衍射光学元件是一种基于光的衍射效应的位相型元件，其设计自由度多，制造公差宽松，在简化系统结构、减轻系统重量等方面具有突出的优势。随着半导体加工制造技术的快速发展，具有加工微米级表面的微纳结构的衍射光学元件的加工制造技术得以实现，微结构光学已经成为当今光学学科的一个重要研究方向。
衍射光学元件具有独特的负色差和负热差特性，从而衍射光学元件在 x 射线成像、红外成像、光学检测、光谱分析以及其他现代光学系统等多个领域都有广泛应用。随着智能设备3D识别功能的出现，高衍射效率的衍射分束器展现出了巨大的经济价值。然而衍射光学元件的加工和制作在很大程度上又受到元件制作工艺的制约。
大口径衍射光学元件的反应离子刻蚀技术是一种基于容性耦合等离子体的加工和制作的典型技术。等离子体是大口径衍射光学元件加工和制造过程中的重要媒介，也是大口径刻蚀腔室多场耦合分析与参数优化的主要对象。
衍射光学元件的均匀性直接影响着元件的光学性能，特别是对衍射效率的影响。本文围绕衍射光学元件加工过程的均匀性问题开展了如下方面的研究：

1. 中性气体流场分布特性是影响刻蚀工艺效果的重要因素，是大口径腔室结构参数以及工艺条件参数综合作用的结果。本文建立了真空大口径腔室不可压缩理想气体流场模型，研究了进气流量、极板间距以及进气口半径等因素对流场分布的影响，结果表明极板间距对气压分布均匀性影响最大。
2. 等离子体特性的空间分布是影响刻蚀均匀性的直接原因。本文针对大口径反应离子刻蚀系统基于COMSOL建立了等离子体多场耦合模型，并直接耦合求解偏微分方程组的流体力学模型。对用于2μm工艺的400mm 样片的反应离子刻蚀机进行了建模，经过仿真分析，研究了关键工艺参数和结构参数分别对电子温度和电子数密度分布的影响。并且通过刻蚀实验，验证了等离子模型的有效性。研究发现，电子数密度的均匀性和电子温度的均匀性都随着气压的降低而变好，同时电子数密度的均匀性和电子温度的均匀性也都随着射频功率的降低而变好，电子数密度的不均匀性更显著一些。腔室半径和极板间距对等离子体特性空间分布也有一定影响，而腔室半径的影响更显著。随着腔室极板间距的增加，电子数密度径向分布均匀性和平均电子温度径向分布均匀性都是先变好，后又略变差。随着腔室半径的增加，电子数密度径向分布均匀性变差，平均电子温度径向分布均匀性先变差，再变好，再变差，但变化幅度很小。
3. 针对电极上方等离子体分布对被刻蚀光学元件刻蚀均匀性的影响，通过采用等效电极方法，进行了模拟+实验的综合研究，使得非常规薄膜光学元件的刻蚀不均匀性从±20.0％降低到了±8.5％，刻蚀均匀性得到了显著地提高。在此基础上，对影响光学元件刻蚀均匀性的主要工艺参数进行了实验研究，结果表明，随着电极功率、腔室气压和气体流量的减小，刻蚀样片的均匀性都变好。
4. 在等离子体仿真过程中，引进了回归正交试验设计方法，建立多组仿真模型，对影响刻蚀样片表面等离子体分布的主要的工艺与结构参数进行了灵敏度分析，并求得相应的回归方程。在回归方程基础上，采用一般约束优化的方法，搜寻满足等离子体特性分布均匀度的最优参数，提出了参数分析和结构优化的方法。
本文以大口径容性耦合等离子体（CCP）刻蚀机为对象，采用流体力学的方法进行仿真分析，研究了腔室中刻蚀样片表面流场分布和等离子体特性的径向分布，以及大口径腔室关键结构和工艺参数对流场和等离子体分布的影响。进一步研究了关键结构和工艺参数对刻蚀均匀性的影响，并采用等效电极的方法，使得非常规薄膜光学元件的刻蚀均匀性有了显著提高。最后在多场耦合分析的基础上，研究了大口径刻蚀机腔室结构的优化设计方法，为制造高均匀性衍射光学元件提供了理论支持。