱.最后采用麦克斯韦应力张量法对硅基光镊中不同直径的聚苯乙烯小球进行了捕获分析, 并在x、y、z方向上计算分析了直径为25 nm的聚苯乙烯小球在不同位置的捕获力、捕获势能以及捕获刚度.设计的硅基纳米双圆柱加纳米环的光镊结构能够对聚苯乙烯小球起到良好的捕获效果.

针对金属纳米光镊结构进行捕获时存在的光热效应问题,设计了一种硅基双纳米球的光镊结构。采用基于三维频域有限元的算法,对比分析了硅基双纳米球与金基双纳米球结构的增强场分布以及在对聚苯乙烯颗粒捕获势能相同条件下的热效应,发现硅基结构具有发热小、在高光场强度下捕获稳定性好的优点。对所设计的硅基双纳米球结构对聚苯乙烯颗粒的捕获特性进行模拟分析,在稳态场下研究了不同直径颗粒在不同位置受到的捕获力情况。研究结果表明,硅基纳米光镊结构在对微粒进行稳定捕获的同时可有效降低结构热效应带来的影响。

基于传输矩阵理论和光学谐振原理, 研究了含敏感空气缺陷层的一维光子晶体谐振腔的谐振特性, 建立起敏感气体折射率变与红外波段谐振峰波长之间的线性变化关系。设计了基于红外波段光子晶体谐振腔的线性折射率传感器, 利用MATLAB软件数值模拟, 得到线性传感器的半峰带宽小到3nm左右、Q值可达到1400、敏感度可达1070nm/RIU。在光谱仪的分辨率为0.01nm时, 传感器的分辨率可达9.35×10-6RIU。结果表明, 基于光子晶体结构的折射率传感器, 具有良好的线性特性、高的灵敏度以及高Q 值等特点, 可为气体折射率检测提供一定的理论参考。

本文利用数值模拟的方法研究了两种不同的非对称领结型纳米孔结构的光学特性。对于偏置间隙的领结型纳米孔,其基模共振与孔的周长呈线性关系。并且,不同的间隙尺寸对间隙偏置的敏感度不同。对于间隙的一边的结构发生变化的领结型纳米孔,基模共振可以通过改变单个几何参量（剩余部分的高度h2）进行线性调制。另外,研究中还观察到了类Fabry-Perot共振的共振峰分裂。我们在这项工作中提出的这两种打破领结型纳米孔的对称性的方法可以灵活地对领结型纳米孔结构的共振进行操控。

基于倏逝波理论和光学谐振原理，研究了倏逝波在光子晶体中的存在形式及空气栅光子晶体F-P 腔的折射率传感机理，并建立谐振波长与待测气体折射率的关系模型。当入射光以大于全反射临界角的角度入射到光子晶体中，由于倏逝波的作用，在中心介质层形成F-P 腔并产生谐振，电磁场被局部增强，与待测气体充分作用，从而使该传感结构对待测气体的折射率具有较高的敏感性。利用传输矩阵理论进行数值模拟，结果表明，折射率传感的Q值可达3447.0，灵敏度可达1260.0 nm/RIU，证明该光子晶体F-P 腔折射率传感结构具有很好的传感特性，可为高精度气体折射率传感器的设计与应用提供一定的理论参考。

基于异质材料的有效介电常数理论, 仿真了二维亚波长银粒子/孔的等效复介电常数, 证实了亚波长金属银粒子/孔的光谐振特性。对于在介质内放置银粒子的模型, 当光频率高于银的等离子体频率时, 异质材料的等效介电常数的实部为负; 在等离子体频率附近, 等效介电常数的虚部存在谐振峰, 粒子增大, 谐振峰红移; 在谐振频率点, 银粒子周围局域场最大。在金属银上开孔, 并填充不同介电常数的材料时, 也存在类似的效应。并且孔内填充材料的介电常数增大, 谐振峰红移, 在相同介电常数的条件下, 孔增大, 谐振峰蓝移。光谐振现象与金属粒子/孔的形状有关, 因此, 光与亚波长金属粒子/孔相互作用的机理为等离子体模和谐振模, 异质材料的有效介电常数理论是研究亚波长金属粒子/孔异常光增强现象的有力工具。

阐述了硅基微光学陀螺(MORG)结构中瑞利背向散射噪声的产生机理,并创建了硅基微光学陀螺光路的静态与动态理论模型,公式化地描述了硅基二氧化硅谐振腔中的该噪声特性,并通过软件算法仿真综合分析了硅基微光学谐振式陀螺中瑞利背向散射噪声与主信号强度之间的关系,以及其与反向光信号的干涉信号对主信号的影响。分析了瑞利背向散射噪声信号对谐振腔性能的影响,定量分析了此噪声对谐振腔清晰度、陀螺极限灵敏度的影响。提出了抑制系统中该噪声的方案,并搭建实验装置,利用提出的解决方案对系统进行了优化,实验验证了理论分析的结果。