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飞秒激光具有超快、超强的特性,在微纳加工制造中展现出了高质量、高精度的优势。当飞秒激光的能流密度远高于烧蚀阈值时,焦点区域的材料被迅速激发形成等离子体喷发、相爆炸等剧烈烧蚀效应;当激光能流密度在烧蚀阈值附近时,激光在材料表面激发等离子体与表面等离激元,诱导表面周期纳米结构。针对飞秒激光与材料相互作用的这两类问题,本文分别以高效率制备规则的大面积周期条纹结构和航空涡轮叶片冷却气膜孔为研究对象开展了工作,提出并搭建了飞秒激光双柱面透镜干涉系统及飞秒/纳秒复合加工系统。取得了如下创新研究成果:1.提出了相干共振增强的表面等离激元诱导大面积规则亚波长周期条纹的思想。通过两个柱面透镜实现飞秒激光的汇聚和干涉,在硅表面实现高质量大面积亚波长纳米光栅的制备。详细介绍了两束飞秒激光干涉结合柱透镜汇聚的扫描方式,以及在硅材料表面进行直写而制备大面积规则且均匀的纳米光栅的方法。该方法具有以下四个优势:(1)不均匀性和低效率是阻碍激光诱导周期性表面结构广泛应用的两个重要因素。这项研究提出了一种相干共振增强(Coherent Resonance-enhanced,CRE)的表面等离激元(Surface Plasmon Polariton,SPP)的方法,有效地制备出大面积规则且均匀的亚波长纳米光栅(Regular and Uniform Subwavelength Nanogratings,RUSNGs)结构,很好地克服了这两个问题。(2)为了激发相干共振增强的表面等离激元(CRE SPP),将干涉周期调整为SPP波长的整数倍。CRE SPP改善并极大地约束了周期条纹的生长,同时规避了光场干涉引起的不均匀性,以及由先前的脉冲烧蚀产生的颗粒而引起的不规则扰动。(3)柱面透镜的线聚焦大大提高了加工效率。通过单次扫线制备了5毫米宽的RUSNGs结构。(4)将单晶硅片安装在x-y-z-θ4轴平移台上,制造出了不同方向RUSNGs的跨尺度图案。与间隔式的纳米光栅和单光束激光诱导的周期纳米光栅相比,RUSNGs的结构颜色更加纯净、明亮。2.控制双光束干涉下激光的能流密度,使得激光与硅表面的相互作用从“强烧蚀”变为一种“弱烧蚀”,提出了一种硅表面制备具有商业光栅质量的大面积亚波长周期条纹的新方案。相干共振增强表面等离激元通过弱烧蚀有效地制备出均匀且平直的亚波长周期纳米光栅结构,避免了大量的颗粒的喷出,大大减小了亚波长周期纳米光栅的粗糙度,降低了光栅的衍射杂散光。以2.0mm/s的扫线速度、1.55 mm的扫线间距在直径为80 mm的圆硅片上,制备了具有商用光栅质量的亚波长周期纳米光栅结构。与单束激光诱导的非晶相-晶相交替条纹相比,加工效率提高了2-3个数量级。亚波长周期纳米光栅的衍射分辨率与商用光栅接近。3.综合利用飞秒激光高精度、高质量加工、纳秒激光高效率加工的优势,设计并搭建了400 nm飞秒激光/532 nm纳秒激光加工涡轮叶片气膜孔的实验系统。采用自主设计、定制的光学镜片解决了双波长同时传输过程中能量损耗过多的难题;设计搭建了复合光路传输模组及光路切换模块,解决了双波长共路传输的技术问题;自主创新设计完成了双CCD激光焦点监控系统,解决了双波长的定焦、共点问题。研究了不锈钢平板和带热障涂层平板上圆形通孔、异形孔的激光加工,掌握了激光加工的工艺参数对气膜孔质量的影响规律,实现了高深径比(>15:1)、高精度气膜孔的激光加工。发展了叶片夹装、定位、姿态调整、在线气膜孔多维检测等技术,在不锈钢涡轮叶片上实现了气膜孔的高精度激光加工。CT检测结果表明,孔内壁没有明显裂纹,孔径误差-34~+10μm。