为满足浸没式光刻照明系统对掩模面高均匀性和不同照明模式的要求，对照明系统中的照明模式变换器进行了研究。采用衍射光学元件(Diffractive Optical Elements，DOE)来产生各种照明模式，从光栅结构出发，经两步变换分析了光栅转变为DOE的过程。并提出一种离散抽样加密算法，以抽样线宽1~5 μm的四极照明DOE为例，揭示了DOE特征尺寸、衍射效率和光强分布非均匀性的实际对应关系。设计结果表明：随着抽样线宽的减小，整形光束的衍射效率和均匀性将得到较大提高。利用接触式光刻工艺完成了特征尺寸为1.76 μm×1.76 μm的16台阶照明模式变换DOE的制作，通过搭建光学测试平台对不同照明模式下DOE的光强非均匀性和衍射效率进行了测试，结果满足设计要求，验证了离散抽样加密算法能够有效指导照明模式变换系统DOE的设计。

研究了NA1.35浸没式光刻照明系统中照明模式变换模块的设计和测试。采用衍射光学元件实现包括传统照明、二极照明、四极照明的照明模式变换系统的设计和分析。给出了不同照明模式的衍射光学元件的设计结果, 并对设计结果进行了模拟分析和实验分析, 证明了设计的可行性。研究结果表明: 当输入光场被分割的阵列数为20×20单元时, 二极和四极照明模式下衍射元件台阶数为32, 传统照明模式下台阶数为128的情况下, 衍射光学元件作为照明模式变换器的均匀性及衍射效率都能够满足设计要求。从原理、实验上验证衍射光学元件激光模式变换器设计的正确性及可行性。研究结果能够应用于浸没式光刻照明系统中照明模式变换结构中, 具有一定的理论价值和工程意义。