超快激光由于具有非接触性、峰值功率大、作用时间短、热影响区小等特点,在精密加工领域得到了广泛的应用。超快激光引起的烧蚀不同于传统长脉冲激光引起的烧蚀。对于长脉冲激光,材料烧蚀主要是由熔化、汽化蒸发等引起的,而对于超快激光,材料烧蚀可能是由热应力、热电子爆发力、相爆炸等引起的,烧蚀机理复杂。因此研究超快激光烧蚀金属材料的机制非常必要。本文以纯铜为研究对象,研究了低能量密度超快激光作用下的材料热-力响应和损伤预测,并从模拟和实验两个方面研究了高能量密度下铜膜的烧蚀过程,研究结果有助于深入理解超快激光作用下金属材料的烧蚀机制,具有一定的学术意义和工程应用价值。具体内容和结论如下:(1)基于超快热弹性模型,引入动态热物性参数和光学参数,研究了不同能量密度和脉宽的飞秒激光辐照的铜膜的热-力响应。结果表明,在超快激光照射的早期阶段,反射率(R)和吸收系数(α)的减少导致激光能量吸收增加,沉积深度增加。尤其是激光能量密度较高、脉冲持续时间较短时,与采用常数反射率和吸收系数的研究相比,热-力响应程度大大低估,薄膜中形成了更高的热应力并且可能导致非热烧蚀。因此,有必要采用动态光学参数以更精确描述激光与金属材料相互作用相关的超快过程。(2)模拟研究了基于动态光学参数的多脉冲激光作用下铜膜的热-力响应。重点分析了在不同脉冲数以及脉冲间隔时间的激光作用下,靶材热-力响应的差别。结果表明,在总能量一定的情况下,随着脉冲个数的增加,电子和晶格能达到的最高温度越低,最大拉应力越小,同时热电子爆发力对薄膜造成的拉伸程度越小。较短的脉冲间隔时间会使R和α变的更小,使更多的能量被吸收和沉积。同时,电子和晶格没有足够的时间在下一个脉冲到达之前将能量传递到材料的较深部分,因而导致材料表面温度较高,靠近上表面区域的拉应力也较大。因此,对于脉冲间隔时间较短的多脉冲激光,累积效应更显著。(3)基于双温模型和相爆炸理论建立了单脉冲飞秒激光烧蚀铜膜的理论模型,得到能量密度与烧蚀深度的关系。同时,采用不同能量的飞秒激光对铜膜进行了烧蚀实验,发现随着激光能量的增加热烧蚀现象更明显。通过拟合烧蚀直径与能量之间的关系,得到激光铜的烧蚀阈值为2.24 J/cm~2以及有效光斑半径为14.6μm。通过对比模拟与实验的烧蚀深度,发现理论模型能够相对较好的描述材料的超快烧蚀过程。