为满足飞秒激光微纳加工系统对高加工精度和大加工范围的需求, 首先确定了该系统的重要组成部分-无限共轭距显微物镜所需具备的特性及设计指标。依据薄透镜组的初级像差理论, 针对飞秒激光波长推导出光学系统为校正匹兹凡场曲和二级光谱所需满足的条件。该镜头由11片球面透镜构成, 所选用材料皆为国产玻璃, 同时避免三胶合结构的使用。设计了一套工作波长为785~815 nm, 数值孔径为0.9, 像方视场为22.5 mm, 放大倍率为40×的近红外平场复消色差显微物镜。设计结果表明: 该镜头的MTF良好, 全视场波像差均小于0.08λ, 各种几何像差均远小于公差且满足平场和复消色差条件, 能量集中度高。使用补偿器放松材料公差、加工公差和装调公差, 公差分配后全视场RMS波像差小于0.09λ, 满足实际应用要求。

针对 X80管道表面裂纹缺陷检测，提出脉冲激光激发超声，连续激光接收超声波非接触无损检测方法，搭建激光超声检测实验系统。通过对管道表面 A、B扫描，采用幅值归一化、滤波、微分等方法对信号处理提取表面波信号，探究激光超声表面波对管道表面裂纹缺陷的检测机理。结果显示：超声表面波遇到裂纹缺陷时一部分发生反射，一部分沿缺陷边缘传播到裂纹底端，在裂纹底端发生模式转换变成横波传播到管道内壁，经管道内壁被反射回裂纹底端，并在裂纹底端再次发生模式转换，变成表面波沿裂纹边缘继续传播；测得的缺陷特征明显，缺陷位置和深度最大误差为 4%，分辨力达到 0.01 mm。实验表明该激光超声检测系统能够有效检测管道表面裂纹缺陷。

极紫外(EUV)光刻物镜设计不仅要在系统优化阶段尽可能减小残余像差，还必须选择像质补偿器合理分配各项公差，从而在保证系统可制造性的前提下实现预期性能。针对一套数值孔径0.33 的极紫外光刻物镜，进行了补偿器的优选和定位精度分析。根据结构参量对系统波像差的灵敏度并结合各结构参量之间的相关性选择了6个像质补偿器，并分析了非补偿器结构参量的公差。在此基础上，提出了基于蒙特卡罗法的补偿器定位精度分析方法。利用蒙特卡罗法模拟实际装调过程，通过分析补偿器定位精度对像质的影响，确定满足统计像质要求的补偿器定位精度。结果显示，当物镜系统最严间隔公差、偏心公差、倾斜公差分别在± 2 μm、± 3 μm、± 5 μrad 范围内，间隔和偏心补偿器的定位精度为± 0.1 μm 时，系统波像差均方根(RMS)值在97.7 %的置信概率下小于1 nm。

超大数值孔径极紫外光刻物镜(NA>0.45)能够满足11 nm 光刻技术节点的需求，而高分辨率成像对物镜系统的公差要求非常严格。针对一套数值孔径为0.50 的极紫外投影物镜进行了补偿器选择和制造公差分析。通过对系统敏感元件结构参量构成的灵敏度矩阵进行奇异值分解(SVD)来选择像质补偿器。物镜系统的结构参量数目较多，而奇异值分解法要求灵敏度矩阵中结构参量数不多于像差数。为了满足奇异值分解法的要求，首先确定系统的敏感元件并选择敏感元件对应的结构参量构造灵敏度矩阵。再通过对该灵敏度矩阵进行奇异值分解确定有效的补偿器组合，从而弥补公差造成的像质恶化。采用上述方法确定了8 个补偿器，并利用CODE V 软件进行了公差分配。结果表明，系统波像差均方根值在97.7%的置信概率下小于0.5 nm，且最严公差控制在微米及微弧度量级。

为保证投影光刻物镜的成像性能并降低制造成本, 提出了一种更全面可靠的公差分析方法。该方法在以波像差均方根(RMS)值作为评价标准的传统分析方法基础上, 添加波像差峰谷(P-V)值作为评价指标, 并据此选择合理的补偿器组合。在系统波像差的RMS值和P-V值均满足要求的情况下, 采用了较少的补偿器, 从而有效地降低了系统的制造难度和成本。结合实验室设计的一套90nm投影光刻物镜进行了公差分析和补偿器优选。结果表明, 利用该方法选择的7个补偿器, 使得系统在97.7%置信区间内, 全视场波像差的RMS值≤0.0412 λ, P-V值≤0.2469 λ, 满足了90nm投影光刻物镜的像质要求。

极紫外光刻是16~22 nm光刻技术节点的候选技术之一，其投影物镜设计需在满足像质和分辨率要求的前提下，兼顾工程可实现性。在考虑加工、检测和制造约束的情况下，设计了像方数值孔径分别为0.3和0.32、曝光视场为26 mm×1.5 mm的极紫外光刻投影物镜。详细分析和比较了两套物镜的光学性能和可制造性。结果表明，两套物镜结合分辨率增强技术可分别满足22 nm和16 nm光刻技术节点的性能要求。