● 摘要
未来的传感检测逐渐向检测微量物质甚至是痕量物质方向发展，因此需要更有力的检测方式来满足检测要求。在过去的几十年中，作为多学科交叉研究方向的表面增强的光学传感检测技术由于其具有高灵敏度、免标记等特性备受研究学者的广泛关注和研究，已在环境监测、食品安全、药物开发等领域得到广泛应用，尤其是低浓度小分子的检测。因此，包括表面波传感技术、表面增强荧光技术、表面增强拉曼检测技术、腔衰荡谱技术等在内的光学增强技术都得到了迅速的发展，并且基于光纤的传感结构可应用于分布式多点检测系统中，为实现生化检测的远程监测体系奠定基础。
本文从理论、实验以及敏感元件的结构设计方面对表面增强的光学传感技术进行了深入的分析和研究。主要围绕布洛赫表面波的一维光子带隙结构芯片的设计、基于一维光子带隙结构的D型光纤传感结构设计、基于传统干涉技术的腔衰荡光纤传感器设计等进行了研究，并取得了一定的创新性研究成果，具体研究内容包括以下几个方面：
1、从理论分析和实验验证的角度分析了与传感应用相关的布洛赫表面波的光学特性，包括反射共振峰强度、古斯汉欣位移、表面电场分布及折射率角度灵敏度，得到了不同共振角下的这些光学特性与临界角之间的关系，为不同特性的布洛赫表面波的应用提供帮助。首先，对传感芯片建立光学模型，固定高折射率层和低折射率层的厚度和材料和涂覆层的介质，通过对缓冲层厚度的改变来分析不同情况下的反射共振峰、古斯汉欣位移、电场分布、传感灵敏度曲线的变化规律，仿真研究发现近临界角位置的布洛赫表面波的反射共振峰最窄，古斯汉欣位移曲线的峰值最大，此位置的检测灵敏度最大，且穿透深度也最大。然后，又对此仿真结果进行实验验证，利用传统的Kretschmann棱镜耦合方式，通过改变与传感层接触的环境折射率，来测量不同情况下的反射谱和古斯汉欣增强效应，通过分析距离临界角不同位置时的布洛赫表面波共振峰和古斯汉欣位移曲线的特征关系，发现实验结果与仿真分析结论一致。
2、提出了一种高灵敏度的基于布洛赫表面波的光纤传感结构。通过在由普通单模光纤磨削制成的D型光纤上引入多层介质结构，实现了高灵敏的布洛赫表面波在光纤上的传感应用，为表面波的光纤传感机制提供了一种新的思路。通过数值仿真，计算了该结构在不同参数下的传输损耗。由环境折射率从1.330变到1.334时的输出功率发现与金属涂覆的表面等离子结构相比，该传感结构在此范围内对折射率的灵敏度要高近一个数量级，同时传输长度要大两个数量级。此外，通过改变D型光纤的磨削厚度可调节该结构传感器的最敏感折射率传感范围，因此通用性能强，可被应用于宽折射率范围的微量物质水溶液的检测中。
3、提出了一种新型的基于腔衰荡技术和双光束干涉技术的高灵敏度相位传感检测技术。将由两个具有高反射率的反射镜构成的衰荡腔引入传统的Mach-Zehnder干涉传感结构中。由于衰荡腔的引入，原本有限的工作距离被多次放大，使系统的检测灵敏度比传统表面波相位传感器的灵敏度有明显提高，该系统结构简单，且应用广泛，可被用于检测引起光程变化（包括传感位置变化或折射率变化）的任何参量。文中主要分析研究了整个系统的工作原理；仿真分析了镜面反射率、光纤损耗等系统参数对衰荡时间这一决定系统灵敏度参数的影响；分析了不同检测环境下被测量物的检测精度；最后以对微量氢检测为应用背景进行实例仿真说明，研究发现当腔的反射镜的反射率为99%时，该传感器氢气的检测灵敏度可达1ppm。