生物化学传感在基础研究、环境监测、制药等方面具有重要的意义。光纤传感技术已被广泛应用于化学与生物探测中。本论文以优化基于长周期光纤光栅(Long-period fiber grating,LPFG)的化学传感为目标,对镀膜LPFG化学传感及基于光子晶体光纤(Photonic crystal fiber,PCF)的LPFG折射率传感灵敏度进行了深入研究;自组装薄膜每层膜的厚度为几个纳米,可对薄膜厚度实现纳米级控制。在LPFG外自组装聚丙烯胺盐酸盐(Poly allylamine hydrochliride,PAH)/聚丙烯酸(Poly acrylic acid,PAA)薄膜,确定最佳薄膜厚度,实现了湿度、pH值和环境折射率的高灵敏传感。本文主要内容与成果如下:一、镀膜LPFG化学传感器的优化设计分析了镀膜LPFG的谐振波长对环境折射率与薄膜参数的灵敏度。确定了对不同环境折射率与薄膜折射率高灵敏传感所需的最佳薄膜参数。研究了镀吸收性薄膜LPFG的化学传感特性,得到损耗峰幅值与薄膜吸收及耦合强度的函数关系。指出镀膜前使光栅的耦合强度kL>π/2,即过耦合,可降低镀膜后由于薄膜层吸收造成的损耗峰变浅的影响。分析了芯模与高次包层模耦合的双峰谐振特征,给出了提高镀膜双峰谐振LPFG对薄膜参数与环境折射率灵敏度的方法,即选择最佳的薄膜厚度,使光纤包层模位于模式转换区附近,且使镀膜后光栅的双峰间距较小。通常镀膜后双峰间距会增加,提出先腐蚀光纤再镀膜的方案,解决了这一问题。并理论确定了最佳腐蚀半径。研究了镀膜相移LPFG对薄膜折射率的灵敏度。用特定波长处的透射率探测薄膜折射率的变化。分析表明每段光栅耦合强度为√2π/4时,π相移LPFG的两个损耗峰透射率为零,传感器有较高的灵敏度,在此条件下耦合常数越小,光栅长度越大,传感器的灵敏度越高。同时选择最佳薄膜参数,使包层模位于模式转换区,可提高灵敏度。二、镀膜LPFG化学传感实验研究采用层层自组装法在LPFG外镀PAH/PAA薄膜,观察到了随薄膜厚度增加产生的模式转换现象。在模式转换区附近,薄膜厚度增加1 nm,LPFG的谐振波长产生0.6 nm的移动。利用镀膜LPFG对1.33-1.45范围内的环境折射率进行了传感实验。发现镀25层薄膜的LPFG在高折射率区比较敏感,而镀45层薄膜的LPFG在低折射率区比较敏感,这是由于环境折射率越高达到模式转换所需的薄膜厚度越小。镀25层薄膜的LPFG,谐振波长对1.40-1.42范围内折射率的灵敏度为479 nm/RIU。镀45层薄膜的LPFG,谐振波长对1.35-1.37范围内折射率的灵敏度为950 nm/RIU。利用镀PAH/PAA的LPFG进行了湿度传感。发现薄膜层损耗随湿度的增加而减小,使损耗峰幅值随环境湿度增大而增加,灵敏度为0.08 dB/%RH。实现了基于强度调制的湿度检测。利用氢氟酸溶液腐蚀光纤,在腐蚀后的双峰谐振LPFG外自组装PAH/PAA薄膜,使镀膜后的光栅工作于模式转换区与相位匹配转折点附近。薄膜厚度增加1 nm,谐振波长可产生1.25 nm的移动。折射率传感实验表明,经优化的镀膜双峰LPFG对1.333-1.372范围内折射率的灵敏度高达3985 nm/RIU。该灵敏度在已报导的LPFG折射率灵敏度中处于领先水平。利用镀PAH/PAA薄膜的双峰LPFG实现了高灵敏的湿度传感。谐振波长对湿度的灵敏度达0.23 nm/%RH。将镀PAH/PAA薄膜的双峰LPFG置于不同pH值的酸性溶液中,双峰间距对pH的灵敏度为4.2 nm/pH。三、基于光子晶体光纤的LPFG折射率传感优化设计利用有限元方法分析了折射率引导型PCF的模式特征。分析了光纤半径对包层模式的影响,发现随着包层半径的增加,包层模式发生类似于镀膜光纤中的模式转换现象。对基于PCF的LPFG,选择恰当光纤半径,使包层模式处于模式转换区,光栅谐振波长对环境折射率的灵敏度可达到2660 nm/RIU。这一灵敏度远大于基于普通裸光纤的LPFG对环境折射率的灵敏度。几乎可以和LPFG谐振波长对PCF空气孔内折射率的灵敏度相比。采用完美匹配层边界条件,分析了PCF包层模的泄漏性质。扩大PCF的最外层空气孔,孔内物质的折射率变化会影响包层模式的泄漏特性,从而引起基于该PCF的LPFG传输谱中损耗峰幅度的变化。计算表明利用这种结构,可以通过探测光栅的透射功率达到折射率检测的目的,实现强度调制型折射率传感。