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。

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。

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。

由于红外热释电探测器在低温环境下易发生温度漂移，导致非分散红外（NDIR）二氧化碳（CO₂）农业火灾检测仪受低温影响较大。针对上述问题，本文设计了一种应用于-40 ℃低温环境的探测器温度控制系统。给出了NDIR农业火灾检测仪的原理，探究了热释电探测器温度漂移现象，在此基础上，设计了以STM32F103为核心的温度控制系统。将温度控制系统集成于火灾检测仪中，在-40 ℃环境温度下，将探测器温度从20 ℃起始温度控温，稳定在21 ℃的响应时间为16 s，温度波动的1σ值为0.012 6 ℃，响应时间和稳定性均满足低温环境下的控温需求。在控温条件下，对传感器进行了标定，将气体标定实验得到的吸收通道与参考通道电压信号的一次谐波幅值比和标准气体浓度值进行指数拟合，拟合优度达到了99.852%。利用纯氮气（N₂）样品，对检测仪进行了25 min的稳定性测试，测得的浓度波动范围为-28.128 76×10^-6~27.240 5×10^-6。引入Allan方差进行评估，当积分时间为0.25 s时，检测下限为1.213 01×10^-6；当积分时间为114.75 s时，理论上系统的检测下限可达到4.822 5×10^-7。实验结果表明，该温度控制系统可以保证火灾检测仪在低温环境下的正常工作。

片上集成的光波导气体传感器具有体积小、重量轻、功耗低、无需光路校准等优点，近年来光学气体传感器逐渐由体积较大的分立系统向片上集成系统演变。中红外波段的气体吸收系数大，但二氧化硅在中红外波段的损耗较大，所以常用的绝缘衬底上的硅材料体系不适用于中红外波段。因此，片上气体传感器需要采用硫系玻璃、锗等中红外透明材料来拓宽工作波段。同时，波导结构直接影响了气体对光的吸收，而且气体传感技术也会影响传感器性能。本文总结了基于红外吸收光谱的片上气体传感器的最新进展。介绍了片上气体传感方法、波导材料、波导结构、片上气体传感的理论和实验进展。阐述了矩形波导、狭缝波导、悬浮波导、微环谐振波导和光子晶体波导在片上气体传感领域的应用现状。最后对基于红外吸收光谱的片上气体传感器进行了展望。

基于非分散红外吸收光谱技术，利用CO气体分子在4.6 μm处的基频吸收带，采用宽带红外热光源和双通道热释电探测器，研制了一种用于早期火灾探测的红外CO传感系统。根据系统检测原理，对CO分子在红外波段的吸收谱线进行了选择；推导了光学矩阵理论，设计并优化了气室结构，优化后气室的吸收光程达到180 cm。对研制的锁相放大器进行标定，1σ检测下限为0.15 μV，背景噪声为38.89~43.23 μV。对传感系统的性能进行了实验测试。结果显示，CO的检测分辨率优于2.00×10^-5，响应时间为35~38 s。对纯氮气（N₂）样品进行了长达80 min的监测，其浓度波动范围为-1.42×10^-5~1.51×10^-5，当积分时间为0.25 s时，系统的检测下限为1.54×10^-6；当积分时间为300 s时，系统的理论检测下限可达3.50×10^-7。引入卡尔曼滤波算法来提高系统的稳定性，对纯氮气进行长达80 min的探测，引入该算法后系统的检测下限降低到原来的23%，同时，当积分时间为0.25 s时，检测下限降低到3.60×10^-7。利用该传感系统，开展了棉花、纸张和木材的火灾阴燃实验，研究了CO浓度随阴燃时间的变化关系，验证了可通过CO浓度的变化来探测火灾发生的方法，证实了该传感系统呈现出良好的早期火灾探测能力。