石墨烯是一种零带隙、原子以规则的六边形密集排列的二维碳同素异形体,具有独特的机械,热,电,磁和光学性能,应用在电子元件、光电子、太阳能电池、储能装置、显示器、触摸屏和传感等众多领域。本论文首先介绍了石墨烯光电特性以及将其应用到生物传感领域的研究进展,这也是本论文的研究背景与研究意义。对此,将研究工作分为三个方面分别进行介绍:第一,介绍了石墨烯的常见制备方法及其测试表征,并通过我们改进的低压化学气相沉积法自行制备了高质量石墨烯薄膜。这里,我们采用挥发性极强的富氧醇类（乙醇、异丙醇等）提供碳源前驱体,直接在高温条件下裂解出碳原子并沉积到石英玻璃衬底表面上,并表征了石墨烯玻璃的形貌结构等特征。第二,通过对比石墨烯与金（Au）膜的偏振特性,进而引出本研究中所使用的石墨烯夹层耦合结构。本研究工作提出了此结构下的光与石墨烯的增强相互作用,偏振敏感吸收和宽带吸收性质。我们在实验上验证了纳米Au膜的表面等离子体共振现象。我们还通过模拟多层介质膜的矩阵传递,比较了在全内反射条件下石墨烯和Au膜各自的偏振吸收效果,并突显了石墨烯的饱和吸收特性、宽带吸收性质、折射率变化敏感特性以及易调控等特点。而且,石墨烯这些偏振光学性质比较稳定。第三,利用石墨烯的偏振吸收效应,低折射率介质传感敏感和超快光电响应,构建了一种具有纳秒响应的宽带和超灵敏检测器,用于机械波检测。机械波会导致石墨烯层附近液体的快速折射率变化,石墨烯基夹层结构对横向电场波和横向磁场波的吸收差对小的折射率变化(1.7×10-8RIU)非常敏感。因此,通过差分检测反射的横向电场波和横向磁场波,基于石墨烯的超灵敏探测器实现了约0.18 k Pa的高机械波检测灵敏度。与其他探测器装置相比较,该设备的特点是:基于石墨烯的超灵敏探测器具有较宽的带宽（0-105 MHz）和超快的响应时间（～8 ns）。而且可将探测器用于基于光声波检测的生物组织成像。最后,我们指出夹层石墨烯结构在全反射的条件下可以应用于众多科学研究领域,像光电传感领域,偏振调控领域等等。并且应用研究很容易延伸到其它二维材料（石墨烯的衍生物及其他低维材料等）的光学性质分析和折射率传感。