研究了富勒烯对六官能团脂肪族聚氨酯丙烯酸酯/环氧树脂(RJ423/ EPIKOTE 828)体系光致聚合物的全息性能的影响，分析了富勒烯(C₆₀)材料以及曝光光强对光致聚合物衍射效率的影响。通过吸收光谱结合X射线衍射图谱分析，掺杂的富勒烯既没有和聚合物中的其他成分发生化学反应，也不影响材料本身的结构和结晶性能。实验结果表明，富勒烯掺杂提高了单体聚合反应的速率，并且参与活性单体分子之间的扩散。在光强20 mW/cm²、时间40～50 s、厚度200 μm时，光致聚合物的衍射效率提升到86%，感光灵敏度达到1.32 cm²/J，收缩率降低了约80%。由于C₆₀促进聚合，抑制体积收缩，从而增强全息存储的稳定性，经过全息图像存储实验对比，证明该光致聚合物掺杂富勒烯之后具有优秀的全息存储性能，同时也表明富勒烯掺杂的光致聚合物在全息储存领域具有较大的应用前景。

对于宽入射角工作的衍射光学元件，提出了高带宽积分平均衍射效率的优化设计方法。通过复合带宽积分平均衍射效率的最大化设计，得到设计波长和设计入射角度，进一步可以计算得到微结构高度。分析了衍射效率对折衍射混合光学系统调制传递函数的影响。优化设计了一套含有衍射光学元件的折衍射混合目镜系统。目镜由三片透镜组成。考虑衍射光学元件的衍射效率，最大视场处目镜系统的调制传递函数高于0.42。该方法为混合光学系统的像质评价提供了依据。

光束整形技术能够实现激光光束能量分布的良好控制，在激光加工、医疗、激光核聚变等方面具有广泛的应用前景。光束整形方法主要分为几何光学方法和物理光学方法两大类，其中几何光学方法由于忽略了衍射效应，导致一些情形下的光束整形效果不够精细，但却能为物理光学方法提供良好的优化起点。结合几何光学方法和物理光学方法的复合设计方法能够设计出易于加工的自由曲面衍射光学元件，同时能抑制杂散光和散斑噪声。首先回顾了物理光学方法，然后综述了几何光学-物理光学复合设计方法的研究进展，最后对衍射光学元件设计方法的未来发展方向进行了一定的展望。

本文研究了纳米氧化铈（CeO₂）掺杂的双单体丙烯酸酯光致聚合物（TMPTA/EP828）材料的全息存储性能。通过引入纳米CeO₂以及优化配方比例来提升材料的全息性能，分析了CeO₂掺杂浓度及预聚合温度对衍射效率的影响。实验结果显示，厚度为100 μm的透射光栅样品在衍射效率（~95%）、光谱透过率（96.1%）、皱缩率（0.504%）、带宽和角度选择性等方面均表现出优秀性能。CeO₂的引入可有效提高TMPTA/EP828系统的交联网络结构和记录介质之间的兼容性，促进聚合反应，抑制体积皱缩，减小复用角度间隔，从而提升全息存储的角度复用性能和材料的稳定性。进一步经过光固化和老化实验证明，优化后的光致聚合物配方具有抗老化和耐高温性能。同时，材料制备工艺流程简便、周期短、易保存，可记录多路复用全息图像，在高密度数据存储等领域具有较广泛的应用前景。

基于衍射成像机理，建立红外合成孔径衍射光学系统调制传递函数（MTF）和信噪比（SNR）模型。随后，基于三维时域有限差分（FDTD）方法计算成像系统衍射效率，进而结合调制传递函数与信噪比表征系统成像特性。最后，分析了不同工作波长、视场和填充因子对主镜成像特性的影响。分析结果表明，红外合成孔径衍射光学系统的衍射效率、MTF和信噪比均具有空变、谱变特性，且随主镜填充因子的减小而降低。当填充因子为0.6时，与理想的全孔径系统相比，MTF积分面积降低45.42%，信噪比减小4.92 dB。该模型可用于分析红外合成孔径衍射光学系统成像质量，为成像系统的设计提供参考。