干涉法和补偿法等双折射测量方法需要转动待测样品或偏振元件,操作不便、测量速度慢、精度有限。提出了一种双弹光调制与上位机组成的双折射系统。由弹光调制来产生调制信号,加载待测样品信息,调制信号采集至上位机中进行数据处理,进一步完成延迟量和快轴方位角求解。对测试方案原理进行分析,重点进行了系统数据处理的上位机设计与实现,完成了软硬件系统搭建。采用1/4波片进行了实验测试,实验结果表明延迟量测量相对误差为2%,快轴方位角测量相对误差为0.4%,延迟量和快轴方位角的标准差分别为0.056nm和0.022°。

针对高精度、快速实时的偏振测量需求, 提出了一种双弹光差频调制的偏振参量测量方法。对偏振测量原理进行了详细分析, 针对双弹光调制器工作控制及信号解调需求, 设计了基于数字可编程逻辑门阵列(FPGA)的多通道数字锁相数据处理方案。FPGA提供一定频率占空比的脉冲宽度调制波(PWM), 经高压谐振电路输出正弦高压驱动弹光调制器工作, 与此同时, 探测器探测到的调制光信号经模数转换器(ADC)采集后进入FPGA中。FPGA提供本地参考信号完成多个频率信号的同时解调, 进而单次测量便可得到4个斯托克斯分量。搭建了实验系统进行了实验验证, 利用旋转1/4波片法建立了偏振产生装置, 实现了对线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光的测量。实验结果表明, 系统测量的相对误差小于0.8%, 重复性标准差小于0.2%, 单次测量时间小于200ms,实现了高精度、重复性好、实时的偏振测量。

针对光学材料、光学元件的快速、高精度应力测试评估需求，提出了一种基于双弹光级联差频调制的应力双折射测量方案。应力双折射延迟量和快轴方位角信息被加载到差频弹光调制信号中，运用数字锁相技术同时提取弹光调制的差频信号和基频信号，进一步求解出应力双折射延迟量和快轴方位角。对该新方案的原理进行了分析，并搭建了实验系统，对系统初始偏移值进行了实验定标。采用Soleil-Babinet补偿器完成了测量精度和重复性测试，并完成了施加应力样品的应力双折射测试。实验结果表明，该系统的延迟量测量精度为2.3%，延迟量测量重复性为0.032 nm，双折射测量重复性为0.17 nm/cm。此外，单数据点测量时间不超过200 ms。

为了实现椭偏参量ψ和Δ的高速、高灵敏测量, 建立了一种测量成本低、重复性好和便于工业化集成的椭偏测量方案。本文对弹光调制型椭偏参量测量系统进行了原理分析, 针对弹光调制器的工作模式及调制光信号特点, 设计了基于现场可编程门阵列的数字锁相数据处理方案。现场可编程门阵列提供弹光调制器工作的信号源, 并控制AD采样; 同时产生正弦和余弦参考序列, 并完成直流项、一倍频项和二倍频项的同相分量和正交分量的提取, 进而求解出椭偏参量。利用搭建的试验系统对SiO2薄膜厚度为3.753 nm的硅片样品进行了实验分析。实验结果表明, 采样时间为20 ms时, 椭偏参量ψ和Δ的平均值分别为9.622°和168.692°, 标准偏差分别为0.005°和0.008°;采样时间设置为200 ms时, 椭偏参量测量平均值与20 ms的非常接近, 标准偏差减小, 并且都在0.001°量级, 揭示了本系统具有较高的灵敏度和较好的重复性。

基于弹光调制器和声光可调谐滤波器(AOTF)的新型光谱偏振成像系统部件多, AOTF入射角小,同一幅图中光谱分布不均。为此提出了一种前置光学系统由凸透镜、凹透镜和凸透镜构成的光学系统，压缩被测目标视场角，使其满足AOTF视场角要求，并将目标平行入射光变为平行光入射进AOTF，以便光谱修正。不同位置的目标以不同入射角依次进入光学系统和AOTF，在CCD上的成像位置也不同。AOTF的衍射光中心波长与入射角有关，可通过拟合测得衍射波长与入射角的关系，进而得到CCD像元与中心波长的关系，并对光谱修正方法进行了详细分析。实验结果表明，修正后的光谱测量误差比普通的AOTF光谱成像平均降低一个数量级，且成像清晰，提高了光谱偏振成像系统的光谱测量精度。

弹光调制器会受到自身热耗散影响导致弹光晶体自身温度改变，固有频率随温度漂移引起弹光调制的不稳定和调制效率的降低。针对该问题，本文提出频率自跟踪技术。该方法根据温度对弹光调制系统的影响，建立弹光调制系统的动态模型得到反馈信号与高压驱动信号之间相位差最小对应谐振频率的关系,结合基于FPGA 的多通道数字频率和成技术和数学锁相环技术设计并完成了频率自跟踪系统。经实验验证，该设计可实现对频率漂移的跟随，且在驱动信号变化和启动弹光调制器时能自动找到弹光晶体的谐振频率并保持稳定，提高了弹光调制器的稳定性和调制效率。

为了提高弹光调制器在高压驱动下的工作效率，以提高傅里叶变换光谱仪的光谱分辨率，在建立弹光调制器的损耗模型和振动方程的基础上，描述了包含损耗因数的弹光调制器幅频特性，并推导了谐振和反谐振频率下弹光调制器的品质因数。结合压电材料的电致伸缩效应及其损耗，分析了高压驱动下各损耗因数之间的关系，提出了一种较谐振驱动具有更高品质因数和调制深度的反谐振驱动方法。实验验证，当驱动电压在500~1200 VP-P范围内，反谐振驱动方法较传统的谐振驱动方式，品质因数和调制深度均提高了43%，有效地提高了弹光调制器的工作效率。

随着光刻机分辨力节点的提高，纳米级的高精度检焦技术变得愈发重要。针对投影光刻的特点，介绍了一种基于叠栅条纹相位解析的纳米检焦方法。此方法基于三角法测量原理，通过光弹调制器和横向剪切板的光学调制、平行平板的相位调整，硅片位移的变化会引起调制光强发生正余弦变化。根据光强的正余弦变化，求出焦面位移量。经实验与数据分析，该方法具有纳米级的检焦精度，且具有实时性强、非接触等特点，能满足100 nm 投影光刻中焦面检测的需要。