为研究飞秒激光加工硬脆透明材料时存在的“微裂纹”与“诱导条纹”等共性工艺问题，利用飞秒时间分辨泵浦探测阴影成像技术，对飞秒激光多脉冲烧蚀石英玻璃过程中的电子动力学过程进行成像，分析了激光脉冲电离材料初期（700 fs之前）等离子体丝的演化情况。多脉冲诱导微结构的存在使成丝区域分布在微结构的两侧与光脉冲传播的轴线方向，前者主要是由微结构侧壁对光脉冲的折射造成的，而后者则是由微结构底面与侧壁形貌不同导致的光程差引起的。实验结果揭示了多脉冲加工过程中脉冲串诱导微结构对后续光场的重塑效应，该效应影响了等离子体成丝区域与能量沉积的分布，这是共性工艺问题产生的核心机制。

飞秒光纤激光器具有脉宽极短，瞬时功率高，对加工材料无选择性等特点，被广泛应用于精密微孔制造领域。为此，提出了一种高精度轨迹可调光束扫描系统，利用电机控制偏转光楔组和平行平板组相对于激光光轴的角度，再通过聚焦透镜缩小光斑，实现精准控制下飞秒激光的旋转扫描，解决了目前高深径比、倒锥孔加工困难的问题。将该系统应用于汽车喷油嘴油孔加工，实现了加工孔径的孔径为25~800 μm，孔径误差≤±2 μm；在锥度孔加工中可实现微孔锥度-5°~+5°；实现了深径比为20∶1的微孔加工。

飞秒光纤激光器具有良好的光束质量与稳定性,被广泛应用于精细材料加工行业。目前工业化光纤飞秒激光器主要是通过啁啾脉冲放大系统的多级放大来实现其高功率,可是多级放大过程会导致严重的增益窄化效应,限制最终的压缩脉冲宽度。为了解决增益窄化问题,缩短脉冲宽度,提高峰值功率,达到更好的“冷”加工效果,提出一种基于空间光调制器的光谱整形系统,通过加载到空间光调制器上的灰度图,产生中心凹陷、平顶等特殊光谱形状,放大后的光谱宽度与初始的种子源保持一致。与未加光谱调制相比,光谱调制后的光谱宽度从7 nm提高到9.5 nm,对应的极限脉宽从222 fs减少到164 fs左右。最后通过透射式光栅对压缩,得到了平均功率为1.3 W的飞秒激光输出,采用高斯拟合的方式测量脉冲,脉冲宽度为170 fs,接近转换极限脉冲。

利用啁啾光纤光栅的温度可调谐效应, 提出了一种新型的色散补偿方法.该方法使啁啾光纤光栅处于一个连续的线性温度梯度场中, 通过调节啁啾光纤光栅两端的温度差, 改变其色散量, 实现在以啁啾光纤光栅为展宽器和以体光栅为压缩器的超快激光系统中对输出脉宽的连续精密调节, 并通过实验验证这一方法的可行性.实验结果表明：沿着啁啾光纤光栅应用连续的温度梯度场, 当温差从0℃到50℃变化时, 可以连续地调节啁啾光纤光栅的色散参数.展宽器和压缩器之间的色散失配可以通过调节线性温度场的温度梯度得到补偿, 避免了繁琐的脉宽优化步骤.本文是以啁啾体光栅为压缩器的光纤啁啾脉冲放大系统中通过调节施加在展宽器上的连续线性温度场的梯度, 实现对啁啾脉冲系统中的色散失配进行精密调制的技术方案.

根据啁啾光纤光栅的温度可调谐性这一原理，提出通过控制啁啾光纤光栅的温度，改变其色散量，从而获得最小输出脉宽的方案,并通过实验验证了这一想法的可行性。利用啁啾光纤光栅作为啁啾脉冲放大(CPA)系统中的脉冲展宽器，用空间光栅对作为脉冲压缩器，通过压缩器为脉冲提供的负色散来补偿展宽器为脉冲引入的正色散。利用自相关仪测量压缩输出脉冲宽度随温度的变化情况，间接反映啁啾光纤光栅色散量随温度的变化情况。从实验所得数据可以得知，当温度从-7 ℃上升到50 ℃时，脉宽从1057 fs先下降到764 fs后又上升到910 fs，共变化了439 fs。在此过程中，随温度的上升，啁啾光纤光栅的色散由补偿不足变为过补偿。

针对熔覆成型件表面粗糙的难题，提出了在成形过程中对熔覆层侧壁进行飞秒激光精密加工的方法，重点研究了精密加工过程中飞秒激光的能量密度、能量分布、光斑重叠率对熔覆层侧壁粗糙度的影响规律，结果表明：当焦平面处飞秒激光的能量为高斯分布，加工得到的熔覆层侧壁表面粗糙度Ra＜3 μm时，激光能量密度介于0.12~0.34 J/cm²之间；当能量为平顶分布并且加工后熔覆层侧壁表面粗糙度Ra＜3 μm时，最佳能量密度范围为0.13~0.66 J/cm²；同等参数条件下，平顶能量分布激光加工得到覆层侧壁粗糙度小于能量高斯分布时的粗糙度数值。熔覆层侧壁粗糙度随光斑重叠率的增加先减小后增大，实验获得的最佳重叠率范围为78%~85%。

实验研究了基于掺Yb^3＋光纤的啁啾脉冲放大(CPA)系统。利用半导体可饱和吸收体锁模光纤激光器作为种子源，采用啁啾脉冲放大技术，将波长为1030 nm 的脉冲展宽到数百皮秒进行放大。采用多级的掺镱单模光纤和双包层光纤组成预放大器，主放大器采用大模场的掺镱棒状光子晶体光纤作为激光工作物质，实现了重复频率为211 kHz，功率为50 W 的单模皮秒脉冲输出。通过合理地控制放大系统中每一级光纤放大器的增益以及非线性积累量，有效抑制了高能脉冲放大过程中非线性效应对脉冲时域特性的影响。采用反射式光栅对，对输出的放大脉冲进行压缩，最终获得了脉宽为887 fs 的激光输出，单脉冲能量达到124 μJ，对应峰值功率为139.8 MW，该实验结果为国内首次报道基于光纤结构的百微焦级飞秒激光系统。

基于道威棱镜扫描原理, 设计了由高速旋转电机驱动三片K字形排布反射镜组成的反射式扫描装置, 并分析了扫描钻孔准确度.结果表明: 该扫描装置可用于飞秒激光高准确度环切钻孔系统, 钻孔准确度不受光束质量影响, 钻孔扫描速度二倍于电机转速且钻孔效率高、兼容多光谱波段; 与道威棱镜系统相比, 该系统装调准确度要求低, 能避免透射系统中色散引起的飞秒激光脉宽展宽现象.测试结果显示该装置可以实现直径0.05~0.2 mm、加工准确度小于±2 μm倒锥孔的高效率加工.