1、光生化傳感器基本的作用是將某種生化參量(如，某種化學物質、生物分子、生化結構或某些微生物的性狀變化或濃度變化等)轉變?yōu)榭梢远ㄐ曰蚨繙y量的光信號的變化。這樣，通過精確的測量光信號的變化，我們就可以對某一生化反應過程中某些感興趣的過程或參量進行監(jiān)測。由于具有高靈敏度、快速響應等特征，光生化傳感器廣泛應用于現(xiàn)代臨床醫(yī)學的檢測、生物化學基礎研究、環(huán)境監(jiān)測、現(xiàn)代工業(yè)和食品檢測等等領域中。 導波光學問世以來，一直受到學術界和技術界的高度重

2、視。在其發(fā)展的推動下，光生化傳感器已經發(fā)展出了多種具有較高靈敏度的傳感結構。其中，又以表面等離子共振傳感器和泄漏模波導傳感器最具有代表性和前沿性。但隨著科技的進步和人們生活水平的提高，多種應用場合都對光生化傳感器的靈敏度提出了更高的要求。 本文利用導波光學理論，在介紹一般介質平板波導的基礎上，著重分析了對稱金屬包覆波導的特性。對稱金屬包覆波導結構由上下金屬包覆層和夾在中間的導波層組成。其中，上層金屬膜比較薄，入射光一般經過這一層

3、耦合進波導層；而其下層金屬膜一般較厚，用以隔絕鍍膜襯底材料對波導結構的影響；兩層金屬薄膜之間的介質層作為導波層，以分立的導模形式存在的導波光主要被限制在這層里傳輸。 由于上下包覆層都是金屬薄膜(其介電系數(shù)在光頻范圍內的實部一般是一個絕對值很大的負數(shù))，所以對稱金屬包覆波導中導波層的折射率取值范圍可以很大，最小甚至可以為1.0。另外，對稱金屬包覆波導的導波層厚度還可以擴展至亞毫米甚至毫米量級，并因此能夠容納模序數(shù)上千的高階導模。正

4、因為上述這兩個特征，使得氣體和常用的生物化學流體樣本等低折射率介質都可以作為該種波導結構的導波層，并可以在其中自由的流動。這樣，利用對稱金屬包覆波導結構來制作光生化傳感器就成為了可能。 除了上述特性之外，對稱金屬包覆波導中的超高階導模的有效折射率對于導波層介質的折射率變化非常敏感，而且取值范圍比一般介質波導大得多，可以介于零和波導層折射率之間。經過分析，發(fā)現(xiàn)其超高階導模能夠通過自由空間耦合來激發(fā)，并且具有偏振無關性。 根

5、據(jù)上述特性，本文提出了對稱金屬包覆波導結構的光生化傳感器。在該傳感器中，待測樣本被注入夾在兩個金屬薄膜層之間的樣品腔中，兩層金屬膜和夾在其間的待測樣本組成了對稱金屬包覆波導結構。通過觀察該波導結構耦合或傳輸特性的變化，來探知待測樣本折射率的微小變化，并進而得出樣本濃度變化的信息。 本文同時對該傳感器的靈敏度進行了詳細的理論分析。通過對現(xiàn)有的傳感器的靈敏度的分析和比較，發(fā)現(xiàn)本文提出的傳感器靈敏度要遠遠高于現(xiàn)有的表面等離子共振型傳感

6、器和泄漏模波導傳感器。在分析的基礎上，文中還給出了帶來這一靈敏度提升的理論解釋：入射光能量集中于待測樣本層中，很小的有效折射率以及很窄的高階導模吸收峰，這三個因素的綜合使得對稱金屬包覆波導傳感器的靈敏度較現(xiàn)有技術有了明顯的提升。 為了驗證該傳感器的性能，本文還通過角度調制法和強度調制法，分別設計了不同的實驗方案進行實驗驗證。兩種方法下的實驗結果都一致證實了其角度調制法的探測靈敏度要優(yōu)于現(xiàn)有的光生化傳感器結構一到兩個數(shù)量級；其強度