基于轴锥镜和瑞利-索末菲矢量衍射理论，对无衍射光的产生及产生后的光场进行详细的理论分析。采用数值模拟对两束无衍射光的空间光场分布和轴上光强分布曲线进行仿真，基于锥镜加工工艺，对锥镜的锥角和第一、第二轴锥镜出射后的光束进行光场分析。结果表明：当第一轴锥镜的锥角小于第二轴锥镜时，出射光束在干涉重合区的光强为两部分光场的耦合叠加，并产生新的无衍射光束；反之，出射后的两束无衍射光不重合，继续保持各自的无衍射特性。其次，出射光束沿垂直于传输方向上的横截面上呈同心圆环分布，且同心圆环的半径随传输距离的改变而改变。从理论和模拟上均实现了两束无衍射光束的强度分布、光束分布及圆环环径的可调，这对无衍射光束应用于大尺度空间精密测量、粒子微操纵等领域具有重要的指导意义。

针对大口径衍射光学元件快速高精度分析难题，提出了基于响应函数的光场调制分析方法。首先，将衍射元件表面的微结构分解成多个台阶结构；然后，使用严格矢量理论方法计算台阶对入射光场的调制作用，并转化成阶跃响应函数；最后，利用相干合成原理将每个台阶的阶跃响应函数合成为微结构对入射光场的响应。分析了微结构最小线宽、响应函数作用范围和台阶定位误差等对计算精度的影响，并利用所提方法计算了不同口径衍射透镜的近场及远场分布。结果表明，即使存在25 nm的台阶定位误差，透镜远场的最大光强和衍射效率与严格矢量理论计算结果的差异仍然小于2%，同时计算效率提升了至少3个数量级，可见，所提方法可兼顾大口径衍射元件分析的精度与速度。

为研究艾里光束的聚焦特性，基于几何相位推导出了圆柱坐标系下聚焦区域附近电磁强度矢量和能量通量的理论公式，并利用矢量衍射理论对其可行性进行了验证。结果表明：几何相位调制参数可以显著改变艾里光束的主瓣尺寸、光瓣间距和能量分布；通过在艾里光束原立方相位基础上引入涡旋相位，有效地转换了光束主瓣的能量和相位，且光束主瓣不再保持原有形态。本研究为艾里光束在光学采样与操作、光通信、数据存储和成像等领域中的应用提供了一定的基础。

为了研究角向偏振艾里光束的紧聚焦特性, 采用理查德-沃夫矢量衍射理论分析优化了艾里光束的指数衰减因子、主环半径与比例因子对其入射光场分布的影响; 分别研究了角向偏振艾里光束聚焦场分布与涡旋滤波器调制的角向偏振艾里光束的聚焦场分布, 得到亚波长的角向中空场分布与亮场分布, 实验结果与理论模拟基本一致。进一步利用粒子群算法设计多环涡旋相位滤波器调制角向偏振艾里光束, 紧聚焦后得到了超长无衍射超分辨的横向偏振光针。结果表明, 光针的半峰全宽为0.395λ, 聚焦深度为37.432λ, 纵横比达到94.788; 通过计算斯托克斯参量分析聚焦光场的偏振分布, 发现聚焦光场在径向偏振与角向偏振之间交替变化, 且光束中心奇异点消失, 实现了横向偏振的亮场分布。该研究在高密度的磁光存储、超分辨的光学成像、纳米光刻与粒子操作等领域具有广泛的应用。

针对可见光与红外大口径薄膜衍射光学系统在空间上应用的可行性问题,提出基于二维时域有限差分法的大口径衍射光学成像特性的仿真模型与快速分析的计算方法。首先充分考虑大口径衍射光学元件的亚波长微结构尺寸的电磁场调制特性,建立亚波长结构尺寸的衍射光学系统成像特性分析模型;然后通过矢量化编程和GPU加速运算提出快速求解方法,有效解决由矢量计算所致计算量庞大的问题;最后利用建立的成像特性分析方法对大口径衍射光学系统进行成像特性分析实验。实验结果表明:该方法可在有效表征亚波长微结构衍射光学系统成像特性的基础上,实现衍射光学元件成像特性的快速分析。

基于瑞利-索末菲矢量衍射理论和振幅透过率函数,研究了轴锥镜的柱矢量光束聚焦特性。研究结果表明,径向偏振光的矢量聚焦场由径向分量及轴向分量构成,而角向偏振光的矢量聚焦场仅由角向分量构成,同时聚焦场焦深随束腰半径的增大而增加。相较理想情况,锥顶为双曲线时,焦深几乎不变,但光强因干涉效应发生振荡,其依赖于入射光的束腰半径,当径向偏振光束腰半径达到4 mm,角向偏振光束腰半径达到3.5 mm时,振荡现象消失。研究结果为轴锥镜的实际应用,以及进一步完善柱矢量光束聚焦场理论提供了参考。

由于热红外高光谱成像仪的狭缝宽度与成像波长在同一量级, 光在其内部传播时能量发生损失而不能全部被探测器像元接收, 因此基于几何光学的计算像元能量的方法已不再适用。为了探究能量损失情况, 采用时域有限差分方法计算了热红外高光谱成像仪中光聚焦入射狭缝前表面时狭缝后光强的分布, 并利用瑞利-索末菲矢量衍射理论得到了远场光强分布, 从而分析了不同狭缝宽度、狭缝厚度时能量的损失情况, 并搭建了实验装置进行验证。结果表明, 随着狭缝宽度增加, 能量损失逐步减小, 且能量主要是由于狭缝后方光波衍射导致能量不能全部进入后级成像镜头而损失, 在狭缝内部损失的能量很少。当狭缝宽度为几十微米量级时, 狭缝厚度对能量损失影响不大。

为提高红外材料光学表面的抗反射能力, 设计了一种具有双周期嵌套式结构抗反射超表面。通过分析在双周期嵌套式结构周围的介电常数ε变化情况, 仿真模拟得到反射率。重点分析了当微纳结构发生变化时这种嵌套结构与单一结构表面抗反射特性的差别。通过改变嵌套结构表面占空比、顶底端直径比以及长径比等参数仿真模拟, 对抗反射特性进行分析, 最终优化出的结构在2.4~12 μm的超宽波长范围内反射率均低于3.5%, 在中长波实用波段范围内平均反射率低于1%。这种结构有效地保护了微结构形貌不被破坏, 实现了单一结构抗反射特性效果的叠加, 进一步降低了元件表面的反射率, 可以作为一种新型的减反增透表面应用于红外窗口。