随着微加工技术的发展,光学超材料已经成为人们研究的热点领域。金属-介质是超材料的重要组成单元,在金属-介质型超表面中,由于光子和电子在金属-介质界面上的完美结合,激发了表面等离子体激元。在金属-介质-金属结构中,上下金属-介质界面处产生反向平行的表面等离子体激元波形成电流环,产生了磁偶极子共振。它可以使电磁场强局域在很小的体积内,增强了光与物质的相互作用。民以食为天,名目繁多的有机磷农药或重金属的使用已经给人类的生命健康造成了极大的威胁。运用金属-介质结构材料进行生物探测能够克服传统手段存在的操作复杂、检测成高、不能实时检测等问题。本文通过仿真和实验对可见光-红外波段金属-介质-金属超表面进行研究,并初步应用于有机磷农药敌百虫和重金属Hg²⁺的检测中。论文主要分为以下几部分:1.在可见光波段,利用上海光源软X射线干涉光刻辅助其他微加工工艺制备了Au/SiO₂/Au周期性纳米颗粒阵列结构。通过实验测试和仿真分析发现,该阵列结构的吸收峰呈现法布里-珀罗腔模式以及由电模式和磁模式相耦合形成的Fano共振。2.在结构设计的基础上,在红外波段,通过无掩膜光刻辅助其他微加工工艺制备了Ag/SiN/Ag周期性颗粒阵列结构。通过改变颗粒阵列的尺寸实现对共振峰位置的调控。此外,通过改变x方向和y方向上的颗粒尺寸可以调节结构的各向异性。通过吸收光谱测试发现Ag/SiN/Ag超表面存在较强的吸收,并且具有偏振选择性和任意可调性。利用FDTD Solutions软件仿真分析了磁偶极子共振和声子模式的电磁场分布,分析了偏振选择性的物理机理。3.在可见光-红外波段,利用金属-介质结构材料作为载体实现对有机磷农药和重金属的检测。将敌百虫农药加载到聚酰亚胺中制备成Au/聚酰亚胺和Au/聚酰亚胺/聚苯乙烯球纳米腔,由于聚苯乙烯球纳米腔的加入使得对敌百虫农药的痕量检测极限提高至5?10^-5mol/l。将不同浓度的HgCl₂溶液直接滴加在Au/SiO₂/Au圆盘结构超表面中,可以实现对重金属Hg²⁺含量n（28）1?10^{-1 5}mol的痕量检测。红外光谱可作为材料的指纹图谱。通过对敌百虫吸收光谱的分析,我们设计了Ag/SiN/Ag方形颗粒阵列结构,使体系中的磁偶极子共振与敌百虫分子的吸收峰产生耦合,从而增强光与敌百虫分子的相互作用,实现对敌百虫的高灵敏度检测。