成功实现高转换效率的140 GHz TE_22，6准光模式变换器原型设计。基于周期微扰原理设计Denisov辐射器，实现低边缘绕射的初级出射波束。针对三镜面光路系统，采用全矢物理光学积分作为主要计算手段，围绕主极化场分量进行三级相位修正面迭代优化，实现高出射高斯纯度的模式场转换，其中一级镜的修正有效改善了辐射器出射的不理想性。基于全矢数值仿真确认，相比原二次曲面原型设计，相位修正后的变换器系统的出射高斯纯度从92.7%提高到99.6%，结合98.8%以上的功率传递效率，实现了性能优越的高阶回旋管准光模式变换器原型设计。

为满足聚变用170 GHz回旋管高功率输出和高效率传输的要求，需将高阶工作模式TE_25，10转换为高斯波束；针对这一技术需求，完成了170 GHz、TE_25，10模式高效准光模式变换器的设计，准光模式变换器由辐射器和镜面系统组成。基于几何光学和耦合波理论，完成了Denisov型辐射器相关设计；基于矢量衍射定理和相位校正算法，设计了由一个抛物面镜面、一个准椭圆镜面及一个相位校正镜面组成的镜面系统；使用Surf3D软件对辐射器进行了优化和计算，使用三维全波仿真软件FEKO对镜面系统进行了优化和计算，主要对辐射器微扰幅值、位置分布及相位差进行了优化。所设计准光模式变换器系统的能量转换效率约为95.2%，波束在输出窗处的标量高斯含量约为97.6%，矢量高斯含量约为91.8%，达到了回旋管的应用要求。

针对170 GHz回旋管研究，设计了一种高效Denisov准光模式变换器，该回旋管工作在TE31,8模式。模式变换器由微扰结构的辐射器和镜面系统组成。基于耦合模理论和矢量绕射理论，研究了两级微扰辐射器，优化设计了镜面系统。仿真结果显示，TE31,8模式转换为高斯光束，其输出功率转换效率为93.7%。

基于TE01圆电模研究了椭圆型准光模式变换器，并提出用于快速设计椭圆结构准光系统的修正公式。利用修正公式设计的准光系统由椭圆型Vlasov辐射器与准抛物面镜组成。计算仿真结果表明，该椭圆体系所辐射的波束具有辐射方向性更好，副瓣增益更低的特性，并且其尺寸相比于传统的圆体系更小。

设计和测试了内嵌准光系统的94 GHz回旋管，该系统主要用于研究毫米波辐射的非致命生物效应。为了减少大功率高频下的回旋管壁面加热问题，选择TE_+6,2模式作为工作模式。对于高阶模式，存在更多相邻模式，因此模式竞争会影响实验的稳定性和有效的可操作性。渐变腔已被设计为抑制单个腔中的模式竞争。另外，具有低衍射准光模式变换器的功率转换效率为98.54%。实验结果表明，回旋管输出功率为50.9 kW，效率为34.3%。对于非致死的生物效应研究，整体设计方案达到了预期的效果。

回旋管一般使用准光模式变换器实现高阶腔体模式到高斯波束的转换。结合标量衍射理论、KS迭代算法、几何光学、最小均方法等方法设计了工作频率为140 GHz（TE_{24, 9}）和105 GHz（TE_{18, 7}）的双频准光模式变换器。仿真结果显示所设计的准光模式变换器工作频率为140 GHz（TE_{24, 9}）时能量传输效率99.0%、高斯含量99.7%，工作频率为105 GHz（TE_{18, 7}）时能量传输效率97.3%、高斯含量98.0%。能够满足MW级双频回旋管的应用需求。