刻划光栅存在刻线弯曲误差，将直接影响光栅的衍射波前质量。通过构建光栅刻线弯曲误差与衍射波前的映射关系，搭建了光栅刻线弯曲误差的实时测量光路，论述了光栅刻划机主动控制技术原理，将光栅刻划机主动控制技术用于光栅刻线弯曲误差的在线补偿。通过对比光栅刻划实验验证该方法的可行性。上述方法能够准确提取并有效补偿光栅刻线弯曲误差，将光栅衍射波前由0.074 λ提高到0.038 λ，提高了48.6％，同时有效地解决了光栅表面弯曲问题。其研究结果可用于提高机械刻划光栅质量，具有重要的理论及应用价值。

衍射波前质量是刻划光栅的重要性能指标之一，对于机械刻划光栅，刻划机的刻线定位精度直接影响光栅的波前质量。建立了刻划机固有存在的刻线位置和转角误差与光栅衍射波前误差间的数学关系，分析了各误差对衍射波前质量的影响。针对该误差设计了一种基于双频激光干涉测量的刻划机刻线位置和转角误差测量的光路，并提出了一种主动控制技术，即采用单压触动器校正刻线位置和转角误差的方法。根据该校正方法设计了刻划机的双层光栅承载工作台结构，并进行了尺寸为80 mm×60 mm、刻线密度为194 line/mm 的光栅刻划实验。实验结果表明，刻划光栅的衍射波前误差由0.23λ 降低至0.093λ (λ = 632.8 nm) ，并且原子力显微镜测试光栅刻槽质量符合理论设计要求。

采用菲涅耳-基尔霍夫衍射理论建立了存在刻线弯曲和刻线位置误差的光栅衍射谱成像数学模型,分析了上述误差对光栅光谱性能的影响。针对刻划刀架系统运行不稳定问题,设计了一套光学测量结构,并提出了刻划刀架系统的机械改进方案：采用双侧柔性铰链式结构代替原有的鞍型滑块与刻划刀架的固定连接方式。最后,进行了刻划刀架系统运行稳定性测试和光栅刻划实验。刻划刀架运行稳定性测试实验表明：改进后的刻划刀架系统运行稳定性比改进前有显著改善,位移曲线重复性误差PV值由127 nm降低到13 nm,降低了约89％。光栅刻划实验表明,刻划刀架系统改进后,光栅光谱性能有明显的改善,光栅杂散光得到了有效抑制。得到的实验结果与仿真分析结果较为一致,为提高机械刻划光栅质量提供了理论及技术保障。

光栅作为光通信系统中的色散型波分复用器，系统通常要求其在近掠入射条件下具有高衍射效率，传统设计方法给出的光栅闪耀角大，工艺上不易实现。基于光栅电磁场理论，提出用光栅互易定理计算光栅槽形初始值，结合衍射效率等高线法优化光栅槽形的设计方法—互易定理优化法。结果表明，C波段TM波-1级峰值衍射效率理论值为94.9%，测量值为92.1%。较传统光栅设计方法，互易定理优化法的应用降低了光通信光栅的制作难度，提高了衍射效率，为掠入射光栅的研制提供了更好的途径。

以S3C2440A为控制核心，设计了衍射光栅刻划机的高精度运动控制系统，实现了现场显示、实时控制等功能。用S3C2440A微控制器控制伺服电机和步进电机完成光栅刻划的分度运动和刻划运动，通过SiGNUMTM RELM直线光栅尺反馈和PD加前馈控制算法补偿由于惯性等原因造成的分度误差，并用MATLAB对使用PD加前馈控制算法的分度运动进行仿真。采用RON225增量式角度编码器反馈以补偿执行刻划运动的步进电机因失步造成的误差，通过分析和处理实验数据获得分度运动最佳速度和伺服电机在此分度运动速度下停止时的过冲距离。最后，对可能产生控制误差的原因进行了初步分析，并提出了需要进一步改进和完善之处。

为了评价光栅的光谱质量，完成所设计光栅的光线追迹，针对机械刻划光栅的光线追迹提出了一种改进方法。在费马原理的基础上利用光程函数法得到入射光通过光栅后的光谱分布情况，再使用传输矩阵的计算方法构造出光谱的点列图。该方法适用于刻划在平面、球面和非球面基坯上的等间距和变间距光栅，光栅的光谱面可以为平面或者二次曲面。 通过刻划在非球面基坯上的凹面光栅验证了光线追迹方法的可靠性。

运用微分理论对刻线密度为1200 lp/mm的紫外刻划光栅母版及其二代复制版的衍射特性做了模拟,指出了二者之间存在的差异,并与测试结果做了对照。数值模拟表明,紫外刻划光栅二代复制版的衍射特性与其母版略有不同,原因是光栅槽形发生了改变,分别给出了采用多项式拟合槽形函数和傅里叶级数拟合槽形函数的方法。此理论分析方法为澄清光栅复制工艺中的争议完善翻版技术以及寻找提高紫外光栅衍射效率的途径提供了很好的理论参考依据。