本论文以实现准分子激光的高质量光束整形为目的，提出了一套完整、有效的自由曲面微透镜阵列光束整形系统的设计方法并研制成功。该方法可以有效突破传统微透镜阵列光束整形系统的不足，提供更加优质、均匀的光束辐照场。论文所提出的设计方法经历两个依次的设计过程:　　首先，确定光学系统的最优初始结构。由于自由曲面的辐照能量再分配设计理论需要将入射光能量分布特征与目标辐照光能量分布特征之间建立数学关系，为了能够实现对准分子激光入射光场的精确光能量分布描述，论文提出了一种适用于复杂空间光能量分布的光源模拟方法，该方法可以将实测的准分子激光空间光能量分布数据转化为数学方法可以描述的入射光能量分布特征，进而作为光学系统的设计依据。此外，由于阵列型的多自由曲面设计计算量过于庞大，无法通过一次性求解完成，因此在第一步设计过程，首先使用理想球面微透镜单元来确定做透镜阵列光束整形系统的初始结构。论文通过Snell定律以及Gauss光学近似方法，在输入光能量分布、光学系统参数以及辐照目标光能量分布之间建立数学联系，通过使用非线性最小二乘方法初步优化光学系统结构参数，最终确立光学元件彼此之间的基础成像条件，完成光学系统的初始结构设计。　　然后，引入自由曲面概念并深度优化光学系统。在第一步光学设计所得到的最优初始结构基础之上，将理想球面微透镜单元替换为自由曲面微透镜单元并使用数学算法最优化自由曲面微透镜阵列。为了能够在设计自由曲面的过程中将传统复杂的数值求解问题转化为可以求解的数学最优化问题，论文提出使用基于笛卡尔坐标系的Chebyshev正交多项式来表征所设计微透镜单元的自由曲面，从而提供良好的优化基础以及可操作条件，使优化算法变得具体可行。为了实现多重光学自由曲面的最优化，论文提出了一种局部到整体的分步优化方法，减少了优化过程所涉及的优化变量，降解多自由曲面的优化难度。此外，为了能够解决优化过程中评价函数变更的非连续性问题，论文提出使用Powell共轭方向集算法来优化多项式自由曲面，实现了对所设计自由曲面高效、彻底的优化，使其对于光束辐照产生最优的调制结果。经过优化的自由曲面微透镜阵列，可以在子光束的传播过程中引入合适的波前偏差以实现子光束能量的调制，实现了光学系统所有性能的深度优化，有效降低了微透镜单元孔径所带来的衍射效应影响，扩大光斑的有效辐照面积同时大幅提升了所生成光斑的整形效果及能量均匀度。　　为了验证第一步设计的有效性，课题前期基于相关设计理论已经完整设计并加工出一套适用于248nm KrF准分子激光的球面微透镜阵列光束整形系统，其实验结果与所获得的测试结果与所提出的设计理论良好吻合，248nm KrF准分子激光在经过该光学系统的整形作用后，可以在工作距离F=200mm的辐照平面处生成18mm×18mm，能量均匀度误差在±5％范围以内的均匀正方形光斑。为了能够验证所提出自由曲面微透镜阵列设计方法的可行性及有效性，本论文中所述针对193nm ArF准分子激光所设计的自由曲面微透镜阵列光束整形系统也已经被加工为实物并通过实验测试，实验结果与所获得的测试结果与所提出的设计理论良好吻合，193nm ArF准分子激光在经过该光学系统的整形作用后，可以在工作距离F=200mm的辐照平面处生成40mm×40mm，能量均匀度误差在±1.5％范围以内的高度均匀正方形光斑。　　本论文所提出的自由曲面微透镜阵列光束整形系统设计方法可以从根本上降低微透镜孔径所产生的衍射效应影响，实现准分子激光在近距离范围内的大面积、高质量、高度均匀辐照，这将有利于大幅提升光学系统集成的紧凑性，有利于进一步提升掩膜成像光刻的加工分辨率。设计过程以实测准分子激光的空间能量分布特征为光学系统最优化依据，可以使光学设计更具备针对性和实用价值。本论文所述设计理论皆有光学模拟验证，同时基于论文设计方法所设计的光束整形系统已被加工为实物并通过实验测试验证，这些结果充分验证了所提出设计方法的可行性及有效性，相关的实物说明以及实验测试也为本论文所述光束整形技术的具体应用提供了技术支撑。