三维微纳结构表面功能器件以及三维体(或体内)微纳结构功能器件,以下统称为三维微纳结构,在许多重要的工程领域有着非常吸引人的应用潜力。主要涉及两个方面：(1)利用三维微纳结构表面获得期望的固/固或固/流界面效应,例如导轨副、发动机活塞/缸体副、汽轮机叶片等；(2)利用三维微纳结构表面或体微纳结构改变外部物理场(例如电磁波,光波,等离子体波,力场,热场,磁场等)的作用从而获得期望的响应特征,例如隐形、散热、负压缩性、高分辨率成像等。超材料是一种具有三维微纳结构的人工复合材料,为了使包括超材料的三维微纳结构在工程领域获得成功的应用,其关键还在于如何对三维微纳结构进行大面积高效制造。国内外学术界普遍认为,基于飞秒激光的两光子聚合(Two-Photon Polymerization,以下简称TPP)是获得真正三维微纳结构的一种非常有发展前途的工艺方法,但是迄今为止还存在一些问题亟待研究解决。为了对三维微纳结构进行大面积两光子聚合加工,现行的方法主要是利用大行程的工作台沿x和(或)y向作进给运动,从而遍历所有期望曝光的体元。该方法的主要问题是,大行程的平动轴绕x和y轴的偏摆误差通常都在几百个纳米量级或者更高,如何在工作台快速进给中对这些偏摆误差进行校正尚未见到有效的技术方案。为解决所述的这些问题,本论文作者所在的课题组提出了如下的技术方案：(1)在工作台快速进给过程中夹持试件的载物台作三维椭圆振动以使飞秒激光束相对于试件进行拟静态曝光的方法；(2)在工作台快速进给过程中利用二维振镜操纵飞秒激光束快速偏转,以校正工作台平动轴沿x和y轴的偏摆误差。为了实施所述的这两个技术方案,本论文将着重研究一种两光子聚合三维微纳结构加工系统的设计以及加工运动轨迹规划等问题。具体包括如下内容：(1)基于TPP的三维微纳结构加工系统总体设计。通过在大行程运动台上安装一个三维椭圆振动装置(由于三维椭圆振动装置尚未制作,本文在此使用一个三维微动台替代进行原理性探索。),使被加工工件在进给运动中相对于工作台作三维椭圆运动；在光路系统的框架结构上安装一个二维振镜系统,以使飞秒激光束绕x和y轴进行偏摆。利用CATIA三维造型软件,对所述加工系统的结构进行了建模设计。(2)在连续进给过程中基于TPP的加工运动轨迹设计。基于飞秒激光束的相继点位曝光,对大行程工作台以及三维微动台的运动轨迹进行了设计,采用MATLAB软件对所设计的运动轨迹进行仿真,并结合此时间段内系统的飞秒激光照射的能量分布对比,验证了运动轨迹设计方案的可实现性。(3)基于TPP的三维微纳结构加工系统的静力学和动力学分析。通过运动WORKBENCH软件的静力学和模态分析模块,对所设计的运动系统进行了静力学分析和模态分析。通过建立系统各个运动轴的运动学模型,并利用MATLAB软件分析了系统各个运动轴的动态性能。通过完成直线电机运动台-压电微动台串联系统的单输入激励响应实验,进一步验证了构建系统动力学模型过程的合理性。