为了研究史密斯-帕塞尔自由电子激光的输出频率和光栅槽深、光栅槽长、光栅槽宽的关系，对于基于矩形光栅的史密斯-帕塞尔自由电子激光利用粒子模拟软件进行模拟和理论分析。首先，利用粒子模拟软件模拟对于基于矩形光栅的史密斯-帕塞尔自由电子激光进行了研究，发现史密斯-帕塞尔自由电子激光的输出频率随光栅槽深、光栅槽长、光栅槽宽的增大而减少。接着，对史密斯-帕塞尔自由电子激光的光栅槽进行了理论分析，发现每个光栅槽都可以等效为一个LC谐振电路，并发现在史密斯-帕塞尔自由电子激光中存在两种辐射，一种是史密斯-帕塞尔辐射，另一种是LC振荡辐射。最后，对光栅槽的LC振荡辐射进行了估算，发现史密斯-帕塞尔自由电子激光输出频率的模拟值与光栅槽的LC振荡辐射估算值的数量级均为102 GHz，且变化规律上一致。据此推测决定史密斯-帕塞尔自由电子激光输出频率的应该是光栅槽，而不是谐振腔。

提出了一种基于T形光栅的新型史密斯-珀塞尔自由电子激光器。并利用理论分析和粒子(Particle-in-Cell,PIC)模拟的方法研究了光栅形状对史密斯-珀塞尔自由电子激光器输出特性的影响。理论分析发现,基于T形光栅的史密斯-珀塞尔自由电子激光器的注-波互作用较强,电子束的群聚特性较强,相应地有较强的注-波转换效率,进而有较高的输出功率。PIC模拟发现,基于T形光栅的史密斯-珀塞尔自由电子激光器能够提高辐射功率。在电子束能量E=50 keV、电子束电流i=10 A、光栅周期D=0.3 mm的情况下:基于T形光栅的史密斯-珀塞尔自由电子激光器可以得到0.753949 THz、峰值输出功率约为2 kW的连续太赫兹辐射;而基于矩形光栅的史密斯-珀塞尔自由电子激光器只能得到0.723397 THz、峰值输出功率约为0.3 kW的连续太赫兹辐射。

为了探索硼磷酸钠(Na5[B2P3O13]，NBP)晶体可能具有的功能特性，发展适用不同光谱范围的硼磷酸盐材料，对其紫外-远红外光谱以及拉曼光谱进行了研究。实验测量了室温下NBP晶体在200~2 000 nm的紫外-可见-近红外透射和反射光谱、50~4 000 cm-1远红外透射光谱以及拉曼光谱。首先根据光学常数间的关系，计算得到吸收系数、消光系数和折射率，并对计算得到的折射率采用Sellmeier方程进行拟合。然后分析由紫外到远红外的宽频透射光谱，最后对晶体的拉曼振动峰进行了指认。研究结果表明: 在200~2 000 nm波长范围内最大吸收系数为31 cm-1，消光系数数量级为10-6，折射率在156~180之间，得到Sellmeier方程。在105~120 THz 和150~375 THz频率范围内晶体透射率大于80%，在15~71 THz的声子吸收带的透射率几乎为零。晶体可作为某些波段的光学窗口材料或者特定波段的滤波器。

光通信系统设计中波分解复用器是分离光信号的一种关键部件，用于分离光信号的微型谐振器特性直接关系到波分复用(WDM，wavelength division multiplexing)解复用系统的工作性能。在二维光子晶体中逐步优化设计了基于光子晶体方形谐振器(PCSR，photonic crystal square resonator)的单信道WDM解复用结构，借助于耦合模理论(CMT，coupled-mode theory)定性分析了波导与谐振腔结构的电磁波耦合相互作用，并用时域有限差分法(FDTD，finite-difference time-domain)数值模拟了其结构工作特性。结果表明: 基于PCSR设计的单输出端口WDM解复用结构在设计的参数范围中具有单谐振峰、中心波长宽调谐范围(1 501.4 nm~1 591.0 nm)、通带带宽窄(3.3 nm~9.1 nm)的特性。该结构可应用于WDM解复用光通信系统设计和光路集成设计等方面。

采用三维数值模拟方法研究了基于带状束的史密斯-帕塞尔自由电子激光（S-P FEL）的辐射输出特性。当一束相对论带状束紧贴着矩形光栅表面飞行时，可以激励起非相干的史密斯-帕塞尔（S-P）辐射，而全反馈谐振腔可以将各个方位角的S-P辐射反射回带状束，同时进行速度调制，使电子注发生群聚，进而获得相干的S-P辐射。通过数值模拟发现，带状束可以提高S-P FEL的功率和功率谱密度；随着带状束宽高比的增大，电子束的速度调制和群聚更为明显，S-P FEL的功率和功率谱密度也越大。

提出了一种基于史密斯-帕赛尔效应的太赫兹振荡器，该器件由电子枪、调制腔、输出腔、收集极等部分构成。在器件调制腔中,电子注的速度调制通过史密斯-帕赛尔效应完成的,当群聚电子注通过输出腔时,群聚电子注会在输出腔的间隙处激励起高频电场,该高频电场会使电子注的一部分动能转换为高频能量,并完成太赫兹振荡.模拟发现：当金属光栅的空间周期为0.6 mm、电子注能量为100 keV时,利用史密斯-帕赛尔效应调制的太赫兹振荡器可以输出频率为349.017 GHz和346.324 GHz、功率谱密度接近4 kW/GHz、最大输出峰值功率超过2 kW的太赫兹波.

提出了光栅—谐振腔复合结构. 利用光学理论和粒子模拟方法研究了这种光栅—谐振腔复合结构中的史密斯—帕塞尔辐射的输出特性. 结果显示：利用这种装置可以产生太赫兹波段的可调谐相干史密斯—帕塞尔辐射. 这种光栅—谐振腔复合结构具有下列优点：它可以把一定发射角和任意方位角的史密斯—帕塞尔辐射同相位反馈到电子束,对电子束进行调制.

研究了电介质在史密斯-帕塞尔自由电子激光中的作用。将电介质加载于电子注与光栅之间，所加电介质为电容率为4 的细玻璃管，电子注在玻璃管内的真空腔中运动，玻璃管外是金属光栅。对加载电介质的史密斯-帕塞尔自由电子激光和不加载电介质的史密斯-帕塞尔自由电子激光分别进行了3 维数值模拟，结果发现：如果在电子注与光栅间加载电介质，可以成功模拟出363.37 GHz 的相干太赫兹波，如果在电子注与光栅间不加载电介质，只能模拟出191.2 GHz 的慢波辐射场。这说明加载电介质可以提高史密斯-帕塞尔受激辐射的增益，强化史密斯-帕塞尔辐射对电子注的调制，使电子有效群聚。

利用电磁场变换分析了带电粒子在磁场中的螺旋运动,基于康普顿散射理论和多普勒公式分析了虚光子与带电粒子的康普顿散射,并推导了在磁场中做螺旋运动的带电粒子的自发辐射波长公式.结果表明,当带电粒子在回旋脉塞的磁场中作螺旋运动时,在粒子静止系中可以观察到运动的周期性变化电场和磁场,即运动的虚光子.通过与带电粒子发生康普顿散射,虚光子能够转化为实光子辐射出去.

利用数值模拟的方法对双电子束互作用进行了研究。结果显示：当一束由许多微脉冲组成的电子束（I）紧贴另一束由许多微脉冲组成的电子束（II）运动时，电子束（II）产生的移动的空间周期性电场能够迫使电子束（I）中的电子做曲线运动，使电子束（I）中的电子做曲线运动的加速度将会使电子产生电磁辐射。同理，使电子束（II）中的电子做曲线运动的加速度将会使电子产生电磁辐射。把这种由于双电子束互作用产生的辐射称为双电子束互作用辐射。利用准光学谐振腔，可以得到高峰值功率的相干双电子束互作用辐射。