基于严格耦合波分析方法和模拟退火优化算法,设计了一种在正入射条件下具有宽入射波长和角度范围的偏振无关高效率多层倾斜光栅。为了提高衍射效率和带宽范围,提出了一种折射率渐变的四层三明治光栅结构。基于这种结构,设计了一种可见光波长范围内偏振无关异常反射光栅器件。数值结果表明,正入射下,该光栅具有130 nm(550~680 nm)的波长带宽,在此范围内-1级衍射效率均高于93%,同时偏振相关损耗均小于0.2 dB。此外,这种光栅结构还具有47°(-2°~45°)的入射角度带宽,以及较大的制造容差范围。因此,本文提出的这种多层斜光栅在虚拟现实和增强现实显示系统、基于超表面的器件,特别是可见光波段的超透镜等方面具有潜在的应用价值。

在传统的场匹配理论的基础上建立起盒型窗的通用传输参数矩阵, 并提出了一种新型的混合模式传输方法来扩展盒型窗带宽．在研究结果的基础上, 通过理论分析和数值计算得到了能满足Q波段超宽带带状束行波管所需求的新型混合模式传输盒型窗的初始结构和尺寸、利用三维高频分析软件HFSS优化并得到了最终结构参数．通过仿真验证和热分析, 证明了新的混合模式紧凑型盒型窗在34~52GHz频带内平均功率容量达到10kW、反射系数小于-18dB、相对带宽超过40%．冷测实验结果证实了盒型窗在要求带宽内反射系数均小于-18dB, 能满足实际器件的指标要求

微型拉曼光谱仪的核心部件是分光芯片，研制出适应微型拉曼光谱仪微型化、加工精度高、成本低的新型分光芯片对于打破目前的国外技术专利封锁，获得属于我国的自主知识产权具有重要意义。将本来诞生于光通信领域的阵列波导光栅用于微型拉曼光谱仪是研究的新思路，其具有尺寸小、精度高、工艺简单、易于批量生产的优点。总结介绍了用于微型拉曼光谱仪分光芯片的阵列波导光栅在国内外的研究进展，并且作了相应的分析，提出了一定的改进方法。

提出了带有光子晶体环形谐振器(PCRR) 的二维光子晶体弯折波导结构，采用有限差分时域法分别研究了带有3×3结构和带有4×4结构PCRR的光子晶体波导中电磁波的传输性能，分析了其结构整体介质柱相对介电常数取3组不同值时的传输性能，结果表明：使用带有PCRR的波导能实现电磁波的低损耗传输。此外，该结构还具有宽频带和结构紧凑等特点，在光通信器件制作、光子晶体集成制作等方面具有潜在的应用价值。

二元光学元件具有许多传统光学元件无法比拟的优越性。利用2个二元光学元件作为系统的物镜和目镜，通过确定各元件的基本结构、孔径大小，设计了25 m的超大孔径反衍混合望远系统。所设计系统的弥散斑大小及MTF函数都能够达到设计要求。使用谐衍射透镜代替普通衍射透镜，对系统进一步改进，使望远系统获得了较宽的光谱范围。试验结果表明：改进后的系统无论在单一光谱、多频带光谱或者连续光谱范围，都能够获得接近衍射极限的成像质量。

在光纤光栅制作过程中，宽带光源经常被应用于在线监测光纤光栅的反射率，以便适时有效地控制生成的光栅的透射率的高低程度。利用中心波长为971nm的半导体激光器抽运一段Yb³⁺掺杂双包层光纤，制作出了一个宽带超荧光光源，该光源在最大功率输出时谱宽达到了75nm，并在1085nm附近10nm范围内荧光谱的输出功率高，有较好的光谱平坦性。还利用该宽带光源作为光纤光栅制作的监控光源，制作出了单模和多模光纤布喇格光栅，取得了令人满意的实验结果。结果表明，该宽带光源完全可以适应监控光纤光栅制作的需要。

研究了非均匀加宽放大介质中宽带啁啾激光脉冲的放大情况。基于在啁啾较大时,脉冲在时域和频域具有相同的波形,时间和频率满足线性关系,建立了宽带激光在非均匀加宽介质中的放大模型。探讨了宽带线性啁啾脉冲在非均匀加宽介质中的放大特性和脉冲放大的整形补偿的可行性。

从麦克斯韦方程出发,建立了宽带高功率激光放大系统的理论模型,同时用数值方法对宽带和窄带高功率激光放大器进行了计算,讨论了增益变窄效应在放大系统中对放大脉冲的影响,从理论上提出并验证了消除由放大介质发射截面不对称对脉冲造成的畸变的方法.论文对正确设计高功率激光驱动器也具有一定指导价值.