为减小模芯的制造误差对模压成型的衍射光学元件（DOEs）光学性能的影响，对具有曲面基底衍射微结构表面的微晶铝合金模芯开展了单点金刚石车削（SPDT）工艺研究。基于遮挡效应和散射效应分析模芯制造误差对DOEs衍射效率的影响，建立刀具半径和刀具偏转角与衍射效率之间的数学关系模型，提出提高加工精度的优化方法。在该方法的指导下进行了衍射光学模芯车削实验，并对比预期衍射效率与实验结果。结果表明：采用该优化方法选择工艺参数能够减小模芯制造误差对衍射效率的影响，提高DOEs的光学性能，为SPDT衍射光学模芯制作提供参考。

针对平面波导系统中光能利用率低、光栅制备成本高且工艺复杂的问题, 设计大周期、高衍射效率的光栅结构, 从而提高系统光效、节约成本。首先, 提出以梯形光栅作为最初面型进行标量理论计算, 以梯形的角度、占空比、高度为变量, 得出光栅面型为直角三角形时, -1级有较高衍射效率。随后分析了设计的直角三角光栅和两种常见的线性光栅的衍射效率, 并且讨论了深度加工误差、入射光发散角对三种面型光栅衍射效率的影响。仿真结果显示：周期为3 μm的直角三角光栅, 入射光垂直入射时-1级衍射效率达81%, 与小周期倾斜光栅的衍射效率相差较小, 但考虑到深度加工误差和入射光的发散角度对三种面型光栅衍射效率的影响时, 直角三角光栅则具有明显优势。设计的直角三角光栅在具有较大周期时, 仍可实现较高衍射效率。

随着光学技术的发展, 光、机、电一体化成为趋势, 要求光学系统做到集成化、阵列化和小型化, 二元光学元件由于它在光波变换上的卓越表现受到人们的青睐。双层二元光学元件在宽波段范围内的衍射效率非常高, 但在加工时会产生很多种加工误差, 比如: 高度误差、周期误差、套刻误差等。文中基于标量衍射理论, 对在加工中可能出现的高度误差、周期误差、套刻误差等误差以及其对衍射效率的影响进行充分分析, 并进行MATLAB模拟。结果表明: 异向高度误差对衍射效率的影响大于同向高度误差对衍射效率的影响, 所以在加工时应该尽量避免异向高度误差。异向套刻误差对衍射效率的影响大于同向套刻误差对衍射效率的影响, 所以在加工时应该避免异向套刻误差。相比高度误差和套刻误差, 其他误差对衍射效率有着不同程度的影响。

栏光效应是影响折衍元件衍射效率的一个重要因素, 栏光效应与加工刀具有着密切的关系。分析刀具圆弧半径与栏光效应的联系、刀具参数与元件加工后的表面粗糙度的关系以及刀具耐用度等要求, 设计了加工折衍二元光学元件的金刚石刀具, 给出刀具加工里程数计算公式和车削实验结果。实验结果证明: 设计的金刚石刀具能够满足折衍二元光学元件的产业化加工要求, 刀具耐用度较强化前提高2倍多。

采用多层衍射元件是实现宽波段高衍射效率的有效方法，设计了一个含双层衍射元件-30 ℃~70 ℃消热差系统。通过合理选择衍射面的基底材料，优化衍射表面的浮雕深度，设计出红外宽波段高衍射效率的消热差光学系统。设计结果表明，在整个设计温度范围内，该光学系统成像质量良好，光学传递函数在16 lp/mm时均在0.6以上。

体光栅光谱合成技术是获得高功率激光输出的一种有效途径，体光栅衍射旁瓣是影响合成光束数目的主要因素。采用了Hamming切趾技术对体光栅旁瓣进行抑制，建立了Hamming切趾体光栅的折射率分布模型，分析了Hamming切趾体光栅的衍射特性，给出了Hamming切趾体光栅光谱合成效率公式，分析了切趾光栅对光谱合成效率的影响。计算结果表明：体光栅切趾后有效减小了体光栅对相邻合成光束的衍射损耗，切趾后，在20 nm的带宽内，谱合成光束的数目由13束增加为20束，谱合成效率达75.3%，光谱合成功率提高为切趾前的1.5倍。

针对微型紫外光谱仪设计要求， 基于凹面光栅理论与方法开展了微小型紫外光谱仪的像差分析, 完成平场化凹面光栅的模拟分析与设计， 解决了紫外宽光谱与高分辨率问题， 同时应用光栅衍射理论、 全息光学理论， 采用光栅设计软件PCGrate对凹面光栅的衍射效率进行了设计和优化， 使所应用级次的光谱衍射效率在整个设计波段内达到最优， 实现了微小型紫外光谱仪的平场凹面光栅设计。 所设计紫外凹面光栅工作波长范围190~410 nm、 口径20 mm， F/#=0.21。 按照设计参数装调的微型紫外光谱仪在宽度为50 μm缝光源再现情况下， 光谱分辨率优于3 nm， 衍射效率无异常出现。

提出一种新颖的多层衍射元件(MLDOE)，由具有不同折射率和色散性质的光学材料构成，第一层和最后一层为高折射率低色散和低折射率高色散光学材料的组合，中间填充层为阿贝数较小的光学塑料。此MLDOE在最大光束全视场角为110°情况下，设计波段内的各个波长的衍射效率高达90%以上，可有效提高折衍混合光学系统的能量利用率，提高成像质量。

讨论了多层衍射光学元件的光学成像性质.给出了优化设计多层衍射光学元件最大光栅厚度的方法,分析了构成多层结构的每块单层衍射元件的衍射效率对整体衍射效率的贡献作用.在0.436～0.656 μm的可见光波段,多层衍射光学元件最低衍射效率可达到98%以上,克服了单层衍射元件偏离设计波长后衍射效率显著下降的缺点,改善了宽波段衍射效率.将多层衍射光学元件应用在折、衍射混合光学系统中能够明显提高系统的成像质量,同时使得光学系统体积减小,重量减轻,并且在某些系统中可以避免使用昂贵的特殊材料,从而可以降低光学系统的成本价格.