为了测量飞秒激光对多光谱滤波片的损伤阈值, 采用钛∶蓝宝石飞秒脉冲激光(800nm、50fs)对多光谱滤光片的前膜进行了激光损伤阈值的实验研究, 并使用显微镜观测了滤光片前膜的损伤形貌。结果表明, 薄膜在不同脉冲辐照次数(1, 2, 5和10)下, 前膜损伤阈值分别为1.68J/cm2,1.56J/cm2,1.44J/cm2和1.42J/cm2, 随着脉冲辐照次数的增加, 损伤阈值降低, 激光脉冲的重复辐射会对薄膜形成累积效应; 由于飞秒激光的宽度极短, 薄膜导带电子由多光子电离产生, 并迅速吸收激光能量, 当其能量大于材料的带隙能时, 会与价带电子发生碰撞产生另一个电子, 进而形成大量的自由电子, 对薄膜造成损伤; 在1-on-1和2-on-1测试方法下, 随着飞秒激光能量密度的增加, 前膜损伤区域的轮廓越来越清晰、规整, 并逐渐出现清晰的分层现象, 这归因于前膜干涉场的分布不同。该研究对多光谱滤波光膜在飞秒激光作用下的损伤效果提供了参考。

根据扫描干涉场曝光的特点,针对光刻胶层内曝光量的驻波效应,建立了动态曝光模型。基于快速推进法建立了显影模型,得到了光栅掩模槽形的演变规律。为减弱驻波效应的影响,提出了一种抗反射层最优厚度的设计方法。仿真结果表明,建立的曝光和显影模型能有效预测光栅掩模的槽形轮廓,同时可优化抗反射膜的厚度。

高斯光在远离束腰位置能得到直线度极高的干涉条纹,基于此提出了一种基于远场干涉的新型扫描干涉场曝光(SBIL)系统。建立了条纹相位非线性误差关于高斯光束腰半径、入射角度及束腰到基底距离的解析表达式。通过数值仿真,详细分析了条纹相位非线性误差与上述参数的关系。研究结果表明,该光学系统可以有效地将条纹相位非线性误差限制在纳米量级,并具有光路简洁、装调误差宽容度较高的优点。适当缩短束腰到基底的距离,可有效解决曝光光斑边界处条纹相位非线性误差恶化的问题。

扫描干涉场曝光(SBIL)系统中曝光效果与工件台的运动性能密切相关。为了制作纳米精度的大面积平面光栅,工件台采用了粗微叠层结构设计,其中微动台是实现工件台运动精度的关键。基于SBIL原理,推导了干涉条纹周期测量精度与曝光对比度的关系。针对移动分光镜测量干涉条纹周期的方法,结合周期测量精度需求,分析了微动台定位精度指标,提出了实现微动台x、y、θ_z三个自由度定位精度的控制器设计方法,并在微动台系统上进行了实验验证。结果表明,微动台x方向定位精度可达±1.51 nm,y方向定位精度可达±5.46 nm,θ_z定位精度可达±0.02 μrad,可以满足SBIL的需求和干涉条纹周期测量的精度要求。

在扫描干涉场曝光(SBIL)系统中, 曝光光斑尺寸对干涉条纹的拼接精度、光栅制作效率及干涉场质量有着十分重要的影响。为获取合理的曝光光斑尺寸, 基于高斯光束的传输规律及扫描拼接数学模型进行了数值模拟,讨论了曝光光斑尺寸对干涉条纹的非线性误差、刻线拼接误差和曝光对比度的影响。结果表明: 小尺寸曝光光斑比大尺寸曝光光斑更有利于控制干涉条纹的非线性误差; 由于存在周期测量误差, 小尺寸曝光光斑有利于减小拼接后的刻线误差并提高曝光对比度。针对SBIL系统设计了曝光光路, 并对所设计的光路进行了优化。对干涉场左右光斑形貌及干涉条纹相位的非线性误差进行了测量, 结果表明: 曝光光斑的束腰半径约为0.9 mm, 干涉条纹相位的非线性误差峰谷值为21.8 nm。

为了提升扫描干涉场曝光光束对准精度，保证制作的光栅掩模槽形的质量，建立了曝光光束对准误差模型，利用模型对光束对准误差进行了分析。同时为了满足系统对光束重叠精度的要求，设计研制了光束自动对准系统，并对曝光光束进行了对准实验。分析结果表明，当光束存在较大对准误差时，光栅基底表面曝光对比度大幅下降，而且由于采用步进扫描的曝光方式，光刻胶表面出现了各处曝光不均匀的现象，影响光栅掩模槽形的质量。设计的对准系统可以对光束角度与位置进行对准调节，系统整体表现出良好的收敛性能，多步调节后可使光束位置对准精度优于10 μm，光束角度对准精度优于9 μrad。这样的曝光光束对准精度可以满足系统要求，达到了预期的设计目的。

光束自动对准技术是扫描干涉场曝光系统中的关键技术之一，两曝光光束位置与角度的重合程度直接影响所制作光栅掩模的槽型质量。针对光束对准过程中光束调整的两个运动维度之间存在相互耦合的情况，推导了存在耦合时对准算法的收敛条件，并分析了光路中反射镜与解耦平面之间存在的装调误差对对准性能的影响。分析得出，装调误差降低了光束对准系统性能，甚至导致对准算法发散，通过调节光路中反射镜M₂和解耦平面的距离L₂与反射镜M₁和解耦平面的距离L₁的比值L₂/L₁可以优化系统的收敛性能。实验结果表明，当L₂/L₁较大时对准系统调节性能较差，收敛速率较低；当L₂/L₁较小时光束对准系统可以快速地收敛到目标位置，有效地对光束进行对准调节。推导证明与模拟分析可为光束对准系统以及整个曝光光路的设计提供理论指导。

扫描干涉场曝光(SBIL)在制作大尺寸、纳米精度的衍射光栅中有着独特的优势。为了充分了解SBIL 系统的技术特点，介绍了国内外SBIL 技术的发展现状，并针对SBIL 系统中的各个关键技术进行技术性的调研与总结，着重分析了各关键技术已有解决方法的基本原理、优点以及存在的局限性，结合具体的光栅应用要求，给出了各关键技术的相应具体指标，展望了其发展趋势。

扫描干涉场曝光系统中的干涉条纹周期是相位锁定系统的重要参数，为精确测量干涉条纹周期，根据扫描干涉场曝光系统的特点提出了分束棱镜移动测量干涉条纹周期的方法，根据高斯光束传播理论，分析了该方法的理论误差；提出了周期计数法对周期测量数据进行计算。为降低对系统二维工作台运行及稳定精度的要求，提出了小行程高精度位移台辅助测量周期的方法，并进行了相关实验验证。结果表明：小行程位移台辅助周期测量方法在原理上可行，对于干涉条纹线密度1800 line/mm 的系统参数，小行程位移台辅助周期测量的重复性可达到1.08×10-5(σ值)，曝光实验的实测值与理论模型之间一致性较好，验证了该周期测量方法的可行性。

扫描干涉场曝光系统中的干涉条纹周期是相位锁定系统的重要参数，其设定值与名义值之间的偏差会引起相邻扫描间的干涉条纹相位拼接误差。为获取以扫描曝光方式所制作光栅的衍射波前特征，根据步进扫描曝光的特点及动态相位锁定的工作原理，建立了扫描曝光的数学模型，给出了曝光刻线误差及曝光光栅周期的变化规律，并进行了相关实验验证。结果表明，相位锁定中周期设定误差会带来周期性的刻线误差。曝光光栅周期会随周期设定值的变化而改变，当周期设定误差较小时，曝光光栅周期等于周期设定值。对于曝光光斑束腰半径为0.9 mm、曝光步进间隔为0.6 mm、曝光条纹周期为555.6 nm的系统参数，周期设定的相对误差小于278×10-6时，周期性的刻线误差小于1 nm。若要求曝光对比度大于0.9，则周期设定的相对误差需要控制在92.6×10-6以内，周期设定值及曝光光栅周期的可变范围为102.8 pm。