飞秒激光微纳制造技术具有无接触、高精度、灵活可控等特点,已成为研究热点之一,其中高效率直写加工逐渐引起学者们的关注。基于空间光整形的飞秒激光贝塞尔光束具有小光斑直径、长焦深的光强分布特性,能够加工小直径、高深径比、高质量的微纳结构。目前,贝塞尔光束微纳结构加工难以兼顾最小尺寸和大面积结构高效加工这两方面。大面积加工通常使用压电陶瓷微移动器或者直线电机驱动平移台,逐点扫描过程中需克服系统惯性频繁加速或减速,难以实现高效率加工目标,严重制约了微纳结构的大面积制备与应用。为克服上述技术难题,本文提出采用“飞行时间”扫描的优化策略提高大面积加工效率,即飞秒激光贝塞尔光束能够实现大面积微纳结构的单脉冲高效加工。同时提出用空间光调制器将一束激光分成多束,实现多光点并行高效加工。在此基础上,探索了飞秒激光贝塞尔光束高效率微纳加工的四个应用实例,包括:1)硅的周期微纳复合结构;2)形貌可控硅表面微纳阵列结构;3)硅表面同心多环结构;4)高深径比微孔阵列结构。具体而言,主要包括:1、有掩膜化学刻蚀辅助飞秒激光贝塞尔光束微纳复合结构加工,采用连续动态周期扫描方式,实现高效率大面积结构加工。微纳复合结构的形貌和周期均可通过脉冲能量和化学刻蚀时间来有效调控。此外,采用空间光调制器改变激光光束相位,将一束激光整形成多束,从而实现多光点并行微纳结构加工,加工效率得到了显著提升。2、结合化学刻蚀辅助飞秒激光贝塞尔光束单脉冲高效率加工形貌可控的硅微纳结构,针对脉冲能量、化学刻蚀时间等加工参数与微纳结构形貌变化间的相互关系做了详细的实验研究。我们发现,单脉冲飞秒激光作用于特定<100>晶向单晶硅表面,加工区域从单晶态转变为无定形硅态,其化学活性明显降低,可作为刻蚀掩膜,实现飞秒激光高效率无掩膜加工微纳结构。控制激光脉冲能量,硅表面结构的直径可在纳米量级(~313 nm)到微米量级(~1.91μm)的大范围内变化并且形貌可控。3、提出了一种贝塞尔光束单脉冲辐照改性辅助化学刻蚀,实现硅表面同心多环结构高效加工的方法。我们利用横向光强分布由一个中心光斑和多个同心圆环旁瓣组成的贝塞尔光束,单脉冲作用在硅材料表面形成同心多环改性区域,其化学活性远高于非加工区,在硅的同向刻蚀过程中被选择性去除。同时,实验研究表明,加工所得同心多环结构的圆环数量与激光脉冲能量和焦平面位置有着直接关系。4、单脉冲贝塞尔光束加工的微孔具有无锥度、小直径(1.58μm)和高深径比(330:1)的特点,与高斯光束相比,微孔深径比提高了52倍,并仅在42分钟内加工得到了1cm×1 cm的高质量、高深径比、均匀一致的微孔阵列结构。另外,使用ICCD成像系统实时观测微孔加工过程中的等离子体喷发过程,从实验观测的角度研究了贝塞尔光束单脉冲加工高深径比微孔的相关机理,即贝塞尔光束微孔加工过程中通过空间光整形调控材料内部瞬时自由电子密度分布,激光能量能够沉积于材料内部形成细长丝状等离子体。