随着激光脉冲宽度极限的不断突破以及峰值功率的不断提高，脉宽压缩光栅的尺寸需要进一步增大。但反射式曝光系统所需大口径长焦距离轴镜的高精度加工检测成为制约大口径光栅制作的难题。采用计算全息补偿检测不需要复杂的设计和装调，但同样会引入非回转对称和复杂的二维投影畸变。传统的畸变校正方法由于精度受限或计算复杂不利于工程应用。提出基于数值计算的畸变校正方法，该方法具有简单通用易于编程的优点。利用800 mm口径折反镜在直径为18 m光学平台上搭建了面形检测光路，通过系统误差标定去除以及畸变校正的方法实现了高精度面形测量，经磁流变迭代加工后，面形精度RMS可收敛至0.013λ（λ=632.8 nm），这为后续大口径反射式曝光系统的建立奠定了基础。

针对传统计算全息法生成的贝塞尔光束阵列均匀性差，能量利用率低的问题，提出了两种计算全息法，分别可以生成高质量的平行、发散贝塞尔光束阵列。提出多轴锥透镜相位并行拼接法，通过提高窗口的“口径利用率”，有效降低了光场的背景噪声，提高了能量利用率，仿真结果表明，所产生的3×3平行贝塞尔光束阵列均匀性为98.94%，衍射效率为78.12%；提出多透镜和轴锥透镜相位叠加法，通过多个透镜和轴锥透镜相位叠加来调控贝塞尔光束的数量和位置，透镜相位对贝塞尔光束起到聚焦的作用，可以在透镜后焦面附近得到中心光斑直径缩小的贝塞尔光束阵列，仿真结果表明，所产生的3×3发散贝塞尔光束阵列均匀性为97.95%，衍射效率为79.23%。实验采集了贝塞尔光束阵列沿传输方向120 mm，130 mm，140 mm位置处的图像，与仿真结果高度一致。相比于传统方法，本文所提方法产生的平行、发散贝塞尔光束阵列均匀性分别提高了2.97%和4.70%，衍射效率分别提高了48.22%和54.75%。

同轴四反式光学系统的研制可采用非球面主镜和四镜一体化成型制造法，该方法极大地降低了系统零件复杂度，同时减轻了整机质量，提高了装机效率，但对后期光学系统装调的自由度产生了约束，因此，在镜面制造过程中，两者的光轴一致性需要精确测量及控制。在现有干涉测量法的基础上，提出了一种检测两面共体非球面镜光轴一致性的方法。在干涉检测光路中，两个非球面表面的光轴通过精密调整和严格标定后分别引出到两个计算全息片(CGH)补偿器上，CGH经过设计后，其特定区域可发出平行光，经另一片CGH反射后在干涉仪中形成表征两片CGH夹角的干涉条纹，解算干涉条纹的波前倾斜可得出两非球面的光轴偏差，对一两面共体待测非球面光学零件进行了CGH设计和检测光路的误差分析，显示测试精度可以达到1″。设计投产了CGH补偿器，搭建干涉检测光路，完成了光轴一致性的测量，数据处理解析出的波前倾斜为（1.544λ，0.441λ），计算出光轴夹角为(0.007 0°, 0.002 0°)，使用经纬仪复测的两片CGH的夹角为(0.007 1°, 0.001 9°)。使用轮廓仪法对干涉测量法结果进行了比对验证，分别扫描主镜和四镜的面形轮廓，统一坐标系后，主镜和四镜的光轴夹角为(0.007 1°, 0.002 0°)，三者显示出较高的一致性。该方法具有直观性强、检测精度高的优点。

空间光调制器模拟锥透镜法是目前最为广泛使用的产生完美涡旋光的方法，但是该方法无法调控光束环宽，为了解决这个问题，提出了使用傅里叶空间相位计算全息法产生、调控完美涡旋光。通过理论分析和实验测量证明，改变编码相位可以实时调控完美涡旋光的光环半径、环宽和拓扑荷数。该方法光路简单，产生的光束质量高，且光路只需进行一次调整，操作简便。另外，该方法还具有通用性强的优点，可用于产生各类变形完美涡旋光。实验产生了不同参数的椭圆形完美涡旋光，实验测量结果与理论结果吻合得很好。因此，傅里叶空间相位计算全息法是一种简便、通用、实用性更强的完美涡旋光产生、调控方法。

提出利用全介质超表面实现太赫兹波段计算全息成像技术方案，采用基于几何相位调控的全介质超表面实现了频率0.95 THz~1.2 THz的宽带全息成像。在此基础上，设计了基于几何相位和传输相位同时调控的全介质超表面并实现了偏振复用全息成像。该研究提高了超表面的复用能力和工作效率，有望解决金属超表面存在的固有欧姆损耗和低极化转换效率等问题。同时可以激发Mie型电共振和磁共振实现波前调制，为开发高效、轻便、低成本的太赫兹功能器件提供了一种新途径。

Lommel光束是由Lommel函数描述的一种结构复杂的无衍射光束，其光学形态可由阶数n、不对称度c0、旋转角度?0等3个参数调控，三参数Lommel光束结构复杂，实验上较难产生。引入了一种复振幅调制技术来产生Lommel光束，利用罗曼型迂回相位编码法，对复杂波前的振幅和相位进行编码，构造出能够产生Lommel光束的二元计算全息图，然后使用全息直写打印系统，将由计算机构建的二元计算全息图加工成实振幅掩模板，实验制备了像素数高达35000 pixel×35000 pixel的掩模板，最终方便地产生了高质量的Lommel光束，该研究方法也为产生其他具有复杂结构的无衍射光束提供了思路。

针对目前双面微器件加工方法步骤繁琐、效率低的问题，提出基于改进Gerchberg-Saxton（GS）算法的全息双面光刻方法，使用单个光源在玻璃基底的上下表面同时曝光，进行双面图形的制作。该方法通过计算不同轴向位置图案对应的组合全息图，并将其加载到空间光调制器（LCOS-SLM）上，对入射光场进行调制，从而在目标空间内实现双面图形重现。采用改进GS算法对距离焦面2 mm处的图案A与距离焦面4.06 mm处的图案B进行全息图计算与仿真重建。搭建实验装置，对3 mm厚透明石英玻璃基底的上下表面同时曝光，且对光场生成过程中的散斑、杂散光及串扰问题做出分析并提出解决方案，最终实现60 μm线宽双层图案曝光，验证了所提方法进行双面光刻的可行性。所提方法使用单张全息图和单个光源，通过单次曝光即可在目标体积内生成多层任意图形，极大地简化了双面图形制作的步骤。

全息三维显示技术能有效地重建三维物体的波前，并为人眼提供完整的深度线索，已经成为三维显示领域的研究热点。相比于光学全息，计算全息通过计算机模拟全息图的记录过程，并采用可刷新的空间光调制器替代传统的光学记录材料作为全息图的承载媒介，因而成为理想的实现实时全息三维显示的技术方案。然而，复杂三维场景数据量巨大、空间光调制器调制能力不足以及全息三维显示系统展示度不高等问题仍阻碍了实时全息三维显示的发展。为了克服这些不足，研究者们在算法和硬件两方面做出了许多创新工作。本文综述了实时全息三维显示的进展。首先概述了全息术的基本原理和发展简史，接着详细介绍了全息图快速计算方法和针对现有空间光调制器的波前编码方法，然后讨论了深度学习对实时全息三维显示做出的贡献并介绍了一些典型的全息显示系统，最后对实时全息三维显示的未来发展进行了展望。

由共用镜坯、径向折叠的多个环带反射镜组成的成像系统具有紧凑化、免装调的特点。为确保各反射镜的面形精度和相互位姿精度，提出了计算全息（Computer Generated Hologram, CGH）补偿干涉测量方法。针对可见光/近红外成像需求，基于共轴折叠思路设计了环带四反射镜成像系统；应用金刚石车削工艺加工了多环带共体反射镜；重点针对其中共体的主镜、三镜和次镜、四镜分别设计了CGH补偿器，通过合理选择离焦载频和CGH轴向位置，有效分离了干扰衍射级次的鬼像，实现了多个反射镜面形与相互位姿误差的同步检测。干涉测量结果表明，多个反射镜同时达到接近零条纹状态，面形精度和相互位姿精度较高，且无鬼像干扰。系统对100 m远处目标探测实验表明，反射镜不需要额外装调即可实现良好成像，具有集成度高、研制周期短、成像质量高的优点。

为实现自由曲面的定位与位姿高精度测量，提出了“光学-机械”基准定位法，建立了位姿测量模型，并对该方法的定位误差和基准选择展开研究。根据三坐标测量机与计算全息提出了“光学-机械”基准定位法。然后，采用球形安装的回射器（Sphere Mounted Retroreflector ，SMR）、猫眼、基准球作为基准，基于波像差理论与视差效应分别建立了3种基准的位姿测量模型，得到了位置误差与基准区域波前像差的函数关系，并对3种位姿测量模型进行对比。最后，对3种基准位姿测量方法进行仿真及实验验证，实测结果与模型的残差结果均小于0.05λ，相对误差均小于2.43%，验证了模型的准确性。实验结果表明，当检测距离为1 000 mm时，猫眼法的轴向定位误差为24 μm；基准球法的轴向定位误差为50 μm；SMR靶球法的轴向定位误差为16 μm，X，Y方向的定位误差为1 μm，滚转角定位误差为3.26″。SMR靶球法的定位误差最小、检测动态范围最大且检测光学元件的自由度最多，更适用于自由曲面的高精度位姿检测。