吸收式激光雷达在大气环境探测领域中发挥着重要作用, 其数据的准确性、复现性以及不同系统测量结果的可比性都直接影响到系统测量数据对环境治理工作的价值。基于气体分子对光波的差分吸收原理, 设计了一体化吸收式激光雷达校准系统, 采用与多种不同标准浓度气体对比的方法实现对雷达系统的精确校准。通过对雷达校准系统的核心部件--多程反射腔进行了仿真模拟, 确定了系统中反射腔镜片的相关参数。最后利用甲烷气体对这一标定系统进行了测试。实验表明, 该校准系统可以在一个大气压内实现对激光雷达的快速校准。

利用边缘光线原理设计了基于非成像反射腔的棒状放大器，采用相同氙灯放电参数和钕玻璃棒尺寸，数值模拟了成像和非成像两种不同反射腔作用下放大器钕玻璃棒的储能密度，并实验研究了小信号增益系数，模拟和实验结果吻合度较高。非成像反射腔具有特殊光学结构，能够反射全部抽运光至钕玻璃棒表面，从而提升光电转换效率，减少废热产生，提高抽运效率和放大器增益性能，使放大器更加高效、经济。

海气界面CO2测量对于海洋科学研究具有重要意义, 在目前的海洋CO2测量仪器中, 基于可调谐二极管激光吸收光谱技术（TDLAS）的设备因灵敏度高、 环境适应性强等特点受到关注。 TDLAS系统的体积和灵敏度通常受限于多次反射腔的大小和光程。 针对海洋CO2脱气量小且灵敏度高的测量需求, 自主设计了一套微型多次反射腔, 用于TDLAS系统的CO2测量。 该微型多次反射腔采用两片口径为25.4 mm、 焦距为50 mm的球面反射镜, 以38 mm的腔长实现了253次反射, 获得了约10 m的光程, 封装后的样品池体积仅有90 mL。 基于该微型多次反射腔搭建了一套直接吸收TDLAS的CO2气体浓度测量系统, 通过标准气体对该系统进行了测试, 检测限约为26×10-6, 不同浓度气体线性相关度R2为99.986%。 同时还将该系统与LGR公司生产的便携式温室气体分析仪（UGGA）进行了对比测量, 结果表明二者在白天CO2浓度波动较大和夜晚CO2浓度变化较平稳两种情况下均表现出较好的一致性, R2大于97%。 实验结果证明了系统性能, 下一步将优化试验装置并进行现场应用。

设计了一个X波段相对论返波管,通过对器件结构的特殊设计,提高了器件的Q值,同时增大了电子束与慢波结构之间的耦合阻抗,从而实现器件的低磁场运行以便对其进行永磁包装; 当引导磁场强度0.46 T、电子束束压750 kV、束流约5.5 kA时,得到频率9.1 GHz、功率1.24 GW的微波输出。根据模拟结果设计加工了一个磁场强度为0.46 T的小型化永磁磁体,该磁体长48 cm,最大外半径15 cm,总重量约116 kg。开展了永磁包装返波管的实验研究,得到以20 Hz的频率运行1 s时功率900 MW、单次运行时功率940 MW的X波段微波输出。

针对片上光互连用光源对谐振腔单色性、可调性的要求, 基于互补金属氧化物半导体技术和绝缘衬底上的硅材料, 设计并制作了一种基于微环谐振腔的可调谐硅基反射腔镜。利用转移矩阵方法分析了该反射腔的性能, 发现该反射腔具有较好的尖锐度和消光比。实验结果表明, 该反射腔在波长1549 nm处反射率可达90%, 品质因素Q值为3×104, 自由光谱范围(FSR)为9.6 nm。通过对微环谐振腔进行热光调制, 在0~40.5 mW功率范围内实现了在FSR内的波长可调。

设计了一个过模太赫兹返波管振荡器, 通过对慢波结构的精心设计, 使电子束动能得到充分提取, 实现器件的大功率及高效率运行。在电子能量和束流分别为280 keV和320 A的条件下, 当引导磁场强度为3 T时, 采用2.5维Particle in Cell (PIC)程序模拟得到频率为121.8 GHz、功率为13 MW的太赫兹波输出, 器件的束波转换效率约为14.5%。

结合低磁场返波管振荡器和虚阴极振荡器的优点, 设计了一个具有较高效率的虚阴极振荡器, 通过添加半反射腔, 使虚阴极在由阳极箔、波导和半反射腔组成的准谐振腔内形成, 实现器件的高效率、高功率运行。当电子能量和束流分别为480 keV和23 kA时, 采用2.5维粒子模拟(PIC)程序模拟得到频率为3.7 GHz、功率为2.6 GW的微波输出, 器件束波转换效率约为23%。

设计了一种带有反射腔的能在X波段实现稳定双频输出的圆柱结构相对论返波管, 采用2.5维相对论全电磁PIC粒子模拟软件行粒子模拟研究。仿真结果表明:在输入电压433 kV、引导磁场2.2 T的条件下, 实现了9.53, 10.09 GHz的双频稳定输出, 平均输出功率340 MW, 平均功率效率24.1%。

利用有限时域差分法模拟金属-绝缘体-金属布喇格反射腔的窄带滤波现象，发现在一维亚波长金属-绝缘体-金属波导的共振波长对应的电场振幅分布的波腹位置上打上直角型凹槽时，可以产生光子禁带和导带，本文主要研究其导带的成因及出现位置.其中光子导带对应的中心波长出现在共振波长附近；调节凹槽的几何结构，采用双重金属-绝缘体-金属布喇格反射腔组合的结构，可以达到很好的窄带滤波效果，使导带的中心波长位于上述共振波长附近，导带的半高宽度远小于中心波长的大小.利用这个方法，只需从最简单的一维金属-绝缘体-金属波导出发得到所需的金属-绝缘体-金属波导布喇格反射腔，就可以任意保留需要的波长透射峰，同时当其他入射波长入射时形成较好的光子禁带.

提出一种由二维光子晶体构成的四端口滤波器。该滤波器含三个微腔，其中两个是参数完全相同的波长选择性反射腔，用于波长选择性的反射反馈。 另外一个是下载腔，用于下载特定波长的光波。利用耦合模理论(CMT)分析了该滤波器的滤波特性，得出了实现完全下载滤波的条件，即通过改变两波长 选择性反射腔到下载腔之间的距离，使之满足晶格周期的奇数倍。并且用FDTD方法对该器件进行了数值分析，显示了该器件上下载的可行性。