本论文以斜入射光反射差法(oblique incidence reflectivity difference或OI-RD)为主要研究方法，并结合线性光学衍射法(linear optical diffraction或LOD)，表面等离子体共振(surface plasmon resonance或SPR)，原子力显微镜(AFM)和反射式高能电子衍射(RHEED)等技术，研究了氧化物薄膜的生长和氧化过程，以及金属铜表面的氢原子和氙原子的扩散与脱附等表面动力学过程。不仅证明了OI-RD是一种高精度的原位实时监测方法，而且得到一些氧化物薄膜外延生长，气体分子在金属表面扩散、吸附等机理相关的定量结果。 　　 1.利用一个四层模型(外界氛围/表面层/薄膜层/基片)，笔者推导出对应单原胞层薄膜生长所对应的光反射差信号的解析表达式。从解析式发现光学信号主要包括三部分：一项基本正比于薄膜表面的粗糙度，一项正比于薄膜表面台阶面包含的原胞密度，另一项正比于位于台阶边位置的原胞密度。各项的比例系数与薄膜的总厚度和化学组成有关。并通过金属表面气体薄膜的生长、氧化物薄膜的生长等实验结果证实解析式结论的基本正确性。在解析方法的基础上，我们还利用数值方法来模拟光学信号。利用蒙特卡罗(Monte Carlo)方法模拟薄膜生长，通过一个平均场模型计算光反射差信号。数值模拟结果很好的再现了实验信号，验证了解析推导结果的合理性。我们对生长和退火的OI-RD信号的分析表明：氧化物薄膜在真空中退火易脱氧，在一定的氧氛围中退火则可能增加其氧含量；退火信号主要来源于台阶面物质性质的变化，这个变化反映为其光学介电常数随时间以指数形式变化。 　　 2.在氧化物薄膜的连续外延生长过程中，我们实时监测到对应于薄膜层状外延生长的OI-RD的连续振荡信号。这些OI-RD振荡信号其实反映了氧化物薄膜的氧化动力学和生长动力学两种信息，但要从这样的光学信号中提取出任一动力学信号是困难的。为进一步理解OI-RD的信息，在实验上采用间隙式生长的方法，单原胞层薄膜沉积完毕后，使薄膜获得一段退火时间。在这段退火过程中，氧化还原起了主要的作用。我们可以通过对光学信号随退火时间指数变化的拟合，来确定整个薄膜外延过程中氧化动力学对光学信号的贡献，这样我们可以从整个光学信号里扣除氧化动力学的贡献。从而首次从OI-RD实时监测信号中提取出类似于RHEED信号的薄膜生长动力学信息。最后，我们利用一个简单的生长模型模拟生长动力学信号，确认可以从光学信号中获得薄膜生长动力学的重要参数(如表面台阶密度)。　　 3.利用相干的两束脉冲激光束，我们在金属铜(111)表面制备了1～6原子层的氙(Xe)原子密度光栅(density grating)。利用产生的光栅，我们通过光反射差技术来激发表面等离子体共振波。通过两个不同波长探测光(532 nm和632.8 nm)测得的共振角，确定该波长对应的单晶铜的光学介电常数。利用氙原子密度光栅，我们还研究了氙原子的扩散。通过实时监测共振角对应的等离子体共振峰强度的衰减，我们研究了45～54 K温度范围内氤原子在氙薄膜(111)表面的扩散与脱附过程。通过扩散系数和温度之间的关系，我们获得的激活能大小约为0.13 eV。这远远大于单个Xe-Xe键能(0.02 eV)，暗示在该温度范围内氙原子从表面层氙小岛不断分裂出去的进程在整个表面扩散过程占主要地位。 　　 4.利用氙原子密度光栅为模板，我们制备了单原子层的氢原子密度光栅。通过实时监测从光栅产生的一级线性衍射信号强度随时间的衰减，我们研究了80～210 K温度范围内氢原子在铜(111)表面的扩散。氢的扩散系数在这段温度范围内变化接近8个数量级。并观测到氢的扩散在140 K左右发生明显的转变，即激活能明显变小。我们推断这个转变正是从经典势垒翻越跳跃至量子隧穿。隧穿的激活能仅有0.023 eV，说明这个隧道效应极有可能是建立在小极子协助下的基态隧穿(tunneling through ground-states by small polaron effect)。