蓝宝石晶体凭借其宽光谱高透过率、高硬度、化学性质稳定等优良的特性被广泛地应用于航空航天、国防、医学和半导体等相关领域中。由于缺乏有效的加工技术,基于蓝宝石晶体功能性微纳器件的发展仍然十分缓慢。例如,传统机械加工工艺难以实现微纳米尺度器件的制备,而刻蚀工艺通常只能在平面衬底上实现简单的二维结构。飞秒激光加工技术凭借其高精度、真三维加工、可适用材料广泛等优势,在透明介质材料的功能性微纳器件的制备中展现出了巨大的应用潜力。然而,作为一种重要的透明介质材料,飞秒激光加工蓝宝石的工作目前还主要停留在机理研究阶段。虽然已有少量关于利用飞秒激光改性技术和湿法刻蚀辅助飞秒激光加工技术制备蓝宝石功能性微纳器件的工作,但实现的器件种类还相对较少。其主要原因为难以实现对飞秒激光诱导材料改性程度的精确调控,导致激光改性时由于应力的积累而极易产生裂纹,并造成了飞秒激光加工的蓝宝石微纳器件保真度较低。这严重影响了飞秒激光加工技术的精度及复杂三维器件制备的可控性。基于蓝宝石晶体高质量功能性微纳器件的制备需求,针对飞秒激光加工技术现存的问题与挑战,本论文创新性地提出了飞秒激光原位自退火技术,通过飞秒激光对蓝宝石晶体的可控改性,解决了飞秒激光诱导材料改性时易裂的问题。在此基础上,实现了蓝宝石内部多种高质量掩埋型微光学器件的制备。为了扩展飞秒激光加工技术制备器件的应用领域,我们通过调控激光诱导材料的改性程度,提升了激光改性区与未改性区之间的刻蚀速率差,提高了湿法刻蚀辅助飞秒激光加工技术制备蓝宝石微纳器件的保真度,实现了蓝宝石晶体多种高质量功能性器件的制备。具体研究成果如下:1、飞秒激光原位自退火技术抑制裂纹的产生与扩展本论文创新性地提出了飞秒激光原位自退火技术,经过实验发现,高重频的飞秒激光可以有效抑制裂纹的产生与扩展。其机理为如下三点:（1）高重频激光引发的热效应诱导材料发生重结晶,降低了因激光改性而产生的应力;（2）高重频激光诱导材料形成自组织纳米条纹,减小了激光改性区域的空隙尺寸,抑制了裂纹的产生;（3）通过人为引入与裂纹扩展方向垂直的纳米光栅,实现裂纹“缝合”的效果,有效降低了裂纹扩展的概率。经验证,飞秒激光原位自退火技术大幅度降低了激光改性时产生的应力并将飞秒激光加工蓝宝石的裂纹产生阈值增加至原来的2.7倍,为飞秒激光加工基于蓝宝石材料的高质量功能性微纳器件的发展起到了推动作用。2、飞秒激光改性技术制备蓝宝石高质量掩埋型微光学器件飞秒激光原位自退火技术降低了激光改性时产生的应力,有效抑制了掩埋型器件制备过程中出现的微裂纹,避免了为满足相位调制而增加器件厚度所引起的器件开裂现象。基于这两点优化,我们利用飞秒激光改性技术在蓝宝石内部制备了多种高质量掩埋型微光学器件。其中包括:在800℃下具有稳定聚焦特性的几何相位透镜、效率高达94.5%的大尺寸多层1/4波片、用于生成高质量涡旋光的三维连续曲面的螺旋波带片及应用于光束整形、光学加密和光存储等领域的材料内部大面积改性结构。利用本方法制备的元件形貌良好、器件效率高且在不同环境下光学性能稳定,具有广阔的应用前景。3、湿法刻蚀辅助飞秒激光加工技术制备蓝宝石高质量功能性微纳器件为了扩展飞秒激光加工蓝宝石微纳器件的应用领域,本论文通过精准控制激光诱导材料的改性程度,提升了激光改性区与未改性区之间的刻蚀速率差,提高了湿法刻蚀辅助飞秒激光加工技术制备器件的保真度。利用该技术,我们在蓝宝石内部制备了具有超大长宽比和高精度的微通道结构,器件长宽比高达110000:1、最大刻蚀长度可达3.5 cm、最小宽度仅为12 nm。因为制备的微通道侧壁粗糙度仅为26 nm,保证了通水顺畅,所以该器件可用于芯片水冷领域,降温幅度可达70℃。在此基础上,通过将不同液体注入到制备好的三维光子晶体器件内部,实现了该器件光子带隙的调制。此外,湿法刻蚀辅助飞秒激光加工技术还实现了蓝宝石表面多种形貌可控的三维微纳器件的高效率制备,加工效率最高可提升200倍。最后,我们将此技术扩展到飞秒激光打孔领域并制备了透明介质材料上任意尺寸、任意锥度和任意形貌的通孔及通孔阵列。这些工作为实现应用于微流控、光流控及微光学领域的高质量集成化功能性器件的制备提供了一种简单而通用的加工方案。综上所述,本论文以制备蓝宝石高质量功能性微纳器件为目标,提出了飞秒激光原位自退火技术,有效地抑制了激光改性时裂纹的产生与扩展,并通过飞秒激光诱导蓝宝石改性的方式,制备了多种高质量掩埋型微光学元件。此外,我们还通过精准控制飞秒激光诱导蓝宝石晶体的改性程度,提升了湿法刻蚀辅助飞秒激光加工技术制备器件的精度与保真度,实现了蓝宝石晶体多种高质量功能性微纳器件的可控制备。上述工作为实现面向国防、航空航天、民用医疗等多领域的透明介质材料功能性集成化芯片的制备开辟了一条新的途径,同时也为MEMS惯性器件制造和三维电子集成中硬脆材料的高精密去除提供了一种关键性的技术手段。