针对传统机械光栅周期不可调、检测精度低、无法实现光谱的连续扫描等问题,提出了一种基于石墨烯(GNP)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)构成的复合材料的低压直流电驱动可调谐纳米光栅,并对光栅整体结构进行了设计。利用COMSOL Multiphysics软件研究了光栅结构尺寸和驱动电压对光栅周期和膜层温度的影响规律。分析结果表明,在低电压驱动下膜层最大温度变化约为160 ℃,光栅周期在5 s内的最大调谐量为160 nm。此外,在不同的驱动电压下,光栅周期和膜层温度的变化规律是相似的,这满足了工业气体的不同检测需求。

采用双光束干涉曝光法制作大尺寸全息光栅时, 由于温度变化、空气流动、振动等因素的干扰, 曝光条纹相对于光栅基板存在平移和周期变化, 从而造成光栅对比度下降。分析了大尺寸光栅曝光过程中条纹的动态变化情况, 结果表明：3 h内条纹平移和周期变化的均方根值分别为1.87、1.20个条纹周期, 对比度的数值模拟结果分别为12.83%、67.37%.构建了由三组条纹监视系统、计算控制系统和两组压电位移台组成的曝光条纹锁定系统, 实现了条纹平移和周期的同时锁定.锁定之后得到的光栅槽型和对比度明显优于未锁定时的情形, 锁定精度为：平移3σ值为0.009个条纹周期, 对比度为99.99%, 周期变化均方根值为0.017个条纹周期, 对比度为99.77%, 满足大尺寸光栅曝光对条纹稳定性的要求.

利用传输矩阵法和有限元法分析了光栅周期、调制深度、锥腰直径和不同设计区段长度比等光栅制作参量和结构设计参量对双锥型光纤布喇格光栅光谱特性的影响.软件仿真结果表明: 限定相关参量后, 光栅周期增大, 双锥型光纤布喇格光栅整体反射谱右移, 与均匀分布光纤布喇格光栅光谱变化规律一致; 调制深度增强, 两主反射峰基本不变, 而两主反射峰中间的次级峰个数增多,光强增大;锥腰直径减小, 激发更多包层模, 干涉峰个数增多, 强度提升; 整根光栅长度保持1 cm不变, 锥腰区, 标准光栅区和渐变光栅区长度比直接影响次级峰的数量和幅值, 随着渐变光栅区长度占比的增大, 次级峰的幅值增大, 同时个数减少.双锥型光纤布喇格光栅可在多参量传感器、多通道滤波器、多通道半导体激光器、色散补偿和光上下载分插复用等方面广泛应用.

扫描干涉场曝光系统中的干涉条纹周期是相位锁定系统的重要参数，其设定值与名义值之间的偏差会引起相邻扫描间的干涉条纹相位拼接误差。为获取以扫描曝光方式所制作光栅的衍射波前特征，根据步进扫描曝光的特点及动态相位锁定的工作原理，建立了扫描曝光的数学模型，给出了曝光刻线误差及曝光光栅周期的变化规律，并进行了相关实验验证。结果表明，相位锁定中周期设定误差会带来周期性的刻线误差。曝光光栅周期会随周期设定值的变化而改变，当周期设定误差较小时，曝光光栅周期等于周期设定值。对于曝光光斑束腰半径为0.9 mm、曝光步进间隔为0.6 mm、曝光条纹周期为555.6 nm的系统参数，周期设定的相对误差小于278×10-6时，周期性的刻线误差小于1 nm。若要求曝光对比度大于0.9，则周期设定的相对误差需要控制在92.6×10-6以内，周期设定值及曝光光栅周期的可变范围为102.8 pm。

利用有限差分法和耦合模理论分析了光子晶体光纤结构参数等因素对光栅周期调节长周期光栅谐振波长作用的影响，结果表明：对于同种光纤，可通过增大或减小光栅周期来减小或增大谐振波长；若占空比f增大或减小，可通过减小或增大光栅周期来保持谐振波长不变；若比例系数M增大或减小，可以成正比增大或减小光栅周期来保持谐振波长不变；在只是空气孔层数增加的系列光纤中，在长波处，为取得同一谐振波长，光栅周期需要增大数个μm，但在短波处则正好相反；内层气孔对光栅周期调节谐振波长的作用影响较大，而第5层以外各层的影响十分微弱。综合利用这些规律，可以快捷地选择合适的光栅周期，高效率地制备有合适谐振波长的光子晶体光纤长周期光栅。

为了提高长周期光纤光栅对环境介质折射率的传感灵敏度，提出一种长周期光纤光栅的周期和包层半径的结构优化.基于长周期光纤光栅的耦合模理论，分析了长周期光纤光栅的周期和包层半径的大小分别与环境介质折射率传感灵敏度的关系，讨论了长周期光纤光栅的周期和包层半径对折射率传感的影响以及控制光栅周期与包层半径对折射率传感的重要性.为使优化的长周期光纤光栅具有实用性，谐振波长设计在1.55 μm的常规波长范围，经过多次摸拟实验，提出最佳优化参量为: Λ=380 μm，rcl=17 μm，对环境介质折射率从1.26~1.38不同值的实验测试，折射率传感灵敏度达到0.000 12，长周期光纤光栅的结构优化获得理想的预期效果.

设计了一种环带阶梯形光栅限幅器,理论推导并数值模拟了光束通过该限幅器后在限幅光阑平面上的光场分布,定量分析了光强分布随光栅参数的变化规律。结果表明:环带阶梯型光栅实际上是一种闪耀光栅,选择合适的结构参量,可使能量集中分布在偏离光阑中心较远且宽度较大的圆形环带上;亮环位置由光栅递增厚度、光栅周期等参量确定;衍射最亮环位置随光栅递增厚度的增加周期性改变,当递增厚度满足一定条件时,最亮环位置与入射激光波长无关,这对设计多波段的光限幅器比较有利。

基于耦合模理论和微扰近似,研究了长周期光纤光栅(LPFG)弯曲传感特性与弯曲曲率及光栅结构参数(光栅长度和栅格周期)之间的关系。当弯曲曲率增大到某一值时,一个透射峰分裂为两个,两个分裂峰的谐振波长与弯曲曲率的变化关系呈二次曲线关系,与栅格周期成反比变化,而与光栅长度基本无关。利用B-Ge共掺单模光纤制作的LPFG证实了理论的正确性,且具有很好的重复性。