为了在保证结构简单的前提下, 实现衍射光栅精密测量系统的大量程、高精度、多维度测量, 设计了能够同时测量位移和角度的五维自由度衍射光栅精密测量系统。基于利特罗对称式光路结构, 采用高刻线密度的一维衍射光栅以及外差干涉原理实现了沿光栅矢量方向和光栅法线方向的二维位移测量; 通过引入高精度的位置灵敏探测器, 结合±1级衍射光与光栅之间的角度变化关系实现了对光栅俯仰、偏摆和滚转三个维度的角度误差测量。实验结果表明: 该衍射光栅精密测量系统能够实现分辨力优于4 nm的二维位移测量以及分辨力优于1″的三维角度测量, 其位移测量范围只受限于光栅的尺寸, 量程大大增加。该衍射光栅精密测量系统在精密测量领域有重要意义。

在使用电铸方法制作金属光栅时, 采用传统的计时电铸方法常常不能保证金属栅条具有精确的沉积厚度。为了能够实时监测光栅栅条的沉积厚度, 以实现电铸截止时刻的精确判断, 建立了基于衍射效率判断金属沉积厚度的在线监测系统。采用严格耦合波理论计算了Au在光刻胶沟槽中进行沉积时, 衍射效率随Au沉积厚度的变化规律, 并讨论了光刻胶占宽比、电铸电流密度对衍射效率的影响; 计算了电铸池、镀液对监测激光能量造成的损耗。实验得到的效率曲线与仿真结果相一致; 电铸池、镀液对光能的损耗达9488%。实验结果表明, 采用在线监测方法实时判断金属沉积厚度是合理有效的; 光刻胶占宽比对在线监测影响不大; 电铸电流密度对在线监测有影响, 且电流密度越高越有利于截止点的判断。

提出了分步寻优的基于粒子位置调整惯性权重的粒子群算法(PDW-PSO),通过调用严格耦合波方法(RCWA)计算衍射效率,进行了光栅结构参数的优化。将PDW-PSO与惯性权重不变的粒子群算法(PSO)和基于迭代次数调整惯性权重的粒子群算法(IDW-PSO)进行对比,结果表明PDW-PSO具有更快的收敛速度,相比于PSO和IDW-PSO,PDW-PSO的平均迭代次数分别从89.83和74减少至21.2,调用RCWA的次数分别从3144.05和2590下降至224。分析了波段匹配数对算法的影响, PSO和IDW-PSO的RCWA调用次数与波段匹配数呈等倍率增加,而PDW-PSO的RCWA调用次数的增加倍率小于波段匹配数的增加倍率。进行了算法准确度实验,在30次运行中,PDW-PSO与PSO、IDW-PSO正确收敛到最优值的次数相近,误差值不超过6.6%;随着粒子数的增加,三种方法的准确度都有所提高,粒子数达到27后基本都可以保证收敛到最优。

通过摆动离子束刻蚀方法, 制作了用于短波红外高光谱成像光谱仪的凸面闪耀光栅。该方法通过在光栅子午方向上进行摆动刻蚀, 解决了凸面光栅子午方向的闪耀角一致性问题。建立了摆动刻蚀模型来分析摆动速度、束缝宽度等工艺参数对槽型演化的影响, 并计算了优化的刻蚀工艺参数。制备了基底尺寸为67 mm, 曲率半径为156.88 mm, 刻线密度为45.5 gr/mm, 闪耀角为2.2°的凸面闪耀光栅, 并对其表面形貌及衍射效率进行了测量。实验结果表明, 摆动刻蚀法能够制作出闪耀角一致性好、衍射效率高的小闪耀角凸面光栅, 满足成像光谱仪对光谱分辨率和便携性的使用要求。

Seya-Namioka光栅制作过程中的曲率半径误差会引起离焦像差，该像差会对光栅单色仪的光谱性能造成极大的影响。本文基于光线追迹理论，模拟分析了曲率半径误差对Seya-Namioka光栅的具体影响。分析结果表明，出入臂长度对曲率半径误差有很好的补偿作用，通过调整出入臂长度曲率半径误差的容许范围可增大到2 mm左右。总调整量不变的情况下，任意改变出入臂的长度，补偿效果相似。随着误差的增加需要调整的出入臂长度值变大，过大的误差使用出入臂长度无法进行补偿; 出入臂夹角仅能对正向曲率半径误差进行补偿，且补偿所需调整角过大，影响单色仪的结构设计，该方法并不实用。结果可为单色仪的设计和使用提供理论参考。

为了满足激光诱导等离子体分析系统（LIPS）对分光系统的分辨率， 光谱范围， 体积等多方面要求。 本文研制了一台中阶梯光栅光谱仪， 该光谱仪能同时获得所有谱段范围内的光谱信息， 令LIPS系统可实现快速在线实时分析。 并且， 该光谱仪采用可调节延迟时间的ICCD作为后端探测器， 令整个系统可根据实际实验情况选择最优延迟时间接收光谱， 提高了整个系统的信噪比。 最后， 搭建了一套激光诱导等离子体分析系统， 对研制的中阶梯光栅光谱仪在系统中的可用性进行验证。 通过对合金样品测试， 整个系统的分辨率达002 nm， 光谱范围覆盖190～600 nm。 并且研制的LIPS系统光谱重复性较好， 特征元素波长提取误差不超过001 nm， 可较准确的对样品成分进行分析。

分析了氟硼铍酸钾(KBe2BO3F2，KBBF)晶体的倍频特性，结合基波光光栅耦合和KBBF晶体内全反射特性设计了新型KBBF晶体光栅耦合器。介绍了KBBF晶体光栅耦合器设计原理。在KBBF晶体表面制作光栅结构，使其衍射级次满足匹配角进而产生倍频光；结合在KBBF晶体内的全反射传输，增大光程，获得高的倍频转化效率。通过计算晶体匹配角、走离角、倍频系数等参数，获得合适的光栅匹配类型。优化设计匹配光栅参数，获得了槽型参数及较高的衍射效率； 基于光栅衍射效率与倍频转化率的关系获得了KBBF晶体光栅耦合器的倍频转化率计算公式，并给出它们的适用范围。最后， 基于5.2 mm×5.2 mm×1 mm KBBF晶体研制了晶体光栅耦合器，该光栅耦合器能够实现深紫外波段倍频光的输出，总倍频转化效率达到了16.86%

介绍了基于同心结构的Offner成像光谱仪光学系统的工作原理、结构特点及优势，综述了Offner型成像光谱仪在国内外的研究进展。较详细地介绍了国内外目前常用的三种消像差方式，即通过改变光学元件装调结构实现消像差，基于单光栅像差理论的解析方法进行消像差以及通过设计凸面全息光栅来提高光谱图像的分辨率。文中总结了Offner成像光谱仪存在的关键问题及发展趋势，强调该系统需要解决的问题的是消除系统像差，提高系统光谱分辨率、空间分辨率和对弱信号的探测能力，其发展方向为更高的分辨率和探测能力以及系统的小型化和轻量化。基于对Offner成像光谱仪的研究，文中提出了一种从凸面全息光栅与光谱仪一体化设计的角度进行消像差的思路。

研究了一种基于数字微镜器件（DMD）具有新型光路结构的中阶梯光栅光谱仪，并采用新的谱图信息接收方式来降低其使用成本和数据处理过程的复杂程度。将具有单波长选通功能的DMD与一维探测器光电倍增管（PMT）相结合接收中阶梯光栅光谱仪的光谱信息，在降低仪器成本的同时将中阶梯光栅光谱仪谱图还原算法与DMD扫描驱动算法相整合，提高了算法效率。由于DMD的填充因子比CCD稍低，该类光谱仪对成像质量和能量集中度提出了更高的要求。本文根据DMD型中阶梯光栅光谱仪特点，在有限的可挑选的光学材料下，采用多重优化的方式合理设计了中阶梯光栅光谱仪准直镜、中阶梯光栅、棱镜、聚焦镜等各个光学元件的光路结构参数, 并且在Czerny-Turner结构中加入校正透镜和场镜，校正了系统所有像差，提高了整个光学系统的成像质量和光谱分辨率。最终设计的光谱仪系统分辨率达0.01 nm，单个微反射镜内的光斑能量聚集度达到70%。

为了降低紫外高分辨率罗兰光栅的像散对光谱像高展宽的影响, 提出了在罗兰圆上使用球面波非对称曝光设计思路。 推导完全校正离焦和子午彗差的表达式, 讨论了多种罗兰光栅记录结构的局限性, 优选适合校正紫外高分辨率罗兰光栅的优化方法。 通过全息光栅像面展宽表达式, 指出像散和弧矢彗差是影响光谱像高的主要因素, 并分配了两者的优化权重。 利用这种优化思路, 设计了工作波段110～200 nm紫外高分辨率罗兰光栅, 同时对比分析了传统光栅的像差系数和像高变化规律、 像面结构和光谱分辨率。 结果表明, 和传统罗兰光栅分辨率处于同一数量级的情况下, 所设计光栅光谱像高由25 mm降低到1.5 mm, 谱面能量集中度有显著的提高。