随着纳米光子学理论和材料微纳加工技术的发展，人们已经能够在纳米尺度上对光子进行操控，例如利用“人工原子”概念构造的超材料，具有特殊的光学常数，可获得传统光学材料所不具备的新奇电磁性质。另外，调控光与物质的相互作用特性，其理念已广泛应用于光子集成、高灵敏传感、超分辨显微成像、高效太阳能电池及发光器件、信号探测和识别、环境监测等重要领域。相关研究的热点之一是针对特定的应用领域，设计和制备出性能优良的微纳光学结构。　　在众多的研究领域内，多光子直写加工技术已成为了一种新颖且高效的三维微纳米加工手段。以往的研究者已经对多光子加工的物理机制、加工分辨率、适用材料等方面进行了全面系统的研究。本论文侧重于多光子直写加工技术在微纳尺度结构与器件制备中的应用，具体研究不同尺度下的微纳结构与光的相互作用机制，并利用多光子加工技术制备了3D聚合物光子学器件和2D金属光电子学器件。进一步地，针对这些功能性的微纳阵列结构，我们研究了如何高效制备、批量加工和系统集成微尺度周期性阵列结构的新方法。　　1.3D Luneburg透镜的设计、加工及其表征。利用多光子加工技术三维直写的优势，采用灵活的渐变超材料结构设计来实现球对称渐变折射率分布，利用常见的商用光刻胶材料IP-L，制备了体积小、性能高且能在光波段(6.25μm)响应的3D Luneburg透镜。本论文重点讨论基于渐变超材料设计渐变折射率介质的理论基础，基于各向同性超材料的3D Luneburg透镜加工优化与表征，器件特异性能的实验验证与仿真分析。　　2.有序金属网格透明电极的设计、制备及其表征。利用传统的多光子直写加工技术，可以加工出线条宽度100-500nm范围内的均匀银纳米线，通过调节银网格的线间距，制备了一系列不同占空比的银网格透明电极，实验结果表明透光性和导电性可以通过改变占空比精确调控。直写的有序银网格结构在见光区具有媲美于ITO的导电性能，且制备工艺简单，结构稳定可控，克服了ITO透明电极电阻率较高、造价昂贵且透过率低的缺点，可作为ITO的替代品。　　3.微尺度周期性阵列结构的并行加工方法与系统研究。我们提出一种基于微透镜分束技术和光束均匀化技术的多光子并行直写加工新方法，实现了快速、批量、大规模制备结构一致的、尺寸可控的微纳阵列结构。利用光束整形组件对高斯分布的激光进行均匀化处理，解决了激光扩束后光斑中心与边缘的能量分布不均匀的问题。均匀化的平顶光束通过微透镜分束后，得到能量分布均匀的多束激光，这样就能保证每一束激光制备的微纳结构，保持较理想的一致性和均匀性。本论文重点研究如何从系统设计原理上解决微纳阵列焦点的可控调制，研究光路元件的作用及其相互位置关系，为多光子并行直写加工系统的搭建提供理论指导。