随着现代高科技的发展,飞秒激光微纳结构加工技术的应用也越来越广泛。飞秒激光由于具有超短脉冲持续时间和超高峰值功率,极大地抑制了激光加工过程中热扩散的负面作用,即飞秒激光具有独特的“冷加工”方式,适合于激光超精细加工。飞秒激光微纳加工在微电子学、微反应器以及其他微型设备加工工艺上具有潜在的应用价值。偏振态作为光的基本参数之一,一直是科研前沿热点之一。矢量光场是近年来提出的新概念,其具有空间偏振态非均匀分布特性,为研究光与物质相互作用提供一种崭新手段,也导致一些新特性、新现象和新效应的产生。但是,由于受到生成技术等方面因素的制约,目前相关的研究工作才刚刚开始。在所有的研究之中,飞秒矢量光场应用于激光微纳加工逐渐受到人们的重视。到目前为止,关于激光微纳加工的绝大部分研究均建立于空间均匀偏振光源,传统光源加工出来的微结构样式单一,这严重制约了微纳加工的研究进展。基于飞秒矢量光场的独特性质和在微纳加工领域的潜在利用价值,本论文专注于飞秒矢量光场的生成并将其应用于微纳加工的实验和理论研究,并从以下几个方面分别进行讨论：1.通过波前整形方法,将计算机生成的全息光栅加载到纯相位空间光调制器上,经4f系统变换生成空间偏振态任意分布的飞秒矢量光场。分析生成的飞秒矢量光场空间偏振态分布以及飞秒激光脉冲时域上的特性,并提出使用传统单脉冲自相关仪测量飞秒矢量光束脉冲宽度的方法,并讨论该飞秒矢量光场生成装置对激光脉冲宽度的影响,从实验上对光学元件进行优化设计,从而消减实验装置对脉冲的展宽效果。另外,研究了通过该实验装置生成一些偏振态分布复杂的飞秒矢量光束,如具有一类多阶贝塞尔函数形式等。2.理论分析了飞秒激光在材料表面诱导生成自组织周期光栅结构的物理机制。讨论了利用飞秒激光在材料表面通过非线性光电离和雪崩电离激发自由载流子密度达到临界密度,并在材料表面形成等离子体的物理过程。阐释了飞秒激光在材料表面诱导表面等离子体激元,入射光与表面等离子体干涉的物理模型。该模型指出由于飞秒激光激发的表面等离子体波具有纵向分量,其传输方向和电场方向与入射光的空间偏振方向相同,入射光与表面等离子体波干涉使得自由载流子在表面形成周期性分布,自由电子从表面出射后形成的正电荷区由于库仑爆炸作用导致最终周期光栅结构的形成。这种观点较好地解释了激光诱导自组织亚波长周期光栅结构的形成。3.利用飞秒矢量光场在焦场的光强以及偏振态分布区别于均匀偏振光的特性,从偏振态调控出发,研究不同偏振态分布的脉冲激光在材料表面的加工结果。当激光能量密度达到材料损伤阈值并诱导生成亚波长周期光栅结构,其光栅取向垂直于入射激光的偏振方向。本文中,通过调控焦场偏振态的二维分布在半导体硅表面诱导生成不同空间分布的二维亚波长周期光栅结构。理论分析了其光栅微结构形成过程及与激光能量密度的关系。另外,根据金属材料的高热导率和热扩散特性,利用铜材料实验分析多脉冲激光作用材料生成光栅结构的过程中,分析多脉冲激光加工微结构的物理过程。阐释一级布拉格散射在多脉冲激光诱导亚波长周期光栅结构过程中的重要作用。4.利用该实验装置对单光束进行波前整形,通过制作加载在空间光调制上的全息光栅,生成具有不同局域场分布的多个平行飞秒矢量光束。调制平行光束中的光强和场分布,经单透镜聚焦后在焦场相干叠加,可以在焦面上获得图案分布的多个光强极强点,将该激光束投射到材料上,可以在材料表面单次制作出多种图案微孔阵列结构,通过观察扫描电镜图像,对实验结果与理论分析进行对比,本文证明该方法可有效提高微孔阵列结构的加工效率并改进了微孔的纵深比。