光谱分析是研究物质特性和组分的重要分析技术,在各个领域有着应用广泛。本文对高灵敏光谱测量与物质分析检测中的理论、关键技术和仪器设计等问题进行探讨和研究。研究的目标是探寻基于光波导的高灵敏光谱检测方法,实现微量物质的灵敏检测。本文充分利用了光波导的各种特性,实现了高灵敏的光谱检测方法和高性能的光谱仪器,这包括:利用双面金属包覆波导的场增强效应实现了微弱光信号的增强;利用双面金属包覆波导的衰减全反射(ATR)曲线对结构的灵敏响应实现了物质的痕量检测;利用双面金属包覆波导的波长选择特性实现高精度的快速波长定标;利用光波导结构的色散特性实现高分辨的微型光谱仪。为了辅助测量,还搭建了一种大数值孔径的高光通量的折叠透射式光谱仪。本文的主要工作包括如下:(1)探讨了利用双面金属包覆波导实现对微弱信号光增强的可行性。理论分析了金属包覆波导的电磁场增强的机理,包括金属包覆平板光波导结构在导模激发时使激发光在其导波层产生共振,形成对激发场的增强,以及点光源辐射在光波导结构中的辐射场增强。对这两个过程进行了理论推导并根据该理论模拟计算了平行光入射时波导中的场强分布,和点光源置于导波层中时的场强分布。模拟和计算了不同模式下的最大场增强系数,以及金属耦合层和导波层厚度变化对场增强系数的影响。进行了双面金属包覆波导中的拉曼散射增强实验,实现了约20倍的信号增强,且与理论分析基本一致。最后分析了金属耦合层的表面粗糙度对耦合效率的影响,推导了表面粗糙度造成的二阶散射场的近似表达式,发现二阶散射场对耦合效率的提升作用,并通过对比实验发现适当的粗糙度能进一步的增强拉曼散射信号。该方法能有效解决表面增强技术中的检测深度低、重复性稳定性不高的问题。(2)利用双面金属包覆波导提高吸收光度法检测物质浓度的灵敏度。该方法基于光波导的ATR曲线对波导结构参数的高灵敏响应。对该方法的原理和检测灵敏度进行了理论分析,对ATR方法中不同的结构进行了模拟计算,发现相比于倏逝场,对于介电常数实部和虚部的响应,振荡场均能实现更高的探测灵敏度。搭建了用于ATR探测方法的转动平台,包括电路设计和软件设计。进行了基于双面金属包覆波导结合显色反应的三种物质浓度测量实验,实现了高灵敏测量。其中对于六价铬的测量,检测限达到0.064/7)7)。该方法具有结构简单、系统体积小、样品需求量小等优点,且灵敏度与传统的使用大型仪器的检测方法接近。(3)提出并设计了一种基于光波导的光谱波长定标器件和定标方法,可以实现快速高精度的光谱定标,光谱适应范围广。对光波导的反射光谱特性进行了理论推导和计算。利用其谱线均匀分布的特点结合宽光谱光源能实现高精度的定标。为了降低波导结构随环境改变产生的微扰对定标结果的影响,提出了两种定标方法,包括自校准方法和直接定标法。最后通过定标实验证明了两种方法的可行性和准确性。这种波长定标方法能有效解决传统定标方法中所用标准谱线数量有限、分布不均匀,容易使定标结果在不同的光谱区间误差差异大的问题。且定标器件小巧,光路结构简单,定标过程耗时短。(4)提出并设计了一种基于法布里珀罗腔的微型高分辨率光谱仪。设计了一种基于反射镜和法布里珀罗腔的循环反射光路。推导了结构参数和输出光谱之间的理论关系式。设计了用于该光谱仪的高反射率膜层和法布里珀罗腔膜层堆。基于此设计提出了拓展光谱范围的多通道设计,能实现更多通道的光谱测量。提出了用于该光谱仪的光谱定标方法。该方法能解决目前使用法布里珀罗腔的光谱仪面临的光能量传递效率低的问题。(5)设计了一种高光通量光谱仪并将其应用于拉曼光谱探测。为了提高光通量和分辨率,设计了折叠透射式光路。设计了用于该光路的三片式物镜,对像差进行了优化。对搭建的光谱仪进行了性能测试,该设计具有高的光通量和高的光谱分辨率。为了便于拉曼光谱的测量,还搭建了用于便携式探头的自动对焦系统,选用三种聚焦评价因子,设计了快速的自动聚焦算法。通过实验对该算法中的几种聚焦评价因子进行了准确率分析。最后设计了用于光谱仪的控制和光谱数据的处理的软件和硬件电路。该光路能有效提升光谱仪的光通量,能维持较高的光谱分辨率,且系统结构紧凑,体积小。