由于具有超短脉冲宽度和超高脉冲峰值功率,飞秒激光在透明介质内部三维微加工具有独特的优势。而紧聚焦技术的引入,更足极大的增强了激光功率密度,为飞秒激光内部微加工提供了新手段。近年来,通过采用飞秒激光与紧聚焦技术的结合,人们不仅在材料内部观察到了折射率的变化、纳米粒了和纳米晶的析出、微孔洞的产生以及长丝和点串微结构的生长等一系列新现象,而且以此为基础,制备了光波导、微流通道、微光栅和光子晶体等功能性微器件。但另一方面,飞秒激光诱导材料内部变化的机制非常复杂,涉及到强场物理、等离子物理、非线性光学和材料科学等学科的交叉,以致现有的理论还很难对其物理机制进行解释。因此,深入研究紧聚焦条件下飞秒激光在透明介质中诱导的新现象及其机理,不仅在探索三维微纳加工研究方面具有重要的意义,而且可以为基础学科的理论研究提供丰富素材,促进其进一步发展。　　 本文以1kHz和250kHz两种不同重复频率的飞秒激光为工具,以氟氧化物玻璃、高硼硅玻璃、熔石英玻璃、钒酸钇晶体等透明介质为研究对象,在高数值孔径物镜紧聚焦条件下,在实验中观察到了飞秒激光与上述材料相互作用的若干新现象,诱导了若干功能微结构,并且从理论上分析了微结构形成的机理,探讨了微结构的潜在应用领域。本文取得的主要创新性成果有如下几个方面:　　 1.利用高重复频率飞秒激光横向直写技术,在自制氟氧化物玻璃内部实现了玻璃组成元素的重新分布,为实现透明材料内部折射率调控提供依据。元素分析表明,在高重复频率飞秒激光辐照下,在样品内部平行激光传输方向的光影响区截面的元素相对浓度分布相对外围区域发生了明显的变化。荧光光谱分析则表明,光影响区离子的荧光强度分布相对外围区域有明显的差异。元素分析与荧光光谱分析共同证实了光影响区元素重新分布的实现。不仅如此,元素分析与荧光光谱分析均表明,我们的结果区别于在垂直激光传输方向光影响区截面元素分布的圆对称,而表现出沿光传输方向光影响区截面元素分布的轴对称。我们把这种轴对称分布归因于界面球差效应对介质内部光强分布的调制。　　 2.利用高重复频率飞秒激光横向直写技术,在高硼硅酸盐玻璃内部激光影响区获得了自组织生长的微气泡。实验结果表明,微气泡的平均大小和数密度对激光聚焦深度表现出强烈的依赖性。我们分析了微气泡的形成机制及其随聚焦深度的变化机理。我们认为微气泡与周围环境的极大折射率对比度会使得透明材料内部微气泡在制备微光学元件方面有重要的应用。　　 3.通过改变激光传输介质的折射率对比度,在玻璃内部实现飞秒激光诱导微结构的倒置,为三维内部微器件的制作提供一种新思路。当将水和1-溴萘分别作为油浸物镜的浸入液体时,飞秒激光会在样品内部诱导出形状相似但生长方向相反的微结构。元素分析表明,这些微结构区域的玻璃组成元素相对浓度也表现出倒置的分布。用数值方法模拟激光能量密度轴向分布结果表明,激光传输介质折射率不匹配引起的界面球差是微结构倒置的主要原因。　　 4.发现了一种单束飞秒激光在透明材料内部同时诱导两种不同线状微结构的新方法。实验结果表明,当紧聚焦低重复频率飞秒激光静态辐照钒酸钇晶体时,在晶体内部垂直光传输方向的平面会自发的形成两种不同且相互垂直的、并且在平行光传输方向分离的、约几十微米长度的线状微结构。通过改变激光脉冲宽度,脉冲能量,静态辐照时间,我们发现这两种线状微结构对脉冲宽度和静态辐照时间有相似的依赖性,而对脉、巾宽度却表现出不同的依赖性。这种在垂直光传输方向的光场分布拓展和光损伤延伸的实验现象鲜有报道,为利用飞秒激光在晶体内部双折射制备功能微结构提供了新思路。　　 5.通过调节单脉冲输入峰值功率,在熔石英内部实现了单个飞秒激光脉冲诱导自组织点串微结构的生长。实验结果表明,点串微结构长度随入射激光功率密度和聚焦深度的增加而增加。单个激光脉冲诱导自组织点串结构的生长不仪有助于人们从根本意义上探索其形成机制,更为人们高效快速制备三维光存储位、周期性光学微器件等提供一种新方法。