为了提升激光等离子体极紫外光刻机光源中高重复频率、短脉冲CO₂主振荡功率放大系统能量提取效率，需开展种子光光强截面分布与激光放大器增益分布的耦合匹配特性研究。基于欧拉-拉格朗日公式与Frantz-Nodvik方程，采用变分法求解了特定增益分布下最优种子光光强分布函数，研究了种子光半径、种子光光强分布与放大器增益分布对功率提取效率的影响。数值模拟表明：当脉冲种子光功率为500 W时，基模高斯光束的最优光束半径为0.54 cm，低功率种子光的最优光束半径与放大器增益宽度不相等；当脉冲种子光功率为2000 W时，高阶超高斯光束的最优光束半径接近增益区域半径，8阶超高斯光束对应的最佳光束半径为0.9 cm，功率提取值为3409 W，采用高阶的增益分布和与之匹配的超高斯光束能够极大提升放大器的能量提取值。该研究结果将为脉冲CO₂主振荡功率放大系统的设计提供理论指导。

为实现焦耳级大能量中红外4~5 μm波段激光输出，基于波长为2.94 μm的Er∶YAG激光泵浦源和液氮恒温控制器，搭建了固体Fe∶ZnSe激光器实验装置，研究了温度和晶体参数对Fe∶ZnSe激光器输出时域波形及能量的影响。闪光灯泵浦的Er∶YAG泵浦激光时域波形展现出固体激光典型的弛豫振荡现象，Fe∶ZnSe激光脉冲波形与泵浦激光波形保持强相关性，且单个尖峰脉冲宽度随温度的升高而变小。在低温79 K条件下，当Er∶YAG泵浦能量为2.75 J时，实现了Fe∶ZnSe激光1.04 J大能量输出，对应的斜率效率和光光转换效率分别为36.4%和37.8%，激光中心波长为4.1 μm。在热电致冷可达的240 K温度条件下，当泵浦能量为500 mJ时，Fe∶ZnSe激光的能量输出为50 mJ，激光中心波长为4.4 μm。研究结果为焦耳级大能量中红外固体激光器的研制提供了参考。

为了实现极紫外光刻光源驱动激光光斑位置的高精度、宽范围、快响应检测，设计了一种高重复频率窄脉冲信号多通道同步采集处理电路，并提出了基于高斯光斑模型的二级扩展误差补偿算法，可以为极紫外光刻光源驱动激光指向控制提供高精度反馈调节量。首先，介绍了光斑位置检测系统的结构组成与四象限探测器的基本检测原理；然后在考虑探测器半径、光斑半径以及沟道宽度等因素影响的前提下对误差补偿函数进行改进，并对改进的二阶扩展误差补偿算法进行了仿真分析；接着介绍了用于高重复频率窄脉宽信号的多通道同步高速采集电路；最后搭建了实验平台，对改进的算法进行验证。实验结果显示，二阶扩展误差补偿算法的均方根误差为0.0042，最大绝对误差为0.0092 mm，绝对误差的平均值为0.0034 mm；与二阶误差补偿算法相比，二阶扩展误差补偿算法的均方根误差、最大绝对误差和绝对误差的平均值分别降低了83.06%、85.28%和83.50%。表明二阶扩展误差补偿算法与二阶误差补偿算法相比，具有明显的优越性及实用性，在扩展了光斑位置检测范围的同时，光斑位置的检测精度也得到了明显的提升，解决了传统算法无法兼顾计算速度与检测精度的问题。

设计了一套极紫外光刻光源系统的光束准直系统，用于满足极紫外光刻光源系统对光束指向稳定性的需求，保证极紫外光的转换效率。准直系统由两部分组成，光束抖动检测模块和光束准直模块，通过分析光束抖动机理、光束控制原理，基于虚拟仪器开发软件LabVIEW，搭建了一套检测加控制的闭环准直系统。实验结果表明：光束经过准直系统后，水平方向抖动幅度小于2 μm，垂直方向抖动幅度小于4 μm，指向稳定性低于6 μrad，满足光源系统对光束指向稳定性的要求。

采用双声光调制器光路快速偏转技术与自准直光栅法实现CO2激光全波段快调谐同光路输出。首先对声光调制器特性进行实验研究, 结果显示: 声光调制器偏转角度约为44°, 与运用布拉格方程计算结果相符; 且激光单次通过声光调制器移频量为4068 MHz,与声光驱动器射频频率一致, 将激光往返多次经声光调制器的移频量叠加。进而, 开展基于声光调制器的CO2激光快调谐实验研究, 运用两个对称布置的同驱动频率声光调制器补偿声光移频, 实现偏转光路振荡输出, 运用光栅法在直线光路中实现激光全波段可调谐输出。最终, 在声光调制器时序控制下, 实现双波长激光快调谐同光路输出, 选定激光波长的切换时间约为1 ms, 脉宽小于300 ns, 且双波长切换速度不受CO2激光跃迁谱带的限制。