近年来,纳米薄膜在许多现代工业领域获得了非常广泛的应用,如微机电系统（MEMS）和柔性电子领域等。纳米薄膜在复杂的微加工制备和随后的服役过程中的变形损伤,是影响元器件寿命的关键因素。因此对其力学性能和行为的研究是非常必要的。本文基于应力光学定律,发展了一种用于金属薄膜的应力表征新方法。主要工作内容如下:基于应力-光学定律,建立了一套用于分析膜基结构应力的马赫-曾德激光干涉系统,并基于此系统建立了单层膜结构的透射激光相位延迟与应力之间的定量关系。建立了基于条纹分析的相位分析方法,并编写了相应程序。在该实验系统中,测量了金属铜膜的应力光学系数Af和Bf,以及聚酰亚胺基底材料的As和Bs。这部分工作证明了金属应力光学效应的存在,为测量金属薄膜内部应力提供了实验基础。基于光弹性原理,提出了测量纳米级金属薄膜应力光学系数的新手段。分别测量了聚酰亚胺基底和金属铜膜的绝对应力光学系数C。以上述工作为基础,分析了带小孔膜基复合结构中薄膜、基底在孔边的应力分布情况,分析了膜基结构中薄膜边缘处的应力集中现象。并使用有限单元方法对上述结构进行有仿真分析。实验结果和有限元结果吻合良好,从而证明了论文中提出的膜基结构应力分析方法的可靠性。为了精确控制对膜基结构的加载,本文设计研发了一种用于微纳米尺度薄膜微型拉伸加载装置。该装置采用了新型夹持和传动方式,极大地减小了自身尺寸和重量。控制系统可精确控制拉伸试件的位移,实现了装置的数字化和自动化。整个装置可实现光学透射和反射方式观测,同时又能与共聚焦显微镜配合,实验设备满足纳米尺度薄膜材料的光学观察和测量要求,实验精度和设备可靠性良好。通过以上研究,本文研究金属薄膜的应力光学效应,并且提出了新颖的实验方法实现对膜基结构的薄膜、基底内部应力进行测量,为膜基结构力学分析提供了一种全新的实验方法。