本论文综述了飞秒激光在光学元件微制备方面的发展，从实验上系统研究制备条件并实现多种光学元件微制备。具体研究熔融石英中形成折射率调制结构的实验条件，聚焦直写制备了多种实用的微光学元件；采用单脉冲全息写入方法和聚焦扫描方法分别研究双光子聚合周期光栅和线条结构的微制各。实验所用激光器波长800nm、脉宽最短120fs、重复频率1kHz。研究内容包括： 从实验上综合研究飞秒激光在熔融石英体内折射率结构的制备条件。采用直写法在熔融石英体内制备光栅，根据光栅的衍射效率和折射率变化对激光脉宽、脉冲能量、扫描速度和扫描重复率等制备参数的影响进行系统研究，优化折射率成丝的形成并为微结构制备提供依据。发现飞秒激光脉宽和脉冲能量存在最佳制备“三角区域”：脉宽小于230fs，单脉冲能量在0.3～1.6μJ范围才能得到折射率调制结构；采用多次重复扫描方法，控制折射率改变量的大小和分布；通过退火处理控制微结构的稳定性和对偏振光敏感程度。 利用低数值孔径的聚焦物镜(NA=0.1和0.25)，在石英玻璃体内直写制备多种微光学元件。根据自映像原理，制备多模干涉1×N分束器和M×N耦合分束器，观察到1×3×2的阵列光束输出；根据计算全息方法制备环形光束整形器，将入射高斯型激光光束整形成为环形光束；制备光栅分束器，将输入激光衍射形成同相位等能量2×2的对称分布输出；多次扫描方法形成菲涅尔波带片并实现聚焦和成像功能；采用二元光学的方法制备阶梯型光栅，实现多波长色散分离。 研究双光子聚合单脉冲全息写入。搭建双光束干涉光路，飞秒激光单脉冲在薄膜上双实现光子聚合，快速制备高衍射效率的全息光栅。折射率调制度为4.3×10～，厚度63μm的光栅衍射效率达90％以上。与单光子聚合相比，双光子聚合具有更高的折射率调制度和更高分辨率。与长时间曝光制备相比，单脉冲可避免系统不稳定的影响而且不易导致结构破坏。此外，曝光能量和热处理等参数可以优化制备结果。 分析了双光子聚合弯曲型和直线型线条的成因，扫描制备浮雕和堆垒结构。双光子聚合微制备的许多立体结构都由线条组成，因此对线条研究很重要。不少研究小组对双光子聚合仅限于直线型线条，我们的实验发现聚焦焦点位置的不同还会出现弯曲线条。采用NA=0.85和NA=1.35的聚焦物镜对激光能量、扫描速度、特别是焦点位置的影响进行了系统研究。分析了弯曲型线条和直线型线的成因以及激光能量、焦点位置和移动速度的依赖关系，并制备得到表面浮雕结构和多层线条堆垒结构等。