微光学元件具有体积小、质量轻、造价低的优点，可以实现微小、阵列、集成、波面转换等普通光学元件难以实现的功能，在光纤通信、信息处理、航空航天、生物医学、激光技术、光计算等领域有着重要和广阔的应用价值。近年来，新原理、新概念与新技术相结合的新型微光学元件不断出现，展现了其在微电子、微机械、微流控及微光机电系统的应用潜力，同时也对微光学元件的结构和性能提出了更高要求。目前制备微光学元件的主流有两种技术——平面光刻和单点金刚石切屑，由于这两种技术自身的技术局限，无法实现高精度折衍混合、非对称、中空等复杂三维结构的微光学元件制备。飞秒激光直写微纳加工技术，工艺简单、加工精度高、对加工材料的兼容度高、可实现任意复杂结构模型的加工，为微光学元件的发展提供了巨大的空间。因此，本论文针对微光学元件结构特点，研制开发了一套高速高精度微光学飞秒制备系统；利用该系统制备了用于光束整形的非对称多阶波带片、可用于光流控制的多层衍射光学元件以及折衍混合光学元件；通过制备得到的多阶波带片对大功率二极管半导体激光器输出激光光束整形，大幅度提供了激光输出光束质量。本论文主要由如下四部分构成：1.优化飞秒激光直写微纳加工系统。飞秒激光直写微纳加工系统的硬件稳定性及软件控制的灵活性，可以直接决定加工器件的性能的好坏。本文中，搭建了基于直线电机驱动大范围三维气浮平台的微纳加工系统，分别对其硬件系统和软件系统进行了设计和优化。硬件上，大范围气浮平台具有移动速度快，移动范围大等优点，但是进行小尺寸结构加工时，平台的自身惯性大的缺点影响加工灵活性，造成比较大的加工误差。而数字振镜进行小尺寸结构加工时，加工方式灵活、定位精度高，但是加工范围有限，一般不超过100μm量级。因此，考虑数字振镜及大范围气浮平台的优缺点，将基于数字振镜为主的三维加工系统和基于气浮平台为主的三维加工系统集成到一个加工系统中，通过光学无缝拼接，实现任意尺寸、高精度模型的快速成型。软件上，根据加工中存在的气浮平台和光闸不能同步响应控制、气浮平台质量大惯性大造成的端点过度曝光等问题，对控制软件进行优化。采用多线程技术进行了控制软件的优化，首次提出了软件位置同步输出系统（PSO）和动态加工数据相结合，大大提高了系统的加工精度。同时，传统的数据模型采用点云数据格式，当结构尺寸增加时，会大大增加数据模型的数据量，影响数据传输速度，因此对数据的格式进行了改进是很有必要的。我们采取起点和终点来描述线段、相切的圆弧组成曲线的方法减少数据量，然后由线段曲面描述曲面，再由面组成体。提出壳层扫描的方法，大大缩短了加工时间，提高了加工效率。2.利用衍射光学元件对边发射半导体二极管激光器的输出光束进行整形。半导体激光器具有体积小、结构紧凑、重量轻、电光转换效率高、易于泵浦且易于调制等优点，但是其输出光束具有大的发散角，平行和垂直于结平面光斑尺寸不对称，光强成高斯分布且不均匀，限制了其应用及发展，因此，必须对半导体激光器的输出光束进行整形和准直。国内外报道的边发射半导体激光器进行光束整形的方法有Lloyd镜干涉法、阶梯反射镜法、双平面镜反射法、双柱透镜，透镜阵列等方法。以上方法存在器件复杂且难以加工，器件与器件在组装调试过程中难于精确定位、多次分割波前再汇聚会产生干涉条纹而降低光束质量、在多个器件之间传播能量损失较大等缺点。本文中，针对边发射半导体二极管激光器的输出光束的特点，设计并制备了非对称的高阶波带片，用于半导体激光器输出光束整形。首先，采用8阶量化结构的相位型波带片，大大提高了衍射效率，经测试衍射效率平均高于90%，最高达到92.9%，非常接近理论衍射效率值95.1%。其次，对非对称多阶波带片的光学性质进行理论模拟和实验验证，具有很好的一致性。最后，将制备好的非对称多阶波带片用于半导体激光器输出光束整形。通过测试，将边发射半导体激光器的发散角从65°and24°，分别减小到7.7mrads和136.5mrads，具有优良的光束整形性能。3.利用多层衍射光学元件消色差。衍射光学元件具有波长依赖性。对于单层衍射光学元件来说，只能在设计的波长精确闪耀，其衍射效率随波长偏离设计波长逐渐下降，而衍射效率作为评价衍射光学元件的重要指标，衍射效率的高低影响着衍射光学元件的应用范围。在本文中，我们设计并制备了一种由光敏树脂SU-8和乙二醇构成的多层衍射光学元件。利用飞秒激光直写技术，一次加工而成，相对以空气隙的多层衍射光学元件来说，有效地降低了相邻衍射面之间的反射，增加了多层衍射光学元件的透过率，提高光能的利用率。避免了各层微结构的横向对准误差和层叠倾斜误差及锯齿状微结构加工精度不够造成的多层衍射光学元件效率的下降。经测试，在可见光波段内，实现了平均高于85%的衍射效率。该设计提高了衍射光学元件在整个设计波段内的衍射效率，避免非设计级次导致的衍射光增强形成杂散光的问题，扩展了衍射光学元件在宽光谱成像领域的应用。4.利用折/衍混合光学元件消色差。衍射光学元件独特的色散特性和热学特性，可以将其与传统的折射元件相结合，利用折射元件的曲面提供大部分的聚焦功能，再利用其表面的浮雕相位结构同时校正多种像差，构成的折衍混合光学系统，可实现许多传统光学系统无法实现的特殊功能。本文中，分别比较了不同曲面的透镜的聚焦情况，通过理论模拟，得出强聚焦双曲面透镜具有极小的球差。因此，设计和制备了以强聚焦透镜作为折/衍混合结构的折射主体，具有高的衍射效率的8阶量化波带片为衍射主体的折/衍混合光学元件。经过测试，该折/衍混合结构基本实现了消色差功能。设计上具有高度灵活性，可实现任意曲面、任意浮雕结构的设计。同时，折/衍混合结构一次加工而成，大大降低了加工的时间及成本。