荧光技术在光学成像,生命科学,化学分析等领域有着重要的应用,提高荧光的探测效率和探测灵敏度一直是人们重点研究的问题。近年来,随着微纳加工技术日趋设成熟,基于微纳复合结构的新型光学芯片越来越多的被用来实现荧光辐射场的调控。本论文主要提出了几种新型的光学芯片,通过对微纳复合结构中的模式进行分析,利用本征场与激发的荧光分子的耦合,实现对光场强度、方向、以及偏振等特性的调控;利用后焦面成像系统,对耦合辐射场的光学行为进行表征,并且基于此提出了光学参数测量新方法。利用微纳加工制作的光学芯片结构紧凑,有利于结构的小型化和一体化,在荧光显微成像,药物检测,以及传感分析等领域有重要的应用前景。本论文主要包括以下几方面的内容:1.自主搭建了后焦面成像系统。利用后焦面表征光场的辐射角度、强度、偏振等信息,系统的分析了后焦面上某一点位置所对应的辐射角。并且通过后焦面上角度的变化,可以得到相应模式的波矢变化,可用于薄膜、液体等折射率及厚度测量。2.设计了基于介质光栅实现表面波耦合辐射光场在自由空间收集的光学芯片。激发的荧光分子与表面波的耦合出射能够实现荧光的定向辐射,提高灵敏度。利用结构底部的亚波长介质光栅,实现了对辐射场的进一步调制,从而能够在自由空间收集。3.提出了小孔-Tamm复合结构,利用转移矩阵方法分析了光场在结构中的传输与共振模式,通过FDTD模拟该结构与激发的荧光分子相耦合的远场信息。证明了远场辐射方向、辐射强度可以通过改变出射波长、偶极子位置、小孔尺寸来调控。本论文的创新点主要包括:1.搭建的后焦面成像系统集光源、透镜组和滤波片组于一体,可以切换白光和激光作为光源,选择合适的波长,并且可以同时对前、后焦面成像。可以直观的表征荧光分子与光学芯片耦合后的方向与强度信息,具有很高的灵活性和实用性。2.首次提出利用介质光栅实现表面波耦合辐射场在自由空间的收集,并且刻写了二维光栅,实现了多个方向上光场的调制,和传统结构的表面波耦合辐射相比,这一新型微纳结构提高了荧光的探测效率、灵敏度和信噪比。3.小孔-Tamm复合结构将表面结构和Tamm相结合,既保持了传统Tamm结构实现荧光垂直出射的特点,同时位于小孔中的荧光分子能够更好的与Tamm等离激元耦合,从而进一步实现了荧光的增强。从FDTD模拟结果上看,与传统的Tamm结构相比,场强提高了两个数量级。