毛细管放电极紫外激光是一种小型化的纳秒极紫外激光光源。相比自由电子激光和同步辐射等短波长光源，该光源具有运行成本低、单脉冲能量高和机时充足等显著优势。随着毛细管放电极紫外激光光源的发展，其输出已提高至深度饱和区，并且实现了重复频率输出、多波长输出等多样化输出方式。小型化的灵活性和优质的输出参数使其逐渐成为进行极紫外激光应用研究的理想光源。本文介绍了自1994年毛细管放电极紫外激光成功输出至今，该光源在微纳结构加工、物质成分检测、生物科学以及高分辨成像等领域的前沿应用。在微纳加工方面，极短的波长和极小的能量衰减深度使得该光源能够在纳米量程内进行材料的刻蚀。同时，较长的激光脉宽增加了极紫外激光诱导自组织微纳结构的可能性。在物质成分检测方面，极紫外激光的高能量光子能够以单光子电离材料表面，结合飞行时间质谱仪测量纳米尺度范围内的材料成分，便可实现超高分辨的物质组成分布检测。在生物科学领域，极紫外激光能够实现对微观生物样本的三维成分扫描，获得更多的表征信息。在高分辨成像方面，基于极紫外激光的短波长和良好的相干性，以Gabor同轴等方法进行高分辨成像能达到接近照明光水平的成像分辨率。已有的应用成果表明，毛细管放电极紫外激光是探索微观世界、制造微观结构的有力工具。在人类对短波长光源需求日益增长的今天，毛细管放电极紫外激光将有更多的机会展现它的应用价值和优势。

利用中心波长为1040 nm、脉宽为190 fs、重复频率在200~5000 kHz之间可调的飞秒激光对熔融石英进行微加工。研究了烧蚀阈值随脉冲重复频率、扫描速度的变化规律，阐明不同参数下热扩散效应及热累积效应对烧蚀过程的主导作用。在最优化条件下，制作了双线波导，可以对1040 nm激光实现圆形基模传输。进一步制作了椭圆晶胞的六角微结构波导，对1040 nm激光可以输出近高斯强度分布的基模，模场面积达到247.48 μm2。该微结构波导可实现单偏振传输，消光比达9.05，波导数值孔径约0.017。

利用中心波长为775 nm、重复频率为1 kHz、脉宽为130 fs的飞秒激光脉冲对厚度为200 μm的铜片进行微加工，制作了适用于太赫兹(THz)波段（0.1～4 THz）的二维金属亚波长孔阵列。实验中，分别固定激光能量和加工时间，研究烧蚀孔直径随激光功率及加工时间的变化规律，发现激光偏振态是引起烧蚀缺口的主要原因。利用数值模拟软件(CST)计算出适用于THz波段的金属孔阵列结构参数，根据以上实验结果选择合适的激光参数制作了孔阵列。

利用50 MHz和1 MHz的重复频率光子晶体光纤飞秒激光分别在45#钢表面产生了微浮雕结构。实验发现微浮雕结构的高度和宽度与入射激光功率、激光扫描速度以及脉冲重复频率有关。通过调整这些参数, 可以实现对微浮雕形态结构的精确控制。对微浮雕结构的产生机制进行了初步分析, 发现微浮雕结构的产生与高重复频率飞秒激光的热积累效应有关。热积累导致了45#钢的表面熔化, 在液体表面张力和温度梯度力共同作用下, 产生了微浮雕结构。

根据六届国际激光与光电子学应用会议和三届中国全国激光加工学术会议报告论文的统计数据, 归纳总结出国际激光宏观材料加工的15个主导研究领域和激光微纳加工的7个主导研究领域。根据1247篇国际会议论文和231篇国内会议论文在22个主导研究领域的分布, 得出国际激光宏观加工的5个研究热点方向和激光微纳加工的4个研究热点方向。中国激光材料加工研究已覆盖国际激光材料加工研究的大部分主导研究领域, 中国在激光表面强化特别是激光熔覆方面的大量深入研究已形成优势; 中国在新型激光器和激光微纳加工领域的研究尚显薄弱, 需要加强。

以掺镱大模面积光子晶体光纤(PCF)飞秒激光放大器为光源组建了一套结构紧凑且运行稳定的飞秒激光微纳加工系统,中心波长为1040 nm, 重复频率50 MHz, 最大平均功率16 W, 光栅压缩后脉冲宽度85 fs。利用该套系统在硅片、金属薄膜(Cr膜、Al膜)上演示了微图案的刻划, 并与采用重复频率1 kHz的固体钛宝石飞秒激光放大器的加工结果进行对比, 发现利用新组建的加工系统进行微纳加工, 由于单脉冲能量较小且便于调节, 使得刻划微图案时边缘加工效果更容易控制, 且避免了加工过程中未加工区域受到的污染, 保护了制作衬底。显示了该套系统高重复频率和高平均功率的特性及其在改善微纳加工效果及明显提高加工效率方面的优势。