提出一种基于计算成像理论的端到端衍射元件设计方法，通过全局性优化方案将光学设计和图像复原作为整体，从而降低前端光学系统的成像质量要求，并利用图像复原算法去除残余像差以简化系统。所提设计方法涵盖光场传播、探测器去噪和图像后处理等关键环节的模型建立与联合优化。该设计方案可用于景深延展的轻薄型衍射元件的设计，且所适用的大景深的简单光学系统具有较高的成像质量。

多级衍射元件在衍射望远系统消色差领域的应用逐渐成为热点。基于赛德尔三级像差理论，对由多级衍射光学元件、折射光学元件和菲涅耳衍射元件三元件组合的光学系统展开分析。在400~700 nm工作波段，通过数学推导校正表面系统的球差，同时实现消色差及复消色差。对系统在平面、球面和非球面不同面型下的成像质量进行比对。当系统为非球面设计时，调制传递函数在截止频率50 lp/mm处高于0.6683，优于平面和球面设计，衍射圈入能量更高，成像质量更好。该研究为将多级衍射元件组合系统运用到消色差领域提供了参考。

建立了环境温度对双层衍射元件衍射效率影响的数学模型，给出高衍射效率衍射元件的优化设计方法。通过选择宽温度范围内设计波长对，计算衍射元件微结构参数，确保双层衍射元件在基底材料确定的情况下仍具有高衍射效率，发现混合成像光学系统具有最佳像质。最后设计了一套含有此双层衍射元件的中波红外混合成像光学系统。结果表明，与传统设计相比，本文方法能够有效地改善混合成像光学系统的无热化设计像质，设计结果更好。

基于衍射元件的特殊成像性质，使用双层衍射元件进行双波段红外光学系统设计已成为研究热点。使用双层衍射元件能够有效提升宽波段的衍射效率，在简化系统结构的基础上提高像质。将红外成像系统设计为制冷型结构，能够消除背景噪声干扰，保证100%的冷光阑效率。基于带宽积分平均衍射效率最大化方法，设计了一款含有双层衍射元件的制冷型双波段红外光学成像系统，实现了在双波段红外和宽温度范围下的无热化设计。光学系统含有三片透镜，仅由两种材料组成，入瞳直径为80 mm，焦距为100 mm，F数为1.25，有效视场为6°，工作波段为3.7~4.8 μm和8.0~12.0 μm，工作环境温度为-40~60 ℃。分析结果表明，在整个温度范围内，在17 lp/mm截止频率处，双波段红外光学系统所有视场的调制传递函数分别高于0.78和0.59，同时双层衍射元件在红外双波段的带宽积分平均衍射效率分别为99.35%和98.73%，综合带宽积分平均衍射效率为99.04%。此光学系统的结构设计简单，成像质量好，在**和商业应用中具有一定优势。

基于双波段系统的多层衍射光学元件(MLDOE)的带宽积分衍射效率(PIDE),建立其与入射角度和基底材料关系的数学模型,提出一种双波段斜入射多层衍射光学元件基底材料的选择方法,并通过该方法选择出双波段多层衍射光学元件基底材料的最佳组合方案。方法的提出以及数学模型的建立,解决了光线斜入射时基底材料选择不当导致多层衍射元件衍射效率和带宽积分衍射效率下降的问题,为多层衍射元件在多波段和宽波段系统中的应用提供理论指导。依据该方法,设计了适用于中波红外3.7~4.8 μm(MWIR)和长波红外7.7~9.5 μm(LWIR) 双波段的多层衍射光学元件,并利用该衍射元件设计了10倍中长波折衍混合双波段红外变焦系统。结果表明,该系统在中波红外奈奎斯特频率处的调制传递函数(MTF)均大于0.52,在长波红外奈奎斯特频率处的MTF均大于0.35。

使用衍射光学元件将高斯激光光束整形为能量分布均匀的平顶激光光束,对比了两种激光诱导铜等离子体的特性,研究了光束整形对激光诱导击穿光谱稳定性的改善作用。研究结果表明:激光光束能量分布的均匀性引起了烧蚀坑形貌以及单次烧蚀量的差异,高斯激光和平顶激光诱导光谱的强度、等离子体温度和电子密度的相对标准偏差分别为12.33%和6.37%、2.10%和1.32%、5.31%和0.65%;光束整形后激光诱导击穿光谱的稳定性得到了明显改善,两种激光诱导产生的等离子体均呈局部热力学平衡状态。

为满足空间成像领域对大口径、轻量化、高衍射效率光学衍射元件的需求, 研究了薄膜衍射元件微结构设计及制作工艺。应用Zemax光学软件设计了320 mm口径, F/#100的四台阶薄膜菲涅尔衍射元件, 并利用Matlab软件将连续位相结构转化为离散化台阶分布。研究了薄膜菲涅尔衍射元件的制作技术, 选用透明聚酰亚胺薄膜作为基底材料, 以石英玻璃作为复制模板, 通过多次旋涂的方式实现了厚度为20 μm的衍射薄膜制作。应用Solidworks软件设计并加工薄膜支撑装置。测量复制基板及薄膜对应区域的微结构, 实验结果表明条纹线宽转移偏差小于1.3%, 台阶深度偏差小于8.6%。搭建光路测试在波长632.8 nm处衍射效率平均值为71.5%, 达到了理论值的88%。实验结果表明, 制作的薄膜重量轻, 复制精度高, 并且具有高衍射效率, 满足空间望远镜的应用要求。

为提高衍射效率, 设计并制作了口径为300 mm的衍射成像系统.该系统的物镜是由一块四台阶位相型菲涅尔波带片通过激光直写套刻和Ar离子束物理刻蚀技术在石英玻璃基板上加工而成.测试了衍射物镜的衍射效率, 实验结果表明: 衍射物镜在波长632.8 nm处的衍射效率为66.4%, 达到理论值的82%.搭建了衍射成像系统光路, 分别采用10 μm星点孔与分辨率板, 测试了系统的成像性能.实验测得星点像直径为44 μm, 分辨率板的极限分辨率达到84 lp/mm, 接近该系统的理论计算值, 表明该衍射成像系统具有较好的成像性能.

衍射光学元件由于可以实现对高斯光束的整形而被重视，其通常的设计方法为G-S算法，由于使用傅里叶变换运算量大、费时长，将快速汉克尔变换应用到这些算法中可以极大地提高运算速度，节省运算时间，为设计复杂的光束整形元件提供了高效、可行的方法。本文利用该种方法设计针对中心波长为775 nm、光束束腰口径为6 cm的激光器，成功设计了一个具有二阶相位的折衍混合光学元件。仅单独这一片元件，既可在距离其35 m处得到一半径为200 μm的圆形平顶光斑，均方根误差D＜0021。当抽样值取215时，在普通PC机上运行时间仅为2005 s，大大节省了优化设计时间(整个优化设计过程往往需要几十次甚是上百次这种运算)。同时利用离子刻蚀技术加工了该折衍混合元件，并进行了实际测试，结果与设计值基本相符，整形效果较好。这种单片的整形元件不仅整形效果好，还有利于与激光器的集成，简化系统的调节。