随着纳米制造技术的发展,集成电路制造、平板显示、光伏太阳能电池等新型行业逐步成为国家重点发展产业。在纳米制造过程中对材料光学常数、纳米薄膜厚度和纳米结构三维形貌参数进行快速准确和非破坏性的测量对提高生产效率,提升产品性能具有十分重要的意义。扫描电子显微镜、原子力显微镜和透射电子显微镜由于测量速度慢、操作复杂、具有破坏性等缺点,难以达到纳米制造过程中的实时在线监测的要求。而椭偏仪由于其快速、低成本、非破坏性的优点,在微纳测量和工艺监测领域获得了广泛的应用。与传统椭偏仪只能测量获得样品的两个椭偏参数(振幅比和相位差)相比,穆勒矩阵椭偏仪可以在一次测量中获得样品全部的穆勒矩阵参数,因而可以获得样品更加丰富的测量信息。在各种穆勒矩阵椭偏仪实现形式中,双旋转补偿器型穆勒矩阵椭偏仪由于其适应波段宽,测量速度快,操作简便等优点,得到了越来越广泛的应用。本学位论文围绕高精度宽光谱双旋转补偿器穆勒椭偏仪设备研制和应用研究这一主题,主要研究工作及创新点包括：首先,系统地分析了双旋转补偿器穆勒矩阵椭偏仪测量过程中误差的来源、分类和传播,建立了双旋转补偿器穆勒矩阵椭偏仪误差传递模型,评估了系统误差和随机误差对穆勒矩阵椭偏仪测量精度的影响,并通过仿真实验验证了误差传递模型的有效性。分别提出了迭代求解与直接求解相结合的双旋转补偿器穆勒矩阵椭偏仪系统参数标定方法和系统模型误差修正方法。通过仿真实验验证了所标定双旋转补偿器穆勒矩阵椭偏仪系统参数的准确性,实验结果表明所提出的系统模型误差修正方法很好的修正了有限带宽情况下补偿器的色散引入的退偏效应,进而修正了该退偏效应导致的穆勒矩阵测量误差。完成了国内首台高精度宽光谱穆勒矩阵椭偏仪的设备研制,对所研制设备进行性能评估,并由中国计量科学研究院对所研制设备的测量准确度和重复性测量精度进行测试。利用研制仪器开展了一系列应用研究,充分利用其测量光谱范围宽和测量所得穆勒矩阵包含样品信息多的特点,对各向同性薄膜、各向异性薄膜、曲面薄膜和纳米结构进行测量表征,展示了所研制设备的性能和应用前景。本学位论文系统地建立了双旋转补偿器穆勒矩阵椭偏仪的测量误差模型,提出了相应的参数标定和误差修正方法,研制了国内首台具有完全自主知识产权的高精度宽光谱穆勒矩阵椭偏仪设备,并开展了一系列代表性测量应用研究。论文开展的工作打破了国外对高端椭偏仪产品的技术垄断,填补了我国在该领域的空白,并阐明了所研制仪器在基础科学以及如光伏太阳能、平板显示、集成电路制造等产业领域内的广阔应用前景。