与传统的仅能生成光轴方向的球形聚焦光斑不同，本文提出了一种在4Pi聚焦系统中通过反聚焦偶极子天线辐射场产生具有规定空间方向和间距的球形聚焦光斑的方法。该方法是将规定好长度和极化方向的空间偶极子天线置于4Pi聚集系统的焦点处，通过逆问题解析求解出生成球形聚焦光斑的物镜瞳孔面上的输入场。然后使用瞳孔面处的场，并选择合适的偶极子天线长度，就能获得球形聚焦光斑。数值结果表明，创建的球形聚焦光斑的空间方向与设置的偶极子天线的极化方向一致，球形聚焦光斑之间的距离也等于偶极子天线的长度。本文提出的方法比传统方法更灵活，可以创建具有规定空间位置的球形聚焦光斑，这对空间任意位置捕获纳米粒子具有很大的应用价值。

极紫外正入射光学系统广泛应用于生物结构显微成像、等离子体诊断、太阳物理观测和极紫外光刻等领域中，对其开展深入研究具有重要意义。本文对同济大学精密光学工程研究所在极紫外正入射光学系统方面的最新进展进行介绍，列举了应用于超热电子诊断、微纳成像、极紫外辐照损伤及Z箍缩等离子体诊断等不同场景中的多套正入射光学系统。这些系统分别在相应的应用中实现了优异的性能表现：毫米级视场内微米级的空间分辨；几十微米级视场内亚微米的超高空间分辨；大数值孔径下的超高能量密度极紫外辐照及多能点多通道的时空间诊断。研究所在极紫外正入射光学系统研究中取得的进展为我国等离子体诊断设备的自主可控及高端制造装备的技术储备提供了有力支持。

基于Richards-Wolf矢量衍射积分理论，研究了拉盖尔-高斯分布圆柱矢量（CV）涡旋光束同轴相向入射到插入了衍射光学元件（DOE）的由两个相同高数值孔径透镜构成的4Pi聚焦系统的聚焦特性。数值模拟结果表明，DOE的相位调制使焦场呈现球形结构，增加DOE的环数可以得到更多的光球。采用六环DOE且两侧入射光束同相时，当拓扑电荷m=0，径向偏振光束聚焦得到6个半峰全宽均为0.42λ（λ为波长）并以间距0.83λ沿轴向排列的单行多光球结构；角向偏振光束聚焦得到每行各5个光球且行间距为0.75λ的双行多光球结构，其大小和纵向间距与径向聚焦结果一致；偏振角为52°的CV光束聚焦可以形成光链结构。m=±1时CV涡旋光束的聚焦也能得到光链结构；m=2时其焦场强度分布会转化为暗通道结构。此外，通过调节4Pi聚焦系统两侧入射光束的相位差还可以控制生成的焦场沿着纵向方向移动，移动距离与相位差为线性关系，且移动速度与相位差的变化速率线性相关。这些结果对于微观粒子的捕获和操控具有潜在的应用价值。

主要研究了调制入射光场的衍射光学元件(DOE)对聚焦场的影响。以贝塞尔-高斯光束为例,利用Richards-Wolf矢量衍射积分理论,分析几种不同DOE结构调制的径向偏振光束的4π聚焦场。数值模拟结果表明径向偏振光束经DOE调制后的4π聚焦,在焦平面附近形成了具有潜在应用价值的多光球结构,并且发现形成的光球的个数与DOE的环数有关,而DOE的透射函数对其影响较小,且所形成光球的个数会随着DOE结构环数的增加而增加。

为解决电润湿液体透镜调焦系统的单色像差随调焦过程中发生较大改变的问题, 提出利用梯度折射率分布可调的液晶透镜对系统单色像差进行校正的设计方案。在850 nm波长下, 采用液晶透镜对系统在无限远到200 mm间6种典型物距下的单色像进行校正。在系统像差最大的无限远物距下, 边缘视场的点列图几何半径从44.696 μm减小到7.423 μm, 其余视场下的弥散斑均减小到艾里斑以内, 系统单色像差得到了较好的校正。为减少液晶透镜响应时间, 将液晶透镜改为5个1/5盒厚的液晶透镜的叠层组合, 大幅提高了响应速度。研究发现, 此结构同样对系统在不同物距下的单色像差具有良好的校正作用。