飞秒激光诱导材料表面微纳结构,改变了材料的光学性质、电学性质、亲水性或疏水性等,扩展了材料的应用潜力,近些年来得到了科学家的广泛关注。本论文主要研究飞秒激光诱导硅表面微纳结构的作用机制、硅表面微纳结构的演化过程及其应用。(1)以传统一维双温模型(Two-Temperature Model)为基础,结合Drude模型对双温模型中光学参数的修正,发展出了二维双温-Drude模型,即2DTTM-Drude model。该模型能够模拟二维空间上飞秒激光与物质相互作用过程中,载流子温度、晶格温度、载流子浓度随时间变化情况。利用该模型,我们成功地预测了飞秒激光与硅相互作用的熔化阈值、烧蚀阂值以及表面反射率的变化。(2)研究了飞秒激光诱导硅表面近亚波长周期性条纹的形成机制。在实验上观察到了单脉冲飞秒激光辐照粗糙硅表面时,表面周期性条纹产生或消失取决于入射能流的大小的现象。结合2D TTM-Drude模型分析,我们提出了竞争机制模型来解释飞秒激光诱导硅表面近亚波长条纹的形成。我们认为单脉冲诱导材料表面周期性条纹的最终形成是由表面结构化作用(surface structuring)以及表面熔化作用(surface melting)两种机制相互竞争形成的。表面结构化是指飞秒激光与其所激发的SPPs相互作用,最终引起了材料周期性刻蚀,这个机制对条纹的形成起了关键性的作用；表面熔化作用是指飞秒激光辐照材料表面时使得表面材料形成熔融层,这个机制起到了表面结构化的反作用,抑制了周期性条纹的形成。两种机制相互竞争,最终决定了飞秒激光诱导周期性条纹在材料表面的产生或消失。(3)研究了不同加工环境下(SF6,N2,真空)飞秒激光诱导硅表面微纳结构过程中表面图案的演化过程。随入射脉冲数的增加,将表面图案的变化划分为四个阶段：气孔一周期性条纹一熔滴一锥。利用二维傅里叶变换图分析了不同阶段表面微纳结构的空间频率与激光偏振方向的关系,发现了微纳结构演化过程中空间频率发生了两次90。的旋转。观察到了气压以及气氛的种类对硅表面微纳结构的影响。(4)搭建了一套飞秒激光加工系统,可以在真空中,以及SF6，N2等各种气氛环境下加工材料。利用该系统,制备出了大面积黑硅样品(3cm×3cm)。搭建了飞秒激光液相加工,成功地在硅材料表面制备出了深亚波长纳米方块阵列。其中纳米方块的边长约为90-95nm,两个纳米方块的间距为20～40nm。(5)利用飞秒激光加工技术和软刻蚀技术成功的制备出了一种大面积高增强因子,宽光谱响应,低成本的PDMS-SERS基底。该基底面积为3cm×3cm,在350nm～1000nm的波段范围内吸收率为40%以上,能够满足常用各种条件的激发,样品的增强因子达到了107,且样品均匀性与可重复性良好。