超快激光与透明材料相互作用时展现出的非线性效应,赋予了其对材料空间选择性改性及修饰的强大功能,使得基于超快激光的三维微纳制造技术向产业化快速前进。光热敏折变（Photo-thermo-refractive,PTR）玻璃是目前制备高效率体布拉格光栅等光学衍射元件最常用的基质材料,具备光学性质优异、物化稳定性高及折射率调制量大等优势。但基于PTR玻璃线性光热敏特性的传统紫外双光束干涉工艺并不具备三维空间选择性,从而严重制约了其在制备小型化三维集成器件的发展。因此利用超快激光在材料作用区域内的高度局域化以及三维空间选择性,再结合PTR玻璃所具备的特殊光热敏特性和后续热处理工艺,可使PTR玻璃在集成器件制备方面拥有更广泛的应用前景。本文利用超快激光对透明材料的改性技术优势,重点研究了超快激光局域调控PTR玻璃内的光化学响应过程,致力于探究非线性光热敏过程中缺陷及纳米晶体的演化机理,并进一步探索了稀土掺杂PTR玻璃的非线性光热敏特性及其在集成光学领域中的应用。具体研究内容及创新性成果如下:（1）针对PTR玻璃的非线性光化学响应,利用超快贝塞尔激光对PTR玻璃进行曝光并结合后续热处理,系统研究了曝光和热处理过程中PTR玻璃内色心及银纳米颗粒的生长过程。探究了基于超快激光曝光方式下PTR玻璃的非线性光热敏结晶机理,并与紫外曝光方式进行了对比。表征结果和理论分析初步证实了超快激光曝光和热处理后,样品的焦场区域生成了以银纳米颗粒为核、Na F为壳的核壳结构纳米晶体,其尺寸约为5 nm。通过调控激光的脉冲能量及脉冲宽度,实现了超快激光对银纳米颗粒尺寸和浓度的调制。在此基础上,利用贝塞尔光束的超长无衍射传播距离特性,通过优化工艺参数,成功制备出了相对衍射效率高达95.1%的透射式体布拉格光栅。相关工作展示了超快激光局域调控PTR玻璃的优越性及衍射特性。（2）通过制备不同掺杂的PTR玻璃样品,研究了组分CeO2和Sb2O3对PTR玻璃光化学响应的影响。对比分析了不同掺杂样品的非线性光热诱导结晶过程,阐明了CeO2和Sb2O3在超快激光曝光过程中扮演的角色:掺杂少量CeO2会导致在激光曝光过程中产生更多的缺陷从而导致折射率调制量增加;同时掺杂CeO2和Sb2O3则可以产生更多的银原子和银团簇。构建了更为完整的PTR玻璃非线性光热敏结晶机理,提出了铈离子、锑离子等多种多价离子可能均参与了超快激光曝光过程中电子的产生和转移。通过控制脉冲能量,进一步证明了CeO2在超快激光曝光PTR玻璃过程中可以有效提高样品对近红外飞秒激光的非线性吸收,并参与了电子的产生与转移过程。相关工作对优化玻璃组分并利用超快激光在不同组分的微晶玻璃内制备三维微纳结构具有重要的指导性意义。（3）基于超快激光空间整形技术,以稀土离子掺杂的Nd-PTR玻璃为研究对象,探究了在不同焦场分布下,超快激光诱导Nd-PTR玻璃的非线性光热敏响应行为。在此基础上,利用超快激光对Nd-PTR玻璃的折射率调制特性,制备了压低包层管状光波导和双线型光波导。通过优化写入参数,获得了单模导光性能优良的光波导器件,为下一步设计具有大折射率差的新型光波导结构奠定了基础。基于银纳米颗粒的可饱和吸收特性,利用超快激光在Nd-PTR玻璃内制备了可饱和吸收体,并在Nd:YVO4激光器中实现了稳定被动调Q输出,最大平均输出激光功率为173.8 m W,对应的最短脉冲宽度为205 ns。相关工作有力推动了单片集成激光器及波导器件的制备及产业化应用。