采用多层介质膜衍射光栅实现多路高功率光纤激光共孔径光谱合成有望成为光纤激光同时实现高功率、高效率和高光束质量的最具发展潜力的技术途径。搭建了一套基于双光栅色散补偿设计的5 kW共孔径光谱合成系统。采用国产多层介质膜衍射光栅实现了5路kW级窄谱子束激光的高效优质共孔径光谱合成,最大输出功率达5.07 kW,光束质量因子(M2)小于3,合成效率达到91.2%。初步研究表明: 多层介质膜衍射光栅在较高功率水平、较宽光谱范围内均能保持较高衍射效率,是实现高功率光纤激光高效率光谱合成的重要器件; 参与合成的子束自身的光束质量水平和线宽是影响合成输出光束质量的重要因素,光谱合成系统的输出功率主要受限于窄谱子束的输出功率和合成路数,增加窄谱子束的功率或合成路数均可进一步提升系统的输出功率。

基于严格耦合波和增强透射矩阵的方法，提出了一种数值稳定的求解多层介质膜光学特性的机理模型.利用该模型计算了多层介质膜光栅用高反射镜的优化设计膜系.使用电子束热蒸发方式制备的多层介质膜光谱特性和理论设计的结果符合得很好，该严格耦合波模型是分析介质膜光学特性有效的稳定的数值求解方法.

研究了电场在介质膜光栅结构中的增强效应对其抗激光损伤阈值的影响.使用傅里叶模式方法计算了电场在介质膜光栅浮雕结构内的分布.数值分析表明：电场在介质膜光栅中增强的最大值为入射光的2倍，其最大的位置出现在相对于入射光对面的光栅槽侧壁。实验测试介质膜光栅样品在1 064 nm和12 ns, 51.2°和TE偏振光入射时，其抗激光损伤阈值为6.61 J/cm2.对损伤形貌进行扫描电镜精确分析，发现介质膜光栅的初始损伤产生于电场在介质膜光栅内增强最大的位置处.

基于严格耦合波理论建立了梯形介质膜光栅的衍射机理模型,利用该模型讨论了底角为70°的梯形介质膜光栅-1级的衍射行为。通过对梯形介质膜光栅的占空比、槽深和剩余厚度的优化,设计了应用于1053 nm和51.2°角度入射的梯形介质膜光栅。对于顶层为HfO2的介质膜光栅,当槽深为200 nm,剩余厚度为100 nm,占空比为0.35时,其衍射效率优于99.5%,而对于顶层为SiO2的梯形光栅,为获得99.5%的衍射效率,其槽深为800 nm,剩余厚度为320 nm。而且,获得同样的衍射效率,顶层为HfO2 的梯形光栅具有更宽的光谱特性。数值计算表明,严格耦合波理论模型对梯形介质膜光栅衍射效率的计算具有很好的收敛性和稳定性。