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。

基于传统抛物面蛾眼结构(PSMS)的优良减反性能,设计出一种具有抛物线中心截面的新型苞状蛾眼结构(BSMS)。采用时域有限差分法(FDTD),通过对比PSMS在不同底面直径和高度下的平均反射率,确定了最佳底面直径为200 nm;在此基础上分析了PSMS、BSMS及圆锥形蛾眼结构(CSMS)在不同高度下的反射率大小和截面电场强度分布,并通过等效介质理论对BSMS的减反性能进行进一步理论分析。结果表明:在300~1200 nm波段和300~1000 nm高度范围内,BSMS的平均反射率均低于PSMS及CSMS;当底面直径为200 nm、高度为800 nm时,BSMS的平均反射率低至0.19%,减反效果约为PSMS的3.5倍,约为CSMS的3.8倍,具有优异且平稳的抗反射性能,为减反结构的进一步设计和优化提供了参考。

为了研究离心熔铸反射镜制造技术中热历史状态（成型温度及冷却速度）对成型效果的影响，采用有限元分析软件Abaqus对不同的成型温度及冷却速率进行仿真分析，确定成型温度为950 ℃、冷却速率为1 ℃/s时可以完成反射镜在模具中的充模和成型; 之后进行离心熔铸试验并对成型结果进行测量。在冷却速度大于1 ℃/s时，反射镜由于冷却后局部残余应力过大，导致其发生碎裂。同时通过对仿真结果、理论计算结果以及试验结果的分析对比，得到反射镜边缘的轴向高度与理论值相差10.12 mm，具有较大的面型误差，产生面型误差的原因是由于在高温成型冷却后反射镜体积收缩导致面型发生变化。

离心熔铸技术在大口径非球面镜镜胚的制造方面具有独特优势。本文通过自行研制的缩比模型实验机进行试验, 深入研究了离心熔铸工艺及成型镜胚质量, 详细介绍了模具涂层的制备、离心熔铸的加热及冷却等工艺过程, 制备了非球面镜镜胚模型。采用数值模拟与试验研究相结合的方法, 对所得镜胚面形偏差工艺参数的敏感性进行了研究。分析了模具的热膨胀系数、镜胚冷却速率、直径及加热温度对面形偏差的影响, 得到了偏差工艺参数的敏感性规律。通过对面形偏差进行两次迭代补偿, 面形偏差值从-84 μm降到33 μm, 补偿后的结果满足设计要求。采用离心熔铸技术, 可以制备满足上表面垂直偏差在30~40 μm范围内的非球面镜镜胚。

基于角谱衍射理论，对扫描积分塔尔博特光刻术进行了理论分析与数值模拟。研究了扫描距离、扫描起始位置、扫描速度非匀速以及照明光源不同特性对扫描积分塔尔博特光刻所得光栅条纹质量的影响。模拟结果表明，当扫描距离为塔尔博特周期的整数倍时，扫描起始位置、扫描速度的非匀速性对扫描积分塔尔博特光刻的成像质量影响较小；当入射光源存在一定谱宽或发散角不大于0.05°时，扫描积分塔尔博特光刻仍可得到对比度较一致的倍频光栅条纹，证实了扫描积分塔尔博特光刻具有良好的工艺适用性。扫描积分塔尔博特光刻不需要昂贵而复杂的投影光学系统，可克服塔尔博特自成像有限焦深问题，对掩模与基片的定位精度及涂胶基片的平整度容忍度较高。该方法具有在非平面基底上制备大面积、低成本、高精度周期微纳结构的应用前景。

干涉测量是众多科学与工程领域广泛采用的精密计量手段。探索了一种方便可控的基于双光栅衍射的叠栅干涉相敏测角方法，可直接用于接近式光刻过程中掩模衬底的倾斜矫正及面内角调节，便于微纳米器件及微光电子系统集成等相关应用。本方法旨在分别利用双光栅多次衍射产生的对称与相似级次，实现（m，-m）级叠栅干涉与（m，0）级叠栅干涉，产生相位与二者相对倾斜角、面内角有关的场分布。分析推导了叠栅干涉测角的基本原理，然后介绍相应的（m，-m）级与（m，0）级干涉测角方案设计。具体而言，二者均类似地根据条纹偏转及频率变化分别以离轴与同轴的方式监测倾斜及面内偏转角度。设计相应的组合光栅标记进行实验验证。实验结果及分析表明，倾斜角与面内角的调节精度分别可达10-3 rad及10-4 rad。

针对现有离轴检焦技术在浸没式光刻方法中的局限性，提出了一种新的基于干涉的同轴检焦方法。测量光通过光刻物镜入射到硅片表面，在硅片表面反射后再次经过光刻物镜后，测量光和参考光产生干涉条纹，并被CCD接收，从而将硅片的离焦量信息调制在干涉条纹的相位信息中。通过对干涉条纹的相位提取，即可获得硅片的离焦量。仿真结果表明，该方法可以达到λ/25(λ=632.8 nm)的检焦精度，并具有良好的抗噪性，满足浸没式光刻高精度、实时、非接触焦面测量的要求。

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。

面对可用焦深日益缩短的趋势，高精度的焦面控制技术显得尤为重要。针对双工件台光刻机中采用的焦面控制技术，介绍了基于偏振调制的光栅检焦技术及其测量原理，研究了双工件台光刻机中的调平调焦技术。基于平面拟合、最小二乘法及坐标变换公式推导了曝光狭缝内离焦量计算公式；研究了一种离焦量解耦算法，该算法将曝光狭缝内离焦量解耦为调平调焦机构三个压电陶瓷的独立控制量，并使狭缝曝光场中心在调平调焦运动过程中不发生平移。经仿真分析表明，该算法可用于调平调焦精度优于10 nm 的高精度调焦调平系统, 能满足线宽小于100 nm 投影步进扫描光刻机的需要。

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。