具有特殊浸润性的功能表面在生产生活中发挥着重要作用。同时，飞秒激光加工以其独特的优势，成为制备特殊浸润性功能表面的重要方式。本文通过自然界中生物表面微结构与实际应用的联系，讨论了飞秒激光制备多种微结构的方法，从“双面神”表面、智能响应超疏表面以及润滑表面等三个方面对基于飞秒激光制备特殊浸润性功能表面进行了总结。对飞秒激光在特殊浸润性功能表面制备的研究成果进行总结归纳，为未来飞秒激光在浸润性表面的研究、应用和发展提供参考。

采用短脉冲激光诱导等离子体辅助加工技术加工金刚石微结构，研究短脉冲红外激光的光强、脉宽、重复频率、靶材与金刚石基片之间的距离等加工参数对金刚石的加工线宽、槽深以及加工效果的影响。当用脉冲宽度大于4 ns的激光作用在方向良好的单晶金刚石上时，光热作用明显，诱导产生金属等离子团的能量密度达到一定阈值且复合短脉冲激光能量作用下，单晶金刚石表层温度迅速上升至600°C以上，此时金刚石表层产生了刻蚀微结构；当用脉冲宽度小于4 ns的激光轰击靶材表面时，短脉冲激光轰击靶材诱导金属等离子团，可实现背面溅射相关金属靶材，当等离子体密度达到微刻蚀阈值时也可实现金刚石背部刻蚀以及石墨化。短脉冲红外激光的脉宽、重复频率决定了沉积/刻蚀加工效果。本文研究表明短脉冲激光诱导等离子体辅助加工技术是一种新型可靠的金刚石微结构加工工艺。

光学器件的微型化和集成化是当前研究的热点，其中利用微纳结构实现局域电磁改性的超构光学更是引人关注。本文从微纳结构的制备出发，总结了利用超衍射精密加工的飞秒激光直写技术，制备偏振转换器件和几何相位器件的工作。介绍了微纳结构改性的物理机制，飞秒激光直写光刻胶、飞秒激光烧蚀金属薄膜、飞秒激光诱导纳米光栅等手段在偏振转换器件和几何相位器件制备方面的进展，展望了飞秒激光微纳加工技术在超构光学器件制备方面的挑战。

利用双折射显微镜和光学显微镜研究了飞秒激光石英材料内部诱导的双折射效应。结果表明，双折射的光学延迟量随脉冲数的增加而增加，并出现两种双折射结构。其中Type X结构需要至少20个脉冲，单脉冲能量不高于854 nJ，脉冲宽度不低于300 fs 且不高于600 fs。此外，以“光子学报”等汉字为例，阐述了激光诱导双折射的数据存储过程，制备了包涵吉林省省史省情、吉林大学校史、清华大学校史的数据存储时间胶囊样品。

利用飞秒激光辅助刻蚀技术，在蓝宝石表面实现了周期、占空比及高度可调的光栅结构。解决了飞秒激光加工硬脆材料时表面质量较差、碎屑堆积导致的加工精度降低和难以制备深结构的问题。蓝宝石光栅结构的粗糙度从78 nm（激光直写后）降低到了7 nm（干法刻蚀后），实现了周期为800 nm光栅，以及深宽比为4的蓝宝石微结构的制备。飞秒激光辅助刻蚀技术能够制备蓝宝石表面高平滑光栅，并对光栅各级次衍射效率进行提升。

针对晶体材料几何相位元件加工难、精度低、效果差等问题，提出了利用飞秒激光诱导纳米条纹技术来实现材料内部几何相位衍射元件的制备。飞秒激光近阈值加工方式有效的提升了加工精度，其精度为340 nm。通过实时调控扫描激光的偏振可以精准控制诱导纳米条纹的方向，进而改变晶体双折射效应的慢轴方向。基于该方法实现了蓝宝石内部几何相位波带片的有效制备，器件形貌良好、无裂纹，可用于高温环境下聚焦。

利用飞秒时间分辨泵浦探测阴影成像技术研究了不同数值孔径显微物镜聚焦的单脉冲飞秒激光诱导熔融石英微结构中等离子体的瞬态时间-空间演化特性及瞬态电子密度空间分布与激光诱导微结构的联系。实验结果表明显微物镜聚焦的飞秒激光在样品中诱导瞬态峰值电子密度随延时的增加先增大后逐渐减小。当显微物镜的数值孔径为0.45时，飞秒激光在样品中诱导瞬态峰值电子密度的空间位置随延时的增加变化不大，基本都在非线性焦点处，激光在样品中诱导的微结构是点状的；当显微物镜的数值孔径为0.3时，飞秒激光在样品中诱导瞬态峰值电子密度的空间位置随延时的增加逐渐向样品内部移动，激光诱导的微结构是长条状的。此外，不同数值孔径显微物镜聚焦飞秒激光在样品中诱导最大瞬态电子密度的空间位置与激光诱导微结构的位置一致，这说明飞秒时间分辨泵浦探测阴影成像可用于超快激光微加工过程的在线检测，可为超快激光诱导材料微结构的定向调控及加工参数优化提供参考。

为了探究皮秒激光加工金刚石的特征和材料去除机理，开展了皮秒激光加工CVD单晶金刚石微槽的试验和温度场仿真研究。利用场发射扫描电子显微镜检测了金刚石微槽表面和内部的微观形貌，实验结果表明，金刚石微槽边缘出现了微小崩边和微裂纹，微槽内部形成了周期约为255 nm和 495 nm的纳米条纹。通过测量金刚石微槽宽度、深度、体积，得到了皮秒激光烧蚀金刚石的阈值、烧蚀速率和材料去除率。对金刚石微槽底部进行拉曼分析，发现皮秒激光加工金刚石是通过表面石墨化进行的，并且随着激光能量密度的增加，石墨峰出现了明显的红移。理论计算得到皮秒激光烧蚀金刚石的石墨层厚度约为88.7 nm。皮秒激光烧蚀金刚石温度场仿真结果表明，皮秒激光辐照能量主要分布在金刚石的表面，而通过热传导进入到金刚石内部的激光能量极少，因此皮秒激光加工金刚石的热影响区极小，导致其产生的石墨层厚度小于100 nm。

改变激光脉宽，在硼铝硅酸盐玻璃内直写光波导，研究了脉冲宽度对光波导截面形貌、模场大小及定向耦合器透射比的影响。实验中，采用脉宽为239 fs单模/多模临界功率的激光制备光波导，其截面大小由5.4 μm×4.2 μm（239 fs）变为5.1 μm×2.4 μm（700 fs）；模场大小由6.2 μm×6 μm（239 fs）变为5.8 μm×4.8 μm（700 fs）且传输模式均为单模，模场形状逐渐从圆形变成椭圆形；定向耦合器的透射比在水平偏振下由97.8%（239 fs）变化为70.2%（700 fs），在垂直偏振下由99.2%（239 fs）变化为79.7%（700 fs）。实验发现脉宽在600 fs以上的激光不利于制备性能稳定的玻璃波导。

在350 μm厚的碳化硅样品上加工了直径200 μm的微孔，研究了基于水辅助的飞秒激光碳化硅微孔加工方法。探讨了空气中加工微孔与水辅助加工微孔的差别。水降低了加工区域的温度，大大减少了氧化反应的发生，而且加工产生的碎屑由水带走，避免了热影响区的形成，降低了样品粗糙度。加工出的微孔侧壁光滑，无热影响区，在工业中有实际应用的价值。该加工方法使加工形貌良好的碳化硅微孔成为现实，有望应用于碳化硅的工业加工中。