表面等离子激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)是在介电常数符号相反的两种介质的界面上存在的一种表面电磁波,具有短波长、近场增强、表面局域等特性。这些特性使其在集成化高精度纳米光刻、高灵敏度光学传感、高分辨率显微镜设计等领域有着巨大的应用潜力。随着表面等离子激元共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)理论研究的不断深入和微纳制备技术的进步,金属微纳结构光学SPR元件的研制和应用受到越来越多的关注。本文在利用金属氧化物材料、纳米材料研制光纤SPR传感器、优化其检测性能及金属微纳结构的光学集成器件设计等方面开展了研究。以表面等离子激元理论为基础,通过构建光纤结构SPR传感理论模型并进行仿真计算,设计并制作了多种多通道光纤SPR传感元件;搭建了小型化SPR传感检测系统,利用LabVIEW软件平台实现了双通道SPR传感信息采集及处理分析,通过生化实验验证了传感系统的可行性;基于微纳光栅与纳米环阵列,实现了高灵敏度集成化SPR传感芯片设计。论文主要工作如下:1.基于表面等离子激元基本理论,阐述了 SPR波的基本性质,介绍了采用的表面等离子激元器件设计的数值计算方法与金属材料的色散模型,构建了光纤SPR传感理论模型,并分析了不同参数对光纤SPR传感系统性能的影响,对光纤SPR传感探针进行优化设计,利用LabVIEW软件实现了对双通道SPR传感检测数据的实时采集与处理分析。2.将光纤与金属氧化物材料及贵金属材料结合,从多层膜系SPR现象入手,通过改变传感膜系与结构,设计和研制了基于氧化铟锡(Indium Tin Oxid,ITO)材料与Au、Ag材料的两种双通道SPR传感器。首先,分析了 ITO/Au双层膜系在可见与近红外区域产生两个共振峰位的原因,对其传感性能进行了检测,两个峰位的折射率灵敏度分别为1345 nm/RIU和1100 nm/RIU;其次,研究了 Ag/ITO双层膜结构对传感器灵敏度的影响,在单通道研究的基础上,提出了 Ag/ITO与Au级连双通道传感结构,研制了具有自补偿功能的光纤生物传感器,利用Ag/ITO双层结构作为参考通道,有效地消除了非特异性吸附对分子特异性识别检测的影响,提高了分子特异性结合检测准确性,对刀豆蛋白A分子的检测极限可以达到0.007 mg/ml。3.从纳米材料的化学合成入手,研究了金纳米颗粒的不同固定方法对传感器检测性能的影响。设计了基于金纳米球材料与多层膜系结构的光纤SPR传感器,通过强度与波长同时调制的方法实现了双通道传感,两个传感通道的折射率灵敏度分别为334.1%RIU-1和1963.2 nm/RIU,该结构可以同时实现对抗免疫球蛋白与刀豆球蛋白A分子的实时检测。4.设计了两种微纳结构光学集成器件,对其传感性能进行了研究。通过对斜入射条件下薄金属光栅结构Fano共振现象的模拟,分析了共振模式出现的物理机制,并对薄金属光栅结构的结构参数进行了优化设计,在不同的折射率范围,不同结构参数的薄光栅结构具有高的折射率灵敏度和品质因数;进而研究了金纳米环阵列在正入射条件下的非辐射等离子模式,并对其传感性能进行了实验验证,结果证明了该传感器件在高灵敏度生物传感检测方面的应用价值。最后,对全文进行了总结,并对未来的研究方向提出了展望。结合新型纳米材料、纳米周期新结构及光纤结构制备工艺,进一步提高SPR传感系统的灵敏度和集成度,实现对多种生物分子的生化反应过程实时监测。