微纳结构往往赋予材料/器件独特的力学、物理及化学性能,其在光学领域的研究可以分为运用光学原理对器件表面的微纳结构实现非接触无损检测以及研究微纳结构在如何影响器件的光学性能两方面。对于微纳结构的非接触光学表征包括粗糙度检测以及纹理方向检测,通过结合纵向的粗糙度信息以及横向的纹理信息即可以实现对微纳结构的三维表征。基于光学的非接触式粗糙度检测方法包括白光干涉法、共聚焦显微镜测量法、散射法等。由于散射法的结构简单、检测方便等优势成为了粗糙度检测的重要检测方法;而在二维平面内对微纳结构的纹理方向检测目前依旧依赖于共聚焦显微镜此类的高精度大型仪器,快速便捷的非接触纹理方向检测尚未有所报道。本文基于Beckmann散射理论,提出了利用特种光纤实现对微纳结构粗糙度以及纹理方向的快速无损检测。同时,研究微纳结构如何改变器件的光学性能近年来也成为了片上器件研究方向的主要内容之一。具体方法是通过在金属薄层上刻蚀不同的微纳结构从而在金属/介质表面激发表面等离极化激元（SPPs）光场。激发出的SPPs光场具有传统光场无法比拟的优势:第一,SPPs光场被限制在金属与介质表面的亚波长尺度范围内,为光学器件的高度集成奠定了基础;第二,SPPs的调制方式多种多样,可以通过改变入射光的波长、相位、偏振等信息实现对片上SPPs光场的调制。值得注意的是,微纳结构的排布、形状对SPPs光场的分布具有巨大的影响,不同的微纳结构可以产生不同的片上SPPs光场。因此,研究不同微纳结构的片上光学效应具有重要的研究意义。本文将研究如何利用特种光纤实现对微纳结构的非接触光学表征以及设计特殊的片上微纳结构来实现不同的片上光学器件功能。基于Beckmann散射理论中表面粗糙度与镜面反射光强之间的关系,我们设计了基于环形芯光纤的高精度表面粗糙度传感器,实验测量值与样品标称值之间的相对误差为5%左右。给出了纹理取向与镜面反射光强之间的关系,并且提出了基于七芯光纤的纹理取向传感器。微纳结构的光学效应部分将设计特殊的微纳结构进而实现片上全光逻辑器件、结构光场产生器件功能。