设计一个基于蒙特卡罗法（MCM）的三维消光模型，在三维空间中将入射光离散成光子，以Mie散射理论描述单个颗粒的散射行为，统计光子进入颗粒系统后的所有事件，实现对颗粒系统的消光谱预测。同步开展传统消光模型即Lambert-Beer（LB）模型计算，搭建消光谱测量装置对模型进行实验验证。结果表明，三维MCM模型与LB模型的均方根误差在0.003以内，与实验的均方根误差小于0.015。初步验证了三维MCM预测消光谱的可靠性，并拓展了消光法适用范围，使三维MCM模型成功应用于混合颗粒系统，并实现非平行光束入射条件下的消光谱预测。

在单一颗粒系中，消光光谱法颗粒粒径测量模型通常基于Mie散射理论和Lambert-Beer(LB)定律。但多种颗粒物构成的混合颗粒系的消光特性更为复杂，颗粒粒径与混合比均会影响消光谱，需要发展新的理论模型。作者设计一种蒙特卡罗(Monte Carlo，MC)原理的混合颗粒系消光模型，将入射光束离散化成光子，通过追踪其从发射至接收/逃逸过程中所有事件，统计光子去向并研究混合颗粒系的消光特性。为了验证蒙特卡罗模型的准确性，分别对聚苯乙烯和玻璃微珠单一颗粒系中消光谱进行数值计算，结果与Lambert-Beer定律预测误差小于2%。进一步将模型扩展至由聚苯乙烯和玻璃微珠构成的混合颗粒系，其消光谱随玻璃微珠占比(混合比)增大而依次递增，直至混合比为1时退化为单一颗粒系，而波长减小时，消光随混合比变化趋势由线性向非线性转变，两种颗粒自身消光特性差异越大则非线性趋势越明显，说明混合系消光值由颗粒类型、 混合比、 颗粒粒径和光波长共同决定且相互耦合。根据预测消光谱，采用三种全局最优算法对混合颗粒粒径和混合比参数反演。结果表明： 混合比单参数反演结果的误差最小，均在1.5%以内；对两种颗粒粒径进行双参数反演时，误差均在3%以内；对两种粒径和混合比进行三参数同步反演时，误差增大，但均在10%以内。综合分析三种反演算法，PSO算法耗费时间最长，是其他算法的数倍，IGA算法效果较好且更加稳定。初步验证了设计的蒙特卡罗模型可应用于混合颗粒系的消光谱预测，实现了两种颗粒粒径与颗粒系混合比的同步反演。

对多波长消光法颗粒测量方法中非球形颗粒形状的影响进行研究。采用广义米散射理论数值模拟计算了不同长短轴椭球颗粒在不同入射角度下的消光截面和消光系数，并与等效球形颗粒的消光特性进行比较, 结合Lambert-Beer定律计算消光谱，采用正则化算法反演椭球颗粒粒径，进而分析椭球颗粒形状对粒径测量结果的影响。结果表明，与球形假设相比，椭球颗粒的形状改变使得粒径反演结果产生较大偏差。本算例中，对于亚微米颗粒，当形状参数a/b=5时，其相对偏差可能超过90%。

采用离散偶极近似(DDA)法计算直线、平面和立方体排列的银纳米球阵列的消光谱及其电场分布情况。研究表明，银纳米球阵列的表面等离子体共振峰随银纳米球直径的增大而红移，随纳米球个数的增多而蓝移；不同结构银纳米球阵列间的耦合作用对其表面等离子体共振模式有显著影响，相同直径的银纳米球阵列耦合作用由强到弱的排列方式分别为平面排列、立方体排列、直线排列；银纳米球阵列的光谱特性与入射光偏振态的变化密切相关。

采用磁控溅射法在Si衬底上制备了SiO2介质膜, 系统地研究了SiO2膜引入对Ag纳米颗粒的表面覆盖率、形貌、形成机理和光学性质的影响.研究发现引入SiO2介质膜后, Ag纳米颗粒的表面覆盖率显著增加, 平均粒径明显降低.基于现有的Ag纳米颗粒形成机理, 提出了粗糙表面Ag膜断裂模型以解释其形貌发生变化的原因.紫外-可见光分光光度计测试表明, 引入SiO2膜并优化其厚度, 可使Ag纳米颗粒的偶极消光峰最大红移86nm, 但消光峰强度明显下降.数值模拟计算表明, 引入SiO2膜的Ag纳米颗粒所能散射的光子数量最小减少2×1018个.因此, 在Si衬底上沉积SiO2膜, 不利于Ag纳米颗粒陷光性能的提高.

利用磁控等离子体溅射团簇束流沉积法制备不同覆盖率的Ag 团簇薄膜，控制薄膜的组装结构以及与罗丹明6G(RH6G)分子的间距，研究薄膜的表面等离激元(SPP)对分子发光增强的作用。结果表明，当分子与薄膜紧邻时，将导致其荧光的淬灭,当分子与薄膜之间有氮化硅介质阻隔层时可有效抑制荧光的淬灭。当在薄膜与分子间生长厚度为15 nm 左右的介质阻隔层时，使分子荧光增强约450%。随着介质阻隔层厚度增加，荧光增强强度按e 指数衰减。

本文利用离散偶极子近似方法研究了银纳米三棱柱二聚体的光学性质, 考察了粒子相对位置、粒子间隔和入射光偏振方向对消光谱和电场的影响。入射光偏振对二聚体的消光谱和表面电场均有较大的影响。纳米粒子间隔较小时, 粒子间存在较强的耦合; 粒子间隔较大时, 二聚体的消光谱更接近两个相互独立的粒子情形。另外二聚体的表面电场分布和平均电场强度还受到粒子相对位置和间隔的影响, 随着粒子间隔的增大, 表面平均电场值振荡上升达到最大值后减小。

本文利用离散点偶极子近似方法(DDA)研究了金和银纳米粒子二维周期阵列的光学性质。研究结果表明二维周期阵列的消光性质及其表面等离子共振(SPR)波长受到阵列内粒子组成材料、粒子形状尺寸、阵列周期和阵列排布方式等因素的影响。对于二维正方阵列, 当周期较小时(一般小于300 nm), 阵列的共振波长主要取决于粒子组成材料和形状尺寸; 当周期与阵列单体的共振波长附近时, 阵列的消光谱中会出现极窄且锐的SPR共振峰, 峰位只与阵列的周期值相关。改变阵列在平行和垂直于入射光偏振方向的周期, 可以方便地调节二维长方阵列的共振峰的峰位和峰宽。

利用离散偶极近似(Discrete dipole approximation, DDA)方法分析了入射光偏振状态 对单个金纳米棒状颗粒的光学性质的影响,并给出了单个金纳米棒状颗粒底面和 剖面的近场分布图,对于设计实现基于金属微纳结构的纳米光子器件具有一定的指导意义。研究结果表明,不同的 入射光偏振方向会激发不同的表面等离子体模式(横向表面等离子体共振和纵向表面等离子体共振), 这将影响棒状颗粒的消光谱峰和近场分布。

单纳米粒子的LSPR光学生物传感器具有空间分辨率高, 可植入生物的细胞和组织里, 检测所需要的剂量少等优势。本文提出一种十字星形的纳米粒子结构以进一步提高单纳米粒子LSPR光学生物传感器的信号强度。模拟和分析表明, 十字星形纳米粒子的消光效率远远高于相同结构尺寸的菱形或三角形纳米粒子的消光效率, 为发展新型结构单或阵列式的金属纳米粒子LSPR光学生物传感器提供了参考依据。