飞秒激光加工具有脉冲持续时间短、脉冲峰值功率高、热效应小以及精确的靶向聚焦定位等特点。飞秒激光作用时,极强的电子激发条件下材料的快速受热、冷却以及超快的机械变形,引发了研究者们对材料行为、特性变化的兴趣。材料不同晶面取向具有不同的表面原子能量和密度,故不同晶面具有不同的力学、电学、光学和化学性质,而晶面间物理性质和化学性质的微小差异会对飞秒激光的作用产生不同的热、机械响应。本文以多晶硅为研究对象,使用扫描电子显微镜、拉曼光谱仪、能谱仪和电子背散射衍射等技术手段研究多晶硅在飞秒激光作用后的结构信息,确定结构变化与晶体取向的关系。研究结果显示,(111)、(100)和(110)晶面在单脉冲飞秒激光作用后,光斑中心为烧蚀区,光斑边缘为环状非晶区。当飞秒激光能量高于烧蚀阈值时,材料烧蚀气化;当飞秒激光能量低于烧蚀阈值而高于非晶阈值时,材料发生非晶化;当能量低于非晶阈值时,材料不发生改变。(111)晶面的烧蚀阈值为0.455 J/cm~2-0.644 J/cm~2范围内,非晶阈值为0.240 J/cm~2-0.295 J/cm~2;(100)和(110)晶面的烧蚀阈值为0.373 J/cm~2-0.522 J/cm~2,非晶阈值为0.259 J/cm~2-0.303J/cm~2范围内。实验发现,飞秒激光作用于多晶硅表面会引起非晶区边缘的取向产生微小变化,从而引起不超过0.1°/μm的塑性形变,且依赖于晶面取向。多晶硅(111)面形变大于(100)、(110)面的形变量,因为不同晶面取向非晶区范围不同,因此产生的形变量也有所差异。(111)晶面非晶区较大,因此形变区域较大,(100)、(110)晶面非晶区域较小,相对应形变区域较小。采用双温模型模拟计算了飞秒激光入射硅材料表面的温度分布。结果表明,光斑中心区域的硅表面主要经历了烧蚀、气化、重结晶等物理现象,保持了原始母材的晶体取向;而光斑边缘区域的硅主要经历了熔化和凝固。(111)面间距比(100)(110)面面间距离大,且晶面面间距不相等,宽层间距不利于上层原子将能量传递给下层原子,导致熔融状态的硅凝固再生长为晶体时需要更高的能量。因此在相同能量下,(111)晶面相比于(100)、(110)晶面不易形成晶体而形成非晶硅;(111)面是紧密堆积结构,晶格缺陷易在面间形成,导致晶格混乱形成非晶。因此,由于不同晶面取向有着不同的原子排布方式,所以在激光辐照中可能存在不同的生长或移除行为。