三维（3D）无机微纳结构在光子学、量子信息、航空航天、能源等领域发挥着重要作用。利用传统制备方法获得的无机微结构通常分辨率较低和形貌不可控。因此，3D无机微纳结构的精确可控制备成为亟待解决的难题。激光加工具有高精度、形貌可控等优势，能够实现真3D、高分辨、多尺度复杂3D微纳结构的制备，解决3D无机微纳结构的精确可控制备难题。本文综述了激光加工制备无机微纳结构的研究进展，首先讨论了连续激光和超快脉冲激光加工方式，重点针对飞秒激光加工技术，阐述了基于纯无机材料体系、有机-无机杂化体系，以及聚合物模板法等制备3D无机微纳结构的方法。随后，总结了近年来激光加工3D无机微纳结构在光学器件、量子芯片、信息存储与防伪、航空航天以及仿生结构等领域的应用。最后，展望了激光加工3D无机微纳结构的未来发展趋势。

随着大数据时代的来临，利用飞秒激光在透明硬质材料中写入数据形成永久光存储的技术成为高容量、长寿命冷数据的一种理想存储方案，具有广阔的应用前景。本文从飞秒激光永久光存储发展存在的问题出发，梳理了近20年来超快激光与透明硬质材料相互作用的机制，总结了飞秒激光诱导相变的类型和过程，展示了其在光存储方面的应用；同时，从写入速度和容量角度出发，介绍了最新的脉宽调制效应和热调制高重复频率直写技术，阐述了五维永久光存储目前面临的挑战以及可行的解决办法。

面向大数据存储，总结当前冷数据存储的主要方式及特点，针对长寿命和高容量的需求，介绍飞秒激光永久光存储的概念和基本存储内涵；围绕透明介质材料体内改性的类型，依次介绍三维光存储和五维光存储的历史发展过程；阐述了当前具有双折射特性的存储单元形成机制，超百层的高密度存储技术，225 kB/s单通道、潜在MB/s多通道的快速直写机制；并从纳米区域的电场连续性边界条件和光学衍射极限出发，展望飞秒激光永久光存储在存储容量和写入速度方面的挑战。

强耦合腔量子电动力学(cavity quantum electrodynamics, 简称C-QED)系统主要用于研究受限于空间中的光与物质相互作用的物理现象。该系统为深入认识原子与光子间相互作用的动力学行为提供了有力工具。高精细度法布里-珀罗光学微腔(Fabry-Perot cavity, F-P腔)作为强耦合C-QED系统的核心部分,是实现光与物质间的强耦合、探索极端条件下光与物质间的相互作用、精确操控原子以及灵敏探测相关过程等的基础。简要介绍了高精细度F-P腔及其在强耦合C-QED中的应用,包括研究背景、现状及发展动态,并就未来的发展和应用进行了展望。

激光诱导的相变是超短脉冲激光对材料进行加工改性的关键物理过程。由热效应驱动的光致相变通常都源于材料无序化,例如熔化或蒸发。在此情况下,光对材料原子尺度的控制力面临困难,加工改性的精度受限。而短脉冲的非热效应可以实现更高精度的相变控制,但是由于光与物质的相互作用过程复杂,相关机理仍在探索之中。介绍了近年来超短脉冲激光诱导非热相变的实验观测结果以及相应的机理研究进展,重点对比介绍了几种可以描述原子尺度机制的理论方法和超快激光在相变材料中诱导非热相变的动力学机理。最后讨论了理论机理对激光控制相变的参考意义。

二维过渡金属硫族化合物(TMDC)具有独特的优势,可以作为增益材料实现激光发射。TMDC材料固有的强库仑相互作用和弱的介电屏蔽效应使其具有大的激子结合能,从而有助于实现室温下稳定的激子发光,其高达6~7的折射率能够提高光约束能力,原子层表面没有悬空键,当与硅基半导体器件连接时,能够避免晶格失配。这些独特性质使其成为极具潜力的增益材料,可以与硅基微腔连接构成激光器件,原子级厚度和近红外的光谱辐射能使其与集成器件互联。本文从光学微腔的分类和激光原理,以及二维材料激光器等方面总结了近几年基于TMDC材料的激光器研究进展,并指出了当前存在的问题及展望了其发展前景。

随着数字化时代的发展，人类正进入一个大数据纪元。然而海量产生的数据已很难被全部记录，据估算，现有的数据载体已不足以存储人类产生数据的一半，如果该现状得不到改善，那么大量数据将会被强制舍弃。但改善这样的现状面临着难题，阿贝衍射极限的存在制约了光存储单元的大小，这使得传统光存储的容量被激光波长和物镜的数值孔径所限制。这个难题可以通过引入多维复用技术替代性地解决，本文针对多维存储中材料三维空间、偏振、波长等复用技术，综述了维度扩展在光存储中的研究成果以及未来的发展趋势。其中，着重介绍了基于纳米光栅的五维度光存储的发展历史、当前现状及亟需解决的问题。

利用石墨烯优越的光学性能, 构建了基于全光纤结构的石墨烯电吸收调制器。设计了调制器的结构, 并进行了仿真和实验双重研究。首先, 根据石墨烯的光学可调特性研究了其化学势和介电常数之间的关系。接着, 基于全光纤结构设计了石墨烯电吸收调制器, 并分析了它的整体有效折射率和化学势的变化关系。对提出的光纤石墨烯调制器进行仿真分析, 并与传统半导体电吸收调制器进行对比, 实现了一个全光纤结构的石墨烯调制器。对实现的调制器进行了系统的性能测试。结果显示: 仿真的四层石墨烯的全光纤电吸收调制器的调制效率可以达到0.233 dB/mm, 在12.9 mm的长度上可实现0.2 V的摆动电压。实验测试验证了提出的全光纤石墨烯调制器的可行性; 但受实验条件的限制, 其半波电压约为120 V, 3 dB调制器带宽为100 MHz。与传统石墨烯波导调制器相比, 提出的调制器显示了半波电压小, 调制效率高, 尺寸小, 同时具有低的插入损耗低等优势, 适合在未来全光纤RoF系统应用。