设计了一种基于D形光子晶体光纤（PCF）的新型等离激元传感器，用于检测低折射率的微小变化，并通过有限元法（FEM）对其性能进行了数值分析。与传统D形PCF不同，本文提出在D形光纤截面处刻蚀C型凹槽通道，并涂覆Au层来激发等离激元。C形凹槽通道的设计可以增强纤芯的能量泄露以及光纤芯模和等离子体模的耦合强度。在Au层上方增覆一层TiO₂介电层，可以增强对金属层的保护和提高传感器的灵敏度，将PCF表面等离谐振（PCF-SPR）传感器的工作波长范围扩展到红外区域，仿真结果得到的最大灵敏度为24236 nm/RIU。该传感器可以有效监测低折射率的微小变化，对于生物医学和有机检测及相关应用具有潜在的价值。

为实现低折射率药物、化学材料的高灵敏度监测，基于D型光子晶体光纤（PCF）设计了一种在开环内镀有金薄膜的表面等离子体共振（SPR）传感器。采用有限元法系统地研究了开环半径、D型结构与纤芯的距离和金膜厚度对所提传感器的波长灵敏度的影响。结果表明，当分析物折射率范围为1.28~1.32时，该PCF-SPR传感器的最大波长灵敏度高达15346 nm/RIU（RIU为折射率单位），相应的分辨率为6.52×10^-9 RIU。与现有的研究相比，在同一折射率测量范围内，该PCF-SPR传感器的波长灵敏度和分辨率分别是已有的典型PCF-SPR传感器的1.28~6.67倍和153/1000~783/1000。因此，该PCF-SPR传感器在生物医学、食品安全和物质监测等领域中具有较好的应用前景。

设计并优化了一种基于外反射原理的狭缝波导结构,可以实现将光限制在低折射率材料中传播且能量更为集中。这种狭缝波导由两块对称的高折射率板、中间一层低折射率狭缝和外围的包层构成。利用有限元分析方法,在入射波长为1550 nm的情况下,仿真研究了包层大小、狭缝高度、狭缝宽度和板宽度这4个关键参数对二维波导结构光场传播的影响,并对这些结构参数进行优化调整,使得能量更加集中在低折射率的狭缝中。利用优化后的参数建立三维波导模型,研究三维空间中电场的分布情况,证明了利用所设计的波导结构,可以将光限制在低折射率材料中传播。

根据杂化表面等离激元的产生机理和传统杂化表面等离激元的波导结构,提出了一种多层波导布拉格光栅结构。该结构采用SiO2和NaF两种低折射率介质作为芯层,形成了多层波导布拉格光栅的结构。在1550 nm通信波长下,围绕光波的传输距离和模场限制能力对光栅的结构进行了研究及优化。在此基础上,进一步分析了光栅周期数与光波反射率之间的关系。仿真结果表明:该光栅的传输距离和有效模场面积分别为178.12 μm和0.203 μm 2;该结构不仅可以降低金属表面对光场限制所形成的损耗,而且表现出了较强的模场限制能力;当周期数为60时,光波的反射率能够达到71.9%,该结构具有良好的滤波特性。

基于有机半导体发光材料,研究了低折射率对比度下八重准晶结构中双缺陷微腔之间的缺陷模的耦合特性。研究结果表明,在八重准晶双9孔缺陷情况下,缺陷模不但发生了分裂,还出现了一个由双缺陷微腔与中间散射体所构建的复合腔新模式。在此基础上,利用缺陷模的三维场分布和模式之间的相位关系,揭示了模式耦合的物理机制,这为后续可见光波段有机半导体光子晶体器件的设计与制备提供了理论依据。

采用金属网格和泡沫材料实现低折射率材料媒质，并对其参数进行了优化，辐射源采用单极天线，制作了样机。利用HFSS电磁仿真软件对应用低折射率材料媒质天线与传统天线的方向性进行了对比研究，并研究了辐射源的参数对定向天线的性能影响。对样机进行了测试，测试结果与仿真结果比较吻合，与传统天线相比较，基于超低折射率特异材料的天线方向性明显提高。因此，选择适当电磁参数的超低折射率特异材料，用于定向天线的设计，可以改变传统天线的设计。

优化设计了多种不同孔径和形状的太赫兹波段的亚波长金属孔阵列结构，结合超薄低折射率的聚酰亚胺(PI)薄膜，探索了太赫兹时域光谱技术对超薄低折射率的探测灵敏性。利用飞秒微加工技术制备了一系列亚波长金属孔阵列结构，利用太赫兹时域光谱技术测试了阵列结构的反射波谱，获得了强烈的反射共振现象。然后在亚波长金属孔阵列结构背面叠加PI薄膜，结果表明太赫兹反射峰出现了显著低频移动现象。利用这一现象，实现了低至10 μm的PI薄膜的有效探测，说明亚波长金属孔阵列结构在太赫兹传感领域对检测超薄低折射率薄膜材料有极强敏感性。

利用斜角蒸镀工艺镀制SiO2薄膜是获得低折射率薄膜的一个有效方法。通过电子束蒸发镀膜方式,利用自制的斜角蒸镀装置,研究了SiO2材料在斜角蒸镀工艺中薄膜倾斜角度与沉积角度的关系,薄膜沉积厚度与设定厚度的关系,薄膜折射率与沉积角度的关系。实验表明利用斜角蒸镀工艺镀制低折射率薄膜是可行的。实验得到了折射率为1.10的SiO2薄膜,并得到了重要的SiO2的折射率与沉积角度关系曲线。