衍射光学元件相比于折反式光学元件具有更多的设计自由度,制作公差更为宽松,可以实现平板成像。衍射元件的应用可以简化光学系统结构,减小光学系统重量,自其出现以来,就备受光学设计者的关注。衍射光学元件分为成像元件和非成像元件:成像衍射光学元件在紫外、可见光以及红外波段均有广泛的应用;非成像衍射光学元件主要用于能量收集、光强匀化以及波前整形。作为应用最广的一类成像衍射光学元件,菲涅耳波带片被广泛应用于多种光学系统:在X射线成像方面,由于几乎所有材料折射率在此波段的折射率都接近于1,无法通过折射定理对光线进行偏折从而实现成像,而基于衍射成像的菲涅尔波带片可以有效解决材料折射率受限这一问题,在X射线成像领域具有不可替代的作用;在空间望远镜应用方面,为了获得更高的对地观察分辨率需要增大传统反射式望远镜的口径,但是随着望远镜口径的增大,在给加工和检测带来了近乎苛刻要求的同时,望远镜的质量也会随着口径的增加而变大,也给发射带来了极大的挑战,相比之下,可以实现折叠展开和轻量化的菲涅尔波带片为更大口径望远镜的制作提供了一个新思路。然而,在菲涅尔波带片的众多应用中,衍射效率低成为制约其广泛使用的一个重要因素:较低的衍射效率会导致其它非工作级次作为背景光会聚在像平面上,进而导致光学系统的信噪比下降从而影响最终光学系统成像质量。因此,结合具体加工工艺展开提高菲涅尔波带片衍射效率的研究显得尤为重要。此外,在加工过程中,各种加工因素引入的加工误差会使实际加工的波带片衍射效率低于理论衍射效率,所以建立衍射模型定量分析各种加工误差对衍射效率的影响也对菲涅尔波带片的使用具有重要意义。本文从制作工艺和理论分析两个方面对具有高衍射效率的多台阶菲涅尔波带片进行了深入的研究和探索,重点研究内容主要包括以下几个方面:1.台阶数目对衍射效率的影响研究利用标量衍射理论分析了菲涅尔波带片的衍射效率与位相台阶数目的关系,在一定近似条件下,从基尔霍夫衍射积分公式和线性叠加原理出发,推导了可以计算振幅型波带片像面光场分布的表达式,并且进一步推导了多台阶结构波带片像面光场的表达式,利用该解析表达式分别模拟了不同台阶数目对衍射效率的影响。2.大口径高精度多台阶菲涅尔波带片的加工工艺研究在大口径菲涅尔波带片的刻蚀过程中,为了解决传统离子刻蚀面临的口径受限和刻蚀深度均匀性得不到保证这两个问题,本文提出了结合具有高斯型去除函数分布的点源离子束和驻留时间算法完成菲涅尔波带片的扫描刻蚀,使得刻蚀口径不受刻蚀离子源尺寸限制,大口径波带片可以通过小尺寸点源离子束的扫描完成刻蚀,刻蚀深度均匀性可以通过优化每个子孔径的刻蚀时间得到提升。通过套刻工艺结合提出的刻蚀方法完成了300mm直径的四台阶结构菲涅尔波带片的制作。设计并搭建了检测光路,对波带片的衍射效率、星点像成像以及分辨率板成像分别进行了测量实验。3.混合台阶菲涅尔波带片的制作工艺及衍射特性研究从衍射效率的角度讲,波带片最外环带的线宽越大越好,从而可以加工成更多台阶数目,获得高衍射效率。而激光直写系统存在物理加工极限,对于最外环带接近加工极限的波带片,无法加工成多台阶结构,进而限制了其衍射效率;从分辨率的角度讲,波带片的最外环带线宽越小,分辨率越高。所以为了获得高分辨率,通常需要制作环带线宽较小的波带片。在现有加工工艺加工精度不变的前提下,为了解决增强衍射效率和提高空间分辨率不可兼得这一矛盾问题,本文提出了利用混合台阶数目菲涅尔波带片最大程度地提高衍射效率,建立了混合台阶数目菲涅尔波带片的衍射模型,针对不同加工能力对其衍射效率和成像质量进行了模拟仿真。最终制作了口径为20mm、F/15的混合台阶菲涅尔波带片,并且对其衍射效率和成像质量进行了实验验证。4.加工误差对菲涅尔波带片的衍射效率影响研究建立多台阶菲涅尔波带片的加工误差模型,分别分析了套刻偏差,刻蚀深度偏差,线宽偏差对衍射效率的影响。对于菲涅耳波带片而言,由于整个口径内不同区域的线宽是变化的,所以不同区域内相对套刻偏差是变化的,因此使用不变的套刻偏差去分析整个波带片的衍射效率是不严谨的。针对这一问题,提出了综合衍射效率概念,通过数值模拟计算了不同套刻偏差对菲涅尔波带片综合衍射效率的影响。