首先基于一维双温模型阐明了飞秒激光与RB-SiC表面的相互作用过程，并在此基础上，开展了RB-SiC表面飞秒激光烧蚀规律与抛光工艺研究。结果表明，通过改变脉冲能量、扫描速度、扫描间距等参数，可实现对烧蚀深度和烧蚀表面质量的有效调控。但是通过飞秒激光抛光难以在RB-SiC切割表面上获得较高的表面质量，而对于RB-SiC预抛光表面，通过工艺参数调控，可将其表面粗糙度从36.9 nm抛光至11.56 nm，验证了飞秒激光抛光RB-SiC的可行性。

硅是半导体领域使用最广泛的材料，近几年随着制程工艺的发展，传统的机械划片方法已经无法满足更高的加工质量要求。现有激光开槽与金刚石刀结合的划片工艺，多采用纳秒多光束的激光加工方式。介绍了能量呈平顶分布的飞秒激光开槽硅晶圆技术的双温数值仿真模型与实验，使用波长为517 nm的飞秒激光，基于有限元模型分析了飞秒脉冲加热硅表面的能量沉积过程和热场的演化过程，研究了激光功率、光斑间隔和能量分布等激光加工参数对工艺效果的影响。最后通过实验，实现了硅晶圆表面槽宽可控、槽底均匀、槽侧壁陡直的开槽工艺。实验结果表明，平顶飞秒激光划槽工艺在未来硅晶圆划片及微结构制备中具有很大的工程应用潜力。

目前，微加工和精加工技术的迅速发展对微型化加工技术提出了更高的要求：将加工尺度提高到微米甚至纳米级，并且能够在材料内部实现三维立体微加工。飞秒激光可以突破衍射极限的限制，打破了加工极限，是当前先进制造技术的热点。本文综述了飞秒激光加工的发展历程和机理，并从库仑爆炸模型、微爆炸模型、色心模型以及双光子电离模型等方面对激光加工机理进行了阐述。对于飞秒激光的超快作用过程，仿真是分析加工机理、研究激光与材料作用过程的主要手段。分析了飞秒激光仿真所采用的双温模型、分子动力学模型及复合模型的特点及其适用范围，为飞秒激光加工的理论研究提供依据。最后指出了目前飞秒激光加工技术存在的问题，并对该技术的发展进行了展望。

在玻璃基底上镀35nm厚的ITO薄膜, 通过椭偏仪测量ITO薄膜的线性介电常数。由于ITO具有高掺杂浓度, 因此其介电常数可以用Drude模型来进行量化计算, 得到其介电常数近零(ENZ)波长约为λ=1100nm。借助双温模型计算电子温度和晶格温度随时间的变化, 根据电子温度的升高计算等离子体频率的变化, 将其带入Drude模型中, 可以得到一个新的介电常数, 最后可以通过计算折射率的变化, 从而求出非线性折射率n2。计算结果表明, 在ENZ波长入射时, 可以得到最大非线性折射率n2=4.66×10-15m2/W。因此, 实验中选取的材料可在低功率光照下得到显著的折射率变化, 可望应用于全光存储、全光开关等纳米光子器件的设计。

飞秒激光精微烧蚀是一种新型的精密加工方法。本文研究了飞秒激光烧蚀面齿轮材料18Cr2Ni4WA的电子亚系统和晶格亚系统的能量耦合作用，建立了双温模型，采用有限差分法分析了脉冲宽度、平均功率对电子温度和晶格温度的影响规律。结果表明：当电子与晶格达到热平衡，且电子温度和晶格温度超过材料的熔点时，齿面产生烧蚀；当电子和晶格的温度均高于材料的沸点和相爆炸温度时，主要通过相爆炸实现材料的去除；材料烧蚀深度一般为40 nm左右，避免了热效应对表层质量的影响。采用飞秒激光微加工系统进行实验研究，得出了能量密度呈高斯分布的飞秒激光烧蚀材料18Cr2Ni4WA的单脉冲烧蚀阈值为0.29 J/cm²；分析了平均功率和脉冲数对烧蚀形貌的影响。通过研究飞秒激光精微加工材料18Cr2Ni4WA的烧蚀特性，为提高面齿轮的加工质量提供了技术基础。

为了考察纳秒激光脉冲宽度对激光加工中熔体体积的影响。基于双温方程, 采用有限元方法, 考虑激光的时空分布, 数值模拟了高斯分布的纳秒脉冲激光辐照1060铝合金表面时, 微坑中熔体体积随脉冲宽度的变化。在低能量密度条件下, 轴向辐照中心下方0~0.4 μm的区域内, 脉冲宽度较小的激光产生的晶格温度高于脉冲宽度较大的激光辐照产生的温度, 而在0.4 μm以下的位置, 脉宽越小, 晶格温度越低；在所考察的脉冲宽度范围内, 中心点处熔体厚度随激光脉冲宽度的升高呈近乎正比增加。结果表明, 在脉冲宽度控制下, 纳秒激光可以控制温度场的空间分布, 而纳秒激光加工中的熔体体积可以通过控制激光脉冲的宽度来控制。这一结论可用于解释C K?rner 等人所提出的纳秒激光加工模型：激光脉冲能量的增大将导致激光与材料作用时间延长从而导致更多的熔体。同时, 将为激光微孔加工中重铸层厚度的研究提供参考。

利用COMSOL仿真软件建立了铜片双温模型, 通过控制变量, 数值研究了光斑半径和激光能量对电子与晶格温度的影响, 并预测了烧蚀形貌。结果表明, 单脉冲激光光斑半径越大, 铜片的烧蚀深度越小, 烧蚀面积越大; 激光能量越高, 铜片的烧蚀深度越大, 烧蚀面积越大。实验结果进一步证实了仿真的可靠性。

在超快激光照射过程中,金属靶材的光学性质是动态变化的。采用双温模型与分子动力学结合法,考虑动态和常数光学性质两种情况,对不同脉宽的超快激光照射下铜薄膜的热响应进行了模拟研究。其中,常数光学性质包括由激光沉积能量相等计算得到的等效平均反射率和室温下的吸收系数。结果表明: 两种情况下的电子温度和晶格温度均差别较小,尤其是脉宽远小于电子-晶格弛豫时间的飞秒激光;而当激光脉宽相当于或大于电子-晶格弛豫时间时,如皮秒激光,光学性质的动态变化对材料的熔化和重凝的影响则比较明显。

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。

利用改进的双温模型理论，表征了多脉冲飞秒激光对厚的金属铝的烧蚀情况，并在实验上予以验证。用有限差分法对飞秒激光在金属铝表面烧蚀过程的温度场进行了三维数值模拟，预测了孔在激光能量密度、脉冲个数、激光束腰半径等不同激光参数作用下的孔径与深度。实验发现，激光能量密度和脉冲个数是影响小孔形貌的主要因素，且多脉冲烧蚀阈值明显低于单脉冲烧蚀阈值。讨论了准贝塞尔光束在最大准直距离内无衍射的特性，分析了贝塞尔光束对于深小孔加工的提升特性。