高性能微光学元件具有优异的光学成像和光束整形能力,能够大幅度简化光路结构,降低系统重量和尺寸,在航天、航空和激光技术等领域都有紧迫需求。然而,由于尺寸小,无法利用金刚石车床数控铣磨等技术进行加工,如何制备高性能微光学元件已经成为一个国际难题。我们提出使用飞秒激光微纳加工技术对这一难题进行挑战。具体以非球面微透镜及阵列的制造为突破口,提出了光场裁剪新理念,通过了超衍射限造型、相位掩模、多场相干、诱导波自相干等一系列微纳制造新技术,实现了多种材料的高精度改性、去除和成型;通过对飞秒激光微纳加工的极限分辨率问题进行深入探索,实现了小于20nm分辨率的高精度加工。基于上述新方法与新技术,实现了以整形微透镜为代表的系列高性能微光学元件。具体包括波带片、非球面折射透镜、仿生复眼、可调谐透镜等。进而,针对半导体二极管激光器光束整形这一难题,利用飞秒激光加工制备了用于垂直腔面发射激光器的集成非球面微透镜,将输出激光发散角由18.16度减小到0.86度。