透明硬质材料如石英、蓝宝石等作为优异的光学材料,由于其宽光谱透过率、较高的热稳定性和化学稳定性,在人们的生产生活、工业和军事等领域具有广泛的应用。但是在微纳光学等领域,这些材料较高的硬度和较低的塑性使得用传统的机械加工等方式难以达到预期的加工精度和表面粗糙度,而光刻等方式其工艺较为复杂,且无法直接用于材料内部结构的制备。飞秒激光作为一种先进的三维柔性加工技术,有加工精度高、材料适用范围广和真三维加工等优势,在微纳光学、微流体和微机械等领域有着广泛的应用前景。然而,传统的飞秒激光直写加工方式通常采用逐点扫描策略,因此加工效率低且不能充分利用激光器功率,极大地限制了飞秒激光的实际应用范围。此外,飞秒激光烧蚀硬质材料表面的时候,通常加工后材料表面粗糙度通常较大,难以直接满足微光学元器件对高表面质量的要求。而飞秒激光在硬脆材料内部加工过程中,由于界面之间的折射率不匹配会造成聚焦光斑的不均匀拉伸,影响内部三维结构的加工精度。为了解决上述提到的问题,本论文将空间光场相位调制技术与飞秒激光直写加工技术相结合,通过深入研究飞秒激光与材料之间的相互作用,并引入湿法刻蚀等工艺对材料进行辅助处理,成功在石英和蓝宝石等硬质透明材料上实现了具有微纳米尺度结构的微光学元器件的高效率和高精度制备。本文的具体研究工作如下:(1)利用基于飞秒激光的光场调控技术与湿法刻蚀技术在石英表面实现尺寸和数值孔径可控的微透镜阵列。通过研究石英表面和内部激光烧蚀区域对HF溶液刻蚀后结构的影响,利用空间光场相位调制技术实现了沿光轴不同位置的多焦点分布。在不改变激光能量的前提下,利用这种沿光轴分布的多焦点阵列在石英内部改性,并结合后续的湿法刻蚀实现石英表面尺寸可控的微透镜阵列的高效制备。这种方式仅通过改变全息图即可灵活改变所制备的微透镜的尺寸。其单个微透镜的深度可以从5?m调整到20?m,半径可以从19?m调整到34?m,数值孔径可以从0.22调整到0.41。(2)利用光场调控技术与激光参数的准确控制在石英内部实现了具有高深径比结构的精细加工。针对飞秒激光在石英内部诱导光栅结构不均匀且间隔不可控等问题,利用光场相位调制技术实现了基于折射率不匹配效应的光场能量纵向均匀化分布,并结合飞秒激光直写加工方式,在加工过程中准确的控制激光加工参数,成功地在石英内部实现了具有高深径比和高精度的改性区域,其宽度仅为90 nm,深度最大可达48?m,其深径比最大可达500:1。此外,通过系统研究激光参数对加工结构的影响,我们仅通过改变加工间隔即可调节加工区域内部局部双折射的相位延迟量,其单层相位延迟量最大可达150 nm,且加工间隔最小可达200 nm。最后,利用这种高深径比结构的精细加工方式,在石英内部100?m?100?m的区域内实现了一维达曼光栅的高效高精度制备,仅加工单层其效率即可达到49.8%(理论为70%)。且制备的达曼光栅的具有非常均匀的分束效果。(3)利用均匀化光场实现蓝宝石内部应力双折射的精确控制。通过将物镜后焦面位置的光场调制为能量沿光轴分布的均匀化光场,实现了在蓝宝石内部均匀改性结构的制备,其最小线宽仅为170 nm,且线间隔最小可达300 nm。通过在内部设计应力积累和释放区域,利用这种极高精度的加工方式,仅需改变加工间隔即可实现应力释放区域中由应力诱导的双折射准确控制,其单层最大相位延迟量接近于1/4λ,且可以通过叠加的方式实现任意大小的相位延迟量。这种基于加工区域的应力效应的内部双折射控制,可以避免由于加工区域刻写结构对入射光的散射造成的光学元器件效率的影响。综上所述,本论文结合飞秒激光硬脆材料直写技术与空间光场调制技术,通过使用湿法刻蚀等后处理工艺,实现了具有高加工效率和高激光能量利用率的石英微透镜阵列的制备。此外,通过对激光加工参数的准确控制,实现了石英和蓝宝石内部具有高精度和大深径比改性结构的制备,并对制备的微光学元器件的性能进行了详细的测试和分析,为飞秒激光在透明硬脆材料加工领域的应用提供了新的技术方法和新的思路。