多层衍射光学技术是衍射光学领域的前沿课题之一。多层衍射光学元件能够在很宽的光谱波段范围内获得很高的衍射效率,解决了传统单层衍射光学元件存在的偏离设计波长后衍射效率显著下降的问题。本文首先基于光波的标量衍射理论和位相光栅方程,对衍射光学元件的衍射效率问题进行了深入的研究。通过对单层衍射光学元件表面微结构、基底材料的选择等相关参数的讨论,分析了斜入射状态下单层衍射光学元件的衍射效率特性。讨论了衍射光学元件的消色差和消热差特性,以及衍射光学元件产生冷反射的计算分析方法。分析了衍射光学元件的初级像差特性。分析了谐衍射光学元件的设计方法,讨论了谐衍射光学元件的色散特性,以及谐衍射光学元件不同于传统单层衍射光学元件的衍射效率特性。基于单层衍射光学元件斜入射衍射效率的分析,研究了斜入射状态下多层衍射光学元件衍射效率与入射角的变化关系,并建立了描述这种关系的数学模型。分析了在不同方向斜入射时,衍射效率随入射角度的变化关系,不仅分析了双层衍射光学元件斜入射时的衍射效率特性,同时,也讨论了三层衍射光学元件斜入射的衍射效率和入射方向、基底材料的选择以及中间介质材料选择的关系。衍射光学元件的微结构高度、周期宽度等参数的加工误差会对衍射效率产生直接的影响。本文基于衍射光学元件的微结构高度、周期宽度等参数与衍射效率的关系,在对单层衍射光学元件的加工误差对衍射效率影响的分析基础上,研究了多层衍射光学元件的加工误差对其衍射效率影响的分析方法。针对多层衍射光学元件的微结构高度误差变化一致和相反的两种情况,给出了多层衍射光学元件的微结构高度误差对衍射效率的影响,当微结构高度误差变化趋于一致时,对应的衍射效率下降比较缓慢。这个结论可以用来指导衍射光学元件的加工,以及存在加工误差时如何实现衍射效率的最大化设计。本文讨论了衍射光学元件衍射效率的实验测量方法。以衍射光学元件衍射效率的定义为基础,分析了衍射效率的测量原理,进一步搭建了衍射效率的实验测量装置。通过合理地选择测量装置中针孔光阑的大小,能够精确地得到一级衍射的能量,并滤掉次级衍射对测量结果的影响,保证了测量结果的准确性。用这个测量装置对一个已经研制出的折衍射混合成像光学系统中的单层衍射光学元件进行了衍射效率的测量,分别选择了三个激光波长,测量了单层衍射光学元件的衍射效率,通过将衍射效率测量结果的拟合曲线与理论曲线进行对比可知,双光路测量装置能够以较高的精度测量衍射光学元件的衍射效率。为了验证多层衍射光学元件的衍射效率随入射角度的变化关系,设计并研制了一个含有多层衍射光学元件的光学系统,在O。-30.6。范围内对该多层衍射光学元件进行了衍射效率的测量,获得了多层衍射光学元件的衍射效率与入射角度对应关系的实验测量结果。该测量结果验证了通过理论计算得到的多层衍射光学元件衍射效率与入射角的变化关系,实际测量得到的多层衍射光学元件的衍射效率与入射角度关系的变化趋势与理论分析得到的变化趋势是一致的。