表面等离子体共振（SPR）传感器是一种免标记、高灵敏的光学传感器,它的原理是当入射光引起金属与介质界面的SPR时,可获得与共振波长一一对应的介质折射率。目前商用的SPR传感器均为棱镜耦合型,虽然灵敏度很高,但体积庞大,价格昂贵。随着纳米制备工艺的成熟和人们对传感器小型化的迫切需求,光栅耦合型SPR传感器应运而生。目前的光栅耦合型SPR传感器存在灵敏度较低,无法检测不透明溶液的问题,这限制了此类传感器的推广应用。本文通过理论分析和模拟计算,对光栅结构做出优化,有效提高了传感器的灵敏度。实验上采用多种方法制备出不同周期的光栅传感芯片,并搭建了相应的SPR传感器。提出一种新型背照式光栅耦合型SPR传感器,成功检测有色和不透明溶液。具体研究内容如下:（1）综合考虑传感器的灵敏度、SPR吸收峰的半峰全宽和深度,定义了新的评价参数FOM*。依据FOM*,优化了三种不同结构的光栅耦合型SPR传感器。使用时域有限差分法,分析光栅周期、光栅深度、金属膜厚度和占空比对基于正弦光栅、连续金属膜的矩形光栅和不连续金属膜的矩形光栅的SPR传感器性能的影响。结果表明,优化后的光栅耦合型SPR传感器FOM*最高可达123.70,相对应的灵敏度为568.46 nm/RIU,平均半峰全宽为3.31 nm,平均吸收峰深度为72.03%。（2）理论上分析了光栅耦合型SPR传感器的灵敏度极限,提供了达到最大灵敏度的设计思路以及提高灵敏度极限的方法。理论分析表明,应使用周期尽可能大的金属光栅,并且入射角应设置为接近90°,以使特定检测波长的灵敏度达到最大值。此外,灵敏度极限随检测波长的增加而增加。实验上,我们通过剥离商用光盘和光刻法制备了三个周期分别为314nm,1470 nm和6733 nm的光栅,基于这些光栅的传感器灵敏度分别为319.96 nm/RIU,1477.74 nm/RIU和2077.26 nm/RIU。采用本文设计方法的传感器灵敏度优于现有传感器。（3）提出背照式光栅耦合型SPR传感器,测量有色和不透明溶液的折射率。使用聚二甲基硅氧烷压印DVD-R光盘,获得透明光栅基底,并于光栅表面蒸镀35 nm金膜制成传感器芯片。不同于传统的光栅耦合型SPR传感器,本文入射光从基底侧入射,透过金属层激发金属与待测液体界面的SPR。这种结构可以有效避免入射光穿过液体时被部分吸收。通过测量不同浓度的葡萄糖溶液、蓝色发动机冷却液、绿色防锈切削液及白色防锈乳化油的吸收和反射光谱,证明所设计的传感器能检测有色和不透明溶液。本文提出的优化设计方法可以极大提高光栅耦合型SPR传感器的灵敏度和探测极限。所采用的光栅制备方法具有步骤简单、成本低、SPR激发效果好的优点。所设计的传感器可以广泛应用于医疗诊断、环境监测和生物蛋白检测等领域。