针对目前双面微器件加工方法步骤繁琐、效率低的问题，提出基于改进Gerchberg-Saxton（GS）算法的全息双面光刻方法，使用单个光源在玻璃基底的上下表面同时曝光，进行双面图形的制作。该方法通过计算不同轴向位置图案对应的组合全息图，并将其加载到空间光调制器（LCOS-SLM）上，对入射光场进行调制，从而在目标空间内实现双面图形重现。采用改进GS算法对距离焦面2 mm处的图案A与距离焦面4.06 mm处的图案B进行全息图计算与仿真重建。搭建实验装置，对3 mm厚透明石英玻璃基底的上下表面同时曝光，且对光场生成过程中的散斑、杂散光及串扰问题做出分析并提出解决方案，最终实现60 μm线宽双层图案曝光，验证了所提方法进行双面光刻的可行性。所提方法使用单张全息图和单个光源，通过单次曝光即可在目标体积内生成多层任意图形，极大地简化了双面图形制作的步骤。

传统的小孔球面波数字同轴全息受小孔的不确定度影响, 成像质量并不理想。本文提出一种产生均匀球面波得到宽视场高分辨的显微成像方法。激光经过扩束镜、显微物镜后聚焦成一个极小的光斑, 调节针孔阵列与焦点的距离, 针孔直径与焦斑相配形成理想球面波。照明被测物后, 透射球面波和物体散射的物光波形成干涉条纹, 由大靶面图像传感器采集。载物与不载物的图像相减去掉脏点和杂光干扰。菲涅耳逆变换重构算法恢复物体信息。生物实验证明, 均匀球面波数字同轴全息能够获得高质量显微成像, 视场范围3.22 mm×3.22 mm, 分辨率5.09 μm, 其快速、非接触、灵活的放大倍率可广泛应用于光学元件检测、材料识别、生物医学领域。

为了寻找一种简单有效的产生局域空心光束的方法，提出了一种利用交错型光子筛产生空心光束的方法。通过光子筛的内部区域和外部区域相消达到轴上光强为零的目的。给出了光子筛的结构和设计参数，对空心光束中心暗斑尺寸和光子筛焦距、环带数、小孔调制系数的关系进行了深入的研究，发现改变焦距和环带数可以得到微米甚至亚微米的中心暗斑的局域空心光束。理论推导和仿真分析验证了方法的可行性,该方法具有结构简单和能产生极小中心暗斑的优点,特别适用于光学镊子、原子冷却等。

随着光刻机分辨力节点的提高，纳米级的高精度检焦技术变得愈发重要。针对投影光刻的特点，介绍了一种基于叠栅条纹相位解析的纳米检焦方法。此方法基于三角法测量原理，通过光弹调制器和横向剪切板的光学调制、平行平板的相位调整，硅片位移的变化会引起调制光强发生正余弦变化。根据光强的正余弦变化，求出焦面位移量。经实验与数据分析，该方法具有纳米级的检焦精度，且具有实时性强、非接触等特点，能满足100 nm 投影光刻中焦面检测的需要。

双光栅叠栅条纹对准方法具有精度高、可靠性强等特点，适用于接近接触式光刻。为了实现高精度测量，实际应用中要求掩模光栅标记与硅片光栅标记高度平行。掩模光栅标记在CCD中成像通常存在一定的倾斜角。由此，在已提出的相位斜率倾斜条纹标定方法上，提出了一种改进方法。该方法充分利用掩模光栅45°和135°两个方向的相位信息标定CCD的成像位置，以实现掩模光栅条纹的标定。对比两种方法分析表明，改进后的方法具有倾角测量范围大、抗噪性强、精度高等优点，理论极限精度优于0.001°量级。

光子筛作为一种衍射光学元件，具有较大的色散，不适用于宽光谱成像。光子筛的焦距随着入射波长的增大而减小，而正的折射透镜焦距随着入射波长的增大而增大。应用了折衍混合方法进行光子筛消色差的设计。该设计利用二者相反的色散特性，在光子筛的一侧紧密放置一平凸透镜，从而实现光子筛的消色差设计。并针对可见光光谱进行了设计，分析表明该方法能够实现消色差，且具有一定校正二级光谱的能力，消色差波长与中心波长处焦距相对误差为0.33%，成像光谱带宽为20 nm。与普通单个光子筛相比，该方法有效拓宽了光子筛的成像光谱范围。与使用波带片的折衍混合系统相比，聚焦光斑更小。

根据角谱理论建立不同偏振照明条件下的光子筛矢量衍射模型。在此基础上，对入射光分别为线偏振光、径向偏振光、切向偏振光三种特殊偏振状态下的光子筛聚焦光强分布进行了模拟分析。研究结果表明，对于大数值孔径光子筛，入射光的偏振特性将对光子筛聚焦光强分布产生巨大影响。线偏振光将使聚焦光斑沿偏振方向拉伸，切向偏振光产生的聚焦光斑具有“中空”结构，而径向偏振光所产生的聚焦光斑呈较为规则的圆形，且其焦深优于线偏照明情况。在激光直写及高分辨成像等光子筛典型应用中采用径向偏振照明将进一步提高系统分辨力。

提出了一种准相位型光子筛。该准相位型光子筛通过改变暗环上小孔直径与带宽的比值，对焦点处的相位分布进行调制，使通过亮环和暗环上小孔的光波在焦点处发生相长干涉，生成聚焦光斑。该准相位型光子筛无需对基底进行特殊处理，即可完成相位型光子筛的制作，降低了加工难度。和普通振幅型光子筛相比，在相同最小加工尺寸的条件下，准相位型光子筛具有较大的数值孔径，可降低聚焦光斑尺寸。并且，和多区光子筛相比，在同样的最小加工尺寸及数值孔径的条件下，准相位型光子筛光斑尺寸及质量均优于对方。为大数值孔径光子筛设计提供了一种新的设计方法。