白光显微干涉术是微结构三维形貌无损测量的有效手段，但当沟槽深度小于光源相干长度时易产生蝙蝠翼效应。ISO-25178系列规定了由三维形貌计算沟槽深度和线宽两项特征参数的方法。该计算法则首先需要确定阶跃边缘位置，然而蝙蝠翼位于阶跃边缘，造成形貌中的阶跃边缘位置定位困难。本文针对上述问题，摒弃了从三维形貌中提取阶跃边缘位置的传统方法，依据干涉图像中矩形光栅上下表面边缘位置采样点相干峰分布的差异性，提取相干包络峰值位置，并计算得到用于区分阶跃上下表面的掩膜。本文提出的方法从垂直扫描干涉图像出发，同步实现三维形貌复原和阶跃边缘位置定位，继而准确、高效地计算沟槽深度和线宽。本文以两种不同特征参数的矩形光栅作为检测对象，比对了测量结果与标称值之间的偏差，并对测量过程中的误差项进行了分析。实验结果证明，本文方法具有良好的重复性和鲁棒性。

返波振荡器是一种重要的真空电子学太赫兹源，具有高功率、高工作频率和宽带调谐等特点。为提高圆形电子注与光栅慢波结构的互作用，提出一种双电子注嵌入矩形光栅的慢波结构，使电子注与光栅表面电场更好地充分相互作用，从而提高互作用效率和输出功率。通过数值求解和仿真计算其色散特性，结果表明，相比于相同结构参数的普通矩形单栅，该结构可以实现更高的工作频率和耦合阻抗。利用CST 进行PIC 仿真，优化结构和电子注参数，最终得到工作频率501 GHz,10.6 W 的稳定输出。研究成果为设计0.5 THz 的返波管提供了理论指导。

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。

为解决正交场返波管太赫兹源慢波结构的设计问题，研究了开放式单排矩形梳齿慢波结构的色散及耦合阻抗特性并给出了设计思路及结果。利用单模近似法和数值计算得到了各几何参数对慢波结构性能的影响。结果表明：慢波周期长度可相对独立地优化耦合阻抗；设计慢波结构时可根据工作频率、加工工艺和电子枪性能确定其余三个几何参数，主要是对慢波周期长度进行调节。进一步的数值计算给出了梳齿间距在0.010~0.025 mm 范围内、工作频率在300~420 GHz 范围内的开放式矩形梳齿慢波结构的具体尺寸。利用粒子模拟软件对一个设计结果进行了仿真，得到的工作频率验证了冷腔分析的结果。

为了在表面等离子体共振（SPR）传感器中提高信噪比、灵敏度等，需要使光波尽可能多地和表面等离子体波（SPP）相耦合。主要研究了如何通过改变金属光栅结构以增强SPR共振峰从而提高其SPR传感器的灵敏度。在选定一维矩形光栅面型的基础上,通过改变光栅结构及面型参数，寻找入射光波与表面等离子体波耦合度最大时的面型参数值。将基本光栅面型函数分解展开并逐项分析其对表面等离子体共振的影响，针对已优化的一维矩形金属光栅面型函数，分析其傅里叶展开式中各项对等离子体耦合的贡献，以期为进一步寻求光能量最大耦合的物理本质提供分析支持。

矩形光栅1级和0级衍射效率之比对光栅的凹槽深度敏感,介绍了将其应用于聚合物光栅生物传感器的原理和光栅衍射光信号检测电路系统原理。设计了锁相放大器的信号通道滤波器,获得带宽不大于1 kHz的窄带滤波特性;利用相敏检测器(PSD)结合二阶巴特沃思低通滤波器,使等效噪声带宽限制在20 Hz以内,避免了工频干扰,实验结果表明系统输出信噪比SNR可达4 000以上。

为了符合实际加工情形,推导了梯形相位光栅衍射效率,与矩形光栅作了比较,设计其用作高密度光盘存储光学头分光束器件时的各参数,并分析推导了系统和随机加工误差对光栅性能的影响及设计原则.

对由两矩形位相光栅构成的双层体积全息光栅的分束特性进行了优化设计，获得了扇出光来数分别为2，3和5，总衍射效率高于89％，光强分布不均匀性小于5％的分束器。