基于电磁波与金属-介质复合微结构相互作用的等离子体共振传感器是一种传感性能优越、体积小、易集成的传感器件,它常表现出对环境湿度或溶液折射率、生物分子类别和浓度、入射电磁波倾斜角度的灵敏响应,在化学、生物、海洋产业领域都有潜在的应用市场。然而,等离子体共振传感器距离实际应用还存在很多问题,例如:等离子体共振传感器的制备成本高、简单结构的传感器的传感性能较低。针对以上问题,本论文首先研究低成本高输出的微球辅助光刻法,基于微球辅助光刻法制备实现金属-介质-金属图案阵列结构的折射率传感器,并通过电磁场仿真软件CST Microwave Studio优化传感器件的结构参数和开展部分实验验证。主要研究内容归纳如下:1.针对微球透镜聚焦特性研究,常常忽略相邻微球之间的相互作用对聚焦光斑形貌的影响,开展了相邻微球之间间隙对近场聚焦光斑形貌和微球透镜辅助光刻结果的影响的研究。数值研究发现直径和折射率分别为2.06μm、1.59的微球在波长400nm的光照下具有较高Mie近场效率的微球,当它处于与它同样结构参数的微球阵列里,并与相邻微球的距离很小时（小于30nm）,它与相邻微球之间存在较强的光耦合并使得聚焦光斑呈六角星形状;位于微球与Si衬底之间的光刻胶（折射率:1.67）层厚度等于120nm（即光程等于半波长）时,光刻胶层起到法布里-珀罗（Fabry-Pérot,FP）腔相长干涉的作用,增强光斑边缘区域出现的旁瓣;光斑形貌还受入射光偏振方向影响;当相邻微球之间的间隙逐渐增大,聚焦光斑边缘的旁瓣减弱直至出现暗环。实验上不仅验证了以上结论,还发现利用更大直径的紧密有序排布的微球阵列辅助光刻能获得六边形孔、六角星形孔、拓扑状的双孔阵列,这也归因于更大直径的微球一般具有较高的Mie近场效率及相邻微球之间的光耦合。这些发现对利用微球辅助光刻法制备新型图案有一定的指导意义。2.为解决透镜在远场Photonic nanojet（PNJ）的半高全宽（Full width at half maxima,FWHM）过大,不满足光刻应用要求的问题,提出一种浸泡的双层同心半球透镜。该双层半球透镜的内半球/外层球壳折射率分别为1.57、1.44,内层半径为2.8μm。通过数值仿真和射线追迹发现,在沿光轴入射的光波长为365nm的平行光照射下,该半球透镜浸泡在空气、氟化镁里时的焦距/FWHM分别是5.7μm/422nm、6.9μm/294nm。氟化镁材料浸泡时延长的PNJ中心的FWHM得到很好的压缩,这是因为此时内半球的球面全反射离光轴较近的入射光束,而由离光轴较远的入射光束参与形成PNJ（即类似浸泡的具有高数值孔径的透镜）。基于此浸泡的双层半球透镜的长焦距和亚波长的焦斑FWHM的形成原理,我们设计了另一个浸泡并整形的单层半球透镜。半球的折射率和直径分别为1.57、9μm,半球的球面沿垂直于光轴切掉部分。此浸泡并整形的半球透镜也类似浸泡的高数值孔径的透镜,能在工作光照明下形成长焦距、窄FWHM的焦斑,且对光波长有较好的兼容性。此外,在光刻仿真时得到了亚半波长的光刻分辨率。3.双氧水等溶液亲水处理衬底,存在处理效果不佳,且衬底表面亲水性保持时间较短的问题。另外,大尺寸微球在电泳自组装时容易发生团聚现象。采用UV光清洗处理衬底、旋涂法制备带正电聚合物薄膜和水浴加热电泳自组装过程中的微球,极大的优化了滴涂自组装、电泳自组装工艺并获得更好的自组装结果。利用获得的微球阵列辅助光刻制备得到不同孔尺寸、形貌、周期的孔阵列,其中首次发现六角星形孔和交错排布的双孔图案。4.针对金属微盘-介质膜-金属反射层结构的类FP腔振子传感器的折射率灵敏度（Refractive index sensitivity,RIS）较低、吸收峰的FWHM过大的问题,提出以介质微盘替换介质膜,并减小介质微盘的尺寸来增加金属微盘边缘局域电场的环境暴露,从而提高RIS;同时研究金属材料、微盘形貌对类FP腔振子吸收峰的FWHM和RIS的影响。结果表明中间层为圆盘的Au-SiO2-Au圆盘阵列的类FP腔振子传感器的RIS（800 nm/RIU）比文献里具有相近峰位（1.6μm附近）的Au圆盘-Mg F2膜-Au反射层结构传感器的RIS高出一倍,减小SiO2圆盘的直径可以使RIS再增加约一倍。在通过微球辅助光刻法制备的Au-SiO2-Au圆盘阵列结构的实验测试时,也证明了这一现象。相比于具有相近类FP腔振子峰位的Au-SiO2-Au圆盘阵列（吸收峰FWHM约为230nm）,Au-Si3N4-Au、Ag-Si3N4-Ag方形盘阵列的吸收峰的FWHM分别约为160nm、100nm,且方形盘阵列的吸收峰FWHM随方形盘边长的减小而迅速减小,随介质盘边长的减小RIS可增加到大于1000nm/RIU,这表明这种类FP腔振子结构的吸收峰的FWHM与振子结构的材料、盘的形貌、盘的尺寸都相关,通过深入优化这种类FP腔振子结构,有望获得FWHM极小而RIS很大的吸收峰。在减小Au-Au-Au圆盘阵列中间层的直径时,出现一个与结构周期无关、但RIS较高的吸收峰,通过观察这个吸收峰处的电场、磁场和能流分布,判定这也是类FP腔振子吸收,这一发现丰富了类FP腔振子的结构。5.将微球阵列作为沉积掩膜可以制备三角形盘阵列。不同于之前的报道,我们基于直径为900nm紧密排布的圆柱建立三角形盘的Au-SiO2-Au结构阵列模型,得到的三角形盘结构具有细长的尖端。数值研究发现Au三角形尖端具有极强的光棒效应,并且中间介质层出现增强的磁场,这两种局域模一起响应入射光,实现近红外波段的窄带吸收（900nm附近,吸收峰FWHM约5nm）;并且因为Au三角形尖端较为细长,局域在尖端的强电场使单元结构的共振峰对环境折射率很敏感,最终Au-SiO2-Au三角形盘阵列的共振峰对环境的RIS为660 nm/RIU,品质因数高达132。