针对X射线波带片对大高宽比的应用需求，采用原子层沉积法在光滑的金属丝表面生长膜厚可高精度控制的多层膜环带结构，再利用聚焦离子束切片技术获得大高宽比的多层膜X射线波带片。采用复振幅叠加法设计了以Al₂O₃/HfO₂分别为明环和暗环材料的X射线波带片，实验上利用原子层沉积在直径为72 μm的金丝表面交替沉积了10.11 μm的Al₂O₃/HfO₂多层膜，环带数为356，总直径为92.22 μm，最外环宽度为25 nm。通过聚焦离子束切割得到高为1.08 μm、高宽比达43∶1的X射线多层膜菲涅耳波带片。该波带片应用于上海光源（BL08U1A）软X射线成像线站时，在1.2 keV X射线下实现聚焦成像功能，展现出利用该技术制备多层膜X射线波带片的潜力。

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。

衍射光学元件已广泛应用于光学传感、光通信、计算成像、激光光束整形、生物医学、光学数据存储等领域。首先，总结归纳了基于标量衍射理论衍射光学元件在各个阶段的发展脉络，衍射光学元件的发展可分为菲涅耳波带片、全息图及相息图、二元光学元件及衍射光学元件四个阶段，针对各阶段衍射元件分别分析其设计原理、结构特点、加工难度、衍射效率及在现实中应用可能性。其次，对基于矢量衍射理论衍射光学元件进行概述。最后，对当前衍射光学元件在传统和新型成像系统及非成像系统中的应用进行总结，整理出当前衍射光学元件发展中存在问题并根据对应问题给出未来发展趋势的预测，能够对今后衍射光学元件的研究有一定指导意义。

菲涅耳波带片(FZP)能实现光源聚焦,是硬X射线显微成像最重要的组成元件之一。分辨率与衍射效率是FZP最重要的两个参数,但在实际设计与制备中,两者往往难以同时兼顾。因此,提出了一种基于严格耦合波理论的硬X射线FZP设计方法。该方法在指定分辨率的基础上优化衍射效率,给出了硬X射线FZP组成材料、环带宽度、外径、厚度以及厚度控制精度等参数的优化值。同时考虑到材料色散的影响,给出了最优衍射效率随光源能量变化的分布情况,为显微成像中的光源选择提供了参考。

相位补偿是脉冲压缩和产生超短激光脉冲的关键技术之一。首先通过类比菲涅耳波带片在空间中的相位函数,理论上证明菲涅耳二元相位整形方案可以实现类似透镜的功能,可以在频域中引入负二次光谱相位(负色散)。然后利用所提方案补偿啁啾脉冲的色散,从而将其变为变换受限脉冲,使其脉宽压缩到变换受限的时间宽度。所提方案仅与二次相位有关,不依赖于光谱振幅,因此对具有对称性分布的各种脉冲形状均适用。最后给出常见的高斯脉冲与方波脉冲的数值计算结果,在理论上验证所提方案的正确性。所提方案为啁啾脉冲压缩提供一种新的思路和方法,并可以拓展到有关色散补偿的其他领域中。

结合普通透射光栅的分光特性和菲涅耳波带片的聚焦特性，提出一种应用于软X射线波段的新型透射式自聚焦光栅。根据菲涅耳衍射理论，对其衍射特性进行理论推导，证明该新型光栅存在一个与光栅平面垂直的焦平面，不同波长的光波聚焦于该焦平面的不同位置。在焦平面上，焦点位置随光子能量的变化是线性的，即能实现光子能量的线性测量。通过解析推导，得到在沿着焦平面和垂直于焦平面两个方向上光斑的展宽模式,发现该新型光栅在沿着焦平面的光斑展宽模式不同于普通光栅。根据基尔霍夫衍射公式，设置实用化参数，对其衍射模式进行了详细的数值模拟研究，并讨论了相应的测谱范围和谱分辨率。

采用双环形涡旋偏振光照射二元相位亚波长菲涅耳波带片的方法,实现了对高低折射率瑞利(Rayleigh)粒子的近场俘获.利用角谱理论计算了菲涅耳波带片的衍射场分布.改变入射光的截断参数(β)和涡旋角(δ),可以在菲涅耳波带片的近场区域产生亮斑和暗斑.计算发现,当β=1.09和δ=0时,在近场区域产生亚波长三维亮斑,能够稳定俘获19 nm的金粒子,金粒子的折射率大于周围介质,轴向和横向俘获距离分别为0.4921λ和 0.2844λ.当β=1.45和 δ=0.414π时,在近场区域产生光墙包围着的三维暗斑,可以将30 nm的空气泡稳定地俘获在暗斑中心,空气泡的折射率小于周围介质的折射率.两种情况计算所得的俘获距离均小于传统远场俘获系统中的距离.该系统可以用来精确俘获两类折射率不同的Rayleigh粒子.

用矢量Rayleigh-Sommerfeld(VRS)衍射理论分析计算了高数值孔径多台阶相幅型菲涅耳波带片(M-SHFZP)的聚焦场分布。当线性偏振光垂直入射到M-SHFZP，结果显示: 1) 由于薄膜透射率随着刻蚀台阶深度发生变化，致使实际的M-SHFZP 的聚焦强度小于多台阶纯相位型菲涅耳波带片(M-SPFZP)的聚焦强度，但是M-SHFZP 的聚焦光斑大小基本上与M-SPFZP 的相同；2) 聚焦光的强度随着台阶数的增加而增加，但聚焦光斑的大小不随台阶数变化；3) 对于低数值孔径的M-SHFZP，光轴上的强度呈现一个多焦点分布，但是对于高数值孔径的M-SHFZP，高级焦点的强度被大大抑制。台阶数愈多，数值孔径愈大，抑制高级次焦点的能力愈强。VRS 矢量衍射理论的计算结果与时域有限差分法(FDTD)模拟结果基本一致。

在高功率激光系统中,激光束小尺度畸变波前探测是实现激光束中频段波前补偿与控制的重要前提。采用阵列菲涅耳 波带片作为激光束波前传感的子孔径分割器,研究其聚焦性能,讨论了波带片的结构如阵列数目和阵列尺寸对波前 探测精度的影响。仿真结果表明,选取合适的波带片结构参数可以使小尺度畸变波前的重构误差小于十分之一个波长。 为了检测阵列菲涅耳波带片作为波前传感器检测波前畸变的性能,实现小尺度波前畸变检测的目的,构建了激光波 前畸变检测光路系统。实验结果表明了阵列菲涅耳波带片检测波前畸变的可行性和准确性。

利用平面屏幕衍射的基尔霍夫理论,模拟计算了波带片在平面光垂直入射情况下的会聚及分光性能。结果表明,菲涅耳波带片(FZP)对垂直入射的平行光具有会聚及分光能力;离轴波带片相对于相同面积的对称波带片对参考光波的聚集能力更强,能获得更加干净的背景。ZEMAX分析表明,偏离中心一定位置的离轴波带片的面积越大,对光波的聚集能力越强,抑噪能力也越强;面积一定的离轴波带片偏离对称波带片中心越小,对光波的聚集能力越强,抑噪能力也越强。提出了利用菲涅耳波带片及卡塞格伦望远镜相结合的组合天线方案,分析表明,该天线具有一定的聚光能力,且抑噪能力相比抛物面天线更强。