近几十年来,表面等离激元光子学作为一门新兴的学科,其在物理、生物、化学、能源、环境等交叉领域中的潜力正在逐步被发掘。随着纳米技术的发展,集成电路微型化的需求愈发高涨,衍射极限也愈发成为传统光子器件往更小尺寸发展的主要限制因素,这成为制约集成电路芯片微型化的一大瓶颈,却也正是基于等离激元的新型光子器件的一大机遇。在这技术更迭的历史转折点,表面等离激元正以其独特的光学特性为我们开启了通往片上光通信的高速列车,为未来迈入量子信息时代提供了可靠的技术支撑。基于表面等离激元的有源和无源光子器件的研究具有划时代的意义。本论文详细调研了本领域的研究现状及发展趋势,重点研究基于表面等离激元的纳米激光器和传感器的应用,并取得了以下成果:(1)设计并从实验上验证了一种新型的近似等离激元激光器的光源输出。在这一光源模型中,我们采用了银纳米棒-间隙层-硒化镉纳米带的MIS复合结构设计,在单个纳米颗粒的尺度下实现三维局域的近似等离激元纳米激光器的辐射输出。其中,银纳米棒作为等离激元谐振腔提供局域的电磁场束缚能力,而硒化镉纳米带作为增益介质用以补偿银纳米棒内部的欧姆损耗。与此同时,硒化镉纳米带光波导本身在泵浦激发下也会实现激光出射。基于此种复合结构,随着泵浦光激发功率的增加,硒化镉纳米带经历了自发辐射-自发辐射放大-激射的过程,而在这个过程中,银纳米棒作为一个有效的纳米天线谐振腔,能够有效地将硒化镉纳米带中的激射模式耦合出来。在这个实验中,我们在利用银纳米棒实现三维局域的近似纳米激光出射的同时,也能在同一个结构中对比等离激元激光与光子激光各自产生激射的泵浦阈值条件,为多年来针对等离激元激光和半导体激光孰优孰劣的争执提供了一定的实验参考。这种相干的局域光源未能实现对金属纳米结构欧姆损耗的完全增益补偿,在一定程度上限制了其作为光学元器件在等离激元光学元器件方面的应用,但是它易于制备,能够在室温下运行,且工作阈值低,这就使得它在传感和成像方面相比等离激元激光而言具备一定的竞争优势。(2)采用金属纳米线-间隙层-超光滑金膜(NWOM)的MIM结构设计,利用存在于其纳米间隙中的腔等离激元共振模式,从实验上评估了此NWOM结构作为等离激元光学尺和温湿度传感器的探测灵敏度。实验中,我们使用～2.3 nm厚的PVP高分子层作为纳米间隙层,利用这种分子弹簧的热胀冷缩和吸湿膨胀的特性,原位测量出此NWOM结构的共振模式随温度、湿度的峰移趋势,并据此分析NWOM结构对纳米间隙厚度的探测灵敏度。我们采用精确控温、精细采谱的方式,从实验上精确测量出此NWOM结构的LSPR共振对纳米间隙厚度变化探测的极限达到了 0.13 pm,而对温度和湿度的探测极限则分别达到了 0.07 K和0.008%。这一传感灵敏度要高于目前报道过的绝大多数的基于表面等离激元共振传感器的灵敏度,直接将等离激元光学尺的探测精度推进到了亚皮米的量级,而且证实了其在气体传感方面所具有的潜在的应用前景。