本论文的研究工作是在科技部重大基础研究前期研究专项（No.2005CCA04200）项目资助下完成的。本论文主要运用严格耦合波分析（Rigorous coupled wave ananlysis，RCWA）方法，定量研究了亚波长金属结构中表面等离子体（Surface plasmon polaritons，SPPs）的激发特性和散射机理；利用表面等离子体的共振效应（Surface plasmon resonance，SPR）和局域共振效应（Localized surface plasmon resonance，LSPR），分别提出了基于光束横向位移测量的棱镜型SPR传感器以及基于纳米金属光栅的LSPR传感器。　　 本论文主要的研究工作如下：　　 (1) 利用RCWA方法和正交模式方法，定量分析了在平面波和狭缝基模入射时，金属表面的半无限狭缝结构所激发的SPPs效率，并详细讨论了金属表面单槽结构所激发的散射场的特性，重点研究了散射场所包含的SPPs和柱面波从可见到近红外波段在金属表面的传播行为。　　 (2) 基于全波矢傅立叶方法和洛仑兹互易定理，系统研究了几种金属表面孤立结构中SPPs的激发特性，并对SPPs的激发物理机理进行了分析。在给定的几种结构中，金属－介质脊提供了最高的SPPs激发效率，其主要原因是在该结构中存在超强的共振行为。另外，重点讨论了SPPs的产生效率与金属介电常数之间的关系，提出了SPPs激发效率与金属介电常数的解析模型。　　 (3) 以金属表面的双槽结构为例，研究了金属表面微结构之间相互作用的机理。利用严格耦合波方法，定量分析了双槽结构激发的SPPs效率，并基于SPPs耦合模型方程，讨论了SPPs在双槽结构之间的模式散射过程。此外，提出了可以更精确微观地描述金属表面微结构相互作用过程的耦合模型，该模型首次考虑了柱面波到SPPs的转化效应，并给出了柱面波到SPPs的转化系数的近似解析表达式。　　 (4) 基于古斯-汉斯位移效应，提出了一种新的基于光束横向位移测量的SPR传感器，着重分析了SPR光束位移检测的原理，并进行了数值分析。在金属膜厚度大于55nm和小于55nm时，光束横向位移表现出不同的变化行为。此外，由于SPR传感器的折射率灵敏度依赖于金属膜厚度，因此通过改变金属膜厚度，可以使SPR传感器的分辨率达到单位折射率。　　 (5) 利用反射光谱分析方法，提出了一种多层膜结构的金属纳米光栅LSPR传感器。该结构由金属薄膜和金属光栅组成，可以同时激发局域的SPPs模式和传播的SPPs模式，两者之间发生强相互作用，从而产生一个新的附加共振峰。当金属光栅周围介质折射率增加时，附加共振峰将发生红移，共振波长与折射率变化近似成线性关系。分析了金属光栅周期和高度对LSPR传感器折射率灵敏度的影响，当光栅周期为550nm，高度为40nm时，其折射率灵敏度可以达到543nm/单位折射率。