为研制适用于扫频光学相干断层成像（Swept Source Optical Coherence Tomography，SS-OCT）系统的高性能侧视型全光纤镜头，分析了侧视型光纤镜头的性能影响因素及样品制作方法。对基于梯度折射率（Graded- Index，GRIN）光纤的侧视型全光纤镜头的光学模型进行解析，得出与侧视型全光纤镜头性能相关的特征参数。研究了“单模光纤+无芯光纤+GRIN光纤+转角介质”四段式侧视型镜头各组件长度对其光学聚焦性能的影响，设计各组件的适宜长度范围。最后，制作了外径小至0.5 mm、刚性长度2.75 cm的超小侧视型全光纤镜头样品，通过实验测得镜头的工作距离（0.52 mm）和光斑直径（26.82 μm），与理论分析结果基本一致，并将镜头样品集成于SS-OCT成像系统，获得了清晰的生物组织层析图像。实验结果表明，本文提出的分析方法可用于侧视型全光纤成像镜头结构参数的优化设计。

为了丰富当前可用红外材料的种类，满足新一代红外成像光学系统的轻薄化设计需求，充分利用硫系玻璃组分可调和色散参数可选两大特殊优势，开发了新型硫系玻璃材料，并且在同一系统指标要求下，分别对基于传统红外材料和基于新型硫系玻璃设计的红外光学系统进行了性能对比。基于高折射率硫系玻璃的中波双视场红外光学系统，有效实现了去锗化设计，与基于传统红外材料的红外光学系统相比较，光学系统质量减轻了35%，长度减少了15%，透过率提高了10%。基于叠层梯度折射率(gradient refractive index, GRIN)硫系玻璃的共光路、共焦面双波段红外光学系统，在非制冷型中/短波红外成像光学系统中首次实现了胶合透镜的设计，与基于传统红外材料的双波段红外光学系统相比较，光学系统质量减轻了40%，长度减少了30%，透过率提高了15%；在制冷型中/长波红外光学系统中，具有不同折射率差值Δn的GRIN硫系玻璃展现出卓越的色差校正能力，与基于传统红外材料的双波段红外光学系统相比较，光学系统质量减轻了20%，长度减少了20%，透过率提高了18%。设计结果表明，新型硫系玻璃的出现，是对现有红外材料的有益补充，为新一代红外成像光学系统提供了更为丰富的材料选择和更多的设计自由度，是实现轻薄化透射式红外光学系统的重要技术途径。

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。

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。