为了研究深紫外光刻系统中多个熔石英镜片的使用寿命,基于激光束空间整形理论以及无焦变倍原理,设计一套满足实际工况的多镜片辐照加速材料老化系统。采用非球面柱透镜组对竖直方向的光强分布近似为高斯分布的光束进行整形,再通过变倍缩束系统缩小光斑尺寸进而提高能量密度。整形后的系统在竖直方向上的最大光束均匀度为96.8%,缩束率为0.2~0.5,波像差的最大方均根值为0.1778λ,均小于λ/4,能量密度提高4~25倍。该系统可以模拟实际的工况条件,满足多个镜片的辐照加速要求,从而解决目前测试存在的实验周期长且耗费成本高等问题。

为解决目前光片荧光显微镜光片厚度单一的问题, 基于变倍扩束原理进行了可变光片照明系统设计。首先, 对光片照明系统各组成部分进行了高斯光学计算, 得到光片厚度与扩束比的关系以及扩束比与各组元垂轴放大率、焦距的关系; 然后, 设计了基于10倍扩束的可变光片照明系统, 得到厚度和长度连续可变的光片; 最后, 对光片参数、均匀性及系统的公差进行分析。设计结果表明, 连续可变光片的厚度为3.33～33.3 μm, 在YOZ平面上60%的光片高度区域内, 低(1×)、中(6×)和高(10×)扩束比下的照度均匀性分别达到0.65、0.4和0.61。公差分析表明, 光片厚度在1×扩束比时的最大改变量小于设计值的15%, 在6×和10×扩束时小于6%。设计实现了光片厚度的连续变化, 且在60%的光片高度区域内有利于样本的观察。

介绍了国内外激光扩束系统的研究现状,阐述了低倍率扩束系统设计原理,选用没有内部焦点的倒置伽利略式望远镜系统结构设计了一个无焦变倍的激光扩束准直系统。在Zemax软件中实现变倍扩束系统初始结构的设计,基于Zemax的REAY优化函数对光学系统中透镜的曲率半径和间距进行优化,实现5~25倍的连续变倍激光扩束。不同倍率下的波像差最大均方根值均小于λ/40,设计结果满足像质要求。经工艺分析,该设计符合加工的工艺要求,系统结构简单,具有实际应用价值。

激光准直扩束系统可应用在激光测距，激光切割，空间光学激光干涉仪等各个领域。其主要作用是通过改善激光束的空间发散角，提高光束的准直性，使激光束达到对孔径的要求。基于无焦变倍原理运用Zemax软件模拟设计了一激光准直扩束系统，入射激光波长为1064 nm，发散角小于5 mrad，入射直径为1 mm，准直扩束系统的扩束比4~24倍连续可调，可实现压缩光束的发散角(出射光发散角可压缩至0.208 mrad)，扩大光斑尺寸，达到对激光准直和扩束的目的。不同倍率下波像差最大均方根(RMS)值为0.1769 λ，均小于λ/4 ，满足像质评价要求。此设计结构简单，易于加工装调，具有较高的实际应用价值。

为了使曝光波长为193 nm的深紫外光刻系统能够制备曝光线宽为90 nm及以下节点的集成电路芯片，设计了采用环形照明模式且部分相干因子σ连续可调，能满足不同曝光线宽要求的光刻照明系统光束整形单元。首先，用几何光学定律和三角函数推导了轴锥镜移动距离与光束放大倍率之间的函数关系；根据对变倍凸轮的合理性和装调公差灵敏度的分析，确定了轴锥镜组参数的变化范围，完成了变倍镜组与轴锥镜组合的光束整形单元的设计。最后，在组合系统后面加入了可连续变倍的缩束系统，实现了σ的连续可调。设计结果显示，在环形照明模式下，归一化的环宽Δσ和外环直径σouter分别在［0.25,1］和［0.4,1］内连续可调,满足设计要求。