衍射光学是基于光波衍射理论发展起来的一个新兴光学分支。二元光学元件是最重要的成员之一,它不仅具有体积小、造价低、高衍射效率等诸多优点,还能实现微小集成及能够实现对波面的任意变换,具有广阔的应用前景。在生物医疗仪器(如外科医疗仪器中的双聚焦透镜)等现代国防和工业领域发挥着越来越大的作用。随着对衍射元件性能要求的日益提高,加工工艺已经成为制约其发展的主要因素。在众多加工方法中,激光直写法因其一次成型无套刻误差而得到广泛的研究和应用。本课题从对衍射元件制作误差分析出发,针对激光直写方法中存在的典型误差,对光栅的衍射效率和菲涅尔透镜的焦距进行了深入的分析。这些分析结果可以用来指导激光写入策略的优化。本文的主要研究内容如下:首先,针对激光直写二元光学元件中存在的典型制作误差,给出载有典型误差的二元光学元件的物理模型与数学描述。对于光栅型衍射光学元件,本文分析的典型误差模型包括位相深度误差、宽度误差和斜坡误差;对于圆对称型衍射光学元件-菲涅尔透镜,提出了斜面近似环带曲面时所产生的轴上弥散焦距模型。本项研究工作为本课题其它工作的基础;其次,针对激光直写二元光学元件尺寸的特殊性,以4台阶衍射光栅和衍射透镜为例,开展标量和矢量方法分析衍射效率的理论研究。分析结果表明,标量分析与矢量分析有众多不同点。对于亚微米衍射光学元件,矢量分析有不可替代的作用;再次,针对激光直写光栅型二元光学元件存在的典型误差,开展对载有典型误差信息的4台阶衍射光栅的衍射效率理论研究,揭示典型误差对元件性能的影响程度,进而给出激光直写策略优化方案。分析结果表明:对于10%的等大位相深度误差将产生2.5%的衍射效率下降;对于最差的10%等宽度误差分布产生2%的衍射效率下降;对于斜坡误差,在一定的斜坡误差范围内反而会增大衍射效率。进一步地,针对实际制作情况,本文对于深度误差和宽度误差,还给出了单个台阶的位相深度误差和宽度对衍射效率的影响。本文的分析对衍射光学元件激光直写制作技术给出优化性指导;最后,针对圆对称型衍射光学元件-菲涅尔透镜中存在的斜面近似曲面而产生的弥散斑,开展了载有该种误差的菲涅尔透镜对焦距影响的理论分析,揭示了不同的参数对焦距的影响程度,并提出多斜面近似的直写方案。分析结果表明:相同条件下,大的位相深度因子产生的弥散焦距越大;环带数越多即环带宽度越小产生的弥散焦距越小;相同的位相深度因子下,特定的焦距大小产生相对最小的弥散焦距。进一步地,根据物理模型,使用多斜面近似可以很大程度上减小弥散焦距。这对对焦距有高要求的菲涅尔透镜的激光直写制作方法有指导意义。本论文对激光直写方法制作二元光学元件时存在的典型制作误差进行了全面、系统的分析。针对各种误差均给出了载有误差的二元光学元件的数学描述、理论分析、仿真结果,这些分析结果衍射光学元件的设计和激光直写策略优化技术有指导性意义。