本文介绍了国内外对多层衍射光学元件的研究现状,阐述了多层衍射光学元件的理论基础,讨论了多层衍射光学元件的特性,给出了多层衍射光学元件最大光栅厚度的优化设计方法,分析了构成多层结构的每块单层衍射元件的衍射效率对整体衍射效率的贡献作用。利用PS和PMMA两种材料优化设计了一个多层衍射光学元件,在436～656nm的可见光波段,该元件最低衍射效率可达到98%以上,克服了单层衍射元件偏离设计波长后衍射效率显著下降的缺点,改善了宽波段衍射效率。并且用这个多层衍射光学元件设计了一个长焦距物镜,该系统焦距1000mm,入瞳口径为125mm,视场角为3.5°,设计波长为589.3nm,工作波段从510nm到656.3nm,在100对线的MTF值可达到0.35以上。将多层衍射光学元件应用在折、衍射混合光学系统中,能够明显提高系统的成像质量,同时使得光学系统体积减小,重量减轻,并且在某些系统中可以避免使用昂贵的特殊材料,从而可以降低光学系统的成本价格,在应用上具有重要意义。