本文对梯度折射率光子晶体的亚波长聚焦特性进行了研究。该光子晶体是由硅和圆形空气孔构成的平行平板，通过改变空气孔的结构来实现折射率的梯度渐变。采用时域有限差分（finite-different time-domain，FDTD）算法对光子晶体的聚焦过程进行仿真分析。研究发现，适当地修正光程差可以大大地提高聚焦效果，同时焦距和中心空气孔的结构对聚焦效果也有影响。综合以上3种要素，最终设计出的梯度折射率光子晶体平板可实现较好的亚波长聚焦效果，其中在光子晶体外部1.45 λ处的光斑最佳，半宽值可达到0.3447 λ。为了提升应用性能，设计了一个动态的调焦系统。在该光子晶体中加入半导体制冷片来调节温度，通过改变温度可以实现1.1374 λ～2.6264 λ的焦点调谐，同时焦斑半宽均小于0.4 λ。

基于渐变折射率透镜准直器一定程度上可以提高空间光-光纤耦合效率，但会引入光纤与渐变折射率透镜装配误差和渐变折射率透镜间位置误差。鉴于以上两种误差情况，本文提出了修正光纤与渐变折射率透镜装配误差的位移法和基于楔形棱镜和平板玻璃的光束指向调整法。首先运用光线传输矩阵的数学分析方法建立了光线传输模型，分析当光纤与渐变折射率透镜存在距离误差和位置误差下耦合效率的变化，最后利用位移法降低了距离误差对插入损耗的影响，使系统插入损耗降低至0.2 dB。在存在位置误差下利用光束指向调整法降低插入损耗至0.7 dB。这两种方法可以有效提升光纤旋转连接器耦合效率。

为了实现径向梯度折射率（GRIN）透镜厚度的准确测量，对偏心引起的径向GRIN透镜厚度测量误差进行了研究。介绍了光谱共焦厚度测量系统的工作原理，利用径向GRIN透镜的光线径迹方程，在笛卡尔坐标系下结合光学拉格朗日函数、光线弧微分方程等，建立了径向GRIN透镜的厚度测量模型。然后，对径向GRIN透镜偏心引起的光谱曲线谱峰漂移，进而造成的厚度测量误差进行了理论研究及仿真分析，并通过搭建实验平台，利用精密位移台驱动GRIN透镜来模拟透镜偏心，完成了偏心影响下的厚度测量。实验结果表明：径向GRIN透镜的偏心程度越大，引起的测量误差越大，轴向测量位置的影响可忽略不计，验证了理论分析的正确性；实际厚度为4.012 6 mm的GRIN透镜，校正偏心后的厚度测量误差为4.6 μm，验证了光谱共焦法能够实现径向GRIN透镜厚度的精密测量。

创新设计了一款操作灵活、方便、适于生物医学原位检测的反射式近红外（NIR）光纤探头，通过将自聚焦透镜耦合到NIR光纤探头的顶端，并对探头结构、光纤排布进行全新设计，使光纤探头具有更高的测量精度和收集效率。通过耦合傅里叶变换近红外光谱仪对蔗糖样本进行NIR光谱采集，发现该反射式NIR光纤探头具有高效便捷的特点以及较高的光谱重复性和信噪比。采用该光纤探头对犬膝关节股骨端关节软骨进行NIR光谱离体原位检测，这些光谱数据经一阶导数2次多项式21点Savitzky-Golay平滑预处理后再进行主成分分析和Fisher判别分析。模型初始案例和交互验证案例正确识别率分别为97.62%、90.47%，样本预测集的识别率达96.43%，证明了采用该NIR光纤探头进行NIR光谱原位检测的有效性及骨关节炎识别的可行性，可为骨关节炎的临床诊断奠定实验基础。