针对光束在级联式液晶偏振光栅传播过程中的斜入射现象会改变其椭圆率进而降低衍射效率的问题，提出了基于偏振补偿的级联式液晶偏振光栅衍射效率优化方法。运用扩展琼斯矩阵分析斜入射角度对液晶偏振光栅相位延迟的影响，结合斯托克斯参数求解不同斜入射角度下液晶偏振光栅出射光束椭圆率的变化，利用矢量衍射理论完成级联式液晶偏振光栅衍射效率模型的建立。基于液晶分子指向矢分布建立斜入射下液晶电控波片的坐标系，分析斜入射角度对液晶电控波片相位延迟的影响，推导出液晶电控波片相位延迟与椭圆率的关系。通过优化液晶电控波片的工作电压补偿斜入射造成的退偏量，实现对椭圆率的偏振补偿。搭建实验平台验证了理论的准确性与方法的有效性。根据测量结果可知，当光束偏转角度从-5°偏转到5°时，本文所提方法提高了级联式液晶偏振光栅3%~4%的衍射效率。

为了表征光束倾斜入射下液晶偏振光栅的衍射特性，提出了液晶偏振光栅斜入射角度-驱动电压-衍射效率的三维模型建模方法。该方法利用吉布斯自由能方程，求解液晶分子指向矢，得到驱动电压与液晶分子倾斜角的表达式，推导出斜入射角度与相位延迟量之间的关系，结合扩展琼斯矩阵表征不同入射角度下液晶偏振光栅的透过率，通过矢量衍射理论，建立了斜入射角度-驱动电压-衍射效率的三维模型。该模型不仅可以定量求解不同斜入射角度下液晶偏振光栅衍射效率，而且能够实现衍射效率最优时驱动电压的标定。通过仿真分析和实验对该模型的有效性进行了验证，结果表明：光束入射角度从0°倾斜到10°时，最优驱动电压由2.2 V降低到2.0 V，液晶偏振光栅衍射效率从85%下降到78%；光束入射角度从0°倾斜到−10°时，最优驱动电压由2.2 V升高到2.4 V，液晶偏振光栅衍射效率从85%下降到74%。

正交级联液晶偏振光栅可实现光束大范围偏转，在空间激光通信与激光雷达等领域具有广阔的应用前景，其大部分应用领域均需要同时发射激光与接收激光，如何解决发射光与接收光分离的问题尚未见报道。针对这一问题，文中根据1/4波片、1/2波片以及液晶偏振光栅理论推导了线偏振光源经过被动液晶偏振光栅层以及正交级联液晶偏振光栅后偏振态的变化，验证了出射光偏振态与光束偏转角度的可逆性。采用偏振分光棱镜、1/4波片、1/2波片、正交级联液晶偏振光栅等器件设计了一种可实现发射光与接收光偏转与分离的光学结构，构建了测试系统，最后通过测试结果证明了理论的正确性与结构的适用性。

目前正交级联液晶偏振光栅使用过程中的偏转角度均被认为是其角分辨率的整数倍，实际使用过程中，正交级联液晶偏振光栅的偏转角度与设计角度存在一定偏差。针对该问题，给出了正交级联液晶偏振光栅偏转角度计算模型。首先根据单片液晶偏振光栅角度偏转理论，推导出级联液晶偏振光栅偏转角度公式，然后进一步推导出二维正交级联液晶偏振光栅角度偏转模型，分析了二维正交级联液晶偏振光栅角度偏转范围与角间隔之间关系，分别计算出满足一定角度范围的角间隔，满足一定角度间隔的角度范围以及同时满足角度范围、角度间隔的设计角间隔。最后分别利用光学设计软件建立了精度为0.001°的软件模型并构建测量精度为0.1°的实物测试系统，证明了角度偏转模型的准确性。