为获得较大展宽量的光纤器件,在相位掩模版刻写技术的基础上设计并制作了两种啁啾光纤布拉格光栅(CFBG)展宽器。基于相位掩模版刻写技术的原理和CFBG的色散补偿理论,提出了两种展宽器的制作方法,并优化了刻写光路,获得了高反射率、大反射带宽的CFBG。通过拉力传感器控制CFBG的反射谐振波长,通过改进刻写方式制作了大色散量的CFBG级联展宽器和大反射带宽的CFBG串联展宽器。搭建了两种展宽器的测试光源,通过直接测量的方式得到CFBG级联展宽器所提供的展宽量约为345 ps,这与理论结果相符;通过正、反接的方式间接推算了CFBG串联展宽器所提供的展宽量约为278.7 ps,这小于理论结果。

为了满足原子发射光谱仪在紫外至近红外宽谱段范围内的高光谱分辨率快速检测需求，采用精密角位移平台直接驱动光栅，配合面阵探测器，实现高精度光谱分段快速扫描探测。但在扫描过程中，探测器像元波长增量与光栅转角呈非线性关系，且不同像元的波长增量不同，这对该光谱仪波长定标造成障碍。为校正光栅色散的非线性，基于光栅方程精确计算光栅转角与探测器首尾两端像元波长的映射关系,针对同一光栅转角，探测器其余像元波长利用首尾像元波长按照局部线性色散规律计算得到，从而完成全谱段光谱定标。依据定标所得转角与探测波段对应关系依次驱动光栅转动，实现宽谱段范围内的分段高精度光谱快速扫描探测。利用汞灯光源对该定标方法的波长检测精度进行检验，在200~800 nm的宽谱段范围内，波长准确度优于0.018 nm，波长重复性优于0.001 nm。

传统的偏振成像技术存在偏振成像实时性差、多光谱偏振成像困难和无法实现高光谱偏振成像等问题。针对这些问题，提出了一种新的基于信号调制解调理论的偏振成像理论，并根据该理论提出了一种基于光栅色散的光谱调制型高光谱偏振成像仪。该偏振成像仪首先测得被偏振调制过的光谱信号，再经过频域滤波与反演计算获得高光谱图像与偏振图像，因此该偏振成像仪可实现高光谱全偏振成像,并且可将高光谱成像与偏振成像完美融合。通过仿真实验验证了所提偏振成像仪在理论上的正确性。

针对空间外差光谱技术测量光谱范围较窄（10 nm左右），制约其应用范围的问题，提出了一种光栅-平面镜结构的可调式空间外差光谱仪系统。该系统将传统的双平面光栅式空间外差光谱仪中的一块光栅换成平面镜，让另一块光栅可旋转来组成可调式结构; 通过旋转光栅切换测量波段，展宽其测量范围；对平面镜施加微小俯仰角以确保谱图还原的单值性；从而拓展了仪器的应用范围。搭建了原理样机并对其性能进行了实验验证。结果表明，设计的仪器的光谱范围达到了100 nm左右，分辨率优于0.29 nm。该仪器结构简单，光栅制作难度低，易于实现谱图还原。另外，通过增加光栅旋转切换次数和引入抑制杂光措施等手段，还可进一步展宽波段范围，提高系统光谱分辨率。

成像光谱仪使用前需要对其进行光谱定标以确定其各光谱通道的中心波长和光谱带宽。 但是室内外光谱定标实验结果表明随着使用环境的变化成像光谱仪各通道的中心波长和带宽将发生变化。 对光栅色散型成像光谱仪各光谱通道的中心波长室内外定标结果的偏移进行研究, 从光栅色散型成像光谱仪的光学结构和工作环境参数出发对造成其中心波长偏移的因素进行分析和建模, 对震动、 机械形变和浓度等主要影响因素进行理论推导和数量级估算, 结合实验结果进行对比分析。 理论推导和实验数据分析都表明光栅色散型成像光谱仪室内外光谱定标获得的各通道中心波长的偏移量与各通道的本征波长成二次函数的关系, 其中震动和机械形变所带来的系统光路结构的细微改变是造成其中心波长偏移的主要因素, 使用环境温度的差异也对该成像光谱仪各光谱通道的中心波长具有一定的影响。

从透光率、光谱范围杂散光、可靠性、色散线性、光谱带宽、成本等多个方面分析了超光谱成像光谱仪采用棱镜或光栅色散分光的优缺点。分析显示,棱镜光谱仪透过率高达9524％(VNIR),而光栅的衍射效率仅为60%~70%。棱镜光谱仪的杂散光可达10-4,而光栅的杂散光为10-2。尽管光栅光谱仪的波长覆盖范围要比棱镜光谱仪好,但在04~25 μm,棱镜光谱仪相对光栅光谱仪有优越性。此外,光栅光谱仪的色散基本为线性,但棱镜光谱仪的短波非线性问题可通过复合棱镜进行补偿,而且,棱镜光谱仪的可靠性好于光栅光谱仪。另外,两种光谱仪的光谱带宽和成本基本接近。这些结果表明,棱镜更适于星载高分辨率超光谱成像仪的分光。