飞秒矢量激光直写技术可以极大地压缩激光作用区域，减少激光对材料的热影响，其作用时间以飞秒尺度计算，而离子体生成时间以皮秒尺度计算，可以有效降低等离子体屏蔽效应，从而实现三维超分辨加工。该技术广泛应用在微纳光学、微机械制造、微电子学、微流控芯片制造、高密度的磁光存储和纳米光刻等领域。为了搭建飞秒矢量激光直写系统，完善激光加工技术，实现高精度、高效率地刻蚀微纳光学结构，本文在传统飞秒激光直写系统的基础上引入了矢量光场和涡旋光场，根据Richards-Wolf矢量衍射理论研究了飞秒矢量激光直写技术。
　　首先，研究了径向偏振光和角向偏振光的紧聚焦特性，当径向偏振光入射时，在聚焦光场能产生径向成分Er→和纵向成分Er→，其聚焦光场呈中心亮场分布；角向偏振光入射时，在聚焦光场只能产生角向成分Eφ→，其聚焦光场呈中心暗场分布。分析了矢量光场阵列的紧聚焦性质，能够自由设计聚焦光场阵列满足激光加工需求，并在实验中实现了十字型光场点阵列。讨论了涡旋矢量光场的紧聚焦特性，并在实验中实现了一阶涡旋径向偏振光和一阶涡旋角向偏振光。
　　其次，探究了指数衰减因子ɑ、主环半径r0和比例因子ω对艾里光束入射光场分布的影响。利用粒子群算法优化设计了多环涡旋相位滤波器调制角向艾里光束，紧聚焦后得到了超长无衍射超分辨的横向艾里光针，其半高全宽为0.395λ，聚焦深度为37.432λ，纵横比达到94.788。通过计算斯托克斯参量分析聚焦光场的偏振分布，发现聚焦光场在径向偏振与角向偏振之间交替变化，且光束中心奇异点消失，实现了横向偏振的亮场分布。
　　最后，通过涡旋波片和空间光调制器将矢量光场、矢量光场阵列、涡旋光场与飞秒激光直写技术结合，并通过摸索飞秒矢量激光直写系统的搭建工艺以及各光学元件的使用规范自主搭建了飞秒矢量激光直写系统。我们的飞秒激光器输出波长为532nm，脉冲重复频率达到1MHz，脉冲宽度是280fs，单脉冲能量是1uJ。在实验中，通过真空抽滤法制备了氧化石墨烯薄膜，并探索了入射激光的功率、激光扫描速度、激光曝光时间和激光扫描次数等因素对刻蚀氧化石墨烯薄膜分辨率的影响。探究了线偏振光、径向偏振光与角向偏振光对激光加工分辨率的影响，其中角向偏振激光的加工分辨率最高，而加工结构的特征也受激光的偏振态影响，包含许多的光场偏振信息。利用飞秒矢量激光加工了浓度为500PPM且厚度为0.5mm的高氮金刚石样品，刻蚀的圆孔直径为900nm，加工分辨率达到百纳米。将曝光时间控制在3ms，激光入射功率控制在材料烧蚀阈值以下，飞秒激光可以在金刚石样品中诱导产生色心结构，其中线偏振光的效果最好。利用飞秒激光能够在钛镍合金材料表面诱导产生了表面周期性结构，其方向与激光偏振的方向相垂直，其空间周期非常接近入射激光的波长。