为了解决目前光学分束器件衍射效率低的问题,在传统的Gerchberg-Saxton(GS)算法基础上, 对初始相位和迭代算法中的振幅限制方式作改进.先利用二次相位来作为迭代算法的初始相位, 再在迭代过程中将输出平面分为信号区和噪音区两部分, 保持这两部分的相位不变, 信号区内振幅乘上一个随迭代次数不断变化的因子, 噪音区内振幅保持不变. 通过该方法设计9×9连续面形的分束器件, 并与传统GS算法设计的分束器进行了对比, 结果表明: GS算法设计得到的分束器相位存在严重的突变和不连续等问题, 而本文方法设计得到的分束器相位连续平滑, 可利用移动掩模技术加工. 最终制备出1×3和1×9分束器, 其实测的衍射效率分别为83.5%和89.4%, 均匀性误差分别为3.56%和15.23%.

针对目前激光分束器只能产生小发散角的问题, 基于严格的非傍轴近似的衍射积分公式, 提出了一种大发散角分束器的设计方法.先对目标光场分布进行坐标和光强修整, 再利用改进的Gerchberg-Saxton迭代算法得到所需分束器的相位分布.分别采用本文设计方法和原有方法设计了发散全角为40°×40°的5×5分束器, 仿真和实验结果表明: 原有方法设计得到的5×5子光束存在着显著的枕形畸变, 并且光强分布不均匀.而本文方法设计得到的子光束呈均匀等间隔排列, 并且强度分布更为均匀.

针对大角度（大于50°）衍射光学元件低成本、批量化制备的需求，提出一种基于纳米压印技术的制备方法.首先利用光学曝光技术或电子束直写技术制备衍射元件的原始母板，然后将原始母板的结构通过纳米压印过程复制到压印胶上，完成衍射光学元件的制备.由于纳米压印母板可以多次重复使用，降低了制作成本，提高了效率.用该方法制备了不同特征尺寸（最小为250 nm，衍射全角为70°）的衍射光学元件，具有良好的衍射效果，实现了对高深宽比浮雕结构的高保真复制.该技术可实现从微米到纳米跨尺度兼容的衍射光学元件的高保真、低成本、批量化制备.

针对亚波长光栅结构和特性要求，本文提出了一种基于巯基-烯材料的亚波长光栅的制备方法。该方法利用柔性的聚二甲基硅氧烷(PDMS)亚波长光栅结构为压印模板，以巯基-烯材料作为压印胶，利用紫外光固化软印刷技术制备以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为波导层的巯基-烯材料亚波长光栅。本文对巯基-烯亚波长光栅三层结构进行了模拟仿真，并利用该方法制备了周期为300 nm 的巯基-烯亚波长光栅，仿真和实验结果表明该光栅可以在特定角度反射波长为448 nm～482 nm 的蓝光，实验现象与仿真结果一致，表明提出的方法可以有效的制备聚合物材料亚波长光栅。同时该方法操作简单、成本低、易于大批量复制，在微纳米结构制备方面具有广阔的应用前景。

传统的衍射光学元件(DOE)设计方法只适用于单个波长，但在全息投影显示、彩色图像生成等领域中往往需要多个DOE，系统较为复杂，很大地限制其应用范围。提出了一种新的DOE设计方法，利用该方法设计所得的单个DOE可以在多个波长的入射光下实现特定光场的输出。针对每个输入波长分别设计对应的DOE，以最长波长的DOE高度作为初始高度，结合加工工艺限制对该高度进行优化，使得每个入射波长对应的单波长DOE高度分布和多波长DOE高度分布之间的等效误差总和最小。利用该方法设计了用于彩色图像生成的DOE，分析了相关参数的取值范围对衍射效率和均方根误差的影响，并在最佳取值范围内进行了相应的数值仿真，仿真结果证明了该方法的可行性。

针对现有的衍射光学元件设计方法只适用于小角度衍射的情况, 本文提出了一种基于瑞利-索末菲衍射积分的设计方法, 可以用来设计具有大衍射角的衍射光学元件。先对目标光场进行坐标变换和强度调整, 再利用改进的Gerchberg-Saxton算法优化得到衍射光学元件的相位分布。分别采用本文方法和原有的基于夫琅禾费衍射积分的方法设计衍射光学元件实现线条结构光和不同角度方框图形的光场重构, 结果表明: 原有的设计方法只适用于衍射角全角小于25°的情况, 当衍射角大于25°时, 重构光场会出现显著的枕形畸变和不均匀的强度分布。而本文方法在小角度和大角度衍射下都能重构出准确的衍射角和较为均匀的强度分布.

针对现有基于微球的超分辨成像系统中液体浸没方式的不稳定性和繁琐性, 提出采用介质层来替代液体层, 制成含有单层密排微球的薄膜.研究折射率较低的二氧化硅微球和折射率较高的钛酸钡微球浸没在三种不同液体中时的成像特性, 设计并制备了一种由单层密排的钛酸钡微球和聚二甲基硅氧烷(PDMS)软膜构成的薄膜, 并开展了相应的超分辨成像实验.结果表明: 当液体折射率在1.33~1.548之间时, 二氧化硅微球只有在半浸没时才能分辨出小于衍射极限的样品特征, 而钛酸钡微球则需要全浸没才能实现超分辨成像.在600 nm中心波长的照明下, 利用该薄膜可以清晰地分辨出周期为278 nm, 占空比为1: 1的硅结构光栅.

利用微透镜列阵实现光束的分割和叠加是一种典型的光束匀化方法。而在微透镜列阵实现激光光束匀化时, 由于微透镜列阵的周期性和激光的相干性, 匀化光斑会产生周期性点阵分布现象, 降低了光束匀化质量。提出一种利用中心离轴型随机微透镜列阵消除点阵效应以实现激光光束的匀化方法。在分析光束经过微透镜列阵的传播特性基础上, 设计列阵中各个子透镜单元的几何中心偏离其光轴, 利用中心离轴量的随机性打破微透镜列阵的周期性, 消除目标面处的点阵现象, 实现高均匀性的光斑分布。采用移动掩模技术制备随机微透镜列阵, 并开展激光光束匀化实验。结果表明, 该方法能够有效提高激光光束的均匀性, 有望在激光加工、医疗和照明等方向有较大的应用前景。

要提高七芯光子晶体光纤激光器的输出功率，必须要增大七芯光子晶体光纤的有效模面积，并且需要纤芯间具有较强的耦合作用，以保证各纤芯输出的光束保持同相位。为了更直观的分析七芯光子晶体光纤的有效模场面积和纤芯间耦合强度的关系，根据七芯光子晶体光纤7个超模的特征，给出了七芯光子晶体光纤耦合长度的一种计算方法。利用多极法和有限差分光束传播法分析了七芯光子晶体光纤的结构对有效模场面积和耦合长度的影响。通过优化七芯光子晶体光纤的结构，设计了一种外层空气孔较大，内层空气孔较小的七芯光子晶体光纤，其有效模场面积高达3703 μm2 ，耦合长度仅为13310 μm。