全息凹面光栅作为分光器件,具有色散、聚焦成像、校正像差、无鬼线、低杂散光等特性,自发明以来一直在高分辨率光谱仪等领域发挥重要作用。本论文作为国家重大科学仪器设备开发专项—高端全息光栅研发的一部分,对全息凹面光栅的优化设计方法、曝光系统精密检测装调技术、全息光栅掩模制作工艺做了一系列较为深入的研究。第一,对罗兰圆全息光栅、平像场全息光栅、单色仪全息光栅进行了系统性的研究,推导了基于费马原理的光程函数像差理论和光线追迹理论,提出了子午焦线、弧矢焦线和像面相拟合的优化方法,对比分析了像差优化方法、点列图优化方法的特点,从设计结果和优化时间上来看,焦线拟合法都是一种快速、高效的优化设计方法。第二,针对罗兰圆全息光栅,对比研究了相干光源位于罗兰圆上和罗兰圆外、相对基底法线对称分布和非对称分布不同情况下对像差的影响,建立了光栅优化函数,优化分配了像差权重。对相干光源在罗兰圆上非对称的曝光方式,获得优化设计结果,在保证分辨的情况下,像面弧矢展宽由20mm缩小到了2mm,提高了优化效率和光栅的光谱性能。第三,为了更好地校正光学系统像差,提出了全息凹面光栅和球面反射镜一体化设计的方法,建立了包含球面反射镜和全息凹面光栅作为整体的物理模型,基于光程函数理论,得到了像差系数表达式,构造了像差校正目标函数,经优化得到了满意的设计结果,并分析了传统优化设计方法中出现像散增大的原因。这种用全息凹面光栅像差平衡光学系统像差的方法,在保证光谱仪器分辨率的情况下,像面弧矢展宽缩小了约4倍,有效降低了光学系统的像散和弧矢慧差,提高了光学系统光能传输效率。第四,为制作满足设计指标的高质量全息凹面光栅。结合成像光学系统计算机辅助装调原理,提出了Moiré条纹精密检测装调算法,建立了曝光系统装调误差模型,并推导了像差系数和失调量之间的函数关系。进行了Moiré条纹精密检测装调实验,通过采集Moiré条纹图像数据,运用PSI算法、边缘提取、滤波处理、解包裹等算法,反演了曝光干涉场的实时相位,在线拟合了曝光系统的失调量,验证了该算法的正确性和可行性。第五,研究了大相对孔径全息凹面光栅的优化设计和工艺制作流程,分析了光栅在优化设计和制作上的难点。对光栅进行了曝光参数和槽型结构的优化设计,为满足在大相对孔径光栅的干涉区域内,有均匀的能量分布,对曝光系统中两束光能量进行了计算,选择了高放大倍率的空间滤波器。最后,使用曝光和显影实时检测系统,制作了满足设计要求的大相对孔径全息凹面光栅。