基于原有Littman-Metcalf型光栅外腔半导体激光器的工作原理，设计了一种可以降低衍射损耗的外腔结构。在Littman-Metcalf结构的基础上增加一个反射镜，将闪耀光栅二次衍射产生的零级衍射光反馈回半导体激光器本征腔。推导了新结构模型外腔损耗的表达式，通过等效腔的概念对两种结构激光器的外腔损耗、阈值电流、输出线宽以及输出功率进行了仿真分析。结果表明：将二次衍射产生的零级光反馈回有源区可有效降低Littman-Metcalf结构激光器的外腔损耗，提高了系统的耦合效率，从而降低阈值电流，提高了激光器的输出功率。同时，由于提高了外腔反射效率，该外腔结构进一步压窄激光器的输出线宽。对影响低损耗Littman-Metcalf外腔激光器输出线宽以及输出功率的因素（端面反射率、内外腔长、闪耀光栅衍射效率以及反射镜反射率等）也进行了仿真分析，为后期激光器制作提高了理论指导。

等离子体加工技术是近年来发展起来的先进光学制造技术，具有快速缓解或去除传统光学加工方法导致的表面/亚表面损伤，以及高效、高精度和高分辨率修整光学面形的优势。从等离子体光学加工基本原理出发，基于等离子体激发频率与特征对发生器进行了简要叙述；进一步对各研究机构在等离子体加工技术涉及的射流特性、界面物化反应、损伤去除机理、去除函数、加工热效应和工艺定位等关键技术研究内容及成果进行分析，并对等离子体的新型光学加工技术进行介绍。随着研究的不断深入，构建多物理场和化学反应综合作用下的等离子体加工模型，揭示表面等离子体特性分布与去除函数的内在联系，从而建立准确的去除函数模型，是提高修形精度的发展方向，研究热效应控制方法和补偿策略在降低由热效应带来的修形误差方面起到了重要作用。

以光栅外腔半导体激光器的理论知识为基础，对Littman-Metcalf型外腔半导体激光器的工作原理进行了说明，并详细地讨论了外腔半导体激光器的线宽压窄以及模式选择机制，采用严格的耦合理论和光线变换矩阵推导了系统结构参数对光场耦合效率影响的计算公式。同时，对影响Littman-Metcalf外腔激光器输出激光线宽的几个重要因素进行了分析，重点讨论了系统中准直透镜位置失调导致的线宽变化规律。计算结果表明：合理地控制Littman-Metcalf光栅外腔半导体激光器的外腔参数可以将中心波长为785 nm半导体激光器的本征线宽压窄四个数量级，该外腔系统中准直透镜位置失调会影响系统出射光场与经外腔反馈光场之间的耦合效率，进而影响光栅外腔半导体激光器的输出线宽。

窄线宽激光由于其具有单色性好、 稳定度高、 相干长度长等优点, 广泛应用于光电检测领域, 包括相干通信、 精密测量、 光学频率标准、 吸收光谱计量以及光与物质相互作用研究等。 目前频率稳定的氦氖激光器线宽可以达到MHz量级, 分布反馈式(DFB)光纤激光器线宽可达kHz量级, DFB半导体激光器线宽可以达到MHz量级, 然而光栅反馈半导体激光器可以实现百kHz量级线宽的输出。 为了进一步压窄各类激光器线宽, 需要通过反馈控制技术来锁定激光到某一频率参考。 该研究将自行设计的超稳腔作为频率参考, 实现了632.8 nm外腔半导体激光器(ECDL)线宽的有效压窄。 本窄线宽激光产生系统的研制包括超稳腔设计、 光路设计、 ECDL频率控制以及系统集成。 超稳腔采用两镜法布里-珀罗腔(F-P腔)结构, 腔体是膨胀系数约为10^-6 K^-1的微晶玻璃, 腔镜为一对反射率达99.988 5%(±0.003 5%)的平面镜和凹面镜。 为进一步减小外界环境对F-P腔腔长的影响, 需要对腔体进行温度控制, 本系统采用四片总功率为96 W的半导体制冷片以及水冷散热设计。 同时为了降低声音和空气流动对腔模频率的影响, 将F-P腔置于真空度为10^-5 torr的真空室中; 另外为了有效隔振, 腔体与真空室用硅橡胶材料隔离。 该系统采用的ECDL为德国Toptica公司的DL pro系列激光器, 其具有压电陶瓷(PZT)和电流调制两个频率控制端, 响应带宽分别为1 kHz和100 MHz。 激光器的频率控制采用了Pound-Drever-Hall (PDH)锁频技术, 18 MHz的调制频率加载到激光器的电流调制端, 通过对F-P腔的反射信号进行解调获得误差信号, 通过两路反馈控制, 实现了近1 MHz的锁定带宽。 通过对系统的不断优化, 最后将自由运转状态下约300 kHz的激光线宽压窄到了10 kHz量级, 并且系统运行稳定, 连续12小时锁定的频率漂移量约为30 MHz。 该研究研制的632.8 nm窄线宽激光源不仅可以应用到吸收光谱计量领域, 同时也可以在光学面型精密测量领域发挥重要作用。