在电磁波的各个波段,人们通常需要根据不同的实际需求进行模式的转换,而利用计算机光学元件来实现这一功能则是一种十分行之有效的方法。近年来的大量文献表明,计算机光学元件已经可以应用于光波、微波及毫米波波段中的模式变换,具有广泛的应用前景。本文立足于光波波段,设计出以计算机光学元件设计思想为基础的光学空间模式变换器,实现对光束模式的转换。主要包括元件的理论分析,软件设计及相关实验验证。本文首先对计算机光学元件的基本设计理论进行了详细分析,着重研究了标量理论和几种大规模优化算法,比较了GS(Gerchberg-Saxton)算法、杨-顾相位恢复算法、遗传算法以及模拟退火算法的优缺点。在此基础上,利用遗传算法对传统GS 算法进行了改进,提出一种基于遗传算法和GS 算法相混合的光学空间模式变换器设计的新方法,从而有效地改进了GS 算法的不足。在所提出算法的基础上,本文利用面向对象的设计方法,开发出基于C++语言的光学空间模式变换器计算机仿真软件。该软件能够方便地实现对任意目标图像的元件仿真设计,克服了传统MATLAB 仿真程序解释执行所导致的运行速度慢、程序重用性差、用户界面不友好等缺点。在软件设计过程中,利用统一建模语言UML 对系统进行了总体分析,具有可重用的特点。文章设计了能够将高斯光束转变为字母形、具有特殊图案的形状以及多个目标图像的光学模式变换器,模拟结果与预期结果相符合。文中对上述设计理论得到的模拟结果进行了分析,得出具有一定参考价值的结论,对今后的计算机光学元件设计具有指导性意义。文章在最后进行了实验验证,取得了较为满意的实验结果,证明了设计方法和软件编写的正确性。