局域表面等离子体共振(LSPR)因为其独特的性质,如表面局域和近场增强,可广泛用于生化传感、数据存储、薄膜太阳能电池、以及纳米尺度的光学器件等领域。本文根据LSPR的基本特性并借助准静电近似理论和有限元法重点研究了增益掺杂、外加电压对LSPR光学响应的调控。基于LSPR的调控方法我们提出了多种金属微纳结构用来实现折射率传感、等离子体放大、分子检测等功能,并通过仿真计算分析其性能。本文的研究内容如下:(1)设计了一种基于金纳米球壳-增益掺杂硅核的折射率传感器。通过准静电近似计算发现,在掺杂一定量增益介质的情况下,壳核纳米颗粒的散射效率以及LSPR的品质因数得到显著的提升。同时,与没有掺杂增益介质的情况相比,壳核纳米颗粒折射率传感器的品质因数可以增强2000倍。(2)实现了一种低增益掺杂的表面等离子体放大器。基于增益掺杂补偿金属损耗的概念,通过优化壳核纳米颗粒的结构参数实现了低增益掺杂的LSPR放大。针对改变结构参数带来的增益水平降低,从LSPR的品质因数(QF)和近场增强两个方面给出了物理机制层面的解释与分析。(3)设计了一种基于bias-scanning的新型LSPR折射率传感器。结合金属纳米颗粒中入射光、外加电压、环境折射率以及散射谱之间的关系,发现可以用电压扫描替代传统LSPR传感器中的波长扫描。并通过理论、仿真证实了新型传感器入射波长的不唯一性。同时通过调整金属纳米颗粒的大小和形状因素,可以进一步提高基于bias-scanning的折射率传感器的灵敏度。(4)实现了一种基于动态Fano-resonance的分子传感器。将Fano-resonance增强吸收效应与电压对石墨烯电导率的调控能力相结合,用来实现低浓度、薄层的生物分子检测。通过调节Fano-resonance的位置,使得其和生物分子特有的吸收带达到最优重叠,从而最大地提高了生物分子的红外吸收信号。