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光的传播及调控是自然科学领域最重要的研究课题之一。在各种光学系统中，对自由空间衍射光场的理解是研究所有其他复杂系统的基础，而且其本身在通信、能源、生物、制造业等密切关系到国计民生的领域也具有丰富而重要的应用。
从微电子技术的视角考量，这一课题具有三个方面的研究价值:第一，光刻始终是微电子技术的主要加工方法，对自由空间光学的深刻理解是进一步发展光刻技术的基础。第二，随着微电子技术的迅猛发展，晶体管的尺寸不断缩小并且逐渐趋于物理极限，为突破这一瓶颈，基于光来传递信息的光子学成为一种较有潜力的补充和替代方案。自由空间光传播及调控的研究自然也是光子技术的基础。第三，衍射光场的调控所常用的衍射光学元件等器件一般需要利用微纳加工手段进行制备，故这一课题本身属于微电子技术与光学的交叉领域。
本论文系统研究了自由空间衍射光场的传播性质及调控方法。具体来说，在传输方面，主要是针对当前自由空间光学的研究热点，探索了光学涡旋的产生、传输及调控，并且将无衍射光束的概念推广到自相似衍射光束;在调控方面，主要是研究了衍射光学元件的设计、制备及应用，并且基于液晶空间光调制器进行了光束控制的实验研究。主要研究成果如下:
1.研究了光学涡旋的产生、检测、传输特性及调控方法，特别是波带片本身对称性对所生成的聚焦光斑性质的影响。利用衍射光学元件产生的光束参数易于精确控制的特点，在生成输入涡旋光的同时引入离散对称孔径，首次实验验证了基于严格群论提出的涡旋嬗变规则，实验结果与理论预测吻合。
2.利用在变换坐标系下寻找波动方程严格无衍射解的方法，将无衍射光束的概念推广为自相似光束，详细分析了其传播性质，并且给出了其实验验证。提出了准Bessel光束宽度的几乎任意控制方法，并且基于液晶空间光调制器进行了实验验证。
3.提出并实验验证了若干新型衍射光学元件:采用准周期光栅实现了多个自加速光束的同时产生，打破了光栅应该按照直线规律衍射光的传统观点;针对普通光栅高级衍射带来的波长重叠问题，提出了采用准周期结构抑制高级衍射的方法;将分形结构引入到环形光栅中，利用一维的准周期结构得到了二维衍射峰分布。
4.采用电子束光刻与X射线复刻相结合的方法，批量制备了螺旋波带片、衍射透镜等纳米尺度衍射光学元件，并且探索了它们在惯性约束聚变及无掩模光刻等系统中的应用。