植被日光诱导叶绿素荧光是一种可以表征植被光合生产力的重要衡量指标。为了实现对植被日光诱导叶绿素荧光的广域精准探测，设计并研制了一种叶绿素荧光高光谱成像探测仪。该成像探测仪使用了基于棱镜-体相位全息透射光栅的全透射式光学系统，在高数值孔径（0.25）的基础上实现了高光学性能：可在20°视场和670~780 nm（可扩展至650~800 nm）工作波段实现1 mrad的空间角分辨率、0.3 nm的光谱分辨率和优于100的信噪比。由系统设计结果、样机测试结果和应用数据分析结果可知，样机完全满足设计要求。本仪器可为农林监测和碳循环观测提供重要的科学数据，并可作为陆地植被光合作用中有效的新型观测手段。

透射光栅副的Yaw向夹角误差是影响光栅信号质量的重要因素, 但现有的数学模型不能精确反映Yaw向夹角误差对光栅信号质量的影响规律。建立了同时考虑光电池性能参数、光电池安装位置、指示光栅与标尺光栅夹角误差等因素的光栅信号利萨如图形的数学模型, 研究了光栅副Yaw向夹角误差对利萨如图形形状的影响机理, 发现利萨如图形的离心率和倾斜程度与光栅副Yaw向夹角误差之间存在规律性的数学关系, 通过实测实验验证了该关系。数值仿真与实验测量得到的利萨如图形的离心率和倾角的相对误差分别小于1%和3%, 验证了数学模型的正确性和有效性。建立的数学模型和数值关系为光栅生产中的信号质量调整和运动部件(读数头)Yaw向运动误差实时监测和误差修正提供了理论基础。

先后采用平行光法和透镜成像法获得光斑, 比较这两种光斑对线阵CCD数据采集稳定性的影响。结果显示采用透镜成像法获得的光斑更窄、亮度更均匀、边界更清晰锐利, 线阵CCD数据采集的稳定性更高。提出了普通透光玻璃的拉丝形成抛物柱面透射光栅的模型, 解释了光斑出现明暗相间条纹和光斑波形上出现小峰的原因。小峰造成线阵CCD采集数据出现错误, 光斑像元值不稳定。采用光学玻璃作为透光玻璃, 消除了光斑波形上的衍射小峰, 有效地控制了光斑像元值的采集误差, 提高了测氧仪的稳定性和测量精度。

设计并制作了一种亚波长透射光栅,利用该光栅实现了半导体激光阵列光谱合束。基于严格耦合波理论,对光栅占空比、脊高和周期等进行了设计,模拟了不同结构参数对光栅衍射效率的影响,从而实现了光栅衍射效率的优化。理论计算表明,优化后的光栅对940 nm激光的-1级衍射效率可达92%。实验结果表明,激光阵列光谱合束后,输出功率为46.2 W,光束质量为3.9 mm·mrad。

基于标量理论研究了不同槽形角，不同刻线密度的透射式闪耀光栅对使用波段的影响，推导了闪耀透射光栅的衍射光能量分布规律。分析证明了透射闪耀光栅在衍射能量最强方向上衍射光的衍射角与入射光的入射角之间的关系满足Snell定律。给出了入射角、衍射角与槽形角之间的关系式，研究了不同刻线密度和槽形角条件下衍射光能量分布的规律。对闪耀透射光栅进行了测量和比较，结果表明：已有闪耀透射光栅测量的结果与理论计算数据相吻合。制备了聚二甲基硅氧烷（PDMS）可调谐闪耀透射光栅，应用研究的理论公式测量了该闪耀透射光栅在拉伸与自由状态下的闪耀波长和光栅刻线密度，结果显示其波长测量误差在5 nm以内。拟合了光栅的等效槽形，验证了实时监测PDMS光栅槽形和刻线密度随拉力大小变化的规律。

半导体激光器光谱合束技术能够实现近衍射极限的高功率激光输出, 已成为当前研究热点。衍射光栅的性能直接决定光谱合束的激光输出效果。模拟设计了一种针对940 nm波长、熔融石英材料的亚波长透射光栅。基于严格耦合波理论对光栅结构进行初步设计, 运用Rsoft软件依次对光栅占空比、脊高和周期等参数进行优化确定, 同时分析了各个参数对光栅衍射效率的影响。所设计的透射式光栅实现第-1级衍射级次的波分复用功能, 衍射效率达到91.2%(TE模式), 同时压缩其他衍射级次, 使其衍射效率降到1.2%以下。同时在光栅入射角度59°±3°范围内保持90%以上的衍射效率, 实现高功率激光输出的同时具有较高的误差容错率, 易于调节, 满足光谱合束技术的要求。

提出了一种用于飞秒钛宝石激光器的复合型透射式脉冲压缩光栅。该光栅由1 250 line/mm和3 300 line/mm两种光栅集成在一个熔石英基底上制成, 其工作中心波长为800 nm, 工作波段为700~900 nm。1 250 line/mm光栅用于脉冲压缩; 3 300 line/mm光栅的运用则有益于减少透射光栅的反射损失, 同时由于采用高频光栅结构代替了传统增透膜, 可有效减少光栅基底的波前形变。该复合光栅完全由熔石英材料构成, 故具有很高的损伤阈值。利用严格耦合波理论对该复合型透射光栅的微结构进行了优化设计, 结果表明: 1 250 line/mm光栅在中心波长800 nm处的-1级衍射效率可达98%; 3 300 line/mm增透光栅的透过率在700~900 nm波段可以达到99.7%以上。最后, 应用全息记录技术和离子刻蚀技术实际制备了Φ65 mm×1 mm的复合式透射脉冲压缩光栅, 实测衍射效率与理论设计相符。

结合普通透射光栅的分光特性和菲涅耳波带片的聚焦特性，提出一种应用于软X射线波段的新型透射式自聚焦光栅。根据菲涅耳衍射理论，对其衍射特性进行理论推导，证明该新型光栅存在一个与光栅平面垂直的焦平面，不同波长的光波聚焦于该焦平面的不同位置。在焦平面上，焦点位置随光子能量的变化是线性的，即能实现光子能量的线性测量。通过解析推导，得到在沿着焦平面和垂直于焦平面两个方向上光斑的展宽模式,发现该新型光栅在沿着焦平面的光斑展宽模式不同于普通光栅。根据基尔霍夫衍射公式，设置实用化参数，对其衍射模式进行了详细的数值模拟研究，并讨论了相应的测谱范围和谱分辨率。

大视场、超光谱分辨率、高空间分辨是光谱成像仪的发展方向，谱线弯曲和色畸变的抑制则是二维谱图信息准确提取的前提。提出了一种棱镜光栅光谱成像结构形式，并采用矢量方法构建了棱镜光栅组合色散元件的数学模型，优化了分光模块的结构参数，基于此组合色散元件设计了一个具有近直视光路结构的超光谱成像仪光学系统。该系统光谱范围为400~800 nm，入射狭缝长为14 mm，F数为2.4，其光谱分辨率达0.5 nm，调制传递函数(MTF)在探测器奈奎斯特频率68 lp/mm处均大于0.7，谱线弯曲和色畸变均小于1 μm，低于单个像素的13.5%。

同步辐射光源中的高次谐波会使透射光栅衍射效率标定精度变差。为了校正光源中的高次谐波对透射光栅衍射效率标定的影响，提出了一种光源存在弱谐波情况下的透射光栅衍射效率标定方法，通过使用谐波X射线的衍射效率修正基波衍射效率标定中谐波的影响，从而得到更为准确的透射光栅衍射效率。使用该标定方法在北京同步辐射光源上开展了透射光栅相对衍射效率标定工作。实验结果表明: 在100~800 eV存在高次谐波能段，修正后透射光栅一级与零级的相对衍射效率与理论模拟结果吻合较好，修正后光栅二级与一级的相对衍射效率更接近理论模拟结果，但与理论模拟结果仍有较大偏差，该偏差主要来源光栅较弱的二级衍射。