雾水收集是将气态雾转化为液态水的过程，具有重要的研究价值。控制雾滴的凝结效率是雾水收集的关键因素，主要与基底表面的边界层厚度和有效更新有关。受沙漠甲虫背部结构的启发，基于飞秒激光微纳加工和表面化学修饰在铝箔表面制备了一种具有驼峰结构的双面神膜，可极大提高雾滴的凝结效率。实验结果表明，相比平面双面神膜，驼峰双面神膜的雾水收集效率提高了80%，且能捕获水平方向的雾流，更适应恶劣的自然环境。

为改善以往图案化透镜加工工艺复杂、制造技术昂贵、图案设计方面有限制等缺点, 本文将飞秒激光双光子聚合加工技术应用于图案化微透镜的快速、高精度加工。通过球面波因子的变形设计了不同图案的微透镜, 利用飞秒激光双光子聚合加工技术在光刻胶样品中加工出图案化的微透镜, 然后将光刻胶样品置于显影液中去除未聚合部分, 得到图案化微透镜, 最后对图案化微透镜进行成像测试和光强均一化分析。将 LED光源分别置于不同图案微透镜的下方, 光线透过图案化微透镜成功聚焦出光强一致的焦点图案。实验结果表明, 使用飞秒激光双光子聚合加工可以实现灵活可控的 3D图案化微透镜结构的加工, 采用加工功率为 7 mW, 曝光时间为 2 ms, 扫描 xy步距为 0. 5 μm, z步距为 0. 8~1. 5 μm, 不仅保证了微透镜结构表面光滑, 而且实现了微透镜的快速加工。该技术在加工光学超材料、光学微器件、集成光学器件等方面具有广阔的应用前景。

润湿性与固体材料表面的微观几何结构和表面化学组成密切相关, 是固体材料表面的一个重要特性体现。文章用实验和仿真的方式研究了双面超亲水和双面超疏水表面的润湿特性。首先采用纳秒激光钻孔技术在厚度为35μm的铝箔上加工微孔阵列, 得到了双面超亲水铝膜表面; 然后将铝膜在十七氟癸基三乙氧基硅烷(PFDTES)浸泡20h, 铝膜从双面超亲水表面改性为双面超疏水表面; 研究了改性前后铝膜的液滴渗透情况。用COMSOL Multiphysics中的两相流分析模块研究了基于双面超亲水和双面超疏水状态下的微孔通道内的水渗透过程, 仿真结果和实验结果基本一致, 对实验起指导作用。

用纳秒光纤激光加工结合表面活性剂调控的方式制备了(超)疏水/(超)亲水铝膜,研究了(超)疏水/(超)亲水铝膜表面的润湿性以及雾水收集实验。实验步骤如下:采用纳秒光纤激光钻孔技术加工微孔阵列于35 μm厚的铝箔上;在底部铝膜表面喷涂Glaco涂层试剂两三次,Glaco试剂中的疏水二氧化硅颗粒黏附在其表面,以改变铝膜表面的润湿性;通过激光二次扫描获得(超)疏水/(超)亲水铝膜。保持通孔量一致,研究了不同孔径下(超)疏水/(超)亲水铝膜的润湿状态、液滴渗透情况以及最佳的雾水收集孔径。结果表明:通孔量一致时,孔径的不同影响(超)疏水/(超)亲水铝膜的润湿状态和水滴的渗透时间以及雾水收集的功能,(超)疏水/(超)亲水铝膜的最佳雾水收集孔径为108 μm,其雾水收集量高达最低雾水收集量的31.3倍左右。

搭建了由共轴Schwarzschild望远镜组成的遥测LIBS系统,研究了不同导轨位置下样品距离波动时LIBS特征谱线光谱强度、相对标准偏差、光谱相似度和等离子体温度的变化情况,并结合物理机制分析了特征参数变化的原因。结果表明,样品位置波动对等离子体温度、特征谱线强度和相对标准偏差有显著影响,而光谱相似度则在一定范围内保持稳定;在光谱满足一定相似度的情况下,样品位置波动允差随样品距离的增加呈线性递增。当前系统聚焦范围为1.9~4.1 m时,在光谱相似度为0.99的情况下,样品位置波动允差的范围为70~220 mm。研究结果有利于高性能光学系统设计,并为光谱的定性和定量分析提供了理论参考。

将飞秒激光双光子聚合加工技术和毛细力诱导自组装技术相结合实现了各向异性结构和多级结构的制备。首先，使用飞秒激光双光子加工技术加工出微柱阵列，将微柱置于显影液中显影，然后放置在空气中。在显影液蒸发的过程中，微柱结构单元受到毛细力的作用而弯曲实现自组装。通过控制微柱的高度和直径的不一致性实现了两种各向异性结构制备方法，并成功制备了底层微柱直径分别为2 μm和6 μm双层结构。由于毛细力的大小和微柱高度无关，且同样端部变形量下较高微柱的弹性回复力小于较低微柱的弹性回复力，更易发生弯曲; 直径较大的微柱具有更强的抗弯曲能力，从而引导直径较小的微柱向较大的微柱倾斜，藉此制备了各向异性结构。使用毛细力自组装辅助飞秒激光微纳加工可以实现灵活可控的复杂3D结构的加工，并将在生物医药、化学分析、微流体等领域发挥重要作用。

折射率失配引起的球差导致飞秒激光加工焦点在光轴方向发生位置偏移和焦斑拉伸现象，降低了飞秒激光加工的轴向分辨率和位置精确性，严重影响了飞秒激光加工三维微纳米器件质量。因此，寻求一种合理的补偿设计方案是当前加工技术的一种诉求。利用空间光调制器能够实现光场相位变化的特性，提出在空间光调制器上产生一个与像差函数等值相反的相位信息方法补偿到光路中消除折射率失配引起的球差影响。理论上分析了折射率失配引起球差对加工焦场强度分布影响，通过泽尼克多项式将球差函数进行展开分解，设计针对不同级数的球差矫正的计算全息图，实现球差矫正。该方法不仅能够消除焦斑拉伸畸变，而且能够恢复焦斑位置和强度，为飞秒激光加工中消除折射率失配影响提供了一种较好的解决方案。

合理的光学系统设计及参数优化是飞秒激光全息并行加工系统功能实现的前提。在分析了飞秒激光全息并行加工系统光路设计要求的基础上，对其中的两个关键点进行了较为深入的研究。采用能量利用率高的斜入射方式照射选用的空间光调制器，得出了后续光路设计的关键参数；通过光学理论推导出空间光调制器与两个透镜组成的4-f系统中最佳光路参数，利用Zemax软件对光路中系统孔径仿真，验证了该方案的合理性；搭建了一套合理高效的飞秒激光全息并行加工系统，实现了7焦点阵列的微透镜和微齿轮并行加工。研究结果表明，该光路设计方案可以实现高效的飞秒激光全息加工过程。

采用四个不同偏振方向的线偏振和圆偏振态飞秒激光扫描处理金属铁表面来制备不同的彩色铁。从不同角度观察被处理区域时，线偏振扫描处理的彩色区域呈现不同的色彩,而圆偏振扫描处理的区域没有明显的颜色变化。扫描电子显微镜图片显示，线偏振激光扫描处理金属铁表面形成了nm量级的激光诱导周期表面结构，其方向始终与激光偏振方向垂直；圆偏振激光扫描处理金属铁表面形成的条纹结构不明显且有大量的纳米颗粒结构。

为了提高飞秒激光加工的效率和灵活性, 设计了一套飞秒激光全息并行加工系统, 并对该系统中加载计算全息图(CGH)生成的多焦点均一性和空间位置分布的关系进行了研究。首先, 将空间光调制器(SLM)引入飞秒激光加工光路; 然后, 采用GS(Gerchberg-Saxton)算法设计了直线型和三角型分布的三焦点阵列。最后, 通过数值仿真和实验研究比较了用两种不同空间分布的焦点列阵设计的全息图对均一性的影响。 结果表明, 在焦点阵列间距较小的情况下, 直线型分布设计的焦点阵列不易获得好的均一性, 三焦点U仅有79%; 而用三角型分布焦点阵列设计时, 可以获得很好的均一性, 三焦点U约等于100%。实验数据表明, 三角形分布的三焦点可以实现高质量的并行加工, 加工的半球状微结构阵列具有微透镜阵列的功能。