为提高偏振出光发光二极管（LED）的光场耦合效率，以一维光子晶体和亚波长介质光栅为基础，设计一种集成式全介质纳米结构组合器件。采用有限差分时域（FDTD）方法建立实现偏振光束准直功能的全介质纳米结构模型。系统研究光子晶体和介质光栅的结构参数对偏振LED出射光场调控的影响，分析光子晶体厚度、光子晶体周期、介质光栅周期、介质光栅高度和介质光栅线宽等参数影响准直特性的物理机制。设计优化的纳米结构，自上而下分别为周期为550 nm、线宽为160 nm、深度为120 nm的 TiO₂纳米光栅和两对Al₂O₃/SiO₂薄膜组成的光子晶体结构（每层厚度均为80 nm）。计算结果表明，所设计的全介质纳米结构可以将绿光波段偏振LED出光远场辐射角度控制在－6^o~6^o范围内，可以实现光辐射远场准直，同时出光效率大于77%。在垂直方向（远场辐射角度为0^o）所设计的结构的远场辐射强度相较无结构LED辐射强度提高了6.6倍。

实现对单颗粒的纳米尺度电极搭建，同时进行光谱表征和调控对构建纳米光电器件具有重要意义。提出并制备金（Au）纳米叉指电极搭载钛酸钡（BaTiO₃）纳米颗粒结构，物理上将集体光栅表面等离极化激元模式与BaTiO₃纳米颗粒的米氏共振以及Au-BaTiO₃界面局域表面等离子共振模式耦合，实现了电极搭载直径200 nm以下BaTiO₃单颗粒的散射调控和表征。该平台利用光栅结构作为“背景屏幕”，克服了电极结构对单个纳米颗粒散射谱的杂光干扰，解决了对单个颗粒加电难以探测其散射的难题。该纳米像素直径小于200 nm，散射谱可实现依赖于光栅尺寸和偏振的可见光波段可调，为后续构建基于单个纳米颗粒的光电调谐器件提供了方案。

设计了一种性能优异的多频带、多特性融合的复合周期双层金属膜纳米光栅结构。通过运用有限元法进行仿真,发现该结构在65°底部TM模式偏振光斜入射下,能够在波长760、904、1028、1216 nm 处出现高吸收,其吸收强度分别为98.73%、92.84%、97.57%、99.11%。进一步模拟发现,多频带吸收峰还兼具窄带偏振滤波以及折射率传感特性,其最大折射率灵敏度为2080 nm/RIU,最大品质因数为92.1 RIU ^-1。另外,通过周期调制,该结构还实现了在近红外波段从944~1206 nm宽波段范围的窄带偏振滤波可调谐功能。通过对电磁场、表面电流、表面电荷的分布分析,给出了该结构多频带、多特性融合的物理激发机制。该复合周期双层金属膜光栅结构在微型化与高度集成化的多光谱红外探测、光谱成像以及生物传感等领域具有广阔的应用前景。

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。

用纳米压印工艺制备红外金属光栅时，硬模板压印极易造成光栅结构缺陷致使光栅性能下降。本文采用柔性纳米压印工艺作为替代方法制备了适合在3-5 μm波段工作，高度为100 nm，上下金属层厚为40 nm的双层金属纳米光栅，其光栅结构参数为：周期200 nm，线宽100 nm，深宽比1∶1。 该方法采用热纳米压印工艺将母模板光栅结构复制到IPS（Intermediate Ploymer Sheet）材料上，制作出压印所需软模板；随后通过紫外纳米压印工艺将IPS软模板压印到STU-7压印胶，得到结构完整均匀的介质光栅；最后在介质光栅上垂直热蒸镀金属铝，完成中红外双层金属纳米光栅的制备。对所制备光栅进行了测试，结果表明，所制备光栅在2.5~5 μm波段的TM偏振透射率超过70%，在2.7~5 μm波段的消光比超过30 dB，在2.72~3.93 μm波段的消光比超过35 dB，显示了优异的消光比特性和偏振特性。该研究结果在红外偏振探测、红外偏振传感等方面具有潜在应用。

表面等离激元共振技术具有无需标记、 灵敏度高、 实时检测等优点, 已广泛应用于生物医疗、 环境监测及食品安全等领域。 相对于传统贵金属材料表面等离激元共振传感器而言, 铝表面等离激元共振传感器具有价格低廉、 共振光谱带宽小等优点, 已逐渐成为了该领域的研究热点。 针对铝材料存在与生物分子兼容性差、 易氧化等缺点, 利用石墨烯化学稳定性好、 比表面积大、 抗氧化能力强、 生物兼容性好等独特优势, 将其作为与被测分子直接接触的传感层, 提出了一种石墨烯覆盖铝纳米光栅的表面等离激元共振传感器。 首先, 基于多物理场有限元仿真软件建立了该传感器的物理模型, 分别分析了石墨烯层数和铝光栅结构参数(占空比、 高度、 周期)对传感器共振光谱的影响。 结果表明, 石墨烯与铝光栅的复合有效增强了入射光波与传感器的相互作用, 采用单层石墨烯与铝光栅复合时, 共振峰具有最窄的光谱带宽。 当铝纳米光栅结构Λ=600 nm, H=40 nm, η=70%时, 光谱反射率为零。 进一步分析了结构优化后的传感器的传感特性。 结果表明, 单层石墨烯覆盖铝纳米光栅传感器具有最高的品质因数24.5 RIU-1, 其灵敏度高达626 nm·RIU-1。 该传感器具有探测精度高、 分子兼容性好等优点, 能为生化分析、 环境监测和食品安全等领域提供一个新的绿色传感平台。

以中心波长为650 nm的氮化镓LED外延片为研究对象，提出了一种反射式表面等离激元增强型LED来提高其发光效率。该结构包含依次覆盖在正弦起伏的p型GaN层上的一层低折射率的SiO2膜与一层Ag膜。银膜用来增强内量子效率，而SiO2层能进一步提高GaN层上表面的反射率，同时通过优化蓝宝石衬底的厚度使得GaN层下方的透射率较高，从而得到了较大的发光效率。

为了研究铬原子经过波长为425.55nm 1维高斯激光驻波会聚作用后的沉积情况，采用原子与激光相互作用的原子轨道方法和波动方法两种理论模型进行了3维仿真。结果表明，同一激光功率条件下，两种方法的仿真条纹在激光束方向上都具有相同的周期性，在垂直激光束方向上具有非常相似的延展性，即随着激光功率的增加，原本的一条仿真条纹会逐渐分裂开来，由于原子波动性的影响，波动方法仿真的条纹中还有明显的干涉边峰，这种现象随着激光功率的增加而变得更加明显。这些仿真结果为实验提供了更加丰富的理论指导。

综述了硅基微纳激光器、调制器、探测器及光传输控制器件的最新研究进展。重点阐述了表面等离子体、量子阱、光子晶体及纳米光栅等新型结构在提高器件综合性能和降低器件尺寸方面的重大作用。同时, 还展示了用标准互补金属氧化物半导体(CMOS)技术, 实现硅基光子器件和电子器件在同一基片上微纳集成的巨大前景。