Diffractive optical elements (DOEs) are intricately designed devices with the purpose of manipulating light fields by precisely modifying their wavefronts. The concept of DOEs has its origins dating back to 1948 when D. Gabor first introduced holography. Subsequently, researchers introduced binary optical elements (BOEs), including computer-generated holograms (CGHs), as a distinct category within the realm of DOEs. This was the first revolution in optical devices. The next major breakthrough in light field manipulation occurred during the early 21st century, marked by the advent of metamaterials and metasurfaces. Metasurfaces are particularly appealing due to their ultra-thin, ultra-compact properties and their capacity to exert precise control over virtually every aspect of light fields, including amplitude, phase, polarization, wavelength/frequency, angular momentum, etc. The advancement of light field manipulation with micro/nano-structures has also enabled various applications in fields such as information acquisition, transmission, storage, processing, and display. In this review, we cover the fundamental science, cutting-edge technologies, and wide-ranging applications associated with micro/nano-scale optical devices for regulating light fields. We also delve into the prevailing challenges in the pursuit of developing viable technology for real-world applications. Furthermore, we offer insights into potential future research trends and directions within the realm of light field manipulation.

Light sheet fluorescence microscope with single light sheet illumination enables rapid 3D imaging of living cells. In this paper we show the design, fabrication and characterization of a diffractive optical element producing several light sheets along a 45° inclined tube. The element, which is based on a multi-focal diffractive lens and a linear grating, generates five thin light sheets with equal intensities when combined with a refractive cylindrical lens. The generated uniform light sheets can be applied for the scanning of samples in tubes enabling flow-driven 3-dimensional imaging.

衍射光学元件作为一种典型的微光学元件，其体积小、质量轻、设计自由度多、成像质量良好，在光学成像、光学数据存储、激光技术、生物医学等领域具有广阔的应用前景。随着现代光学系统的不断发展，对衍射光学元件的加工效率和制备精度提出了更高的要求。激光直写技术凭借加工精度高、工艺简单、灵活性好等优势，成为制备高精密仪器中关键光学元件所必需的一种加工方式。针对不同的加工需求，开发了多种激光直写系统，并在应用过程中不断地改进升级。另外，突破衍射极限的飞秒激光微纳结构制造技术，能够获得更高的加工精度和更好的分辨率，为微光学元件的制备提供了新的方法。首先介绍了激光直写技术的特点；其次综述了衍射光学元件直写加工技术的研究进展，包括直写技术的影响因素、激光直写系统和多光束加工技术；接着介绍了衍射光学元件的典型应用，如红外成像、色差校正、光束整形、图像显示；最后，对激光直写技术制备衍射光学元件存在的问题和未来发展趋势做出了总结。

衍射光学元件在光学系统中的应用越来越广泛，对衍射结构的加工质量提出了更高的要求。单点金刚石车削可直接加工出高精度衍射微结构表面，但衍射结构的位置误差和表面质量对其光学性能有较大影响。为了提高衍射光学元件的性能，需要精确控制其车削误差。基于此，分析了影响衍射元件加工质量的因素，建立了揭示位置误差、衍射面形状和刀具半径之间的关系的数学模型，揭示了衍射带位置精度影响规律。通过补偿加工提升基底表面质量来提高衍射曲面面形精度。结合仿真模型与粗糙度影响参数，指导车削刀具半径的选取。最后，基于仿真结果，选择半径为0.02 mm的半圆弧刀具加工，最终加工的衍射元件面形误差为292 nm，衍射环带位置误差最大为55 nm，高度误差最大为16 nm，粗糙度为5.6 nm。实验结果表明，该预测模型可以指导衍射光学元件高精度表面形貌的获取，有利于提高光学系统的成像质量，为高精度衍射光学元件的批量生产提供了技术支持，具有广泛的工程应用价值。

为了有效抑制激光散斑，真正实现激光显示和成像系统的大色域、高亮度和超优画质，提出了基于履带式运动柔性衍射光学器件（Diffractive Optical Elements， DOE）的散斑抑制方法，对柔性衍射光学器件的设计、制造、耐久性和散斑抑制效果进行了研究。首先设计了柔性衍射光学器件的光学结构，并描述了履带式运动柔性衍射光学器件形成动态二维衍射编码的机理；接下来介绍了柔性衍射光学器件的模板制备、热压成型、连接成环的工艺方法；之后搭建激光投影显示系统对所研制的聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride， PVC）和聚丙烯（Polypropylene， PP）两种材料的柔性衍射光学器件的散斑对比度和耐久性进行实验研究。实验结果表明，提出的基于履带式运动柔性衍射光学器件的激光散斑抑制方法，可将红绿蓝三色激光的散斑对比度降低到5%以下，同时系统具有小型化、低功耗的优点。在长达三十天的耐久性实验中，聚氯乙烯和聚丙烯两种材料的柔性衍射光学器件都没有明显形变和散斑抑制效果的衰减，且PP材料柔性DOE比PVC材料柔性DOE散斑抑制效果更明显、耐久性也更好。满足大色域、高亮度、超优画质的要求，并具有小型化、低功耗、高可靠的优点。

从图形数据处理、先进光刻、图形转移和大面积高可靠集成4方面开展衍射光学元件关键制造技术研究。在兼容标准CMOS工艺的基础上，提出了高精度、多功能（高保真、高深宽比、高面形、多元化衬基等）、大面积衍射光学元件成套制造技术。研发了精度优于2 nm的复杂图形光刻数据处理体系，提出了混合光刻方法，建立了加法（剥离、电镀）和减法（干法刻蚀、金属辅助化学刻蚀）两种类型、四种图形转移基础方法。实现了从微米尺度到亚10 nm尺度的图形生成， 高宽比达12∶1的25 nm Au结构和深宽比达500∶1的30 nm Al₂O₃纳米管图形转移。在熔石英、多层膜、SiC自支撑薄膜、高面形硅片等衬基上大面积集成制造了多种衍射光学元件，最大面积为142 mm×142 mm，最大自支撑口径达70 mm，最高面形精度PV值达0.03λ，覆盖了可见光到硬X射线波段衍射光学元件的制造需求，能够应用于先进光刻机、同步辐射、激光聚变及X射线天文学中。