提出并研究了一种基于表面微腔光子晶体的发光二极管(LED), 利用多个谐振腔出射光之间的相干耦合作用产生束流准直效应, 从而在提高光提取效率的同时, 也改善了出射光的空间指向性。通过对表面光子晶体LED结构进行优化设计, 使得表面微腔光子晶体LED的光提取效率较完整光子晶体LED提高了77.3%, 而较普通平板LED提高了1.8倍以上。同时, 微腔光子晶体LED相对普通平板LED和完整光子晶体LED来说具有更加明显的远场能量汇聚效应, 让出射光具有更好的空间指向性。

为提高近场捕获的能力与灵活性，研究了一种利用镀膜光纤探针对纳米微粒进行近场捕获的方法。采用麦克斯韦应力张量和三维时域有限差分方法建立了近场中纳米微粒的作用力模型，通过光阱力与其他作用力的比较讨论了近场捕获的稳定性，并根据各轴向光阱力的分布情况分析了纳米微粒的捕获尺寸与捕获位置。结果表明，只有当微粒尺寸小于探针孔径时才存在捕获效果，探针尖端不同位置出现不同捕获过程，在光阱力的作用下微粒最终被捕获至孔径边缘并形成圆状分布。结合纳米定位与检测方法，设计了全光纤低损耗的光纤探针近场捕获系统，并对120 nm的聚苯乙烯微粒进行了捕获实验。结果表明，采用极低的激光功率能把粒径为激光波长1/7的纳米微粒捕获至光纤探针尖端，并形成内径与探针孔径一致的圆环状分布。该计算与实验结果为近场纳米操作的实验研究打下了基础。

基于动量守恒原理，结合麦克斯韦应力张量和三维时域有限差分方法,建立了近场空间内激光光镊对纳米微粒的光阱力计算模型.分析了光纤探针型近场光镊的近场分布以及操作纳米微粒时各轴向光阱力的分布情况，并探讨了光纤探针尖端的捕获尺寸、捕获位置和操作稳定性.结果表明:微粒应处于光纤探针针尖的近场空间内才可实现稳定可靠的纳米操作，不同尺寸的微粒具有不同的捕获效果，且随初始位置的不同微粒的捕获位置亦不同.计算结果为激光近场光镊纳米操作装置的设计和制造提供了理论基础.

本文针对纳米材料的纳米操作，提出了一种复合激光近场光镊与AFM 探针进行纳米操作的方法，并基于动量守恒原理，采用三维时域有限差分方法建立了该方案中激光近场对纳米微粒的作用力模型，分析了各轴向光阱力的分布情况，讨论了两探针间距离、针尖材料的电导率、入射平面光场的偏振方向、入射角和波长等参数对近场光阱力的影响。结果表明：位于耦合光场中特定位置的微粒可被捕获至固定位置，所需的捕获功率大大低于传统光镊所需的捕获功率；为实现稳定的纳米操作，光纤探针与AFM 探针的距离应保持在孔径范围内，两探针的相互位置应保持成垂直关系，同时应选用短波长的捕获激光，并保持激光偏振方向与AFM 探针轴线的匹配。本文设计的近场光镊与AFM 探针相复合的纳米操作系统，能大大扩宽近场光镊和AFM 系统在纳米操作上的应用范围。

通过合成一系列不同粒径(16～160 nm)的金纳米粒子, 观察到120～135 nm的金纳米粒子在632.8 nm波长激发下具有最高的SERS活性, 这与前人报道的电磁场理论及实验的结果不同。 利用三维时域有限差分法对金纳米粒子的SERS活性与其尺寸以及入射光波长的关系进行模拟计算。 在 632.8 nm激发线下, 金纳米粒子二聚体体系在粒径为110 nm左右具有最佳增强效应, 其光电场耦合最强的热点处的增强因子高达109。 考虑到体系的平均SERS增强因子通常会比最大值低约2个数量级, 计算得到的107的增强因子与实验测量值相符。 同时对目前实验上尚难以合成的大尺寸的金纳米粒子进行模拟, 结果表明受多极矩和大尺寸效应的影响在粒径220 nm时又出现SERS增强另一峰值。 在 325 nm的紫外激发线下, 计算得到的增强因子仅为102。

超分辨近场结构(super-RENS)技术通过在传统光盘结构中插入掩膜结构而实现近场超分辨,是目前最具实用化前景的超高密度光存储技术之一,其中掩膜层的近场光学特性是决定其光存储性能的关键。利用三维时域有限差分法(3D-FDTD)对合金掩膜的近场光强分布进行了数值仿真和分析,提出二元共晶合金薄膜在激光作用下形成的规则微结构可能是以其作为掩膜层的超分辨近场结构光盘产生较高信噪比(SNR)的原因。

提高近场光存储的存储信息密度的关键主要在于掌握近场存储光纤探针的透光率、近场光斑直径尺寸以及场梯度等近场物理量。采用三维时域有限差分(3D-FDTD)法分析了可用于近场光存储的光纤探针尖的光学性质,对不同类型光纤的近场光场分布进行了数值计算,给出结果并进行比较,从光学性质的角度对其在近场光存储中的应用加以讨论。完全镀膜光纤尖在极近场处的光斑可获得10nm的尺寸,远小于传统光纤光学聚焦的光斑尺寸大小。