衍射光学元件以其可设计性强,体积小,质量轻等优点被广泛的应用于激光技术、航空航天、国防军事等领域。近年来,随着光学技术的飞快发展,也同时对衍射光学元件提出了更高的性能要求。目前,制备衍射光学元件的方法主要有单点金刚石车削、光刻与激光直写技术。其中单点金刚石车削由于车削元件的轮廓受到金刚石刀具形状的限制,难以完成复杂结构的制作;光刻技术虽然使用广泛但其始终存在无法在曲面基底上加工的局限性;而激光直写技术拥有无掩模,高空间分辨率、可加工材料广等优点,可实现高精度的任意复杂结构加工,从而被越来越多的应用于微加工领域。相比较于普通激光直写技术,飞秒激光直写技术拥有独特的双光子吸收特点,能达到突破衍射极限的高精度加工,并且飞秒激光可透过材料表面到达材料内部进行加工,可实现真正的任意形状三维结构加工。因此本文采用高精度、真三维的飞秒激光直写技术来制备衍射光学元件。传统的飞秒激光加工技术主要有三种:第一种为基于压电平台的飞秒激光直写技术,该加工技术拥有很高的加工精度,可达到纳米量级,但该技术的加工效率和加工器件尺寸受到压电平台自身升降速度和行程的限制,使其加工效率低下并且可加工器件的尺寸通常不超过百微米量级;第二种为基于扫描振镜的飞秒激光直写技术,该技术加工效率高,但该技术在聚焦透镜的范围与数值孔径之间存在矛盾,其加工精度和加工尺寸不可兼得;第三种为基于直线电机线性扫描的飞秒激光直写技术,该技术的加工范围大,但在其加工的运动过程中,需要克服自身的惯性进行频繁的加速和减速,这种运动方式使得该加工系统的加工效率低下。为了解决传统飞秒激光加工技术在加工衍射光学元件过程中加工精度、加工尺寸和加工效率之间的矛盾,我们搭建了同时具备高精度、大面积和高效率加工特点的极坐标飞秒激光直写系统。该系统由两部相互正交的直线位移台和一部高速旋转台组成,系统的加工范围仅受扫描径向直线位移台行程的限制,可实现厘米量级大尺寸三维结构的扫描。系统采用高精度的光栅尺进行位置测量,并且使用闭环负反馈进行控制,使得该系统的重复定位精度达到了50 nm,保证了高加工精度。加工过程中系统的旋转轴可连续高速旋转,不必频繁起停,因此系统拥有极高的加工效率。本文详细的介绍了该加工系统的原理和技术参数,并使用该系统进行大尺寸衍射光学元件的加工研究。首先在平面基底上对该系统加工SU-8光刻胶的加工条件进行了探索,加工得到了大尺寸的三维阶梯结构。然后研究了曲面基底加工中样品中心对准和透镜曲率校准等问题,实现了曲面基底上大尺寸衍射光学元件的加工。最后讨论了加工过程中环境温度变化对所得到结构的影响,并采取措施减小了飞秒激光扫描过程中的温度漂移,得到了较为稳定的加工环境。本文的工作解决了传统飞秒激光直写技术制备大面积衍射光学元件的诸多困难,并为高性能折衍混合光学元件的制备提供了有力的技术支持。