飞秒激光双光子聚合技术是一种可以突破光学衍射极限实现百纳米级别加工分辨率的微纳米加工技术,因为其能够实现任意形状微纳米结构的真三维加工,这种技术被广泛应用于包括微纳机械、微纳光学、微流体、生物传感、组织工程、细胞工程等在内的诸多领域。目前基于该技术的研究热点方向主要包括:1.优化技术参数,如提升分辨率、加工效率等;2.基于三维微纳米结构实现微纳研究领域的各种功能应用。本论文以空间光调制技术为基础,研究了贝塞尔(Bessel)光束这一特殊长距离无衍射光场在高数值孔径物镜聚焦下的传播特性,并利用这种聚焦的环形光场实现了可控微环结构加工,基于这种微环结构研究了其作为细胞支架、微过滤器、微腔等在细胞工程、微流体、微纳光学领域的应用。传统飞秒激光双光子加工是以单束飞秒激光结合三维移动平台或扫描振镜实现逐点逐层扫描的串行加工方式,其加工效率低,难以实现快速高效加工。本论文提出了一种基于特殊解析光场的高效高精度全息动态加工三维微管结构的加工技术。本论文通过对Bessel全息图的参数调控和加工参数优化,实现了一系列复杂三维微管/微环状结构加工,该方法实现了传统光刻工艺很难实现的变截面结构加工,为环状结构的高效高精度加工提供了有效的技术手段。同时,本文针对聚焦光斑直径不同所需阈值能量也不同的需求,提出了一种基于压缩全息图相位深度进而改变衍射效率的能量调控方案,并在实验上实现了直径变化范围从3μm-10 μm的光滑变截面管道加工,这种方案具有较强的可扩展性,可以从Bessel光场扩展到任意光场,从整体相位压缩扩展到局部相位压缩。为了展示微环类结构的功能性应用,本论文首次通过阵列式管道加工结合显影时管道阵列的自倾倒效应实现了微管道阵列作为细胞支架的制备,通过毛细力自吸入的方式实现了酵母菌在不同直径微管道内的培养,进一步研究了直径不同及变直径的二维及三维受限微环境对酵母菌分裂的影响,为细胞支架结构的制备及实现阵列式培养提供了实验参考模型。另外,在微流体器件方面,特定粒子或细胞的过滤和富集对化学及生物领域的一些关键应用开展是不可或缺的,本论文首次通过这种全息加工方法在商用针头内部实现了集成微过滤器的制备,在实验上实现了对不同直径微粒的筛选过滤,该方法实现了功能化和集成化Lab-in-a-needle器件的快速可编程性加工,为非平面半封闭基底上快速加工功能器件提供了一定的工艺参考。最后,在结构质量(对称性、表面粗糙度等)要求更高的微腔领域,本论文通过进一步优化加工参数成功制备了品质因子在102量级的聚合物微腔,实验检测了作为回音壁模式(Whispering gallerymode,WGM)微管腔的光致荧光发光光谱,对比了单根管道不同部位及相同参数不同管道的谐振模式,分析了其一致性,对于不同参数不同管道的谐振模式进行了实验测量和数值仿真分析。这种全息加工方法提供了一种高效灵活地制备聚合物环形微腔的技术手段,可以为生物传感、微纳光学等领域的功能性应用开展提供新的实验平台。