金属纳米结构因其在光波段的表面等离子体共振效应而使其光响应特性完全不同于金属体材料,在众多科学与工程领域中有着重要的应用。本论文围绕金属等离子体纳米结构的设计和应用开展研究,涉及到全金属基窄带完美吸波材料、双波长共振纳米天线以及宽带光学纳米天线的设计,并探讨了它们在表面增强拉曼散射和荧光增强中的应用。首先,提出了一种全金属基窄带完美吸波材料的设计,不同于传统的金属-介质-金属三层结构,这种新型设计具有超窄的吸收带宽。作为折射率传感器,拥有极高的灵敏度和品质因子(FOM),处于世界领先水平。基于耦合模理论,研究了完美吸波材料的局域电磁场增强效应,将远场的吸收特性与近场的局域场增强有效地联系起来,验证了稀释的场增强因子与吸收率的正比关系,并由此证明了完美吸收条件是实现局域电磁场增强最大化的必要条件。其次,设计了一种具有双波长等离子体共振的光学纳米天线,它们的局域电场增强热点都位于天线的间隙处,具有很高的空间重合度。通过调节结构的不对称性,可以有效地调节两个共振峰的位置。相比于不对称偶极子天线,设计的双波长共振天线具有很高的天线辐射效率和较窄的线宽,非常适用于双光子激发荧光增强应用。基于不对称结构,提出了一种双带完美吸波材料的设计方法,在两个波段内实现了接近百分百的吸收,同时具有很高的局域场增强因子。将双带完美吸波应用于表面增强拉曼散射,其中一个共振用于增强拉曼激发信号,另一个共振用于增强拉曼散射信号,极大地提高了拉曼散射信号。最后,提出了两种新型的宽带光学纳米天线,包括耦合的宽带光学纳米天线和单颗粒宽带光学纳米天线。在耦合的光学纳米天线的研究中,数值研究了它的等离子体共振模式,以及其在荧光增强和拉曼增强中的应用,还研究了耦合的宽带光学纳米天线的热学特性,证明了其在非共振波长范围内的低热特性。采用耦合的谐振子模型解释了耦合的光学纳米天线的物理机制。在单颗粒的宽带光学纳米天线研究中,主要结合电荷分布和多极子展开的分析方法探讨了近场与远场频谱响应差异的机理,数值研究了光学纳米天线对低量子效率的荧光分子的自发辐射调控,提供了宽带的量子效率增强。