近年来，由于加工工艺不断提高，特别是超精密单点金刚石车削（Single-Point Diamond Turning，简称SPDT）技术的不断成熟以及在红外衍射光学元件加工中的使用，Kinoform型衍射光学元件（Diffractive OpticalElement，DOE）被广泛应用到各类红外成像成像系统中，并且Kinoform型DOE有着比二元光学元件更高的衍射效率，能够更好的发挥衍射光学元件消色差、消热差、简化光学系统结构以及提高光学设计自由度等诸多优势。尽管如此，衍射效率依然是制约衍射光学元件在成像光学系统中应用的主要因素，特别是在宽谱段成像光学系统中的应用,因此有必要研究能够在红外宽谱段内实现高衍射效率的衍射光学元件。本论文系统研究了有关衍射元件的相关文献资料，分析了普通单层衍射元件、单层谐衍射元件和多层衍射元件的衍射效率，根据标量衍射理论和光线追迹的方法进行了相关研究工作。主要工作如下：首先，本论文研究了国内外关于提高衍射光学元件衍射效率以及其他与衍射效率相关的文献，根据文献资料总结得出如下结论：普通单层衍射元件难以实现宽谱段高衍射效率，单层谐衍射元件可以在多个谐波长处实现100%的衍射效率并且这些谐波长具有相同的焦距，双分离双衍射面双层衍射元件在入射角较小时能够实现宽波段内的高衍射效率，将其空气间隔替换成其他材料形成所谓的三层衍射元件可以消除入射角对衍射效率的影响。其次，本论文探讨了在宽波段内具有高衍射效率双层衍射光学元件的两种设计方法：单设计波长双层衍射光学元件设计方法以及双设计波长双层衍射光学元件设计方法，并且利用两种设计方法分别设计了在工作波段内具有高衍射效率衍射光学元件。同时分析了双层衍射光学元件的几种不同的结构形式的合理性。最后，本论文讨论了有空气间隔的双层衍射光学元件的材料选择问题和设计波长选择问题，根据研究结果设计一种在红外中波3~5μm和长波8~14μm的带宽积分衍射效率高于96%的ZnS/Air/ZnSe双层衍射元件，并利用所设计的双层衍射元件设计了结构简单、成像质量良好的红外双波段共口径、共焦面的光学系统。同时论文探讨了入射角对衍射效率的影响，研究了三层衍射元件的设计方法。本论文通过对衍射光学元件的设计及应用研究，利用双设计波长双层衍射光学元件设计方法，设计了红外双色宽波段高衍射效率衍射光学元件，同时利用所设计的ZnS/Air/ZnSe双层衍射光学元件设计了红外双色宽波段高衍射效率衍射光学系统。