对星载仪器的回传数据进行分析，发现空间场景不均匀现象会造成光谱响应函数（ISRF）的“漂移”，从而影响探测数据精度。提出通过光学元件平衡了ISRF“漂移”的问题——狭缝匀光器。概述了光线在狭缝匀光器中的传播过程，建立了合理的光学模型，利用近场衍射原理解释其传播过程并分析了狭缝匀光器的光学特性。整个狭缝模型由数学软件和光学软件进行仿真模拟及数理分析，得到狭缝匀光器匀光效果的具象表示。通过光学模型表示了入瞳场景与狭缝匀光器匀光效果之间关联，研究不同入瞳场景中痕量气体排放点位置和覆盖面积的不同对狭缝匀光器提升探测精度的影响，量化了不同入瞳场景下光谱仪系统ISRF的变化，并提出一种提高探测精度的方法。

针对光刻机照明系统矩形光场的均匀照明需求，提出了一种基于单排平凸微柱面镜阵列与小长宽比积分棒相结合的匀光单元方案。分析了小长宽比积分棒输入光场的角度分布特性和宽度对照明均匀性的影响。使用单排平凸微柱面镜阵列进行预匀光可以满足积分棒输入光场需求。采用光线方向余弦的分布偏差表征照明均匀性，构造了匀光单元透镜组的均匀性评价函数，并以KrF光刻机匀光单元为对象，利用CODE V软件对平凸微柱面镜和聚光镜组进行了自动优化设计。在LightTools中对该匀光单元进行仿真验证，结果表明，在不同部分相干因子的传统照明模式和环形照明模式下输出光场的积分非均匀性均小于0.43%，优于基于弥散斑均方根评价函数优化设计的对照组结果，对相关工程设计有一定参考意义。

为了避免资源卫星激光测距仪地面真空收发光轴一致性测试过程中损伤雪崩光电二极管(APD), 采用一种新的适用于真空环境下测试方法, 通过平行光管和激光光束分析仪建立测试系统, 穿舱密封光缆连接器引入罐外的1064nm连续光源, 在接收机焦面位置设计光纤匀光器, 产生发散的均匀分布的照明光束, 引出接收机视轴, 多级衰减引出发射机光轴, 对资源卫星激光测距仪真空下不同工况性能进行了实验验证。结果表明, 此方法消除了真空环境下APD损伤风险, 测量精度优于6.47μrad, 满足激光测距仪的测试精度要求。 该研究具有结构紧凑、测试链路少、测试精度高的优点, 为高能激光测距仪真空测试提供了新思路, 具有广泛的应用前景。

报道了248 nm 准分子激光微透镜整形均束装置的研制结果。实际采集并拍摄了248 nm 准分子激光光能量分布的彩色图像，使用Matlab分析处理该图像并提取了相关信息进行计算，通过光学软件ZEMAX 模拟出符合实际准分子激光光能量分布的光源。通过分析空间光能量分布特征，设计并加工出一套适用于248 nm 准分子激光的微透镜整形均束装置，且理论模拟和实际测试结果相吻合。248 nm 准分子激光通过该光学系统整形均束后，可以在工作平面上得到一个约18 mm×18 mm 的正方形光斑，光斑的能量均匀度误差(加工窗)在±2％ 以内，平顶因子为0.90，光能量通过率为85%左右，解决了248 nm 准分子激光光斑形状不规则，且光斑能量分布不均匀的问题。该装置的研制成功，对于优质、高效地开展准分子激光微加工提供了具有自主知识产权的技术支撑。

为了提高激光光束的应用水平, 需要将高斯光束整形为平顶光束。分析了非球面高斯光束均束器的基本原理和设计理论, 选用超高斯光束函数作为平顶光束的数学 -物理模型, 建立了入射高斯光束与出射平顶光束之间的映射关系式, 给出了高阶非球面的面型参数, 利用光学设计软件 ZEMAX设计了高斯光束均束器光学系统。系统入射光束直径为 2 mm, 出射光束直径为 4 mm, 激光波长为 1 064 nm。分析了能量转换效率, 根据 Bessel公式定义了平顶光束的平顶度。设计结果实现了激光束的 2倍准直扩束、 95.98%的能量转换效率和 96.6%的平顶度。

为了准确模拟出直线感应加速器中聚束磁场的值, 首先利用单积分法计算出理想情况下的聚束磁场的值, 再进一步用磁路分析的方法考虑直线感应加速器的加速腔中匀场环对聚束磁场的影响, 然后推导出一组偏离角度与磁场分量相关的公式。将最终得到的聚束磁场分量与直线感应加速器模型结合起来, 采用粒子模拟的方法来模拟电子束在加速段中的输运过程, 并对结果加以分析。

介绍了非均匀绕线技术和匀场环技术在螺线管线圈设计中的应用。分析表明这两种技术的采用可以减小线圈间隙的磁场波动、屏蔽线圈磁场的横向分量,从而设计出宽平顶低横向场分量的螺线管线圈。针对中国工程物理研究院12 MeV直线感应加速器螺旋管线圈的设计结果表明,非均匀绕线技术可以使线圈间隙处的轴向磁场波动减小约70%,匀场环的采用则能使线圈磁场的横向分量减小96.5%。

针对351 nm波长的 XeF 准分子激光器,自行设计了用于高精度、高产率、大面积且常规抗蚀剂曝光的印刷电路板 (PCB) 激光 投影成像照明系统。根据准分子激光的部分相干平顶高斯光束 (PCFGB) 理论模型,对微透镜阵列器 (MLA) 均束的衍射特性进行了 理论分析。由 PCFGB 分布函数、稳定光强输出的衍射角和菲涅耳-基尔霍夫衍射积分公式,定量分析衍射效应对 MLA 均束的影响。 理论计算表明,微透镜边缘发生菲涅耳衍射和微透镜产生的多光束干涉都能引起光振幅调制,只不过衍射产生的尖峰更明显地 出现在光束边缘。同时,由数值积分得到的 PCFGB 曲线,发现 9×9 MLA 均束器既能保证多个微透镜产生光束叠加的均匀性, 又最大程度地减少了衍射和多光束干涉效应。通过采取加正六边形光阑的方法,不仅能满足大面积无缝扫描光刻的需要, 而且能剪裁由衍射引起的光束边缘尖峰。由 ZEMAX 光学设计软件模拟其效果,显示其加工窗不大于±2%。

准分子激光作为当前光刻装置的主要光源,要求其输出激光光束强度分布尽量均匀。为了改善其光束强度分布的均匀性,介绍了一种新型梯形棱镜式准分子激光光束均匀器。从理论上分析了其工作原理及设计加工要求,计算了最佳均匀截面位置,并与普通棱镜均匀器进行了比较。实验中根据经梯形棱镜折射后光束能量在中间较强光束的本底基础上进行三分互补叠加的原理,实现了其与普通棱镜均匀器在二维方向上的组合使用;通过调节均匀器与接收屏之间的距离并同时记录每一位置处光束光斑的能量分布改善情况,确定了最佳均匀截面位置并与理论计算相吻合。利用其改善准分子激光器输出光束强度的分布,起伏优于4%,其均匀效果优于普通棱镜均匀器。

介绍了一种两级复眼式均束器的设计。它不仅均匀效果好，传输效率高，输出光束截面尺寸连续可调，而且为掩模投影式准分子激光微加工系统提供了恰当的照明数值孔径，是准分子激光进行微机械、微光学、微电子等微细加工的优良照明系统。