光学器件的尺寸朝着小型化不断发展,在降低功耗的同时能够带来性能的提升。伴随微纳加工技术的成熟,集成光学微腔成为研究热点。得益于能够实现高品质因子和极小的模式体积,其在微纳激光器、滤波器、传感器等光通信领域具有广泛的应用。然而在腔内模场成像、提升品质因子、实现激光定向出射及微纳结构传感成像等方面,传统研究手段存在成本高、稳定性低、可控性差等不足。针对上述问题,本论文提出了新的成像机理和模式调控方法,其可行性在理论和实验上分别得到了验证和研究。针对光学微腔中的模场成像,提出了基于非辐射复合的热效应成像机理。通过纳秒激光泵浦集成微腔表面,利用热效应引入局部折射率的改变,并将光斑处的光场强度与探测波长处的透射光功率的变化建立起联系,从而实现模式成像。在实验上成功分辨出圆形谐振腔内不同径向阶数的回音壁模式,证实了方案的可行性。在复杂的变形微腔中,实现了对四套不同光场分布模式的扫描成像,并观测到可逆的量子辅助隧穿现象。为了进一步提升微腔的品质因子,提出了基于变形微腔的模式耦合的方案。通过对Quadruple变形微腔进行本征值求解,发现腔内的钻石型模式和六次反射模式在频率交叉处发生相互作用,并使后者品质因子急剧增加。为了验证理论的准确性,在实验上制备出硅基变形微腔,并利用上述的光场成像技术确定出耦合的两套模式,进一步观测到六次反射模式在耦合点处品质因子急剧增加的现象。通过测量谐振腔在耦合点和其它波长处辐射的远场强度分布,分析出模式耦合提高品质因子的原因。为实现可见光波段集成激光器的定向出射,提出了在钙钛矿单晶片上制备出圆腔波导耦合结构。在飞秒激光泵浦下,圆形微腔形成回音壁模式激光并沿着波导出射。基于激光谐振峰的模间距和圆腔尺寸的反比关系,排除了由波导形成法布里-珀罗模式激光的可能,进一步证明了波导两端出射的激光源于钙钛矿圆形微腔。在远离波导的圆腔外部引入一个变形微腔,对圆腔内部顺时针和逆时针传输的电磁场分量产生调控效果,实现了激光从波导的单向出射。为实现对微纳结构的传感探测,提出了有源微腔的超分辨成像方案。以钙钛矿单晶片为载体,利用待测结构将钙钛矿出射的激光散射至远场,采集远场图像实现对待测结构的实时成像。通过消除背景中的荧光信号干扰,实现了高达9 d B的成像信噪比。测量一对靠近的聚苯乙烯小球,有效地分辨出41 nm的间距。将钙钛矿单晶片转移至硅基超结构上,实现对百余根硅纳米线的大视野范围超分辨成像。提取微纳结构的散射激光强度分布,计算出待测阵列结构的周期平均值,与电子扫描显微镜的测量值对比,误差不超过5 nm。详细讨论了单晶片不同区域、厚度以及摆放位置对测量结果的影响,验证了有源钙钛矿微腔超分辨成像的可靠性。本文的研究工作不仅为微腔内的模式成像提供了新手段,而且对光学微腔在片上集成光学系统中的应用提供了重要参考价值。