本文研究了一个循环四能级原子系统中的增益相位光栅效应，基于微扰理论，用密度矩阵方法计算了稳态条件下信号场的极化率，分析了影响信号场衍射效率的相关因素。结果表明，在循环四能级原子介质中，合适的抽运场、调制场和耦合场共同作用，使得信号场产生增益。当光场失谐较小时，利用抽运场、调制场和耦合场可以调控信号场的振幅和相位，使信号场的能量放大，并将能量从零阶衍射方向转移到高阶衍射方向。当抽运场拉比频率约为1.67γ时，一阶衍射效率急剧增加，说明在调控过程中有阈值产生。该光栅在全光开关、全光调制、全光逻辑门等新型光子器件中具有重要的应用。

原子相干是控制光与原子相互作用的有效方法。本文对比研究不同三能级原子系统中自发辐射相干对电磁感应相位光栅的影响。结果发现, 自发辐射相干可以显著增强一阶衍射效率, 但是不同系统一阶衍射增强的程度不相同, 与原子相干程度的依赖关系也有区别。对于Lamda和Ladder型系统, 一阶衍射效率随自发辐射相干程度的增强而增强, 其中Ladder型系统更明显。与此不同, 对于V型系统, 在自发辐射相干程度相对较小的区域出现一阶衍射效率的增强。

利用空间光调制器可编程的特性，模拟周期、相位调制深度可调的数字正交相位光栅。在分析正交相位光栅结构的基础上，推导了其透过函数、远场衍射光场和衍射效率的计算方法，讨论了光栅周期T与相位调制深度?对正交相位光栅衍射特性的影响。仿真和实验结果表明：在0~π的相位变化范围内，零级光相对光强随着相位深度的增大而逐渐降低，8个1级光光强逐渐增强；当?=π时，零级光相对光强达到最小值0.25，此时一级光衍射效率最高为56.96%；在π~2π的相位变化范围内，零级光相对光强随着相位深度的增大而逐渐增强，而8个1级光光强逐渐减弱。该研究为正交相位光栅的应用提供了理论依据。

为了提高相位光栅位置测量系统的测量精度,需要降低零级和偶衍射级次信号的衍射效率,同时提高高奇衍射级次信号的衍射效率。目前,已知的增强型相位光栅衍射效率模型限制了结构参数取值范围,在设计时以某一高奇衍射级次信号作为优化目标。为设计针对多个高奇衍射级次信号的衍射增强、零级和偶衍射级次缺级的相位光栅结构,对增强型相位光栅衍射效率进行了深入研究。该研究基于标量衍射理论,建立相位光栅结构与衍射效率理论模型;分析光栅结构参数如槽深、栅脊宽度、栅脊位置对衍射效率的影响;根据相位光栅位置测量系统的约束条件,获得多奇衍射级次增强型光栅结构。这种结构不仅使零级和偶衍射级次缺级,而且同时提高了第5、7、9衍射级次的衍射效率。本研究有利于深入理解增强型相位光栅衍射原理,为光栅设计提供支撑。

微距光谱分束是红外领域小型双波段成像系统的关键技术之一。利用菲涅耳衍射理论和角谱理论, 研究了双波长和宽角度入射光场通过阶梯光栅在分数泰伯距离下的衍射特性。建立了基于阶梯光栅的双探测阵列成像模型, 数值模拟了入射波长分别为4 μm和4.5 μm的光束在-30°~30°入射角度范围的光栅分束结果, 获取了探测面上的发光强度、能量和信噪比等参数值。此文的研究成果可为构建微型双波段成像装置及设计精密光谱分束器件提供理论支持。

为了提高对液晶空间光调制器(LC-SLM)的校准精度, 采用高位深相位光栅图对LC-SLM进行了标定。在LC-SLM上加载16位深度相位光栅图, 并使光束经LC-SLM调制后生成衍射光斑; 测量衍射光斑中心光强, 经过计算分析得出计算机灰度信号与相位调制量之间的映射关系, 最终得出针对488nm激光的LC-SLM标定LUT文件(LUT16)。结果表明, 在LC-SLM上加载0~2π涡旋相位, 并结合LUT16文件调制光束可以得到光斑质量很好的中空光斑,这与结合LUT8文件调制的中空光斑相比, 光斑质量从0.53提高到0.76, 提高了1.43倍。针对特定波长, 利用高位深相位光栅图标定LC-SLM得到的LUT文件可以使LC-SLM根据加载相位对光束进行有效调制, 且调制效果优于结合LUT8对光束进行调制的结果, 对LC-SLM的校准精度得到提高。