利用厚体布拉格光栅的波长选择特性对目标光场进行窄带滤波，是实现高光谱成像的一种新途径。基于严格耦合波理论，设计了体布拉格光栅结构，探索了厚体布拉格光栅的制作工艺，搭建系统光路验证了体布拉格光栅的光谱成像能力。研究结果表明：要获得较窄滤波谱宽，需要提高体布拉格光栅的厚度周期比，并严格控制入射光束发散角；刻写光束质量、震动和偏振会极大地影响制作的光栅条纹面质量，需要从优化写入光的光束均匀性、采用防震措施以及调整两刻写光束偏振一致性等方面优化刻写过程，以提高光栅的衍射效率和质量；验证了体布拉格光栅滤波片进行空间二维面阵成像的能力，宽谱光源透射条件下，通过对入射光束进行准直，滤波谱宽5 nm左右，空间分辨率约4 lines/mm；漫反射条件下，使用体布拉格光栅对进行色散补偿，能够实现较为清晰的成像，空间分辨率约4.9 lines/mm。

为了在有限带宽内增加参与谱合成的光束数目, 研究了光栅结构参数对光栅波长选择特性和串扰的影响, 给出了相应的优化设计方法。研究结果表明, 相比于透射式体全息光栅, 反射式体全息光栅的波长选择性曲线主瓣具有接近方波的形态, 更适合作为合束器件。为抑制串扰, 设计体光栅时应该增加光栅厚度, 减小折射率调制度和光栅周期, 并选用较小折射率的光栅介质。切趾技术可以进一步抑制串扰, 但会增加波长选择宽度, 实际中兼顾制作工艺的难度, 选用线性切趾体全息光栅是较为理想的方案。

提高各通道输出光信噪比，进行了复用体全息光栅的优化设计研究。推导了适用于角度放大器的多路复用体光栅耦合波理论，并与单路耦合波理论进行了比较。针对复用体光栅中的串扰问题，研究了调整光栅结构参数优化串扰的规律，并进行了实验验证。研究结果表明: 当相邻两路体光栅的布拉格角间隔小于二者角度选择半宽之和时，相互间串扰较强，必须使用多路耦合波理论描述复用体光栅中波的衍射行为。调整相邻路体光栅的矢量倾斜角间隔、减小光栅周期和增加光栅厚度都可以降低串扰，其中调整矢量倾斜角和光栅周期优化效果明显但会降低角放大率，增加介质厚度不影响角放大率但需要厚度增加数倍才有效。

相位型液晶空间光调制技术已经广泛应用于自适应光学、信息光学等领域，然而一直存在着响应速度较低的问题。为了提高相位型液晶空间光调制器的响应速度，采用聚合物网络液晶制备近红外波段亚毫秒响应相位调制器，并对其光散射特性和瞬态响应特性进行了研究。通过降低聚合反应温度并提高紫外(UV)固化照度，可以降低器件的光散射强度，实现较好的相位调制。在此基础上，初步研究了聚合物网络形貌对最大光散射强度的影响。在高电压加载下，聚合物网络的电致伸缩效应会极大降低聚合物网络液晶的响应速度，使其达到秒级，经分析认为通过采用高介电各向异性的液晶材料可以降低阈值电压，提高器件的响应速度。

为了扩展光学相控阵的角度扫描范围，设计了基于体全息光栅的放大级，研究了光栅结构参数及其制作误差对性能的影响规律，提出了容差优化方法。研究结果表明：光栅厚度和折射率调制度是影响衍射效率的主要参数，光栅周期和光栅厚度是影响角度选择性的主要参数。光栅出入射角由光栅周期和光栅矢量倾斜角决定，在保持角放大率不变时，可以通过在出入射面内旋转介质调节这两个参数。实际制作中，光栅周期误差和光栅矢量倾斜角误差会导致衍射角偏离设计值，读出光波长越长，光栅周期误差的影响越小；光栅后面介质折射率越高，光栅矢量倾斜角误差影响越小。增加光栅厚度设计值可以减小光栅厚度误差对衍射效率的影响，而减小光栅厚度设计值可以减小折射率调制度误差对衍射效率的影响，实际制备时，需结合系统需求进行综合设计。

衍射效率和扫描范围是影响液晶相控阵实际应用的关键指标，为了实现较大的扫描范围，需要制备高分辨率的液晶相控阵器件，然而在高分辨率下液晶的非线性关联效应会影响其衍射效率，从而限制了其扫描范围。从非线性关联机理出发，数值模拟了明确影响衍射效率的关键因素。通过观察液晶材料参数和器件结构参数对衍射效率的影响，明确优化器件衍射效率的方向。基于优化控制思想，采用优化算法应用合适的电极电压进一步提高器件的衍射效率，减小非线性关联效应的影响，为同时实现较大扫描范围和较高衍射效率的液晶相控阵奠定基础。

为获得较大的光束电控偏转范围，使用空间分辨力高达8 μm的反射式液晶空间光调制器实现了对入射632 nm激光的电控偏转。利用双光束共焦干涉方法测量了液晶空间光调制器的电控相位延迟特性，最大相移量可达3π。根据二元光学理论和器件的电控相位延迟特性，设计了周期台阶相位模式和相应的加载灰度图，以最大衍射效率实现对入射光束的闪耀电控偏转。结果表明：相位模式台阶数为8时，可以实现10 mrad的光束偏转，闪耀级次衍射效率可达46%。利用二元光学的衍射模型对影响衍射效率的关键因素进行了分析，认为器件较低的填充因子和周期台阶模式相位重置点诱导的指向矢回程区是限制光束衍射效率的主要因素。