伴随着超短脉冲激光技术的迅猛发展，飞秒激光逐渐成为了一种对材料进行便捷、有效处理的新工具。由于其超短的脉冲持续时间和超强的峰值功率，飞秒激光几乎可以对任何材料进行微纳米精度的高质量加工和制备，从根本上解决了传统长脉冲激光加工所带来的热熔化效应对基底材料带来的损伤问题。当调整入射飞秒激光通量位于材料损伤阈值附近时，经过一定数目的飞秒激光脉冲辐照之后，材料表面会自组织形成一种奇特的微结构，其特征尺寸通常在亚波长甚至纳米量级。目前，这些表面微纳结构在物理、化学、生物、材料等领域得到了广泛的应用，但其形成的物理机制、动态特性以及对材料性能的改变等依然是悬而未决的重要科学问题，对其深入研究将有助于进一步揭示激光与物质相互作用的物理本质。　　 本论文主要针对近红外飞秒激光脉冲(800nm、50fs、1kHz)在钛基合金材料表面诱导形成多种微纳结构及其对材料性能的改变，在实验和理论两方面进行了系统、深入和创新的研究。另外，我们通过建立具有超高时间分辨能力的泵浦-探测和全息成像实验装置，研究了飞秒激光照射不同金属后，材料表面光学性质的超快响应过程及其物理机制。论文的主要内容和研究结果概括如下：　　 1．系统研究了在空气环境氛围下不同参数的飞秒激光脉冲在镍钛合金表面诱导微纳结构形成的特性。实验表明在飞秒激光照射下材料表面可以形成亚波长量级的条纹结构，它们的排列方向垂直于激光线偏振方向。空间周期在我们采用的实验参数范围内几乎保持不变。X-射线光电能谱测量表明经飞秒激光照射后，材料表面的化学物质未发生明显变化，但是材料晶粒大小被重新塑造，并在实验上观测到了金属晶格材料形成纳米晶和非晶态的物理现象。　　 2．实验研究了镍钛合金表面微纳结构在0.2-25μm的范围内对材料光学吸波性能的影响。实验中首先通过使用不同的激光通量在样品表面产生了类珊瑚状、类光栅状和类蜂窝状三种不同类型的微结构。随后基于积分球反射测量技术，发现了这些微结构化的金属表面对入射电磁波的吸收性能明显增强。特别是，类珊瑚状微结构实现了在紫外-可见-中红外超宽波段范围上大于90％的增强吸收效果，并在理论上对这种物理现象进行了分析讨论。　　 3．实验研究了去离子水、羟基磷灰石(HA, Ca10(PO4)6(OH)2)和CaCl2andNa3PO4溶液等液体环境对飞秒激光在金属表面诱导微结构的影响。研究发现在去离子水中金属表面产生了尖峰，多孔相结合的复杂微结构以及周期为100nm的条纹状结构，它们的特征尺寸可以通过改变激光参数进行调控。在去离子水中，检测到了由飞秒激光烧蚀作用所产生的金属纳米颗粒，其直径约为20nm。在过饱和经基磷灰石悬浊液中通过采用合适的激光通量实现了Ca、P元素在金属微结构表面的牢固沉积。随后我们在这种微结构金属表面进行了细胞培育实验，结果证实其具有良好的生物相容性能。　　 4．利用双步交叉划刻方法，研究了金属表面粗糙度对激光诱导周期性微结构的影响。结果表明金属表面粗糙度随着入射飞秒激光通量和脉冲数目的增多而变大；激光诱导的条纹结构周期随着激光通量的增大而变大，但随着表面粗糙度和脉冲数目的增大而减小。另外，通过重点考虑表面等离子体波在金属-激发电子层交界面上的存在以及表面粗糙度对材料介电常数的影响，我们在理论上提出了一个新物理模型，对飞秒激光诱导表面微结构现象进行了合理解释。　　 5．基于泵浦-探测原理和全息成像技术，我们建立了具有亚皮秒时间分辨的实验装置，对飞秒激光照射金属等材料后表面特性超快弛豫的时空动力学过程进行了诊断分析。研究发现对于金属银膜和镍钛合金等晶格材料来说，其表面折射率开始变化的响应时间大约为5-10ps，而非晶合金材料的折射率响应时间约为15-23ps，且两种情况均随入射激光通量的增大而减小。相关的理论分析正在进行中。