直写技术是微纳结构制造的主要技术之一,它在材料加工中显得越来越重要。激光直写是直写技术的一个分支,它具有成本低廉、结构简单、加工速度快、加工图形自由度大等优点。然而,由于衍射极限的存在,激光直写面临着直写线宽无法从波长量级进一步减小的困难。由于涡旋光束的聚焦光场存在超越衍射极限的暗场分布,将涡旋光束引入激光直写系统,将有希望帮助激光直写技术打破衍射极限的束缚。涡旋光束直写光刻不外乎两种情况。其一,涡旋光单光束直写,这是涡旋光束的直接应用,涡旋光束即是光刻光束。现有理论表明涡旋光束的聚焦光场呈中空分布,中空尺寸可以超越衍射极限,这为超分辨直写提供了前提条件。而本文通过推导涡旋光束直写的曝光量分布,进一步证明了它加工超分辨结构的能力。实验使用正性光刻胶获得了 146.9nm的超分辨线条,符合涡旋光单光束直写光刻的理论推演。虽然基于常规涡旋光束的上述实验获得了超分辨线条,但分析表明其加工宽容度较低,仅有不到20%。本文提出使用多级分数阶涡旋光束替换常规涡旋光束,经比较优化得到了加工宽容度接近100%的2级1.5阶涡旋光束,并给出了实验验证。这项研究得到的亚波长线条不是独立存在的,但它们在纳米波导、蚀刻掩膜、微纳流控等领域中依然具有潜在的应用价值。其二,涡旋光双光束直写,这是涡旋光束的间接应用,涡旋光束用作辅助光束。这种直写方式可以克服亚波长线条的非独立性。研究表明,涡旋光束中空的聚焦光场可以把衍射受限的光刻光束约束到亚波长尺度。通过吸收度调制实现上述约束过程,需要在光刻基片上增加光致变色膜层。本文基于光致变色材料的变色性能、热稳定性、水溶性等对其进行删选,最终构建了 一种由DTE的PVA薄膜与正性光刻胶组成的最简复合膜层。现有吸收度调制直写光刻通常局限于静态作业。本文通过理论建模与仿真提出涡旋光束的明暗场对比度是影响静态吸收度调制效果的主要因素,并进一步将吸收度调制直写曝光理论推广到动态作业的情况,提出平滑效应是影响动态吸收度调制效果的主要因素。在这些结论的指导下,本文分析及预测了不同级数与阶数的涡旋光束对光刻光束的约束能力,最终在有限效果的变色膜层下,仍由实验获得线宽约为400nm的超衍射极限的独立直写线条。