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表面等离激元(Surface Plasmon Polariton，SPP)作为纳米光学与材料科学交叉学科的研究热点，可以实现和入射光子的相互耦合与共振，从而为纳米尺度光电器件的研发提出了新的构想。本论文介绍了利用微纳加工技术实现的SPP纳米结构制备，应用近场光学显微术(Scanning near-field optical microscopy，SNOM)对SPP聚焦、波导以及共振增强效应进行研究，以及利用有限时域差分(Finite-difference time-domain，FDTD)方法验证实验结果的模拟计算。本论文主要创新点如下：
在SPP聚焦方面，研究了金属纳米结构对SPP的单点亚波长聚焦现象，及聚焦SPP与激发光背景分离的工作。利用聚焦离子束刻蚀、电子束曝光等微纳加工技术制备SPP激发、传播、聚焦纳米结构。其中，通过对SPP纳米围栏引入对称性破缺的概念，成功实现对结构中心点干涉相长(亮点)或干涉相消(暗点)的调制；SNOM表征的结果显示在线性偏振光的激发下，对称性破缺围栏结构可以方便、快速的获得亚波长尺度直径为320 nm的单点SPP聚焦斑；FDTD模拟和半解析的理论计算可以重构SPP单点聚焦的实验现象，验证对称性破缺围栏结构对SPP聚焦操控的实用性。另一方面，银纳米岛阵列和平面内菲涅尔波带片(Fresnelzone plate，FZP)被加工用于SPP的激发、传播，以及在同一平面内的聚焦增强，结构下方创新性制备的铜光栅纳米结构可用于收集散射光从而补偿SPP在传播和聚焦时的能量损耗；利用SNOM表征获得直径为1μm的SPP聚焦斑，以及大约为400倍的局域场增强因子；SPP通过FZP聚焦结构成功实现了SPP与背景信号的分离，避免了激发光在实验测量时对实验结果的干扰。以上工作为光电器件信号增强及提取提供了新的实验思路。(Nano Lett.11，893，2011；ACS Nano4，75，2010)
在SPP波导方面，研究了银纳米线SPP耦合、出射效率的增强，以及银膜表面介质SPP波导的出光颜色的调控。通过应用纳米转移技术成功将直径为100nm的银纳米线两端分别放置于臂长为250 nm的领结型纳米光学天线的中心空隙处；利用光学天线对SPP的增强接收和发射效应，在银纳米线入射端获得13.6倍的SPP耦合增强，以及银纳米线末端45倍的SPP出射增强；并成功实现将银纳米线和光学天线所组成的纳米光学回路等效为传输线交流电路，利用经典传输线理论阻抗匹配条件，在实验中实现对光学回路能量出射效率的调制和优化。另一方面，通过研究在银膜表面CdS介质波导，实现介质承载SPP(Dielectric-loaded SPP，DLSPP)波导模式的激发，并获得DLSPP波导模式近100μm的长距离传播；利用硒参杂CdS0.65Se0.35(CdSSe)纳米带，实现DLSPP在不同入射激光强度下，其原位出射荧光由绿光(510 nm)到红光(610 nm)的颜色转变。以上结果为基于金属纳米线及半导体纳米材料的Plasmonic波导器件的研发提出了新的设想。(Nano Lett.11，1676，2011；Phys.Rev.B82，085403，2010；Opt.Exp.17，20327，2009；Appl.Phys.Lett.93，073306，2008)
在SPP聚焦增强应用方面，利用平面内聚焦SPP波实现对直径为1μm的聚苯乙烯胶粒小球的捕获和筛选；通过FDTD模拟方法重构SPP聚焦及捕获粒子过程，分析聚焦SPP的捕获力的大小。此类SPP“光镊”无需强光激发样品，可以保持生物样品活性，为今后对细胞进行无损捕获研究建立了实验的研究基础。(Appl.Phys.Lett.94，063306，2009)