光折变体全息光栅已经成为实现光信息存贮和光学集成的主要手段之一。为了满足实用化的要求，光折变体全息光栅的记录性能在许多方面需要进一步优化。垂直结构的体全息光栅有利于实现光学集成器件的小型化，却存在衍射效率低的缺点，需要优化记录材料以获得最强的体光栅；采用双掺杂晶体的双中心记录方案实现了非挥发读出，在全息数据存贮和局域体全息3-D光学集成等领域有潜在的应用前景，然而双中心方案的记录灵敏度比单掺杂晶体低了1～2个数量级，需要优化材料或记录技术以提高记录灵敏度。本论文论述了作者分别在以上两个方面所开展的一些理论和实验工作，主要内容包括： 　　 (1)通过联立求解局域体光栅耦合波方程和单中心物质方程组的一阶近似解，同时考虑吸收和归一化光电导对衍射效率的影响，详细研究了LiNbO3：Fe晶体垂直记录结构下饱和衍射效率和晶体的氧化态及掺杂浓度的依赖关系，发现该晶体存在最佳的掺杂浓度和氧化态能够得到最高的饱和衍射效率，然而得到高衍射效率的同时衍射光斑质量将下降。实验验证了饱和衍射效率随氧化态及掺杂浓度的依赖关系。　　 (2)详细研究了LiNbO3：Ru和LiNbO3：Fe：Ru晶体的记录和读出特性，实验和理论分析了Ru对LiNbO3：Fe：Ru晶体单色光记录方案和双中心记录方案的记录和读出的影响。研究表明：LiNbO3：Ru晶体氧化处理可以同时增加记录灵敏度和饱和衍射效率；在LiNbO3晶体中Ru的能级比Mn更靠近Fe；488nm是LiNbO3：Fe：Ru晶体双中心记录方案的优化敏化光；LiNbO3：Fe：Ru晶体光栅的持久性低于LiNbO3：Fe：Mn晶体；单色光记录方案能够在生长态LiNbO3：Fe：Ru晶体中实现有效的全息，其记录和读出过程表现为不对称性。通过联立求解双中心物质方程组和耦合方程组的研究表明：Ru的能级比Mn更靠近Fe是LiNbO3：Fe：Ru晶体双中心方案记录灵敏度提高和光栅持久性下降的原因；Ru与Fe红光激发系数的差别，是造成单色光记录和读出不对称性的原因。　　 (3)提出了一种在双掺杂LiNbO3：Ce：Mn晶体中用调制的双紫外光进行记录、红光读出的非挥发全息记录的方法。与通常采用紫外光敏化的非挥发全息记录方案相比，这种方法可以大幅度地提高光栅强度和记录灵敏度。联立双中心物质方程组和双光束耦合波方程组，数值分析了深、浅中心及总的空间电荷场时间的变化，结果表明，区别于一般的紫外光敏化的双中心记录，紫外光记录得到的深浅中心的光栅具有相同的相位，固定过程中深中心的光栅得到增强。　　 (4)采用三块不同氧化态的LiNbO3：Fe晶体验证了透射式光栅记录结构下体光栅的100％衍射效率与临界电场之间的对应关系。