飞秒激光直写光波导是实现三维光子集成芯片（PIC）的重要技术手段。PIC集成度的提升受弯曲波导曲率半径的限制。为了实现大曲率低损耗弯曲波导的飞秒激光直写，提出多次激光修饰增强波导芯层与包层折射率对比度的方法来优化芯层的横截面折射率分布。在20 mm曲率半径下，实现S型弯曲波导低至0.64 dB/cm的弯曲损耗。该方法在降低弯曲波导损耗方面拥有巨大潜力，对于提升PIC的集成度具有重要意义。

针对双光子激光直写片上光子引线波导的纳米级对准需求，提出了基于导星数字匹配与纳米智能对准的方法，实现了高精度、高密度片上光子引线互联纳米结构3D直写加工。面向片上光子引线波导的背景与需求，设计了双光子直写光刻系统的光学系统结构，在硬件上设计了独特的导星，在算法上利用机器视觉的智能识别方法，精确定位了片上光子引线波导连接结构。所刻写的光子引线与硅片波导的平均偏差角度为0.19°，绝对位置平均对准精度为29 nm，标准差为17 nm。所提方案为实现高精度、高密度的光学片上互联提供了一种可行的方法，在芯片封装、多材料功能结构制备、复杂结构修饰等高精度加工领域有着重要的科学和应用意义。

超快激光直写技术可以高精度加工任意三维波导结构，从而实现新型拓扑模型以及集成化的拓扑光子器件。通过经典的拓扑结构（如一维二元复式晶格、非对角Aubry-André-Harper晶格、蜂窝晶格），阐述拓扑光学的基本原理和现象（如Thouless泵浦，手性边缘态、局域态与拓扑不变量之间的关系），介绍最新的拓扑光子学进展与应用（如高阶拓扑绝缘体、Floquet拓扑绝缘体、非厄米拓扑、非线性拓扑，以及量子拓扑保护），重点综述在超快激光直写平台下实现的拓扑现象与应用。

飞秒激光直写技术因其精度高、效率高、脉冲持续时间短、峰值功率高且能在多种材料中加工的优点，已被广泛应用于制备各种集成光电器件、光学传感器件。近几年，飞秒激光直写光波导放大器与激光器已经被越来越多的人关注。本文主要介绍飞秒激光直写光波导放大器和激光器的最新研究进展，包括：Type-I型、Type-II型、脊型和可变截面光波导放大器和激光器的波导传输和插入损耗、光放大增益特性，以及波导激光输出特性。最后，对该技术及其相关研究进展进行总结、分析、归纳，并展望该领域未来研究、应用和发展方向。

超级电容器是良好的储能器件，具有功率密度高、使用寿命长、充电速度快等优点。激光诱导石墨烯（LIG）是一种常见的双电层电容器电极材料，但LIG双电层电容器通常表现出较低的电化学性能，而活性物质的掺入会提高超级电容器性能。针对如何控制活性物质的掺入问题，提出一种基于激光直写表面滴涂硝酸铁［Fe（NO₃）₃］的聚酰亚胺（PI）薄膜以制备LIG-Fe₃O₄复合物电极的微型超级电容器的方法。激光处理过的区域会同时发生PI薄膜烧蚀与Fe（NO₃）₃分解，产生Fe₃O₄与LIG复合的LIG-Fe₃O₄复合物电极。所制备的LIG-Fe₃O₄复合物微型超级电容器性能与LIG微型超级电容器相比提高了7.58倍。所提方法为制备高性能LIG微型超级电容器提供了一条新途径。

得益于飞秒激光直写技术的穿透式真三维改性加工能力，多种介质内任意三维路径及截面形状的光波导得以实现并得到了重要应用。本文围绕飞秒激光直写光波导的机理及基本类型，综述了三维光波导器件在光通信、集成量子光学、拓扑光子学、天文光子学以及光学传感等领域的应用。从三维光子芯片的应用需求入手，总结了飞秒激光直写技术在低损耗、任意截面、大纵深直写和可重构三维波导制备中面临的挑战，并展望了飞秒激光直写三维光波导的未来发展趋势。

具有刺激响应形变功能的微结构能够通过外界刺激信号获取能量，进而发生机械形变，在自动化技术、微小机器人技术、微流控芯片等领域具有巨大的前沿应用潜力。然而，现有的智能微结构的研制很大程度上依赖于智能材料及其成型技术，不仅受限于为数不多的材料体系，而且局限在单一的刺激响应形变。基于此，提出利用飞秒激光双光子增材制造技术在形状记忆薄膜上加工蛋白质微结构阵列的新方法，实现了微结构阵列尺寸和周期的双重响应形变。微结构阵列在热处理下被机械拉伸定性，实现了结构周期的调控，该过程可在热刺激下恢复；同时，牛血清白蛋白微结构可以在不同pH值的条件下表现为可逆的溶胀和收缩形变。智能材料与形状记忆基底相结合可以赋予微结构阵列更加复杂可控的双重响应形变。本文制备了微结构阵列和微透镜阵列，展示了双重响应下的结构变化和功能调谐，为智能化微结构阵列在微流控系统中的应用作出了有益的探索。

利用飞秒激光直写技术制备Tm∶YAP光波导并实现1.9 μm波导调Q锁模激光输出。结合具有金属特性的NbSe₂薄膜作为可饱和吸收元件进行光学调制，波导激光输出的激光脉冲重复频率为7.8 GHz，最短脉宽为62 ps。这也是已报道的从Tm∶YAP波导中获得的最短激光脉宽。通过调整泵浦光的偏振，可以获得1855.87/1892.54 nm的双波长激光输出。结果表明，具有金属特性的NbSe₂薄膜在调制中红外超快脉冲激光器方面具有较大的应用价值。此外，双波长输出的紧凑型Tm∶YAP波导脉冲激光器在多功能集成光子学研究方面具有较好的应用前景。