飞秒激光以其超窄脉宽和超高光强等特性被广泛应用于各种金属材料的加工。本课题组采用波长为515 nm的绿光飞秒激光器对GH3230镍基高温合金进行刻蚀试验，研究了GH3230高温合金的绿光飞秒激光刻蚀阈值、刻蚀率和极限刻蚀深度。结果表明：相比于红外飞秒激光，绿光飞秒激光的刻蚀阈值明显降低，刻蚀率显著提高；与红外飞秒激光刻蚀类似，随着刻蚀次数增加，刻蚀深度增大，但当刻蚀次数增加到一定值后，刻蚀深度出现饱和现象；激光能量密度越高，极限刻蚀深度越大；改变扫描策略进行双道刻蚀时，通过增加刻缝宽度可以增大刻蚀深度；激光诱导等离子体是影响刻蚀深度的主要因素。

为检测屈光手术中准分子激光机的切削准确性和稳定性, 提出了一种基于PMMA板深度测量的检测方法。对角膜切削深度的理论值进行了分析和推导; 对不同品牌准分子激光机预设切削角膜深度与实际切削角膜深度存在差异的现象和原因进行了分析; 在稳定状态下, 对不同机器使用PMMA板进行手术模式切削, 拟合了预设角膜切削深度与PMMA板实际切削深度的关系, 将拟合直线作为理论值。实验表明, 在术前, 通过测量切削的PMMA板深度, 并将其与理论值进行比较, 示值误差在±5%范围内。

采用结合双温模型的分子动力学方法, 研究了典型脉宽飞秒脉冲激光与镍钛二元形状记忆合金相互作用时能量密度对靶材烧蚀深度的影响。模拟了脉宽为100 fs, 能量密度为0~125 mJ/cm2的单脉冲激光辐照90 nm厚镍钛合金薄膜的过程。模拟结果表明, 飞秒单脉冲激光烧蚀镍钛二元形状记忆合金会产生两种不同的烧蚀相。能量密度较低时, 烧蚀结果呈现弱烧蚀相, 烧蚀深度较低, 并且与光学穿透深度相关; 能量密度较高时, 烧蚀结果呈现强烧蚀相, 烧蚀深度大幅度增大。采用“拼花法”对高斯飞秒脉冲激光辐照镍钛靶材的形貌进行预测, 发现使用能量密度为阈值附近的飞秒激光辐照靶材时, 能够获得底部较为平坦的烧蚀弹坑。

为研究脉冲激光刻蚀聚酰亚胺基底镀金属薄膜过程，采用有限元软件COMSOL Multiphysics构建高斯脉冲激光辐照复合材料的2维非稳态物理模型，通过求解热传导方程计算不同功率激光辐照金属薄膜的温度场分布，讨论不同激光参数对刻蚀进程的影响。模拟结果表明：刻蚀深度主要受激光功率密度的影响，且随着金属薄膜厚度的增加，激光刻蚀深度先减小后保持不变。在刻蚀过程中，为了更好地保护基底，应选择大功率短脉宽的激光参数；由于铜薄膜比铝薄膜更难刻蚀，在铜薄膜的刻蚀过程中应选择较大功率密度的激光。结果有助于理解激光刻蚀过程，对实际刻蚀过程有一定的指导意义。

采用波长为1 064 nm的重复脉冲激光对单晶硅进行打孔实验，观测了小孔烧蚀深度以及表面孔径大小随脉冲个数的变化规律，并对激光辐照单晶硅的热力学过程进行了理论分析。研究结果表明：入射激光在穿过等离子体到达单晶硅的表面时，光斑尺寸会有所增大，小孔孔径会大于聚焦光束尺寸。小孔内的等离子体本身具有很高的温度，高温等离子体在膨胀过程中会通过热辐射和热传导等过程向小孔周围传递热量，这也会对小孔孔径起到一定的拓展作用。当脉冲个数低于6个时，孔深随入射脉冲个数的增加近似线性增长，而后开始缓慢增长直至保持不变，这主要是由激光等离子体屏蔽效应决定的。

针对激光驱动惯性约束聚变(LICF)装置中靶室常用的几种铝合金和不锈钢材料，采用波长为1064 nm、脉宽为8 ns 的基频激光进行烧蚀实验，研究了不同激光能量密度下其质量损失同辐照激光脉冲数的关系，测试了烧蚀深度随激光能量密度增长的关系。研究表明，铝合金在激光能量密度大于1.0 J/cm²时有明显烧蚀，激光通量为1.2~5.2 J/cm²时，质量烧蚀速率增长缓慢，平均质量烧蚀速率为2.31±0.89 μg/cm²/shot。铝合金的烧蚀深度随激光能量密度增加而增加，不锈钢的烧蚀深度先增加而后呈下降趋势；铝合金的烧蚀深度明显高于不锈钢的烧蚀深度。基于材料对激光的吸收率明显的不同，分析了其烧蚀机理。该研究对LICF 靶室材料的选取及金属的激光打孔、切割等加工有一定的参考意义。

在单台面二极管晶圆的制备中，刀具划片存在速度慢、芯片崩边率高等问题。激光划片为非接触加工，成品率高。根据晶体硅的性质，对激光划片方向进行了讨论，分析了红外激光对硅片的作用机理。根据一维热传导方程导出的近似解析解，计算了功率和扫描速度影响下的去除深度。使用1064 nm脉冲光纤激光器完成了7.62 cm晶圆的激光划片，获得了崩边率小于1%，电性能合格率达到100%的样品。研究表明，去除深度影响芯片的崩边率，离焦量影响芯片的电性能。控制去除深度和离焦量进行划片会获得很高的良品率。

飞秒激光烧蚀过程中的微能量传导过程包括两个阶段：1）脉冲激光入射到物质上时电子对激光能量的吸收过程；2）激光脉冲照射后电子所吸收的能量在物质中重新分布导致的材料去除过程，即相变过程。本文讨论了飞秒激光，特别是功率密度在1013 ~ 1014 W/cm2的脉冲与宽禁带物质相互作用中相变过程的理论研究进展，分析了飞秒激光烧蚀过程中的材料去除机理，尤其是热气化和库仑爆炸两种机理。根据对飞秒激光烧蚀中微能量传导过程的讨论，总结了烧蚀阈值功率密度和烧蚀深度计算方面仍有待解决的问题。

研究了800 nm飞秒激光照射下45°高反膜ZrO2\|SiO2的破坏及其超快动力学过程。利用原子力显微镜和扫描电镜观察了材料的烧蚀形貌，测量了破坏阈值与脉冲宽度、烧蚀深度与脉冲能量的依赖关系。随着脉冲宽度从50 fs增加到900 fs，其烧蚀阈值从0.35 J/cm2增加到1.78 J/cm2。烧蚀深度与激光能流密度近似成对数关系。当激光强度略高于烧蚀阈值时，材料很快被烧蚀到几百纳米，烧蚀深度表现出明显的层状特性。同时，利用建立的抽运探针实验系统，测量了高强度抽运脉冲作用下材料对探针光的反射率随延迟时间的变化，揭示了薄膜烧蚀的超快动力学过程。实验结果表明高反膜表层的材料对烧蚀特性有重要影响。

使用约化后的双温方程(DTE)对超短激光脉冲烧蚀铜薄层的过程进行了数值模拟；基于超短激光脉冲烧蚀过程中电子与晶格的温度不平衡性,分别模拟了这两个系统的温升过程,并由此得到了单脉冲烧蚀深度；通过变化激光能流,研究了脉冲能量对烧蚀深度的影响。模拟结果表明,随着激光能流的增加,相变爆炸引起的喷射出现得越深,同时材料烧蚀深度越大；理论计算与实验结果相吻合。