针对惯性约束聚变激光等离子体诊断系统的特殊需求．提出采用对数型轴锥镜来实现长焦深功能，并采用超高斯边缘匀滑、中心切趾及选择合适的器件参数等方法优化了长焦深器件的性能。模拟实验证明，为了得到满足要求的长焦深、小焦斑、小旁瓣和均匀的轴上及横向光场分布的聚焦光束，对数型轴锥镜的焦深应为3～5mm；元件中心须采用切趾，而且切趾半径应为15～60mm；元件边缘宜采用5阶超高斯匀滑。设计出焦深长达3mm、轴上光强均匀、旁瓣峰值小于中心强度的2％且横向光斑较均匀的长焦深器件，可以满足激光等离子体诊断的要求，并用菲涅耳衍射积分对该元件光场的模拟实验验证了该方法的可行性。

本文利用长焦深器件设计思路，提出了通过设计衍射光学器件相位分布使得在三个垂轴面上满足均匀 照明要求来间接实现非垂轴面均匀照明的设计方法，并完成了同时实现多种角度非垂轴面均匀照明的衍射光学器件设计。基于爬山法和模拟退火法相结合的混合算法，设计了器件的相位分布，在３０°、４５°、５５°非垂轴面上光斑不均匀性分别为５．９１％、４．００％、３．３８％，该方法可推广至二维情形，实现任意曲面均匀照明的要求。

提出了一种设计长焦深小焦斑衍射光学元件的方法．该方法采用ZEMAX光学设计程序，利用能量守恒原理求解目标函数，并综合考虑焦斑大小保持不变的要求，对目标函数进行了修正，通过修正后的函数来约束输出光束在焦深范围内的轴上位置，从而完成衍射光学元件的相位优化，并求得相应的工艺参数．该元件不但可以使激光束具有长焦深和小焦斑，而且还具有可加工性．焦深范围能达到2mm，焦深范围内光斑半径在5．32～10．48μm变化，与相同参数的传统光学元件相比，焦深增加了8倍，焦斑半径变化很小，而普通光学元件在此范围内最大焦斑半径达到102．9μm．该方法为长焦深元件的设计、加工与制造提供了可行方案．