为了研究双体布喇格光栅外腔二极管激光器的衍射特性, 采用一块体布喇格光栅与一块横向啁啾体布喇格光栅组成双体布喇格光栅, 理论分析了组合前后体布喇格光栅的衍射特性, 实验研究了双体布喇格光栅外腔二极管激光器的输出光谱特性。结果表明, 在双体布喇格光栅外腔反馈的作用下, 可以实现双波长同时输出, 通过横向移动横向啁啾体布喇格光栅, 可以在保持其中一个中心波长不变的情况下, 使另外的一个波长在800nm~815nm的范围内线性调谐。此研究为基于双体布喇格光栅实现双波长输出的大功率二极管激光器提供了实验指导。

恒温水套是光刻物镜工作环境温度控制系统的重要组成部分。为了研究恒温水套的关键参数与性能，设计了一个小比例水套模型。恒温温控系统对其提供±0.001 ℃的去离子水，通过对比三镜光机系统温度变化及热像差变化获取小比例水套的关键参数。实验数据表明，在加入热扰动且环境温度为22.06~22.16 ℃的情况下，三镜光机系统的内壁温度被控制在（22±0.01） ℃以内，波像差在热扰动后迅速恢复至10.12 nm，与装调完毕状态基本一致。由此可见，此种水套结构可以满足光刻投影物镜的温度控制要求，可在此基础上设计等比例恒温水套模型。

为了精确控制与补偿物镜的热像差, 设计了一套三镜实验光学系统, 基于该系统验证了热像差计算方法的准确性。介绍了热像差分析方法及验证实验方案。开展不同热载工况下热像差测试实验, 并与仿真结果进行了对比。最后, 综合实验与仿真结果, 分析了特定热载条件下系统热像差中非轴对称像差成分以及系统最佳焦面的变化趋势, 获得了热像差的瞬态特性。实验结果显示: 在输入热载大小之比为1∶4∶9的情况下, 实验和仿真获得的热像差均方根(RMS)值之比分别为1∶3.75∶9和1∶4.01∶9.01, 光学系统所加热载和热像差之间呈线性关系; 在实验热载荷作用下, 系统最佳焦面的稳态时间小于450 min, 而热像差中一阶像散(标准Zernike Z4)的稳态时间小于48 min, 一阶四叶(标准Zernike Z11)的稳态时间小于9 min, 最佳焦面稳态时间远大于非轴对称成分的稳态时间。基于该三镜实验光学系统所获得的热像差特性能够为投影光刻物镜或其它精密光学系统的热像差控制与补偿提供有力支撑。

光刻投影物镜中透镜的面形精度是影响光学系统成像质量的关键因素之一。为满足透镜面形精度RMS 值优于1~2 nm 的指标要求，本文提出了一种具有整体径向挠性的透镜多点均匀支撑结构，基于自重变形和热变形对支撑块尺寸进行了优化设计，分析了透镜在优化后的支撑结构下由自重和热载荷引入的面形变化情况，结果表明：自重引起的透镜上表面面形去除power 项后RMS 为0.429 nm，下表面面形去除power 项后RMS 为0.294 nm；热载荷引起的透镜上表面面形RMS 为0.409 nm，下表面面形RMS 为0.063 nm，能够满足光刻投影物镜中透镜的高精度面形要求。

为补偿光刻物镜由不均匀照明引入的Z5 像散，设计了一种主动变形镜，并分析该主动变形镜的像散补偿性能。利用有限元分析方法，建立主动变形镜的有限元模型，得到主动变形镜调节能力、刚体位移误差、固有频率及最大应力等性能。结果表明，主动变形镜在50 N 驱动力作用下可以实现镜片表面面形均方根(RMS) 837 nm Z5 像散补偿，伴随产生的镜片表面高阶像差仅为RMS 1.124 nm，三个方向刚体平移仅为0.49、0.52、0.13 nm，三个方向的刚体旋转仅为2.21、1.73、1.10 ms，主动变形镜一阶固有频率达到2555 Hz，最大应力为0.852 MPa，满足光刻物镜像散补偿需求。

采用光束传输法分析了横向啁啾体布拉格光栅的衍射特性，实验研究了横向啁啾体布拉格光栅外腔二极管激光器的功率特性、光谱特性和波长调谐特性，数值计算和实验结果表明：横向啁啾体布拉格光栅的峰值衍射效率随着入射光束在啁啾方向上尺寸的增大而降低，光谱选择宽度随着入射光束在啁啾方向上尺寸的增大而增大；当横向啁啾体布拉格光栅的啁啾方向与二极管激光器的快轴方向一致时，外腔二极管激光器的外腔效率为85%，在808.05 nm 处的输出激光光谱宽度为0.27 nm；当横向啁啾体布拉格光栅的啁啾方向与二极管激光器的慢轴方向一致时，外腔二极管激光器的外腔效率为89%，在808.05 nm 处的输出激光光谱宽度为0.3 nm，两种外腔激光器都较好地实现了约15 nm 波长调谐范围，且在整个调谐范围内输出功率波动范围分别小于1%(快轴方向一致)与1.5%(慢轴方向一致)。

利用有限元方法对运动学支撑夹紧力引起的镜片光学表面变形进行静力学分析，并应用Zernike 多项式对镜片表面的变形进行了拟合。结果表明，夹紧力作用下镜片表面产生的几种主要像差为Defocus、Pri Trefoil 和PriHexafoil。光学检测过程中，运动学支撑结构的重复装配误差可能会影响检测精度，因此分析了运动学支撑夹紧重复性对镜面面形的影响。以夹紧力大小、夹紧力径向位置、夹紧力周向位置变化引起的镜面表面峰谷(PV)值和均方根(RMS)值的变化作为评价夹紧重复性的依据。分析结果表明，镜片表面的PV 值和RMS 值变化不明显，说明所设计的运动学支撑结构在多次重复性的检测中允许装配过程存在一定的误差。

光机热集成分析是光机结构设计中的重要环节，对光学系统像质的预测与补偿有着重要的参考价值。针对小物镜系统，进行光机热集成分析，结果表明该系统产生的热像差较大，影响系统光学性能，其中温度升高导致折射率变化引入的系统热像差较大；结构热变形引入的系统热像差较小，可以忽略；镜片与支撑结构之间的导热、上下窗口的空气扰动、机械结构外表面的环境对流也会存在一定影响，但影响较小。由此可知系统热像差的主要影响因素是热载的大小，设计过程中减少透镜厚度及材料吸收率，降低系统热载，是减小光学系统热像差最为有效的途径。

针对投影物镜温度控制系统具有多重扰、多时滞和时间常数较大等问题, 搭建了投影物镜温控实验平台; 研究了实验平台的结构、激励信号设计、数据预处理方法和建模算法, 建立了超高精度温度响应模型。首先, 考虑光刻机对震动和洁净度的严格要求, 设计了远距离串级水冷控制系统; 进行了物镜温度的阶跃响应实验, 采用两点法建立了物镜的温度响应传递函数(粗建模)。然后, 根据获得的物镜阶跃响应传递函数, 设计二位式伪随机辨识输入信号的参数, 并采用分段线性化方法对输入输出数据进行预处理。最后, 设计迭代最小二乘算法,辨识得到物镜的ARMAX温度响应模型(精建模)。基于该模型的物镜温控实验结果表明：在环境温度波动幅值达0.6 ℃并加入3 W的热扰动条件下, 物镜温度稳态误差控制在±0.001 ℃以内, 满足光刻机对投影物镜的超高精度温度控制要求。

根据高精度投影光刻物镜的特点, 提出了一种运动学支撑结构, 并采用实验结合有限元分析的方法研究了该支撑结构引起的透镜光学表面变形以及重复装配过程中透镜光学表面面形的复现性。首先, 介绍了运动学支撑结构的原理及镜面变形分析的方法。然后, 应用Zernike多项式拟合实测和有限元分析得到的面形, 并用两种方法对运动学支撑结构夹持力引起的透镜光学表面面形进行对比, 以验证有限元分析模型的正确性。同时, 分析了考虑重力情况下运动学支撑结构导致的透镜光学表面变形。最后, 用实验的方法测量了运动学支撑结构在重复装配过程中透镜光学表面面形的复现性。实验和分析结果显示, 由运动学支撑结构夹持力引起的透镜光学表面面形均方根(RMS)值的实测值为1.004 nm, 分析值为0.974 nm, 夹持力及重力综合作用下导致的透镜表面Fringe Zernike拟合面形RMS值为2.538 nm, 产生的主要像差为离焦、初级三叶像差和二级三叶像差, 重复装配过程中引起的透镜光学表面面形的复现性标准差为0.645 nm。得到的结果表明, 所设计的运动学支撑结构能够保证透镜光学表面面形在重复装配过程中有良好的复现性。