本论文基于激光与物质相互作用原理,对飞秒激光直写和多光束干涉两种无掩膜加工技术进行了系统的研究,解决了目前存在的一些关键难题,并分别利用其实现了从二元到三维高精度微光学器件和从各向同性到各向异性再到智能响应的仿生功能表面,主要成果有：1.在系统研究飞秒激光与物质相互作用特殊规律的基础上,提出了等弧切法、表面自平滑和壳层扫描等新技术,将激光微纳造型精度从百纳米提高到了20 nm左右,表面平滑度达5nm以下,加工效率提高10倍左右,大幅度拓宽了造型的种类。2.随后,我们进一步用飞秒直写解决了微光学元件尺寸小和表面轮廓复杂性高的矛盾,制备了几种高精度的微光学器件,包括从二元光学器件(相位衍射菲涅尔波带片、高效率多阶分形环)到复杂的三维光学器件(100%填充的非球面微透镜阵列),得到了极其优越的光学功能。特别是三维仿生复眼无畸变成像,视场角可达90度,超出了国际上报道的最好结果10度。3.针对仿生疏水表面应用要求大面积(-cm2)的微纳结构的特点,我们首次提出用多光束激光干涉技术快速制备大面积的仿生疏水表面。通过精确控制光束数目、激光光强等,实现了从多功能的各向同性疏水表面到可控的各向异性疏水表面。另外,我们提出新的曲率调谐方法,实现了智能的超疏水表面(高吸附态和滚动态之间的可逆转换),实现了水滴无损耗的转移功能。4.我们还提出结合的top-down和bottom-up技术,通过各种参数条件的控制实现了规则可控的复杂微结构,并用其对微粒子进行选择性捕获和释放功能。