随着现代科学技术的飞速发展,体积小型化、模块集成化、功能多样化、性能稳定化与功耗低量化几乎成为所有仪器设备和功能器件的发展方向。以此为契机诞生的微光学系统在理论上相对完善,微光学元器件展现出传统宏观光学元件前所未有的优良性能。微光学的发展不仅拓宽了光学领域的研究范围,使仪器设备的小型化、集成化成为可能,还给微细加工领域提出了更高的要求。目前主流的微纳加工技术有光学曝光、电子束曝光、纳米压印、刻蚀技术与激光加工技术。其中飞秒激光直写技术凭借其超越衍射极限的加工精度和穿透表面的真三维加工能力与其他微加工手段形成鲜明的技术互补。飞秒激光直写技术应用于微光学元器件的制备已有20多年的历史。本论文以飞秒激光加工技术为基础,设计并制备了多种尺度的功能化微光学元器件。主要包括的微光学元器件有:(一)折射型微光学元器件:针对边发射半导体激光器的发光特点设计并制备了关于光轴非对称的整形微透镜。将激光器的快/慢轴发散角分别从60°和9°减小到6.9 mrad和32.3 mrad。制备了变焦微透镜阵列,该元器件独特的光学功能有望在消场曲、3D实时显示、三维并行加工中发挥重要作用。(二)衍射型微光学元器件:在铌酸锂内部,通过激光诱导折射率改变的方法制备了掩埋型螺旋波带片。该元器件在复杂外界环境中保有稳定的光学性能。在蓝宝石晶体内制作了大尺寸消球差波带片。定量表征了该器件的球差特性并与同尺寸球面镜和非球面镜进行比较。制作了折射/衍射混合结构产生涡旋光场,大大简化了涡旋光产生系统的复杂度。(三)微腔激光器:制备了定向单模悬空微腔激光器。提出通过简单圆孔修饰的方法实现微腔激光器性能的提升。本文以飞秒激直写技术为基础、以功能化微光学元器件的制备为导向,在微光学元器件的设计、制备、表征等方面做了深入的研究。从脆弱的有机物到坚硬的光学材料,从表面加工到内部诱导折射率改变,从定性展示到定量表征,本工作为飞秒激光制备微光学元器件面向商品化研究做了大量的技术积累和理论支持。