Femtosecond laser-based fabrication technologies have seen rapid developments in the past decades, thanks to the capability of femtosecond lasers to induce localized multiphoton absorption in materials. Multiphoton absorption can result in various material modifications that can be leveraged for additive and subtractive manufacturing. Their versatile applications have demonstrated the great potential of femtosecond lasers in advancing micro- and nano-fabrication. These include (1) multiphoton crosslinking enabling 3D printing with unprecedented patterning freedom and sub-micrometer resolution,(2) the formation of self-organized structures enabling the creation of multi-functional sub-wavelength patterns in solid materials, and (3) multiphoton ablation enabling precise sculpturing of wide-ranging materials. Nevertheless, there remains a large room to explore when it comes to available materials and achievable devices. This thesis aims to advance the applications of femtosecond lasers to glasses and 2D materials for the fabrication of advanced and integrated microdevices for photonics and energy storage. The first part of this thesis presents two approaches for 3D printing of inorganic glass. These approaches are based on two unusual observations in hydrogen silsesquioxane (HSQ) upon femtosecond laser exposure: (1) multiphoton crosslinking and (2) the formation of self-organized structures. The first work reports an approach for 3D printing of solid silica glass with sub-micrometer resolution by multiphoton crosslinking of HSQ. In contrast to the alternative methods, our approach does not require any thermal treatments, which offers desirable design fidelity and integration flexibility. The second work reports the possibility of inducing material modifications (1) and (2) in HSQ simultaneously. This possibility enables additive manufacturing of self-organized nanogratings, and thus, 3D printing of hierarchical structures made of Si-rich glass. In the third work, a protocol to perform the 3D printing on optical fiber tips is developed, which enables the fabrication of fiber-tip optical microdevices for sensing and beam shaping. The second part of this thesis presents the application of femtosecond lasers to fabricating on-paper microsupercapacitors (MSCs).MSCs are promising energy-storage microdevices for self-powering electronics, and paper substrates, yet vulnerable, are attractive for their sustainability and flexibility. The material and shape of MSCelectrodes play a crucial role in the energy-storage performance, and 2D materials have emerged as suitable candidate materials. In the last two works, a scalable approach for the precise micromachining of 2D-material electrodes by multiphoton ablation is developed, preserving their electrochemical performance and the integrity of the paper substrates.

Femtosekundlaser-baserade tillverkningsteknologier har genomgått snabb utveckling de senaste årtiondena tack vare femtosekundlasrars förmåga att inducera lokal multifotonabsorption i material. Multifotonabsorption kan resultera i olika typer av materialförändringar som kan utnyttjas för additiv och subtraktiv tillverkning. De mångsidiga tillämpningarna visar på potentialen av femtosekundslasrar för mikro- och nanotillverkning. Dessa inkluderar (1) multifotonkorslänkning för 3D-utskrift med mönsterfrihet och submikrometerupplösning, (2) bildandet av självorganiserade strukturer för multifunktionella subvåglängdsmönster i fasta material och (3) multifotonablation för precisionsformning av flertalet material. Trots detta finns det utrymme för att utforska möjliga material och realiserbara produkter. Denna avhandling syftar till att utöka användningsområdet för femtosekundlasrar till tillverkning av avancerade komponenter utav såväl glas som 2D material, för användning inom fotonik och energilagring. Den första delen av denna avhandling presenterar två tillvägagångssätt för 3D-utskrift av oorganiskt glas. Dessa baseras på materialmodifieringar i vätesilseskvioxan (HSQ) vid exponering för femtosekundslaserstrålning: (1) multifoton-korslänkning och (2) bildandet av självorganiserade strukturer. Det första arbetet redovisar kring 3D-utskrift av fast kiseldioxidglas med submikrometerupplösning genom multifoton-korslänkning av HSQ. Vår metod kräver ingen termisk behandling, vilket ger leder till god överensstämmelse mellan ritning och produkt och ger flexibilitet kring integration. Det andra arbetet redogör för möjligheten att inducera materialmodifieringarna (1) och (2) i HSQ samtidigt, vilket möjliggör additiv tillverkning av självorganiserade nanogitter och 3D-utskrift av hierarkiska strukturer av kiselrikt glas. Det tredje arbetet är en utveckling av ett protokoll för 3D-utskrift på ändarna av optiska fiberkablar för tillverkning av optiska mikroenheter som sensorer och strålformare. Den andra delen av denna avhandling presenterar användningen av femtosekundslasrar för tillverkning av mikrosuperkondensatorer (MSCs) på papper. MSCs har fått stor uppmärksamhet som lovande energilagringsmikroenheter för självdriven elektronik. Papperssubstrat är även attraktiva för sin hållbarhet och flexibilitet. 2D-material har relevanta elektrokemiska egenskaper för MSC-elektroder och elektrodernas form påverkar deras prestanda. I de två sista arbetena utvecklas en metod för mikromaskintillverkning av elektroder utav 2D-material genom multifotonablation, vilket bevarar deras elektrokemiska prestanda och de fysiska egenskaperna av papperssubstraten.

This thesis explores advanced femtosecond laser fabrication techniques for the development of miniaturized components in photonics and energy storage. By leveraging the unique characteristics of femtosecond laser–material interactions, particularly with hydrogen silsesquioxane (HSQ), this work introduces novel strategies for direct 3D printing of glass microstructures and high-performance microsupercapacitors (MSCs).

In the first part of the thesis, three distinct femtosecond laser interaction regimes, Uniform Mode, Nanograting Mode, and Sphere Mode, are systematically investigated in HSQ. These regimes enable the fabrication of silica-based 3D microstructures with different morphologies and properties. A key achievement is the direct 3D printing of silica glass structures on optical fiber tips using all three modes, demonstrating a significant advancement in integrating functional micro-optics into fiber-based platforms. Four proof-of-concept photonic devices are demonstrated: an optical resonator, a refractive index sensor, a polarization beam splitter, and a fiber-tip microlens. These devices show excellent performance and establish the feasibility of using femtosecond direct laser writing (DLW) for glass microstructure integration in compact and robust photonic systems.

The second part of the thesis focuses on femtosecond-laser-enabled MSCs. Two energy storage devices have been developed. The first employs a heterogeneous MXene/PEDOT:PSS ink formulation patterned via direct ink writing (DIW) and femtosecond laser scribing on paper substrates, creating flexible, metal-free MSC arrays with high areal capacitance and voltage tunability. The second device utilizes a 3D-printed nanograting skeleton with vertically aligned plates fabricated in HSQ, followed by conformal coating with conductive layers. This design significantly improves ion transport and increases the electrode surface area. The resulting device achieves a record-high characteristic frequency of 5.72 kHz, along with excellent capacitance retention over 450,000 cycles, making it suitable for AC line-filtering applications in microelectronic circuits.

Overall, this work demonstrates that femtosecond laser fabrication offers powerful and versatile capabilities for miniaturized photonic and energy storage devices. The combination of additive 3D microfabrication, material conversion, and structural control opens new pathways for integrating functional materials into compact systems. Future research directions include expanding material compatibility, developing more complex photonic architectures, and integrating energy storage with microelectronic circuitry. Together, these contributions point toward a scalable, precise, and robust fabrication platform for next-generation microdevices.

Denna avhandling utforskar avancerade tillverkningstekniker som använder femtosekundlaserteknik för att utveckla miniatyriserade komponenter inom fotonik och energilagring. Genom att utnyttja de unika egenskaperna hos femtosekundlaserns interaktion med material, särskilt med hydrogen silsesquioxane (HSQ), introduceras här nya strategier för direkt 3D-utskrift av glasmikrostrukturer och högpresterande mikrosuperkondensatorer (MSC:er).

I avhandlingens första del studeras tre distinkta laserinteraktionsregimer, Uniform Mode, Nanograting Mode och Sphere Mode, systematiskt i HSQ. Dessa regimer möjliggör tillverkning av 3D-strukturer av kiseldioxid med olika morfologier och egenskaper. En viktig prestation är den direkta 3D-utskriften av glaskonstruktioner på spetsen av optiska fibrer med hjälp av samtliga tre regimer, vilket visar betydande framsteg i att integrera funktionella mikro-optiska komponenter på fiberbaserade plattformar. Fyra konceptvaliderande fotonikenheter demonstreras: en optisk resonator, en refraktionsindexsensor, en polarisationsstråldelare samt en mikrolins på en fiberspets. Dessa enheter uppvisar utmärkt prestanda och fastställer att direkt femtosekundlaserskrivning (DLW) är ett lovande tillvägagångssätt för integration av glasmikrostrukturer i kompakta och robusta fotoniksystem.

Den andra delen av avhandlingen fokuserar på femtosekundlasertillverkade MSC:er. Två energilagringsenheter har utvecklats. Den första använder en heterogen MXene/PEDOT:PSS-bläckformulering som mönstrats på papperssubstrat via direkt bläckskrivning (DIW) följt av ritsning med femtosekundlaser, vilket resulterar i flexibla, metallfria MSC-serier med hög kapacitans per yta och justerbar spänning. Den andra enheten använder ett 3D-utskrivet nanogitter-skelett med vertikalt orienterade plattor tillverkade i HSQ, följt av konform beläggning med ledande material. Denna design förbättrar jontransporten avsevärt och ökar elektrodytan. Resultatet är en enhet med rekordhög karakteristisk frekvens på 5 .72 kHz samt utmärkt kapacitansstabilitetöver 450 000 cykler, vilket gör den väl lämpad för växelströmsfiltrering i mikroelektronik.

Sammanfattningsvis visar detta arbete att tillverkningstekniker som använder femtosekundlaserteknik erbjuder kraftfulla och mångsidiga möjligheter för tillverkning av miniatyriserade fotoniska och energilagrande komponenter. Kombinationen av additiv 3D-mikrotillverkning, materialomvandling och strukturell kontroll öppnar nya vägar för att integrera funktionella material i kompakta system. Framtida forskning kan fokusera på utökad materialkompatibilitet, utveckling av mer komplexa fotoniska arkitekturer och integration av energilagring med mikroelektroniska kretsar. Tillsammans utgör dessa bidrag en skalbar, exakt och robust tillverkningsplattform för nästa generations mikroenheter.