人工局域表面等离激元是一种基于表面等离激元超材料的电磁谐振模式，在微波、毫米波和太赫兹频段可实现深亚波长场束缚、高品质因子、高介电灵敏度等优异传感特性，并且与平面印刷电路工艺兼容，易于和信号检测电路、无线通信电路集成，因此在小型化便携式的物联传感领域展现出广阔的应用前景。本文重点介绍人工局域表面等离激元传感的新原理、相关技术及典型应用。在传感新原理方面，讨论了新型人工局域表面等离激元的谐振结构、电磁模式、以及涡旋波传感原理；在传感指标提升技术方面，探讨了模式间耦合和有源放大两种传感增强方法；在应用探索方面，回顾了人工局域表面等离激元在溶液浓度传感、细胞传感和力学量传感等方向的代表性工作，介绍了小型化人工局域表面等离激元传感系统的最新进展。最后，对人工局域表面等离激元传感的发展趋势进行了讨论和展望。

红外光谱技术因分子吸收截面较小限制了其灵敏度，采用光学性质相似且价格更低的银阵列替代金阵列，在节约成本的同时，利用表面增强红外吸收效应，以提高微量分析物的检测灵敏度。分别设计了微米尺度的中空十字形与六边形天线阵列结构，使用时域有限差分算法进行数值仿真，研究了天线尺寸对超表面光学性能的影响。利用紫外曝光技术，以银作为沉积金属，实现低成本、大尺寸天线阵列的制备。利用傅里叶红外光谱仪测量超表面基底，在400~800 cm^-1的中红外波段实现了表面增强吸收，十字形天线与六边形天线结构的消光系数最高分别可达20%与24.5%。为了评估超表面的传感性能，分别在硅基底和六边形结构的超表面基底上涂覆聚甲基丙烯酸甲酯，六边形天线结构在483.14 cm^-1处实现了2.85倍的增强吸收，增强因子为1 995。

基于锑化物的带间级联激光器同时具有带间跃迁的高增益和级联结构的高量子效率，是中红外波段重要的相干光源，其功耗低于其它中红外半导体激光器，因而单模带间级联激光器在基于激光吸收光谱技术的高分辨气体检测和化学传感等领域具有很大的优势。目前利用Bragg光栅实现波长选择的单模分布反馈带间级联激光器已经实现商品化，但是，与同样有源区结构的Fabry-Pérot腔带间级联激光器最高600 mW的出光功率相比，单模功率最高55 mW，损耗较大。对几种不同结构的分布反馈带间级联激光器的性能进行对比分析，探讨这类单模中红外激光器损耗的主要来源以及改进思路。此外，介绍了垂直腔面发射和光子晶体带间级联激光器的进展，并与分布反馈带间级联激光器的性能进行比较，讨论其优缺点及适用的场景。

针对单层硼烯吸光效率低的难题，提出了一种基于塔姆等离激元的硼烯近完美吸收器件，通过入射光直接激发高度局域的塔姆等离激元模式，深入研究了硼烯的近红外光学响应。仿真结果表明，所设计的硼烯/一维光子晶体结构能够有效提高硼烯的吸光效率，相比单层硼烯提升了一个数量级。同时器件在不同面内晶体方向上表现出强烈的各向异性。通过改变硼烯狄拉克电子密度，将器件在x和y偏振方向上的吸光效率提高至95.52%和96.63%，对应共振吸收波长为1 550 nm和1 607 nm。此外，通过改变一维光子晶体结构、氧化铝间隔层厚度及单层硼烯在间隔层中的位置等参数能够实现对吸收效率及吸收波长的灵活调控。该器件具有吸收效率高、工作波段可调等显著优点，可为发展下一代片上集成光电器件提供机遇。

为了提高红外探测器的工作温度，基于InAs/GaSb II类超晶格材料设计了一种五级带间级联结构中波红外光电探测器，并采用分子束外延技术和标准化光刻及刻蚀技术进行了器件的制备。在77 K时，该器件的50%截止波长是4.02 μm，在0 V时峰值探测率为1.26×10¹² cm·Hz^1/2/W；在300 K零偏压下，该器件的50%截止波长是4.88 μm，峰值探测率为1.28×10⁹ cm·Hz^1/2/W，实现了高温探测。从180 K到300 K，器件的暗电流主要由扩散电流主导。在77 K到220 K温度范围的暗电流曲线中观察到了负微分电阻现象，并解释了峰谷电流比相对于温度变化的趋势。研究结果表明，具有带间级联结构的T2SL探测器可以进行室温工作，在中波范围内有比较明显的优势。

为了提高二氧化碳气体检测系统的测量空间分辨率并减小系统体积，设计了一种基于2 μm激光二极管和Herriott多光程吸收池的高灵敏二氧化碳气体传感器。设计并加工了有效光程为2.6 m的Herriott池来进行光路折叠。使用中心波长为2 μm的激光二极管，覆盖二氧化碳分子在4 989.9 cm^-1处的较强吸收线。采用波长调制技术减小系统的噪声。此外，为系统加载Kalman滤波技术来进一步提高探测灵敏度。实验结果表明，采用该传感器，系统的探测极限在1 s的积分时间下可达到0.18×10^-6，而经过自编程实时Kalman滤波后探测极限可达到0.13×10^-6，提高了27%。采用该传感器对室内二氧化碳浓度进行长达8 h的连续监测，并在暨南大学理工学院楼顶进行了24 h的二氧化碳浓度监测，证明了仪器的稳定性。

为了加快气体吸收光谱分析算法的求解速度、重构算法的硬件逻辑，采用现场可编程门阵列（FPGA）器件，结合波长调制光谱技术，研制了一种硬件可重构波长调制甲烷传感器。根据应用功能需求，可在硬件层面重构逻辑电路，从而更新系统工作模式和探测参数。采用流水线技术，对光谱分析算法进行了硬件加速，光谱分析部分的输入与输出之间的时间延迟仅为4.05 ms。实验分析了该传感器在连续、间歇两种工作状态下的波形与电流，证明了该系统工作模式的可重构特性，也证实了采用间歇式工作降低激光气体传感器功耗的可行性。采用正弦信号对FPGA算法部分的功能进行了测试，结果表明，测得的信号幅值与输入信号幅值的线性度达到了99.99%。采用中心波长为2 334 nm的分布式反馈激光器作为光源、光程为25 m的赫里奥特气室作为气体吸收池，开展了甲烷检测实验。传感器的线性度为99.97%，响应时间约为4.9 s。艾伦方差结果表明，当积分时间为0.5 s时，传感器的检测下限为7.8×10^-6。开展的甲烷泄露实验证实了该传感器的现场应用能力。设计的FPGA算法，通过硬件编程，可实现传感器工作模式与参数的灵活重构，在激光气体传感领域具有较好的片上集成应用前景。

利用排布在人工表面等离激元传输线两侧的微结构谐振组实现了波导类电磁诱导透明（Electromagnetically Induced Transparency，EIT）效应，并基于此开发了结构紧凑的片上传感器。根据电场分布的特性，发现片上类EIT效应的传感工作机理主要是利用暗模谐振器内部的强局域化电场对周围介质的敏感程度，能够反映到EIT特征频率的偏移量和谐振幅度的变化。进一步地，详细仿真了待测物的折射率、正切损耗、厚度、半径等参数变化对EIT透明窗口的响应规律，发现该片上传感器在1.26~1.79折射率变化范围下的灵敏度可达1.12 GHz/RIU，传感品质因数值为5.45。实验中通过对三种食用油进行传感测量，验证了所提出的基于类EIT效应的片上传感器具有高灵敏度、无标记检测和实验灵活的特点。

作为一种新型半导体激光器，量子级联激光器因其独特的子带间跃迁机制，具有高速响应、高非线性、输出波长大范围可调等特点。近年来随着输出光功率和电光转化效率等性能指标的快速提升，量子级联激光器已成为中红外至太赫兹波段（波长约为3~300 μm）的主流激光光源，在大气污染监控、气体检测、太赫兹成像、生物医疗以及空间光通信等领域具有重要科学意义和应用价值。本文阐释了量子级联激光器的发展历程以及工作原理；分别重点讨论了中红外量子级联激光器在高效率、大功率、波长可调谐以及片上传感的应用等方面的研究进展，并对基于中红外量子级联激光器差频太赫兹光源和光频梳的发展进行叙述，最后进行了简要总结与展望。

为提高太赫兹光电导天线输出效率，提出了一种基于层级人工等离激元结构的光电导天线的设计方法。层级人工等离激元结构由纳米尺度金属块阵列和微米尺度周期栅格结合而成，理论与仿真结果表明，前者通过人工局域表面等离激元谐振效应可提高光子-电子转换效率，后者则利用人工表面等离激元结构基模的禁带和高阶模式与电流源模式之间的正交性增强了光电导天线的垂直方向性。集成了层级人工等离激元结构的光电导天线结合了两种结构的优点，数值计算结果表明，其输出效率优于分别采用两种结构的方案。相较于未改进的光电导天线，层级人工等离激元结构在较宽频带范围内（0.86~1.51 THz）实现了光电导天线垂直方向辐射功率密度的提高。

提出了一种基于交指电容裂环谐振器的差分微波传感器。通过把交指电容结构嵌入到裂环谐振器的开口处以增强电场束缚效应，并且为了抑制外界环境因素的干扰，制作成差分结构。差分结构采用两个裂环谐振器分别分布于单根微带线两边的结构形式，谐振器与微带线呈磁耦合效应。该传感器结构可以克服传统微波传感器的低灵敏度和易受外界干扰的问题。在实验中，将一个谐振器作为参考单元，另一个谐振器作为测量单元，待检测液体样本放置于测量交指电容处，随着不同浓度的乙醇-水混合溶液的注入，测量单元的谐振频率相较于参考单元会发生明显的频率偏移和陷波幅值的偏差，由此可以拟合出复数介电常数与它们之间的关系以预测不同浓度的乙醇-水混合溶液的复数介电常数值。实验结果表明：所提出传感器的单位体积平均灵敏度可达3.630 8%/μL，比同类型的传感器提高了几倍至几十倍。

提出一种适用于有限口径下高相对介电常数和大尺寸目标物体的反演方法。首先分析了低损耗介质的复折射率，通过有效折射率的计算方法得到有效折射率与介电常数关系；利用高频近似估计对比度函数，通过近似估计散射体内部散射场及其梯度对传统Rytov近似进行数学上的修正，产生无相位条件下Rytov积分近似模型，该模型可以实现定量重建高相对介电常数和大尺寸未知目标的对比度虚部。仿真结果显示有限口径下的Rytov积分近似可以对高介电常数和大尺寸目标的对比度虚部提供精确的形状重建。

采用射频磁控溅射法在石英衬底和硒化锌衬底上制备了碲化铋薄膜，分别研究了薄膜厚度、退火温度对薄膜微观结构和光电性能的影响。利用X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪和冷场发射扫描电子显微镜，分析了薄膜结构、成分和形貌。结果表明，退火有利于薄膜的结晶，且不改变晶体的择优取向。傅里叶变换红外光谱测试结果表明，在石英衬底和硒化锌衬底上沉积的薄膜，光学透过率随着薄膜厚度和退火温度的增加而减小，在硒化锌衬底上沉积的薄膜透过波段比石英长，且光学透过率更加稳定。霍尔效应测试结果表明，随着薄膜厚度和退火温度的增加，薄膜的电阻率逐渐减小，最小为1.448×10^-3 Ω·cm，迁移率为27.400 cm²·V^-1·s^-1，载流子浓度为1.573×10²⁰ cm^-3。在石英衬底上沉积的15 nm厚的Bi₂Te₃薄膜，在1~5 μm波段的透过率达到80%，退火200 ℃后透过率达到60%，电阻率为5.663×10^-3 Ω·cm。在硒化锌衬底上沉积相同厚度的薄膜，在2.5~20 μm波段的透过率达到65%，200 ℃退火后透过率达到60%，薄膜电阻率为9.919×10^-3 Ω·cm。制备的Bi₂Te₃薄膜具有优良的光电特性，是红外透明导电薄膜领域理想的候选材料之一，在红外光电子学芯片制备领域有较好的应用前景。

为研究中红外波段的片上波导传感性能，针对2 172.75 cm^-1处的一氧化碳吸收线，提出基于InGaAs-InP平台的悬浮光子晶体波导传感器和悬浮脊形波导传感器。基于朗伯—比尔定律，通过Rsoft和COMSOL软件设计波导结构，优化了光子晶体波导的晶格常数、孔半径、中心孔半径和脊形波导的脊宽、条宽、脊高和条高。仿真结果表明，光子晶体波导和脊形波导的功率限制因子分别为250.69%和115.65%。对两种传感器进行计算和性能评估，得到两种传感器的传输损耗分别为27.5 dB/cm和3 dB/cm，最佳波导长度分别为72 μm和162 μm。设定探测器最小可检测信噪比为10，得到两种传感器的最小可检测气体浓度分别为9.13×10^-6和8.51×10^-6。讨论了波导传输损耗对传感器性能的影响，若能有效降低波导损耗，可进一步降低最小可检测气体浓度。对比两种传感器，光子晶体波导具有更大的功率限制因子，脊形波导具有低传输损耗和横磁模兼容性的优点。

基于表面等离激元提出了一种含金属挡板的波导侧向耦合谐振腔系统。当入射光从波导的入射端进入到该结构时，谐振腔会形成较窄的离散带，金属挡板会产生较宽的连续态，较窄的离散态与较宽的连续态发生干涉时，形成两种不同模式的Fano共振谱线。采用时域有限差分法对该结构的传输特性进行了仿真计算，分别研究了结构的磁场分布、电场分布、透射特性和传感性能，根据磁场分布图和电场分布图可更好地解释Fano共振的形成机理。仿真数据分析结果表明，几何参数与介质折射率可以调节结构的传输性能。最后对结构的几何参数进行了优化处理，得到了在最优参数下，该结构产生的两个Fano共振的品质因数分别为4.502×10⁵和1.967×10⁵，对应的灵敏度分别为800 nm/RIU和1 400 nm/RIU，均达到了较高的数值，具有良好的传感性能。所设计的耦合结构可为提高微纳光学传感器的性能提供一种可行的途径。

提出并实验研究了一种基于铌酸锂薄膜光波导的电光调谐的光栅辅助定向耦合器。该耦合器由单模与双模脊形波导及制作于双模波导侧壁的长周期光栅构成。长周期光栅的引入补偿了单模与双模波导中基模的相位失配，可在共振波长实现两波导中基模的高效耦合。进一步地，在双模脊形波导两侧制作调谐电极实现了高速、低驱动电压的电光调谐功能。优化了器件的制作工艺，并采用单次干法刻蚀将耦合器的光栅与波导同步制作于X切铌酸锂薄膜上。测试结果表明所制作的器件在1 595.3 nm波长处实现了14.8 dB的隔离度，其电光调谐效率为0.38 nm/V（1 595.3 nm~1 599.0 nm），热光调谐效率为0.14 nm/℃（25 ℃~50 ℃）。该器件可用于实现可调谐滤波、滤模、电光调制及高灵敏度温度传感等功能。

以马赫-曾德尔干涉仪光开关单元组成的4×4 Benes光交换芯片为例，研究了光交换芯片中的相干问题。理论推导了光交换芯片输出端口与输入端口之间光场的变换关系，揭示了信号和串扰的产生规律，分析了光开关状态对串扰相干强度的影响。仿真研究表明：相干串扰对信号插损的影响可以忽略；在不同光开关组合状态下，光交换芯片的串扰波动可达7 dB。根据相干光束之间的相位关系，提出一种等效去除光交换芯片中串扰相干性的方法。另外，对串扰大小对通信误码率的影响进行了实验评估。

设计并制作了一种光纤微悬臂梁传感器，由于悬臂梁在受迫振动过程中不会产生拉伸变形，与四周固定的圆形密闭薄膜相比，会产生更高的声波灵敏度。采用飞秒激光加工制作微悬臂梁薄膜光纤声波传感器，制备出长宽均为500 μm，厚6 μm的微悬臂梁结构。通过实验得到其反射光谱对比度为8.8 dB，自由光谱范围为7.72 nm，理论计算得光纤法布里-珀罗腔长为155.6 μm。研究结果表明，该光纤声波传感器在2 200 Hz处出现明显的共振峰，对应的声压灵敏度为414 mV/Pa，在300 Hz时有最大的灵敏度675 mV/Pa，与普通硅橡胶薄膜声波传感器相比灵敏度显著提高。理论计算硅橡胶微悬臂梁光纤声波传感器的一阶共振频率为198 Hz，与实验测得的共振频率较为接近。同时悬臂梁传感器的声压灵敏度可达675 mV/Pa，声压响应线性度为0.994。

实验研究发现AZ5214光刻胶在一定曝光剂量下显影后会留存一定厚度的底膜，该底膜可以在干法刻蚀过程中避免As-S薄膜与碱性显影液直接接触，减轻薄膜表面损伤，起到保护作用。基于此，采用该底膜作为保护层制备As₂S₃脊型波导，研究结果表明，在AZ5214光刻胶匀胶厚度为2.1 μm、紫外曝光剂量为200 mJ/cm²、显影时间为45 s的条件下会留存约为220 nm厚的光致保护层，该条件下保护层均匀性较好，且在刻蚀阶段可以完全去除。实验表明利用此保护层制备的As₂S₃脊型波导具有良好的形貌特征，波导脊宽约为3 μm、脊高约为800 nm的As₂S₃脊型波导的传输损耗约为0.74 dB/cm@1 550 nm。

提出了一种结构简单的广角稳定太赫兹可调谐超表面吸波器，利用液晶材料电可调谐的性质，实现超表面吸波器吸收频率的调谐。利用液晶材料介电常数张量进行材料建模，模拟了液晶材料的各向异性特性。为了提高设计效率，得到良好的吸波性能和可调谐性能，利用粒子群算法对超表面吸波器单元结构进行了逆向设计；并对设计的超表面吸波器特性进行研究。结果表明，利用粒子群算法可以高效地逆向设计出性能良好超表面吸波器，当对吸波器施加的电压在0~10 V范围内连续调谐时，实现了TE模式吸波频率在404.4~444.4 GHz范围内连续可调谐，频率可调谐性为9%，吸收率大于99%；TM模式吸波频率在404.4~425.4 GHz范围内连续可调谐，频率可调谐性为4.64%，吸收率大于99%；当斜入射角度为60°时，吸收率仍大于94%，具有大角度入射稳定性和吸收频率稳定性。本文设计的太赫兹超表面吸波器具备高吸收率、大频率可调谐性、广角稳定性和低控制电压等优点，具有广泛的应用价值。