设计了一种基于全息光学元件的透视增强现实集成成像3D显示系统。对基于反射体全息原理的全息光学元件的记录及再现做了理论分析，并通过搭建实验光路记录一块尺寸为20 mm×20 mm的全息光学元件。该全息光学元件仅对满足布拉格条件的光线体现出微透镜阵列成像功能，再现出虚拟的3D图像，而真实3D物体发出的光线可以直接透过全息光学元件，因此该全息光学元件作为图像融合元件实现了真实3D物体与虚拟3D图像的融合。该实验研制的透视增强现实3D显示系统能够再现出较好的虚拟3D图像，有效地融合虚拟3D图像和真实3D物体，实现增强现实的3D显示效果。

针对全息波导显示系统中输入光栅、转折光栅和输出光栅的光栅参量不一致, 导致系统设计和光栅制作难度增大的问题.对比正常配置和锥形配置下的光栅方程, 可得全息波导显示系统中全息光栅具有相同周期需要满足转向光栅60°锥形配置.由此提出波导侧面装有反射镜的三光栅单波导板显示构型, 其中三个光栅周期完全相同, 输入光栅和转向光栅条纹走向一致.使用光学设计软件CODE V对该构型进行仿真, 验证了该构型的可行性.与传统全息波导显示构型相比, 侧面反射镜的光路折叠作用使得该构型系统无效显示面积和耦合效率损失减小；三个光栅周期相同且输入光栅和转向光栅条纹走向一致, 可以降低系统设计和全息光栅制作难度.该构型可以用于虚拟现实显示或者头戴式显示.

根据体积全息图的角度复用特性,在一张卤化银干版上记录了多幅图像,再现时轮流显示不同画面从而实现动画显示的效果。设计记录波长632.8 nm,再现波长532 nm。通过记录和检测光栅确定全息图的处理工艺,从理论上分析了因乳胶收缩导致的光栅结构变化问题,计算得到全息图的记录和再现条件,消除了再现像“左右跳动”的现象,在一张干版上记录了4幅子图。设计并制作完成了自动控制电路和展示装置,实现了三维动画显示效果。

为实现成像光谱仪系统的直视性和小型化特点，设计一种棱镜-光栅-棱镜(PGP)结合式元件，作为分光系统的成像光谱仪光学系统装置。系统主要包括PGP分光原件、准直系统、成像系统和接收系统。光栅采用体全息相位光栅，可以获得很高的衍射效率，准直和成像镜采用对称式结构，可以有效地消垂轴像差。根据实际指标探测器像元尺寸为20 μm×20 μm，像元数为512×512，采用双像元合并方法，光谱通道数为148个，狭缝大小为10.2 mm×10.2 mm，波段在400 nm~800 nm，物方数值孔径为0.15。分析了PGP光谱成像系统的原理、特点，对参数关系和体全息相位型光栅的衍射效率进行了详细的讨论。分析结果表明：PGP元件在整个光谱范围内理论衍射效率大于0.6，采用ZEMAX软件进行优化设计，得到系统的平均光谱分辨率优于3 nm，在截止频率处平均传递数大于0.7，系统总长90 mm。

将严格耦合波理论与Kogelnik近似理论比较，研究了Kogelnik理论的近似条件。以两种理论的衍射效率特性曲线的相关或衍射效率计算差别作为判断标准，分析Kogelnik耦合波理论的近似条件。分析结论表明，体全息的Kogelnik理论近似条件与条纹密度、折射率调制度和介质厚度相关，其中反射体全息的近似条件还与条纹面倾角相关。

利用二维耦合波理论,分析了超短脉冲激光光束被完全重叠型的局域体全息光栅衍射的时空变化性质,给出了衍射和透射脉冲激光光束沿光栅出射边界的强度时空分布。以LiNbO3晶体为例,数值研究了衍射光脉冲强度沿光栅出射边界的分布和脉冲波形的变化及光栅的总衍射效率受光栅二维尺寸、入射角度、光栅折射率调制度及入射脉冲的脉冲时域半峰全宽等条件的影响而变化的情况。与一维体全息光栅对超短脉冲激光光束衍射的性质,及此光栅对连续光衍射的性质作比较,给出了合理选择光栅参量及入射条件以在光栅出射边界上得到总衍射效率较大且分布较均匀的衍射光脉冲的方法。

采用折射率调制特性为上凸型和下凹型的调制曲线,提出了线性化求解非线性记录全息图耦合波方程的方法。以反射相位型全息光栅为例,用耦合波理论分析计算了记录介质折射率调制为上凸型和下凹型调制曲线的体全息图的衍射光谱特性。计算结果表明, 折射率调制类型对光栅衍射光谱的带宽有较大影响,对次峰峰值也有影响,而对主峰峰值和峰值位置影响不大。这些结果可以解释实验测得的全息光栅衍射光谱带宽较宽和光栅衍射光谱的多样性。

研究了非挥发全息记录中由于紫外光的强吸收而引起的光栅非均匀性,分析了这种非均匀性对光栅衍射效率的影响。结果显示,非均匀性致使光折变光栅的平均强度减弱,衍射效率降低。提出了采用两束等光强的敏化紫外光由晶体两侧入射的优化方案以改善光栅的均匀性,提高光栅的衍射效率。通过联立两中心带输运物质方程和双光束耦合波方程,进行了相应的理论模拟,并给出实验验证。结果表明双侧紫外光照射能够实现均匀性较好的光栅,是提高衍射效率的有效途径之一。

利用光子晶体的概念和方法,从理论上分析了一维全息图在再现光以不同角度入射情况下禁带结构的性质。分析表明,当再现光非正入射时,体积全息图的禁带结构是倾斜的,正入射时的非倾斜结构是倾斜结构的一个特例。