由于短脉冲激光（纳秒、皮秒和飞秒激光）其脉冲持续时间短、峰值功率高等特点，可诱导很多材料产生多阶次电场模式以及高阶非线性效应，在光通信、光学数据存储、光学光刻、光学成像以及微纳结构制备等多个领域内均有非常重要意义的应用。因此，研究激光与材料相互作用的非线性效应以及相互作用机理具有非常高的科学意义和实用价值。基于这样的研究背景下，本论文搭建了三套光学测试装置，分别以纳秒/飞秒激光为主要光源的双光束泵浦探测系统。利用纳秒泵浦探测系统研究金属薄膜的非线性超分辨效应、相变材料的热学性质以及相变转化过程中的热导率变化机制;利用飞秒泵浦探测系统和Z扫描技术研究了红外玻璃材料的非线性效应和超快时间动力学，并基于飞秒激光诱导非线性效应的损伤机制和微结构制备。具体的研究内容如下:　　1.设计搭建了以半导体激光器405nm蓝光为泵浦光，以半导体激光器658nm红光为探测光的同轴双光束纳秒泵浦探测系统，在泵浦光激发下测量探测光的反射和透射强度随时间的变化关系。研究了不同能量的泵浦激光作用下，金属薄膜瞬态反射强度的变化趋势，理论上计算评价超分辨特性的频率响应函数，证明了其超分辨特性。并针对金属反射强度变化的趋势，提出了不同金属薄膜实现超分辨的读取机制。　　2.基于金属的热致非线性效应以及异轴双光束泵浦探测系统的瞬态热反射方法研究了非晶态和晶态相变材料的热学性质。设计搭建了以固体激光器Nd∶YAG1064nm纳秒激光作为泵浦光，以He-Ne632.8nm连续激光作为探测光的异轴双光束泵浦探测装置，可实现百纳秒尺度上的反射瞬态动力学研究。利用金属表面反射率的强度变化来获得温度随时间变化的衰减曲线，通过解一维热传导方程以及采用基因算法拟合衰减曲线来获得被测材料的热阻，继而得到材料的热扩散系数以及热导率值。以相变材料Sb2Te3为对象，实验上测试了非晶态和晶态以及晶态转变过程中Sb2Te3材料的热导率值、电导率值和霍尔系数，理论上计算了电子热导率和晶格热导率值，给出了晶态和非晶态薄膜材料的热导率主导机制以及非晶态和晶态转化之间的热传导机制。　　3.在纳秒泵浦探测系统的基础上，搭建了一套更短时间动力学探测的飞秒激光时间分辨泵浦探测系统。该系统以1040nm飞秒激光作为泵浦光和探测光，利用移动平台控制两束飞秒光的相位延迟，通过锁相放大器来提取探测光的透射强度变化，实现飞秒级别时间分辨动力学研究。并利用其研究了氧氟镓玻璃红外材料的非线性吸收和折射以及超快非线性光开关效应。　　4.基于飞秒激光诱导红外氧氟镓玻璃的非线性效应，分析了飞秒激光诱导损伤机制以及烧蚀特性和微结构制备的应用研究。首先，研究了单脉冲和多脉冲作用下的飞秒激光诱导材料的损伤阈值，计算了材料的Keldysh参数，给出了飞秒激光作用下的烧蚀特性;其次，通过飞秒激光表面刻蚀加工和内部波导加工在红外玻璃上制备了衍射型微光学元件并测试了其光学聚焦和成像性能。探索了飞秒激光结合化学原位金属湿法生长法的金属微结构制备。