根据我国强激光装置建设和工程任务对强激光薄膜元件的需求，基于对薄膜损伤机制的认识，同济大学提出了“全流程定量化”控制缺陷制备激光薄膜的思路。同济大学利用结构、性质可控人工小球制作定量化人工缺陷，系统研究了基板加工、超声清洗、电场模拟与调控、镀膜材料与工艺选择、镀后后处理、激光预处理、传递与保存等因素对薄膜元件激光损伤特性和损伤规律的影响。从损伤形貌和损伤规律上证实了节瘤缺陷电场增强理论模型的正确性，促进了研究人员对节瘤缺陷损伤机制的认知深度，提出了提升薄膜损伤性能的新途径，创建了新材料，实现了可兼顾环境稳定性、光谱特性和损伤特性的多功能强激光薄膜制备，有力支撑了我国强激光装置建设和激光技术的进一步提升。

近年来，金属亚波长结构由于在负折射材料方面存在巨大应用价值，及可作为太赫兹波段的光学限制器等器件应用，引起了研究者们的广泛关注。本文采用电子束曝光离子束刻蚀的方法在金膜上制备了亚波长的超大长宽比U型开口矩形谐振器阵列结构，利用时域有限差分方法(FDTD)和太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)对U 型阵列结构的太赫兹波透射光谱响应进行了测量和分析，讨论了透过率对结构几何参数的依赖特性和异常透射的物理机制。通过这种 U 型开口谐振器能够实现太赫兹波的强局域和场增强,可将太赫兹波局域在波长千分之一的尺寸上，从而实现了太赫兹的异常透射现象，这种超大长宽比的U 型开口谐振器可在太赫兹探测、太赫兹成像及其他光学器件的设计上得以应用。

理论设计了介质光栅/金属薄膜与银纳米立方体复合结构, 通过有限元方法数值模拟计算了该结构中的超高电场增强因子.使用442 nm波长的激光作为表面等离子体的激发光源, 研究不同尺寸银纳米立方体的消光谱以及不同光栅周期和厚度的反射光谱, 得到的该复合结构的最优参数为: 光栅周期312 nm, 厚度90 nm, 银纳米立方体70 nm.在最优参数条件下, 数值模拟了复合结构中的电场增强分布, 介质光栅/金属薄膜与银纳米立方体复合结构由于存在局域表面等离子体和传播表面等离子体的共振耦合, 使得光栅脊与银纳米立方体下顶点接触处热点的电场增强因子高达1.53×106.该复合结构产生的超高电场增强因子, 有望应用于表面增强拉曼散射的研究.

探究了节瘤缺陷平坦化技术中平坦化层（刻蚀层）厚度和种子源尺寸之间的刻蚀规律，同时解释了平坦化技术提高节瘤缺陷的损伤阈值的机制。在双离子束溅射系统中，使用SiO2微球模拟真实的种子源置于基板上，镀制1064 nm HfO2/SiO2高反膜，制备人工节瘤缺陷。对类似于实际种子源的SiO2微球一系列不同刻蚀程度的实验得出了节瘤缺陷平坦化技术的刻蚀规律：只要平坦化层（刻蚀层）的厚度稍大于节瘤缺陷的种子源粒径，就可以将种子源完全平坦化。使用时域有限差分法（FDTD）模拟不同平坦化程度的节瘤缺陷内电场增强的结果与节瘤缺陷的损伤形貌进行对比实验，将损伤形貌和损伤阈值与电场强度分布之间建立联系，表明平坦化技术可以改变节瘤缺陷原有的几何结构，有效抑制节瘤缺陷的电场增强效应。最后，通过对未经平坦化和经过平坦化处理后的节瘤缺陷进行损伤阈值测试，对比结果直接验证了节瘤缺陷平坦化技术可以实现对节瘤缺陷的调控，大幅度提高了节瘤缺陷的损伤阈值。

纳米金属颗粒及其与金属膜的耦合结构具有比单元结构更优越的物理性质。为了给实验研究纳米银立方体和银膜耦合结构在传感中的应用提供理论依据, 运用FDTD方法数值分析了纳米银立方体与银膜耦合体系在波长为514.5 nm的激光激发下的电场性质。结果表明, 耦合结构的电场分布与纳米银立方体的大小、及其与银膜间的介质层厚度有关; 纳米银立方体与银膜耦合结构局域电场比纳米银立方体的局域电场强; 当其间没有介质层时, 局域电场主要分布在纳米银立方体的上表面顶点; 当有介质层时, 局域电场会有部分转向高折射率介质层中。因此, 可根据需要, 通过调控纳米银立方体的大小及其与银膜间的介质厚度来获得理想的局域电场。

Bowtie孔径结构已被广泛用于纳米直写光刻领域来获得超衍射聚焦光斑。然而，利用该结构获得的超衍射聚焦光斑呈椭圆形，影响了Bowtie结构的进一步应用。为了获得超衍射且圆形对称的聚焦光斑，本文提出了双Bowtie新型纳米光刻结构并利用Comsol软件仿真模拟了该结构的焦斑对称特性和电场增强特性。结果表明利用双Bowtie结构获得了圆形对称焦斑，并且出射面的电场强度得到了增强，是入射面电场强度的22倍。本文进一步将双Bowtie结构与金属/介质/金属结构相结合，使得局域增强后的透射光的传输距离(工作距)得到了显著延长。

本文介绍了一种商用的表面增强拉曼芯片(Klarite), 并对其表面形貌、拉曼活性进行了表征和测试分析。Klarite芯片由于独特的倒金字塔形设计使得其具有较好的拉曼活性、稳定性和重现性, 为生命科学和分析化学研究提供了有力的研究工具。此外, 我们对Klarite芯片在外电磁场作用下的表面电场分布进行了模拟, 发现一个结构单元中存在多个“热点”区域, 并且最大电磁场的增强随着倒置金字塔的高度h改变而变化, 当h为600 nm时, 电磁场增强达到最大, 约为25倍。

本文研究了单层膜多模导模共振滤光片的电场增强效应。单层膜导模共振滤光片同时兼具波导和相位匹配功能的物理机制得到了论证。当光栅厚度不断增加将出现多模共振效应, 导致高阶泄漏模电场增强效应的产生。电场增强振幅的最大值反映导模共振滤光片的泄漏程度。通常在同一共振位置处电场增强振幅的最大值越大, 其带宽就越小。

本文利用电磁场数值模拟方法研究了分布矩形孔阵列的“金属-电介质-金属”三明治渔网电磁超介质在其左手通带发生的超常透射现象和不同模式激发下的电场增强效应。结果证实左手通带紧邻的超常光学传输峰源于波导共振模式, 利用超常传输效应可以有效降低电磁超介质的损耗, 提高左手性能；波导共振模和左手通带对应的反对称磁模能够分别在孔洞和金属夹层区域激发超过11倍的增强电场, 因此渔网电磁超介质结构在表面增强光谱和传感等方面也具有潜在应用价值。