薄膜衍射透镜是空间轻量化成像领域的一个重要发展方向。高性能聚酰亚胺薄膜材料由于其良好的综合性能得到广泛应用，但较差的可见光透过率以及空间环境下性能不稳定性限制了其在空间薄膜光学镜基底材料领域的发展。通过溶胶-凝胶提拉法在菲涅耳衍射透镜表面制备了二氧化硅增透膜，这种复合结构设计一方面提高了聚酰亚胺薄膜的可见光透过性，另一方面通过表面二氧化硅薄膜提高了其对空间环境辐照的耐受性，本研究可为后期空间光学薄膜衍射透镜设计及制备提供参考。

针对传统衍射透镜在可见光波段工作波长单一、色散严重等问题，提出一种能同时在多个波长工作的衍射透镜的设计方法，该设计方法可以让衍射透镜在几个波长处具有相同位置的焦点，解决了传统衍射透镜在成像时焦点偏移的问题，将所设计的透镜命名为多波长衍射透镜。通过最小化一个目标函数来寻找衍射透镜表面每一个位置的最佳微结构高度，该目标函数描述了多波长衍射透镜在工作波长处的复透射函数与传统衍射透镜的复透射函数的偏差。基于该方法设计了适用于三波段的衍射透镜，并采用标量衍射理论进行仿真分析，结果显示其在设计波段内具有良好的消色差效果。

相变材料具备良好的光热稳定性和可擦写特征，其在相变前后存在光学参数的明显变化，通过施加不同参数的激光激励能够实现对相变材料晶化状态的精确调控。由此，在相变材料不同晶化状态呈现不同光学参数的基础上，提出一种多阶折射率调制的薄膜平板透镜。以典型相变材料Ge₂Sb₂Te₅作为光调制介质，对介质薄膜的晶化状态开展多阶和多区域的离散控制以满足理论上聚焦透镜所需的相位约束。完成具有多种数值孔径的平板透镜的设计，并通过有限差分时域方法和Zemax分别分析透镜聚焦的参数指标，检验了平板透镜的成像性能。

传统衍射光学元件（DOE）在宽波段工作时存在的严重色散限制了它在宽波段成像中的应用。提出一种基于编码优化的消色差衍射透镜设计，对整个衍射透镜的微结构高度进行编码后，利用粒子群优化算法进行优化，以平衡各个波长在特定焦距下的聚焦作用，使各波长的点扩展函数（PSF）变得几乎相同，实现400~700 nm连续可见光波段中消色差的目的。对传统DOE、分区方式消色差DOE和所提出的编码优化消色差DOE进行仿真验证和成像测试。结果表明，相较于其他两种DOE，编码优化DOE在各波长下的PSF更一致，可见光下截止频率提高至8.6 lp/mm。相较于传统DOE和分区消色差DOE，所提出的编码优化DOE在可见光下具有更好的消色差能力和更高的分辨率。

针对惯性约束聚变(ICF)装置中的光路排布和柱形靶腔结构，建立了基于诱导空间非相干(ISI)和消衍射透镜阵列(DLA)联用的宽带激光束匀滑方案的靶腔内光传输模型，进而开展了腔壁辐照特性的分析和优化。在基于ISI与DLA联用的宽带激光束匀滑方案中，主透镜焦距与柱形靶腔参数的匹配至关重要，否则将对不同入射角度集束在腔壁处的光斑造成不同程度的破坏，导致腔壁光斑交叉重叠，从而严重破坏腔壁辐照的均匀性。本文通过分析主透镜焦距和DLA参数等对腔壁辐照特性的影响规律，开展了宽带激光束匀滑方案的参数设计及优化，以改善腔壁辐照的均匀性。结果表明：增大主透镜焦距，可有效保持不同入射角度集束在腔壁处光斑的包络，从而减轻腔壁光斑交叉重叠的现象；合理选取DLA的子透镜数目和子透镜长短轴比例，可以提高腔壁光斑的占空比，并有效减少束匀滑所需的时间；优化内环集束的入射角度，可以避免内环与外环集束在腔壁上交叉重叠。

现代显微镜中的物镜受限于瑞利衍射极限，其分辨率不能满足生物成像、材料科学以及光刻等领域的需求。目前，突破瑞利衍射极限的方法可分为近场(如扫描近场光学显微镜、超透镜、微球透镜)和远场(如受激辐射损耗显微镜、光激活定位显微镜、随机光学重建显微镜)方法。然而，前者利用纳米探针散射物体表面一个波长范围内的倏逝波，极具挑战性；而后者对样品有选择性，只适用于荧光分子样品，且会对样品造成损伤。近年来，平板透镜利用波带片、光子筛以及梯度超构表面等人工微纳结构来控制光的衍射，具有小型化、高数值孔径、大焦深、亚衍射极限聚焦等功能，为远场无标记超分辨率成像提供了一个可行的解决方案。本文从衍射聚焦光学的统一理论出发，总结平面衍射透镜的最新进展，揭示基于光场调控实现纳米聚焦的物理机制，介绍平板衍射透镜的设计原理、光学性能、微纳结构特性和材料影响，详细讨论平板衍射透镜的光学像差(如离轴像差和色差)及其校正，平板衍射透镜在纳米成像、光刻以及光电子能谱仪中的应用，最后展望其未来的发展方向和机遇。

针对传统衍射透镜工作在宽波段时色散严重、像质不佳的问题,提出一种基于RGB三波段的单片式分区消色差衍射透镜的设计方法。采用标量衍射理论对等宽度和等面积两种分区方式进行仿真分析,并在点扩展函数和衍射效率等方面与传统衍射透镜进行对比和分析。分析结果显示,分区消色差衍射透镜在RGB三波段工作时,三个波长衍射效率的标准偏差由传统衍射透镜的0.6607下降到0.1519和0.0592,同时保持良好的成像效果。最后,考虑到实际加工情况,分别仿真了不同分区方式下微结构量化为八台阶所对应的光学性能参数。结果表明,所设计方法可以使得工作在RGB三波段的衍射透镜具备良好的消色差性能,具有一定的实用性和普适性。

针对传统接触式曝光过程中掩模版因自身重力产生形变从而引入不可忽视的线宽误差和位置误差的问题, 提出了一种大口径石英基底衍射透镜的高精度制备方法.采用背面具有真空道的高平 面度、高强度金属校正工装吸附在掩模版上, 利用掩模版上下表面的压强差使其与工装高度贴合, 确保掩模版的高平面度.待石英基底所有区域均与掩模版结构面紧密贴合后取下工装.完成接触式曝 光和显影后, 采用反应离子刻蚀技术对大口径石英基底进行刻蚀, 最终得到高精度微纳米结构.经有限元分析, 使用该校正工装后, 掩模版的形变量由28.85 μm减小为0.88 μm.实验结果表明, 采 用该方法制备的口径430 mm两台阶石英基底菲涅尔衍射透镜波像差优于1/25λ, 平均衍射效率为38.24%, 达到理论值的94.35%, 具有良好的聚焦和光学成像效果.

设计出不同相移步长的多焦点光子筛阵列,利用相移数字全息术对USAF1951分辨率板进行成像,在光学波段验证了光子筛阵列的相移功能。实验结果表明,多焦点光子筛阵列在不同相移步长下均可消除零级像和共轭像,系统分辨率均与理论预期结果一致。作为一种振幅型衍射透镜,多焦点光子筛阵列在X射线全息术和生物细胞显微等领域有着广阔的应用前景。