飞秒激光液相烧蚀技术具有局部、瞬时、超快、超强等典型极端制造特点，在精密加工和纳米材料合成领域展现了独特优势。然而，飞秒激光液相烧蚀是跨多时间、空间尺度，多物理化学现象耦合的复杂过程，现阶段研究缺乏全面有效手段、对机理理解不足。简要介绍了飞秒激光液相烧蚀的基本过程和相关超快观测技术的发展历程，并进一步总结了超快观测技术在光丝、溶剂化电子、等离子体、气泡演化等过程中的应用。最后总结了飞秒激光液相烧蚀方法、观测和机理研究存在的问题，并基于现有问题对未来飞秒激光液相烧蚀中可能应用的超快观测技术进行了展望。

在原子尺度上研究电荷输运超快动力学特性，对于揭示光催化、光合作用等物理化学过程的机制有着重要意义。与高能（>20 keV）电子束相比，低能（<500 eV）电子束在样品表面微弱的局域电场下有较大的散射截面，结合全息成像机制，可以实现亚纳米级的空间分辨能力。因此，若采用具有飞秒时间分辨能力的超快相干电子源，低能电子全息成像有望实现对原子尺度的电荷输运超快动力学过程的表征。首先介绍了超快低能电子全息成像的原理，然后讨论了超快相干电子源的产生机制和性能，在此基础上，阐述了超快低能电子全息成像的研究现状并展望了未来的发展趋势。

飞秒激光以其超快超强特性可以实现三维复杂结构的微纳级别精密制造。超快光场与材料相互作用过程中存在大量新现象、新效应和新机制，亟待揭示。本文简要介绍飞秒激光与材料相互作用的基本过程以及飞秒激光泵浦探测技术的发展历程。首先重点阐述了高斯型飞秒激光与材料相互作用超快动力学的研究进展，根据不同的时间尺度分别对相互作用过程中的光子与电子相互作用、电子与晶格相互作用过程、相变，以及等离子体/冲击波喷发等过程的观测与机制分析进行总结；随后针对基于电子动态调控新方法的飞秒激光加工超快动力学进行综述，分析对比了其与传统飞秒激光和材料相互作用超快动力学的差异；最后针对该领域的发展方向进行了展望。

激发态质子转移是光物理学、 光化学和光生物过程中最基本的化学反应之一。 激发态分子内质子转移(excited-state intramolecular proton transfer, ESIPT)通常是指有机分子受到激发, 到达激发态后, 质子在激发态势能面上从质子供体基团转移到质子受体基团并形成含有分子内氢键多元环的过程, 一般发生在亚皮秒量级。 质子转移可应用于有机发光二极管、 荧光探针等领域。 茜素, 即1,2-二羟基蒽醌, 可从茜草根部提取, 具有与醌类衍生物相似的结构, 常用于染料、 染色剂和药物等。 近年来, 发现茜素分子具有质子转移特性, 可用来制备新型“绿色”染料敏化电池。 利用稳态吸收、 稳态荧光和飞秒瞬态吸收光谱技术以及第一性原理理论计算对溶于乙醇溶液的茜素分子的质子转移过程进行了研究和分析。 稳态吸收和稳态荧光研究结果表明: 在基态时, 茜素分子的正常构型9,10-酮处于稳定状态, 容易发生跃迁; 在激发态时, 茜素分子的互变异构体构型1,10-酮处于稳定状态, 容易产生荧光发射。 飞秒瞬态吸收光谱测量使用的激光的激发波长为370 nm。 测得的瞬态吸收光谱在430 nm附近存在茜素的基态漂白信号。 通过使用全局拟合方法对瞬态吸收光谱进行分析研究发现: 茜素正常构型9,10-酮的激发态分子内质子转移时间为110.5 fs, 茜素互变异构体构型1,10-酮分子内振动弛豫时间为30.7 ps, 茜素互变异构体构型1,10-酮荧光寿命为131.7 ps。 通过使用单波长动力学拟合的方法对瞬态吸收光谱进行分析发现: 发生质子转移的时间尺度与运用全局拟合方法得出的结果基本一致; 茜素分子的正常构型9,10-酮分子在110.5 fs的时间尺度内处于快速减少的趋势, 而茜素分子的互变异构体构型1,10-酮分子在这一时间尺度内处于快速上升的趋势。 当延迟时间增大时, 茜素分子的互变异构体构型1,10-酮分子又呈现缓慢衰减的趋势。

飞秒强激光与物质相互作用后辐射出的高次谐波，具有单光子能量高、脉冲持续时间短、时空相干性好等特性，可以作为实验室台式化超快真空紫外和软X射线波段光源，同时高次谐波也可用于产生阿秒脉冲。这些先进光源的产生，极大地丰富了人类物质科学的研究手段。结合本课题组的高次谐波研究进展，介绍了气体高次谐波和固体高次谐波的产生原理、优化及应用。

单线态分裂可以规避光电转换中的能量损失, 从而提高光电转换效率。利用飞秒时间分辨瞬态吸收光谱技术研究了在不同激发条件下溶于甲苯溶液的红荧烯类似物 C38H24S2 的激发态动力学过程。在 550 nm 和 365 nm 光激发下, 激发单线态与基态分子发生碰撞, 分别在 8.2 ps 和 3 ps 时产生了关联的三线态激子对。但在 550 nm 光激发下未观察到独立的三线态激子信号; 而在 365 nm 光激发下, 关联的三线态激子对的诱导吸收信号发生了转移, 在探测波长 550 nm 附近观察到独立的三线态激子的吸收。在 460 nm 光激发下, 利用奇异值分解的方法在瞬态吸收光谱中观察到了单线态分裂过程。

飞秒激光在材料表面诱导产生亚波长周期结构不仅可以改变材料表面的物化性质,而且具有无掩模制作和一步成型等优点,在多个领域具有广阔的应用前景。然而,目前结构形成存在排列规整性差、形状单一、制备效率低等问题。为此,综述了单束飞秒激光在金属表面高效制备规整性一维亚波长周期结构的研究进展,提出了利用时间延迟多束飞秒激光对金属和半导体表面一维亚波长周期结构产生特征(包括规整性、空间周期、排列方向等)进行灵活调控的新方法,成功实现了形貌特征分别为圆包、三角形、菱形、椭圆状、条纹-纳米颗粒复合等多种二维亚波长周期结构的制备,发现了表面结构调控产生过程中出现的超快物理新现象,阐明了时间延迟飞秒激光束与材料作用过程之间的瞬态关联作用。

飞秒时间分辨质谱技术是飞秒抽运-探测技术与飞行时间质谱技术的结合。可以测得在不同抽运-探测时间延迟下, 分子电子激发态电离或解离而来的离子质谱; 不同抽运-探测时间延迟下, 质谱信号强弱的变化反映了激发态布居数的时态信息; 给出了分子激发态和里德堡态中准确的寿命信息、分子激发态势能面非绝热耦合信息以及分子过渡态信息。介绍了飞秒时间分辨质谱技术在分子激发态研究中的最新应用进展,以及在里德堡态解离、异构化、内转换、系间交叉等超快动力学过程研究中的最新进展。指出飞秒时间分辨质谱技术将在一些新现象的研究中发挥重要的作用。