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。

在高功率激光装置中，光学元件表面的污染物会降低光束质量甚诱导光学元件损伤。针对装置中受污染的镀有SiO₂溶胶-凝胶增透膜的大口径真空隔离片（430 mm×430 mm），使用波长为355 nm的Nd:YAG脉冲激光器模拟在线激光清洗实验。实验中采用了单发次激光干式清洗与气流置换系统辅助的激光清洗系统，研究了关键特征参数对激光在线清洗效果的影响规律，获得了可用于激光在线清洗的工艺参数。光学元件的处理采用光学显微镜、暗场成像法表征以及图像处理软件分析。实验结果表明，激光在线清洗光学元件存在最佳工艺窗口。通过气流置换辅助的激光清洗方法后，相较于单纯的单发干式激光清洗，激光清洗能力有大幅提升。因此，气流置换系统辅助单发激光清洗能有效提高其清洗能力，为高功率激光装置中大口径光学元件表面污染物在线去除提供了一种有效手段。

光学元件常用脆性材料作为原材料，脆性材料加工过程中极易引入亚表面缺陷，亚表面缺陷对脆性材料的制造阶段和应用阶段均存在严重的危害。制造方面，亚表面缺陷影响工序的选择与衔接，易产生过加工、欠加工等问题，导致加工效率低下；应用方面，亚表面缺陷影响光学元件的成像质量、稳定性、使用寿命等关键技术参数。为了高效率、高质量地去除亚表面缺陷，全面表征和准确检测光学元件的亚表面缺陷至关重要。文中首先介绍了不同加工方式对应的亚表面缺陷形成机理与亚表面缺陷的表征方法研究现状；其次归纳总结了破坏性与非破坏性的亚表面缺陷检测方法，分别介绍了不同检测方法的原理、适用材料与加工阶段、优点与不足之处；并介绍了基于表面粗糙度、加工参数的亚表面缺陷预测方法；最后，对亚表面缺陷检测技术的发展趋势进行了展望。

高能激光系统内光路热效应是影响系统性能的重要因素，介绍了内光路中光学元件、介质气体热效应物理模型，分析了影响热效应的主要因素，并开展了热效应变化规律研究。针对光学元件，重点研究了元件吸收率、元件材料特性、光斑分布对反射镜、窗口镜、分光镜热像差的影响规律，指出吸收率主要影响热像差的大小，而元件基底材料特性和激光分布影响热像差时间和空间变化。针对介质气体，指出介质气体升温后重力引起的自然对流是影响气体热像差的主要物理因素，细致研究了热像差随时间的变化规律，介绍了降低封闭与开放式内光路介质气体热像差的措施与方法。介绍了激光仿真软件平台Easylaser多物理仿真模块，搭建了包含反射镜、窗口镜、分光镜和介质气体的内光路计算模型，通过光-热-力-控多物理耦合仿真，研究了反射镜与窗口镜、介质气体与窗口镜热像差补偿效应，给出了激光传输远场光斑特征，表明了Easylaser的多物理仿真模块具备对内光路热效应综合仿真分析能力。

光学元件亚表面损伤直接影响光学系统激光损伤阈值，损伤深度是衡量亚表面损伤的关键参数之一，目前尚无成熟的快速定量测量方法。基于荧光显微立体成像技术提出一种损伤深度测量方法。首先，在光学元件加工过程中利用量子点对亚表面损伤进行标记；当激光束以一定角度入射光学元件表面时，标记量子点会受激产生荧光；通过荧光相机对损伤层纵向分布的荧光信号进行显微立体成像，根据成像原理和结构参数计算荧光分布深度，实现光学元件亚表面损伤深度的快速定量测量。通过光学胶和甩胶工艺制备了系列标准件，并开展对比验证测量实验，结果表明所提方法针对损伤深度55~75 μm，测量相对误差小于8%。

利用调焦方式可以实现焦距的连续变化从而对不同物距下的光学组件进行在线检测，但是调焦过程操作复杂且对调焦位移精度要求较高，景深内光学元件缺陷无法区分，难以实现真正意义上的在线检测。因此，本文提出了基于相机阵列的光学组件缺陷在线检测方法。首先建立了相机阵列的成像模型并给出了数字重聚焦表达式以及空间分辨率的表达式。接着利用MATLAB模拟相机阵列成像过程和数字重聚焦过程。最后进行实验验证，通过二维位移台带动相机对不同物距下的多个光学元件表面缺陷进行成像获得阵列相机图像，通过数字重聚焦算法得到不同物距下的光学元件表面缺陷分布信息。实验结果表明，基于相机阵列的光学组件缺陷在线检测技术能够同时对位于景深范围内的光学组件进行在线检测。该方法在光学元件缺陷在线检测方面有着一定的应用价值。