飞秒激光由于具备超短脉宽和超高峰值功率等极端物理条件,可诱导产生一系列不同于传统激光器与物质相互作用时的实验现象,这些新效应和新现象极大丰富了人们对光与物质相互作用的认知,并促进了激光领域的发展。同时,通过聚焦飞秒激光可以空间选择性地调制透明材料的局部折射率,从而实现复杂三维嵌入式光路的开发。光热敏折变(Photo-thermo refractive,PTR)玻璃是制备衍射光学器件、微流器件、微光机电系统等常用的多功能基底。本文基于光学与光子学领域的实际需求,利用飞秒激光选择性曝光材料,结合后续热处理工艺,制备了高性能高质量光学器件,为集成器件的设计与制造提供了新思路,同时也促进了PTR玻璃器件的应用拓展。主要研究内容与成果如下:研究了脉冲激光与PTR玻璃的相互作用特征,通过对光功率、脉冲宽度和热处理时间等参数的联合控制,实现了对激光诱导生成的纳米结晶颗粒密度分布与尺寸的有效调控。通过扫描电镜分析得出,曝光区域内生成的纳米结晶颗粒的密度分布与聚焦于PTR玻璃内部的飞秒激光能量密度分布密切相关,而纳米结晶颗粒的尺寸与写入激光参数无关。随着写入功率的增大,纳米颗粒分布由分散式转变为密集式,最后形成紧凑的纳米团簇;随着激光脉宽的增加,纳米结晶颗粒的分布先变窄、变致密,而后又变稀疏,直至无法被扫描电镜观察;随着热处理时间减半,纳米结晶颗粒的尺寸从175±50 nm减小到100±50 nm。因此,通过控制激光写入参数与热处理条件可以有效控制曝光区域内纳米结晶颗粒的密度分布和尺寸。通过波谱仪和拉曼光谱仪确定了该纳米结晶颗粒的组分主要为氟化钠。利用零阶贝塞尔飞秒激光在PTR玻璃中制备了周期为5μm的透射式体布拉格光栅,研究了光栅厚度和后期热处理对光栅衍射效率的影响,实验结果表明:利用无衍射零阶贝塞尔光束代替高斯光束可以有效增加光栅厚度,使光栅的最大衍射效率提高26.65%;通过后期热处理可以提高曝光区与非曝光区域间材料的折射率调制量,可使光栅的最大衍射效率增加90.00%。此外,通过研究激光写入光功率与光栅衍射效率的关系得出:当写入光功率过小时,聚焦飞秒激光诱导产生的折射率调制量过低,从而影响体布拉格光栅的衍射效率;当写入光功率过大时,聚焦零阶贝塞尔飞秒激光在光传输方向上会产生明显的自聚焦和自散焦现象,该现象会直接降低体布拉格光栅的衍射效率;当激光写入光功率为100 m W时,光栅的衍射效率最高可达94.73%。因此,激光写入参数及后期热处理对透射式体布拉格光栅的衍射效率起着至关重要的作用。该透射式体布拉格光栅具有优越的衍射特性,可作为空间滤波元件。利用飞秒激光横向刻写方式在PTR玻璃中制备双线型波导,测试了退火前后波导的端面结构和导光特性。研究结果表明双线间距、激光写入功率和热处理对双线型波导的导光特性有重要影响。当飞秒激光波长为800 nm、脉冲频率为50 KHz、脉冲宽度为200 fs、写入功率为50 m W、双线间距为30μm时,未进行热处理的双线波导具有最佳的单模导光特性。热处理可以消除波导刻写时残留的应力,但同时会破坏双线波导的端面结构,从而影响其导光特性。另外,通过控制激光脉冲频率和刻写速度,在PTR玻璃中制备了不同周期的逐点式布拉格光栅。定性研究了激光写入功率和脉冲宽度对逐点式布拉格光栅折射率调制量的影响,并且制备了双线型波导布拉格光栅。实验结果表明,当写入脉冲频率为100 Hz、刻写速度为156.04μm/s、激光脉宽为3 ps、写入光功率为150 m W时所制备的长度为6.5 mm的波导布拉格光栅的光谱调制量为3 dB。分别利用飞秒激光的横向和纵向刻写方式在PTR玻璃中制备了不同导光模式的压低包层管状光波导。研究结果表明波导直径、激光刻写功率和热处理对管状波导的导光特性有重要影响。纵向刻写的管状波导端面结构具有较好的圆对称性且导光性能良好。当管状波导直径小于30μm时,波导为单模导光。通过改变波导直径和提高刻写光功率可以获得高阶传输模式,且仿真结果与实验结果相一致。另外,热处理可以有效消除不均匀的应力分布,增加有效折射率调制量和波导归一化频率。这些参数可以用来判断波导质量以及控制波导内传输的模式分布。因此,PTR玻璃可以用来制备高质量的压低包层管状波导,并且通过设计优化波导结构可以使该类波导用于传输大模场激光和长波长激光。