三维微纳结构是构成微光学、微电子、微流体、微生物支架以及超材料等微型器件的基础,其特有的微观形态结构使其具备了独特的光、电、磁、力、热等特性,在航空航天、军事、通信、生物医疗等多种领域有着日益增长的应用需求。三维微纳结构功能器件能否在这些领域中获得突破性应用,关键在于能否高效精密低成本地制造大面积、且特征尺寸在微纳米级的复杂三维结构。双光子聚合技术突破了光学衍射极限,具有纳米级加工分辨率,能够构造任意复杂的真三维微纳结构,被认为是目前最有发展前景的微纳加工技术之一。因此,开展大行程、高效率的三维微纳结构双光子聚合快速加工关键技术的研究具有十分重要的意义。本文针对三维微纳结构双光子聚合快速加工的关键技术,设计并构建了双光子聚合大面积快速结构化加工系统,开展了连续扫描曝光机理、拟静态曝光新方法、高精度快速分层处理技术等方面的研究,主要包括:(1)设计并构建双光子聚合大面积快速结构化加工平台根据多刚体运动学和齐次变换矩阵理论,建立大行程运动平台的几何误差与体元位姿的映射模型,并进行敏感性分析,获得关键误差项。以降低关键误差项为目标,完成大行程运动平台设计。将三维高频椭圆装置安装在大行程运动平台上,使其产生能够实现拟静态曝光的三维椭圆运动,以实现快速结构化加工。以毫米级微流体结构加工及检测为例,验证所搭建平台能够实现三维微纳结构的大面积制造、高精度制造。(2)揭示双光子聚合连续扫描曝光机理根据自由基浓度阈值理论和能量累积原理,揭示出双光子聚合中相邻体元之间的邻近效应,研究体元间距与所形成纳米纤维的截面尺寸的影响规律。并以此为基础,揭示连续扫描加工方式的曝光机理,建立连续扫描曝光方式下加工纳米纤维截面尺寸与加工参数的映射模型。并在在相同横向尺寸的条件下,建立点定位曝光方式加工体元所需时间与连续扫描加工纳米纤维所需扫描速度之间的转换关系模型。通过采用逐步上升法和悬臂法获取的完整体元及纳米纤维尺寸数据,验证本文所提出的纳米纤维截面尺寸模型。(3)拟静态曝光新方法及光通量补偿提出以提升双光子聚合加工效率为目标的拟静态曝光新方法,研制一套实现拟静态曝光方法的三维椭圆运动装置,在大行程运动平台上通过样件作高频三维椭圆运动以使超短脉冲激光束相对于样件中预期形成的体元位置瞬态驻留,从而可在大行程运动轴快速进给中进行快速精准曝光。建立拟静态曝光方法扫描速度、振动幅值、振动频率、体元间距等参数之间的依赖模型。通过实验研究拟静态曝光方法获得稳定结构的加工参数区间,并在相同参数下与连续扫描曝光方法的加工结果相对比,验证拟静态曝光在提高加工效率方面的有效性。(4)基于AMF数据模型的高精度快速分层技术利用AMF数据模型对三维微纳结构进行几何表达,在此新框架下开展最优切片和路径规划的研究。通过国际象棋模型实例,分析新型叠加制造文件AMF格式相对于常规STL数据格式在顶点定义、顶点调用、数据存储量等方面的优势。以微型蜘蛛为例,实现AMF文件格式的分层处理及路径规划。另外,本文提出一种基于特征方向的切片轮廓数据的自适应分层算法,通过实验对比自适应分层和等厚度分层的精度与效率,验证本文高精度快速分层处理技术的有效性。