衍射光学设计已经成为人工晶状体设计领域的新兴技术。本文首先分析了衍射多焦点人工晶状体的具体设计流程，提出了联合非球面衍射基底矫正像质的衍射多焦点人工晶状体设计；其次针对多焦点衍射光学元件相位结构提出并分析了基底参数对衍射效率的影响的数学模型；最后通过实例对人工晶状体设计中非球面衍射基底的影响作出了优化。结果表明，设计流程可用于设计高成像质量多焦点人工晶状体，基底影响模型可用于分析并优化衍射基底参数对衍射效率的影响。

空心高斯光束是一种不携带轨道角动量的空心光束，它的暗斑尺寸较小，函数公式简单，在原子引导、粒子操控、光通信等领域具有潜在应用价值。近年来，关于波带片的研究不断深入，通过使用等效光瞳函数理论，说明了波带片的焦平面复振幅分布函数正比于其等效光瞳函数的傅里叶-贝塞尔变换，可以通过此关系设计产生空心高斯光束的波带片。作为一个应用，分别计算了用来产生一阶、三阶、六阶空心高斯光束的波带片的等效光瞳函数，据此设计了这三个波带片的结构参数，并研究了改变波长和焦距对波带片结构参数和暗斑尺寸的影响。基于瑞利-索末菲衍射积分对这三个改进型菲涅耳波带片的焦平面光场进行仿真模拟，仿真结果与预期相符，验证了使用等效光瞳函数法设计波带片的可靠性和精确性。

为了抑制传统叉形光栅的高级衍射，提出了一种单一的光学元件，即变栅距叉形光栅，通过适当调节光栅线条的中心位置，有效地抑制了不需要的高级衍射。数值模拟和实验证明，变栅距叉形光栅具有良好的单级衍射特性，可以有效地抑制不需要的高级衍射，与理论预测几乎一致，三级衍射光强可从所需一级衍射光强的24%到弱于背景光强度。然后，分析了最大移动距离、周期和图形面积对抑制高级衍射的影响，同时证实了输出光束具有多拓扑荷的螺旋相位结构。变栅距叉形光栅的高级衍射抑制特性使其在成像、显微和粒子捕捉等方面具有广阔的应用前景。

为实现大口径拼接光栅拼接误差的高频高精度补偿的工程应用, 提出了一种基于小口径反射镜补偿大口径拼接光栅压缩器拼接误差的方法。基于双程Z型压缩器, 分析了小口径反射镜补偿量与拼接误差的关系, 采用光线追迹法和夫琅禾费远场衍射原理定量计算了各拼接误差补偿后对远场能量分布的影响, 证明了该方法原理的正确性, 并得到了直接驱动光栅与反射镜补偿时的各误差容限, 结果表明该方法能极大降低拼接光栅的精度要求。

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。

全息波导元件的设计通常会分解为光栅设计和波导设计, 这种设计过程并不直观, 且不适用于加工误差分析。为了解决上述问题, 提出一种全息波导元件的综合分析方法, 以二维出瞳拓展的全息波导显示系统为例, 针对波导上下表面不平行度、光栅结构参数进行误差分析, 以便了解上述误差对成像质量的影响。通过对模型参数的误差分析, 对实际的生产加工过程提出有意义的精度指导。

为了满足空间衍射成像系统对大口径、轻量化衍射元件的需求，设计制作了直径为400 mm 的聚酰亚胺(PI)薄膜菲涅尔衍射元件。通过紫外光刻、离子束刻蚀等微细加工方法在石英基底上制作衍射图形，然后将衍射图形复制到 PI 薄膜上得到菲涅尔衍射型薄膜元件。结合有限元法探究了薄膜复制过程中热应力的变化规律及降低热应力的方法，分析了影响薄膜衍射效率的因素及薄膜制作误差、温度变化对薄膜成像的影响, 最终实现了大面积薄膜与基底的分离，并通过局部氧气等离子体轰击提高了薄膜衍射效率的均匀性。经测试，薄膜菲涅尔衍射元件的厚度约为20 μm，在波长633 nm处的实际衍射效率平均值为33.14%，达到了理论效率的81.83%,衍射效率的均方根值RMS=0.01。实验结果表明，通过紫外光刻、离子束刻蚀和薄膜复制的方法可以得到大口径、高衍射效率的薄膜菲涅尔衍射元件。

基于夫琅禾费衍射理论，通过对衍射积分的核函数进行近似，推导并得出了简洁的经圆环形孔径衍射的高斯光束远场发散角的近似解析式。在不同衍射孔径外径和不同遮拦比的条件下，将该解析式与严格的夫琅禾费衍射积分进行比较，发现二者求出的远场发散角接近一致，最大误差不超过2.7%。与传统数值积分求取光束发散角相比，该近似解析式在避免繁琐的积分运算同时保持了较高的精度。该解析式成立条件为高斯光束的束腰直径大于等于3.5倍中心遮拦直径，且小于等于孔径直径；在实际工程应用中，特别是具有大口径、小遮拦比特点的空间激光通信光学天线这一应用场景，该条件一般能够被满足。

将夫琅和费衍射积分中的贝塞尔函数用高斯函数近似,得到经圆孔径准直光学系统衍射后高斯光束远场发散角的近似解析式.在不同衍射情况下,将其与严格夫琅禾费衍射积分进行比较,发现二者求解出的远场发散度接近.衍射孔径大小相同情况下,近似解析式与真实值的误差随准直前光束初始束腰的增大而减小;初始束腰不变的情况下,随着衍射孔径的增大,误差值略有上升,但最终趋于平稳.在初始束腰半径不小于2 μm的前提下,误差值最大不超过3.4%.该近似解析式在各种衍射情况下都能较为准确地表征准直圆孔衍射高斯光束远场发散度,且形式简单.对比不同衍射孔径和光束初始束腰条件下的光束发散度仿真结果可知,光束发散度随衍射孔径的增大而减小,随初始束腰的增大而增加.

搭建了基于液晶空间光调制器的光束变换光路系统,介绍了一种通过编写程序来实现特定的光束强度分布的方法.利用MATLAB编写了闪耀光栅、菲涅尔透镜、环聚焦透镜、柱面菲涅尔透镜、小孔以及衍射调制板的灰度光栅图,并将其加载于液晶空间光调制器上,成功实现了光束变换.