为了研究当单层石墨烯位于多层Fabry-Pérot(F-P)谐振腔中时, 系统近全吸波模式与多层F-P谐振腔数目之间的关系, 同时提高系统对吸波模式的调控能力, 采用严格耦合波分析法, 对石墨烯多层F-P谐振腔系统的吸波响应进行了研究, 分析了临界耦合条件下双层和3层F-P谐振腔结构的光谱响应特征。结果表明, 双层和3层F-P谐振腔可调谐近全吸波体, 分别形成了两个99%以上和3个96%以上的近全吸波模式; 通过对石墨烯掺杂可以实现对3层F-P谐振腔系统吸波特性的调节, 通过改变3层谐振腔的结构可以控制系统吸收模式的数量和相对位置。该研究为可调近全吸波系统引入更丰富的吸波线型。

利用严格耦合波理论和时域有限差分方法设计了一种应用于940 nm垂直腔面发射激光器的Si基零折射率对比度光栅反射镜。对零对比度亚波长光栅(Zero-index-Contrast subwavelength Grating, ZCG)的高反射特性进行了研究，分析了ZCG实现宽带高反射的条件。此外，讨论了光栅结构参数对反射性能的影响并计算了制作公差，模拟分析了ZCG尺寸与垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL)氧化孔径尺寸对镜面损耗的影响。所设计的ZCG带宽可达280 nm, Δλ/λ0=29.8%。该反射镜可以替代VCSEL中传统的分布式布拉格反射镜，降低了工艺难度和生长成本，同时有利于VCSEL与其他Si基光电子器件的集成。

合成孔径技术是一种能够有效实现超分辨成像的技术。目前的合成孔径成像技术大多以标量衍射理论为基础，但当成像目标的尺寸小于波长时，标量衍射理论中的近似与假设不再成立。因此，本团队在高斯光束照明条件下，以更为严格的耦合波理论为基础，分析了亚波长光栅的合成孔径成像技术。通过模拟仿真280 nm周期、140 nm线宽的一维矩形光栅的合成孔径成像，分析了光栅有界情况下，模式个数对光栅重构的影响以及恢复光栅结构所需的最少模式个数。接下来讨论了标量衍射理论相对于耦合波理论可能产生的误差。分析了照明光以±90°入射的理想情况下对光栅进行合成孔径成像的最小分辨率，并认为其仅与波长有关，可分辨的光栅周期最小为λ/2，线宽分辨率为λ/4。本文为合成孔径技术在亚波长光栅中的应用提供了更严格的理论基础。

相位光栅（PG）标记是微位移测量系统的关键部件，提出了一种严格耦合波（RCWA）法与差分进化算法相结合的共振域PG标记设计方法，解决了标量衍射理论计算精度不足和参数遍历设计方法耗时太久的问题。基于自参考干涉位移测量模型，确定以测量光信噪比（SNR）之和最大为光栅标记设计的评价函数，并研究了不同入射光波长、偏振态和光栅周期下，RCWA法中空间谐波数与计算精度的关系。针对多波长照明微位移测量需求，利用所提方法进行了标记设计，并与常规设计方法进行了比对分析。结果表明：对于3.2 μm周期的PG，横磁（TM）光照射时光栅占空比取0.484，槽深取161.5 nm，此时SNR之和可达到最大值586.63；较常规设计方法，所提方法设计PG标记的时间缩短到了其的0.2%，SNR之和最大提升比例可达到24.4%。

在头戴显示器中体全息光栅常被用作输入/输出耦合器，其衍射效率的高低将极大影响系统的成像质量。为提高体全息光栅的衍射效率，提出了一种新型耦合光栅结构，该结构由优化后的体全息光栅和闪耀光栅组成。利用严格耦合波分析，对新型耦合光栅结构进行仿真。仿真结果表明，与体全息光栅相比，新型耦合光栅使横电模式光的衍射效率提高了1.5%，横磁模式光的衍射效率提高了9.4%，非偏振光的衍射效率提高了5.3%。此外，相较体全息光栅，新型耦合光栅在不同偏振态（横电模式光、横磁模式光）下，入射角半峰全宽增加了0.2°与0.5°，表明该结构具有更大的视场角。

基于Al_0.9Ga_0.1As/Al₂O₃亚波长光栅设计了一种高性能偏振分束器。该偏振分束器由Al_0.9Ga_0.1As和Al₂O₃交替形成，制备简单、结构稳定且易于集成。采用严格耦合波分析方法对光栅反射率和占空比、周期的变化关系进行了分析，通过选取合适的光栅参数实现光栅结构对横电（TE）、横磁（TM）偏振光不同的衍射特性，进而实现了偏振分束功能。仿真和计算结果表明，在80 nm（800~880 nm）宽光谱范围内，该光栅偏振分束器对TE偏振光的反射率大于94%，对TM偏振光的透射率大于90%，且偏振消光比大于10 dB，最高可达41.37 dB。此外，还研究了光栅参数变化和入射角度偏转对偏振分束器性能的影响。结果表明，该偏振分束器具有良好的工艺容差，对垂直入射有左右各偏转4°的容忍性，有效解决了传统偏振分束器难以集成和制备工艺复杂的问题，可与GaAs基器件集成后实现对入射光束的调控。

研究了一维TiO₂亚波长光栅(SWG)的衍射异常现象,具体表现为泄漏模共振效应和瑞利异常。研究表明,一定参数条件下的横磁波(TM偏振)和横电波(TE偏振)入射均会出现瑞利异常和泄漏模共振效应。在 TM偏振光情况下,会出现传统的窄带、高衍射效率泄漏模共振效应,而在TE偏振光情况下,由于多个接近的泄漏模共振峰相互叠加,故会形成宽带、高衍射效率的反射谱。采用严格耦合波理论计算了一维TiO₂ SWG的衍射效率,研究了光栅周期、高度和占空比对光栅反射率的影响。当光栅周期为0.49 μm,高度为0.25 μm,占空比为0.34时,SWG具有TE偏振选择性,在0.52 μm波段处的反射率接近1,且高反带(反射率达到99.9%以上)宽度为26 nm。优化各结构参数,得到光栅周期、占空比、高度的制作容差分别为1.6%、8.3%、2.0%,故SWG理论上可以作为垂直腔面发射激光器的反射镜。