全光纤传感器因其紧凑性好、灵敏度高、无源、抗电磁干扰、耐化学腐蚀、适用于高温高压易燃易爆等极端场合、集传输感测于一体、能遥测遥感、可移植性强、复用性好、与现有光纤通信系统兼容等优点,在建筑、能源、环境、医学等民用或工业领域,以及国防军事/航空航天国家安全等领域,都有着广泛的应用。近年来,新兴的飞秒激光微加工技术因其具备加工效率高、热影响效应小、加工精度高和能实现真正的三维结构微加工等优点,在全光纤微结构传感器的制作方面具有很大的应用前景。因此,对飞秒激光微加工直写技术制备微结构全光纤传感器件的研究不仅具有较高的科研价值,而且具有潜在重大的社会经济效益和国防安全意义。本论文利用飞秒激光微加工直写技术研制了一系列全光纤微结构传感器件,并分别开展了相应的理论分析、器件制备、性能表征以及传感应用等几方面的研究。本论文的主要创新性工作如下:(1)根据飞秒激光对透明介质折射率的调控机理,提出了利用飞秒激光直写技术在单模光纤的纤芯中引入一个折射率调制点(RIMD)的方法,从而制备出一种具有极简结构的低可见度的全光纤法布里-珀罗干涉仪(FPI)。应用该FPI进行液体折射率传感测量时,发现其折射率灵敏度极高,并通过后续的理论分析和实验验证,首次揭示了该类FPI结构在进行折射率测量时存在超灵敏区域。此外,该全光纤FPI可以避免温度串扰问题。(2)首次报道飞秒激光微加工技术制备的基于RIMD的低可见度全光纤FPI同时具有折射率高灵敏度和大动态范围测量的优点。详细分析了所提出的FPI同时具有折射率高灵敏度和大动态范围测量的原理,进一步,通过理论计算深入研究了复合腔参数对超灵敏区和动态范围的影响,发现这些高灵敏度区域的大小和范围可以根据最终的实际需求而进行调整。实验验证的结果与理论计算的结论符合一致。(3)制备了一种基于RIMD的高可见度光纤FPI高温传感器。理论计算发现飞秒微加工制备的基于RIMD的全光纤FPI的干涉条纹对比度可在加工过程中方便调节。通过实验参数优化,利用飞秒微加工直写技术得到了一系列不同腔长的品质优越的高干涉条纹对比度(>20dB)全光纤FPI。进一步实验研究和讨论了所制备的FPI进行高温传感的特性,发现其对温度响应的线性度很高。(4)首次报道了在普通单模光纤上采用飞秒激光直写技术制备出一种新型的高品质全光纤马赫-曾德尔干涉仪(MZI),并详细介绍了该MZI结构的制备条件和制备过程。通过实验测量结果、理论分析和模拟仿真深入研究了所制备MZI的性能和工作原理。进一步通过实验研究了该结构对一些基本物理量(折射率、温度和应力)的响应情况,发现该MZI对这些物理量几乎不敏感或灵敏度极低,因此非常有利于制作成高稳定性器件,在光纤激光器和全光信号处理方面有重要的应用前景。(5)报道了飞秒激光直写高品质全光纤MZI的矢量弯曲传感特性。所制备的全光纤MZI能够在大弯曲范围内保持线性响应并且能够识别方向。进一步,通过理论模型深入分析和解释了该结构对弯曲的响应特性。并且,相比于已报道的弯曲传感器,该结构对外界折射率不敏感且温度和应力串扰很小。(6)首次报道利用飞秒激光直写全光纤多模干涉仪(MMI)。在普通单模光纤上采用飞秒激光直写技术制备了一种新型的全光纤MMI结构,并详细介绍了该结构的制备条件和制备过程。通过实验测量结果、理论分析和模拟仿真深入研究了所制备的MMI性能和工作原理。进一步通过实验测量和模拟仿真研究了MMI对周围环境折射率的响应特性。