二维光子Moiré超晶格拥有一些常规光子晶体不具备的特性，例如平带特征和不同于安德森局域化的光局域现象。本文利用多光束干涉法构建二维光子Moiré超晶格结构，采用有限元法对其能带结构及光场特性进行研究。通过优化Moiré晶格厚度、空气孔半径对其平带及局域特性的影响，得到了高局域特性的Moiré晶格结构。研究中发现，正方晶格具有不同于六角晶格的准狄拉克锥光局域化效应。本文研究结果对发展高性能微纳结构器件具有重要参考价值。

本文提出了一种中心波长连续可调的光源模块，实现了深紫外光源的窄带输出。设计的光源模块由氘灯、角度旋转台、滤光片旋转轮、不同中心波长的滤光片(220 nm，230 nm，240 nm，250 nm，260 nm，270 nm，280 nm)和光学透镜组成。基于多光束干涉理论，通过分析出射光的中心波长和入射角度之间的关系，得到了由每个滤光片出射的中心波长和角度旋转台旋转角度之间的定标关系式。实验结果表明，当角度旋转台入射角范围在0～30°时，每个滤波片的可调谐范围可达到10 nm，实现紫外光源模块的单色光可调谐范围212 nm～280 nm，能满足海水中硝酸盐浓度的测量要求。

针对双光束光阱轴向光阱刚度小、捕获稳定性差的缺点,提出利用四光束光阱捕获和操控微粒。采用射线模型对比分析了双光束光阱与四光束光阱在力学特征上的差异,设计制备了四光束光阱芯片。用其捕获半径为5 μm的聚苯乙烯微球,并采用均方位移法对其轴向光阱刚度进行标定。仿真和实验结果均表明,四光束光阱中轴向光阱的刚度与双光束光阱的横向光阱刚度相当,且远大于双光束光阱的轴向光阱刚度。四光束光阱在保持双光束光阱横向捕获稳定性的同时,提高了轴向捕获稳定性,对微纳颗粒的稳定操控有重要意义。

相位特性是目前制约多注相对论速调管放大器进一步拓展应用的关键参数之一, 为了有效提高器件输出微波相位的稳定性, 利用一维非线性理论对X波段强流多注速调管放大器开展了理论研究, 得到由强流脉冲特性引起的腔体杂频以及电子束运动速度变化率是造成输出微波相位波动的部分主要原因, 同时基于18注实心电子束构成的X波段多注相对论速调管放大器开展了强流脉冲特性对输出微波频率和相位影响的数值计算, 最后利用粒子模拟手段对理论结果进行验证。理论和模拟结果一致表明: 强流脉冲的前沿和波动都将导致器件内实际工作频率的偏移, 并引起相位波动; 在脉冲前沿段, 脉冲前沿长度越短, 器件内实际工作频率偏移越大, 相位波动幅度越大; 在脉冲平顶段, 脉冲波动导致的频率偏移与电压变化率相关, 与电压的幅值无关, 而脉冲电压波动导致的输出微波相位波动由电压变化率及其变化幅度两者共同决定。

为了研究调谐过程中外腔半导体激光器的模稳定性, 采用多光束干涉理论推导Littrow结构外腔半导体激光器的腔增益, 并模拟其模结构。分析了光栅面和转臂不在同一平面的情形下, 在光栅转动调谐时, 通过匹配光栅的反馈波长变化率与外腔波长变化率, 推导出最佳的初始外腔长度, 并研究了动态模稳定(无跳模调谐)的范围; 采用严格的耦合理论和光线变换矩阵分析了准直(耦合)透镜的位置对系统后向耦合效率的影响。结果表明, 系统后向耦合效率最大可达99%, 极大地压窄了中心波长为780nm半导体激光器的线宽, 外腔半导体激光器的理论线宽为未加外腔时的0.96%, 动态模稳定范围可达6.8nm。

基于多光束干涉原理，设计了一种基于光纤微腔的温度及折射率同时测量的反射型光纤传感器.该传感器将渐变折射率多模光纤的一端用氢氟酸腐蚀形成一个空气腔，带空气腔的渐变折射率多模光纤一端和单模光纤熔接，另一端切平构成传感头.实验选取渐变折射率多模光纤的长度为538.1 μm，空气腔长度为40.8 μm.结果表明：光纤微腔结构所形成的多光束干涉光谱条纹对比度与光纤微腔外的溶液折射率相关，干涉波峰移动与环境温度相关，通过监测条纹对比度和干涉波峰的移动，可以实现对折射率和温度的同时测量.当折射率在1.341 5～1.432 0RIU变化时，反射强度对折射率的灵敏度为57.24 dB/RIU；当温度在30 ℃～70 ℃之间变化时，谐振波长对温度的灵敏度为12.3 pm/℃，可检测到的最小温度变化为1.2℃，测得最小折射率变化为3.4×10－4.该传感器也可应用于其他参量的测量，具有良好的应用前景.

多注相对论速调管利用多注电子注并行工作，各电子注在传输过程中彼此独立，利于提高注波互作用效率，抑制杂模振荡。分析多注相对论速调管的小信号理论，从谐振腔内电场的场形函数出发确定了不同腔体结构的耦合系数的计算方法，得到了不同电子注形状、注数时的基波电流分量轴向变化过程，并进行模拟验证。结果表明： 同轴谐振腔的间隙耦合系数要大于圆柱腔的间隙耦合系数，采用同轴谐振腔更有利于注波互作用；电子群聚过程与每注电子注的势能密切相关，提高电子注数目有助于得到更大的基波电流分量。在电子注电压600 kV、电流5 kA、间隙电压30 kV的条件下，输入腔后的基波电流分量达800 A。

为提高长程轮廓仪（LTP）面型检测的精度，提出一种使用波面型等光程多光束分束器的LTP。该分束结构可将入射光束分成若干束等光强等光程的相干光。在理论上分析计算了傅里叶变换（FT）透镜焦平面上干涉条纹的位置和强度分布，探究了零级干涉主极大条纹宽度、振幅和±1级干涉主极大条纹振幅与多光束分束器各结构参数之间的关系。通过选取合适的参数设计了基于多光束干涉原理的新型分束器，并与传统分束器进行了仿真实验比较，设计了测量系统中的准直镜和FT透镜，在Zemax软件中建立了完整的光学系统模型，并对该模型进行了实验验证。结果表明多光束干涉长程轮廓仪可以实现对被测表面斜率的测量，其在探测面上的干涉条纹宽度比传统双光束干涉窄，光强也更加集中，可以提高LTP的测量精度。

研究了多光束非定域干涉现象,得到了多光束非定域干涉的反射光强分布函数.数值计算结果表明: 随着镜面反射系数的增加,多光束非定域干涉条纹半值宽度降低,条纹变得更加锐细,光谱分辨率提高；当镜面反射率较高时,除了暗条纹外,在低干涉级次处紧邻暗条纹还有很窄的亮条纹存在；亮条纹振幅逐渐衰减至背景光强度,干涉级次越低亮条纹振荡越明显；第一束反射光提供了一个均匀的背景,第二束反射光的加入产生了双光束干涉,干涉条纹较粗,对比度较低,更多光束的加入使干涉暗条纹变得锐细,在相邻暗条纹间出现了明暗相间的低强度明暗条纹；足够多光束的加入使相邻暗条纹间低强度变化的明暗条纹消失,同时在紧邻暗条纹处出现了振幅振荡衰减的亮条纹.最后,将多光束非定域干涉理论应用于光学滤波器的研究,结果表明: 提高镜面反射率,可以显著降低多光束非定域干涉的滤波带宽；改变镜面间距,可以灵活调整多光束干涉仪滤波波长和相消波长间距.

研究了多光束非定域干涉现象, 得到了多光束非定域干涉的透射光强分布函数。 理论研究结果表明, 干涉圆环中心位置光强与定域干涉结果一致。 对得到的多光束非定域干涉透射光强分布函数进行了数值分析, 分析结果表明随着镜面反射系数的增加, 非定域干涉条纹变得更加锐细, 光谱分辨率提高, 同时在低干涉级次处出现了噪声, 并且反射系数越高, 噪声越明显。 在镜面间距不变的情况下, 通过改变观察屏位置, 对透射光强分布进行数值分析, 结果表明干涉级次与干涉圆环倾角的余弦值存在线性关系, 通过求斜率可以得到镜面间距。 保持观察屏位置不变, 通过改变镜面间距, 数值分析结果表明干涉级次与干涉圆环半径平方存在线性关系, 并且直线斜率与镜面间距也存在线性关系。