由于弱光对生物体的损伤性极小,生物光子学作为一门光学与生物学的交叉学科,已成为当今的研究热点。利用光学技术,人们可以研究生命的基本元素细胞的微观形态,可以探索生物元素的化学成分,还可以进行疾病检测。因此,研究光与生物组织的相互作用,具有巨大的现实意义。本文将研究蒙特卡洛仿真在生物光子学中的应用,全文的核心内容可分为两部分：光强型的蒙特卡洛仿真和电场型的蒙特卡洛仿真。目的之一是提高光强型的蒙特卡洛仿真的效率,并使用加速后的光强型蒙特卡洛仿真为三种常用的生物光学探测系统建模。另一个主要的目的是使用电场型的蒙特卡洛仿真,去研究散射与吸收对活体显微成像的影响,以帮助人们在显微成像中选取合适的光学参数。本论文由六章组成。在第一章中,我们将简要介绍研究光强与场强在生物介质中的强度分布的实际意义,并说明蒙特卡洛仿真是研究上述两个问题的黄金模型,并介绍光强型与电场型蒙特卡洛仿真。我们将在第二章中介绍光强型的蒙特卡洛仿真,在第三章与第四章中介绍电场型的蒙特卡洛仿真。由于蒙特卡洛仿真的计算效率很低,我们在第二章中结合硬件加速与算法加速提高了蒙特卡洛仿真的计算速度,并使用高效的蒙特卡洛仿真模拟了三种常用的生物光学成像／探测系统。在拥有了高速的蒙特卡洛仿真后,动态精度判断技术将有助于判断蒙特卡洛仿真结果是否达到了预设精度,以帮助电脑程序判断终止仿真的时机。传统的蒙特卡洛仿真尽管计算精度高,却因为计算时间长而被束之高阁。在获得加速的蒙特卡洛仿真的基础上,我们将在第二章中继续对扰动蒙特卡洛仿真的应用进行拓展,使其可以应用于散射系数大幅度整体变化的生物介质中。另外,扰动蒙特卡洛仿真还将用于计算漫射光层析成像中常用到的雅克比矩阵。光强的蒙特卡洛仿真方法忽略了光的偏振与相位信息。在第三章中,我们将使用电场型的蒙特卡洛仿真研究聚焦电场在生物介质中传播,研究散射对聚焦光斑的影响。我们还将使用电场型蒙特卡洛仿真模拟矢量光束与STED光束在生物介质内部的聚焦光斑。活体显微成像是生命科学研究的必备工具。由于生物介质对光的散射和吸收,当前常用的光学活体显微成像的深度只能达到1mm左右。在第四章中,电场型蒙特卡洛仿真将被用来研究不同波长对生物介质的穿透性,并通过模拟结果选取出适合于生物光学显微成像的光学波段。在第五章中,我们将结合光强型和电场型蒙特卡洛仿真,判断无损式探测生物介质内部的拉曼信号的可行性,并通过混浊样品和小动物活体实验证实这个可行性。最后一章对本论文介绍的工作进行了总结,并说明了当前工作的不足之处以及后续工作开展的计划。