本文通过将聚合物分散液晶膜包裹在固定曲率半径的聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate, PET)软膜内, 通过平面波干涉的全息技术, 制作了一种柔性曲面全息光栅。文章研究了柔性曲面全息光栅的衍射再现特性。使用微元法以及耦合波理论研究推导了柔性曲面光栅在曲率改变时的衍射特性公式。提出以柱面波再现曲率变化时的柔性全息光栅, 以实现最佳衍射效果再现, 论文推演了相关技术参数, 如柱面波焦点位置, 柱透镜焦距与衍射横向放大关系率等。在曝光时间为70 s和曝光强度为30 mW/cm2的条件下, 制备了中心衍射效率为88%的柔性光栅。实验通过改变柔性光栅的曲率半径和使用柱面波再现, 实现了理论计算的衍射横向放大率特性。

基于Thue-Morse非周期数学序列设计了一种新型衍射光子学元件——Thue-Morse多焦点涡旋透镜。与菲涅耳涡旋透镜相比,该类型透镜沿轴向具有多个聚焦涡旋且对称位置处的聚焦涡旋具有同等强度。理论与实验证明,Thue-Morse涡旋透镜具有独特的光学性质。该类型透镜可以产生涡旋光束阵列,实现多平面金属微粒、低折射率介质微粒等的束缚,在微纳光学领域具有潜在的应用价值。

利用柱面波与平面波干涉形成一种二维(2D)全息聚合物分散液晶(H-PDLC)变间距光栅。为了使聚合物与液晶分离得更加彻底，采用曝光强度为16 mW/cm2、波长为532 nm的激光进行实验，并且两次曝光时间分别为2 s和60 s，通过将样品二次曝光和旋转60°形成2D六角晶格H-PDLC变间距光栅，分别研究了光栅的理论周期变化范围、衍射特性、电控特性以及影响光栅周期变化的参数分析。结果表明：在半径为6 mm的圆形范围内，光栅的周期变化区间为1.804~2.281 μm，与理论计算所得结果基本一致。在没有加载电压的情况下，一级衍射效率达18.3%，当加载电压达到90 V时，零级衍射效率由15.6%增加至73%。该光栅具有变周期和电控特性，在衍射光学领域具有潜在的应用价值，可用于染料掺杂2D H-PDLC光栅的可调谐多波长有机激光器的研究。

基于DMD的目标模拟器应用于长波红外波段(8~12 μm)时, DMD的衍射效应对系统的成像对比度造成较大影响。为使系统获得高对比度的红外图像, 需要对DMD的衍射特性进行分析。首先根据DMD的结构和工作原理, 将DMD等效为一特殊的二维闪耀光栅, 并利用光栅衍射理论和傅里叶变换, 推导出DMD二维光栅衍射模型; 然后利用MATLAB对DMD在8~12 μm波段的衍射模型进行仿真计算; 最后对仿真结果进行了实验验证。通过仿真计算和实验分析得出结论: 基于DMD的目标模拟器应用于长波红外波段时, 照明光束需要选取合适的入射角; 当入射空间方位角为0°, 入射天顶角为44~48°时, 目标模拟器生成的红外图像对比度达到最佳,系统成像质量最好。

通过分析仿生蛾眼抗反射阵列周期对反射率和透射率的影响,获得了波长与周期之比与反射波能量和零级透射波能量直接相关,分界线符合±1级衍射倏逝条件。在亚波长区具有低反射率和低零级透射率,而在小周期区具有低反射率和透射率。并且通过引入微结构顶面与底面直径之比圆锥度系数概念来表征微结构形状,从而能够分析圆锥形、圆台形、圆柱形仿生蛾眼微纳结构之间不同形状过渡的变化趋势,进而实现了制备微纳结构形状的误差分析。

为了研究激光光源对液晶电光特性的影响, 采用Jones 矩阵对液晶的光学特性进行了分析, 同时利用不同波长的半导体激光器作为入射光源, 对液晶的电光特性进行了实验研究。结果表明, 当电压达到4.8V时, 各光源下液晶的透光强度均出现陡降, 说明液晶的阈值电压与入射光波长无依赖关系; 通过示波器跟踪图像发现各光源下液晶的响应时间有明显的差异; 随着供电电压的增大, 液晶光栅的衍射光斑由圆环状逐渐转为平行分布, 且各级衍射光斑并非完全对称, 入射波长及供电电压决定了衍射光斑的空间及能量分布。该研究结果对液晶器件的研发具有一定的借鉴意义。

多层电介质反射式衍射光栅作为光谱合成系统的核心元件，在高功率激光辐照下的表面形变将导致其衍射特性改变，进而影响系统合成光束质量和衍射效率。搭建泰曼-格林干涉仪探测在高功率激光辐照下衍射光栅表面的干涉条纹，经图像处理及泽尼克多项式拟合实现光栅表面形貌的重建。采用高功率光纤激光辐照加热光栅，测量另一光束经过热畸变光栅后的光束质量和衍射效率演变。结果表明，在高功率激光辐照下光栅表面形变高度分布为高斯型，辐照功率密度3 kW/cm2时，干涉条纹对应区域内的光栅表面在垂直方向上隆起，最大高度为127 nm。表面形变引起衍射光束质量因子M2退化，这种退化主要来自衍射光远场发散角的增大。光栅衍射效率波动幅度小于1.8%。

采用光束传输法分析了横向啁啾体布拉格光栅的衍射特性，实验研究了横向啁啾体布拉格光栅外腔二极管激光器的功率特性、光谱特性和波长调谐特性，数值计算和实验结果表明：横向啁啾体布拉格光栅的峰值衍射效率随着入射光束在啁啾方向上尺寸的增大而降低，光谱选择宽度随着入射光束在啁啾方向上尺寸的增大而增大；当横向啁啾体布拉格光栅的啁啾方向与二极管激光器的快轴方向一致时，外腔二极管激光器的外腔效率为85%，在808.05 nm 处的输出激光光谱宽度为0.27 nm；当横向啁啾体布拉格光栅的啁啾方向与二极管激光器的慢轴方向一致时，外腔二极管激光器的外腔效率为89%，在808.05 nm 处的输出激光光谱宽度为0.3 nm，两种外腔激光器都较好地实现了约15 nm 波长调谐范围，且在整个调谐范围内输出功率波动范围分别小于1%(快轴方向一致)与1.5%(慢轴方向一致)。

PGP模块是超光谱成像仪中重要分光器件。 为了能够在制作前有效预测PGP整个系统的衍射效率分布及其衍射特性, 提出了PGP整体化设计方法。 从体位相全息光栅设计角度出发, 结合棱镜与光栅各项参数的制约关系, 编制了计算PGP整体衍射效率的分析软件, 综合考察了棱镜与光栅各项参数对PGP模块衍射特性的影响, 讨论了光栅布拉格波长的漂移特性, 据此设计了一种用于成像光谱仪的宽波段高衍射效率PGP分光模块。 模拟结果表明: 棱镜1材料的色散系数越小, PGP的光谱带宽越窄； 光栅布拉格波长的漂移增大了PGP模块和光栅的光谱带宽, 带宽增大使光栅的角度选择性随之增大, 拓宽了棱镜1材料的选择要求； 棱镜1顶角、 光栅的胶层厚度和相对介电常数调制度等参数是影响PGP衍射效率分布的重要因素, 制作时需要精确控制。 利用此方法设计的PGP分光模块在400～1 000 nm波段范围内衍射效率不低于50%, 并给出具体设计参数, 这对PGP制作具有一定的参考价值。

通过引入介电常数与吸收常数随膜层厚度非均匀变化函数来计算非理想调制轮廓体全息光栅的衍射效率，分析其衍射特性。根据Kamiya严格的分层计算方法，推导出了非均匀混合调制轮廓等非理想情况下的二阶耦合微分方程，据此考察了吸收常数及其调制度变化时光栅各级次衍射光的衍射特性，分析了衰减系数及相位振幅光栅异相等因素对光栅角度选择性的影响，给出光栅衍射效率对几何分层的响应程度。通过与Kogelnik和Sabol的计算方法对比，进一步论证了严格算法的准确性。结果表明，光栅衍射效率峰值随吸收常数、衰减系数及相位振幅光栅之间相位差的变化而变化；吸收调制度会小幅度增加效率峰值，但因吸收常数的存在，整体效率不高；分层数对光栅角度选择性和角谱宽度影响较小，分层数与衍射效率的收敛性表明取20层较好。该工作对非理想调制轮廓的体全息光栅衍射效率计算及其特性分析具有一定的参考价值。