随着光学事业的发展,衍射光学元件变得越来越重要。但是在现代的光学系统的发展中,仅凭借单层衍射光学元件已经不能更好地满足光学系统成像的设计要求。这是因为在含有单层衍射光学元件的光学成像系统中,只能在设计的中心波长处可以使衍射效率达到100%,当偏离中心波长时,其衍射效率会急剧下降。但是多层衍射光学元件解决了这一缺陷,然而当环境温度改变时,降低含有多层衍射光学元件的折/衍射混合光学系统的成像质量,使像质变差。所以本文以双层衍射光学元件为例分析研究多层衍射光学元件的热特性,并将多层衍射光学元件的热特性理论应用到红外光学系统的无热化设计中。首先,本文研究了折射光学元件与单层衍射光学元件的理论热特性,对多层衍射光学元件的热特性进行分析研究,并建立了多层衍射光学元件热特性分析的数学模型,讨论了温度的变化对多层衍射光学元件的衍射效率的影响。其次,根据多层衍射光学元件的热特性理论以及所建立的数学模型,并根据消热差图的理论方法,对几种常用的红外光学材料进行分析,找出了适合应用在长波红外波段和中波红外波段的多层衍射光学元件基底材料,可以较好地消除热差对多层衍射光学元件的影响。最后,在红外长波段,以Ge和ZnS作为多层衍射光学元件的基底材料,设计了一个红外无热化的光学系统,进一步验证了本文的消热差理论。