飞秒激光与物质相互作用的过程中会产生等离子体、纳米颗粒和表面周期性微纳结构。其中,对飞秒激光溅射低温等离子体的特性进行研究可以为激光溅射镀膜提供理论依据;而使用飞秒激光产生纳米颗粒的方法也具备快速稳定和可控的特点;特别重要的是飞秒激光导致的周期性表面微纳结构拥有吸波和超疏水的特性,这在仿生自清洁材料、人工生物医学材料、新能源材料以及航天与航海领域内的大型舰船外壳的制造方面都具有十分广阔的应用前景。本论文以研究飞秒激光对材料表面功能化处理机制和方法为目的,在多种材料上获得了可靠的理论和实验结果,为飞秒激光材料表面处理在工业化生产中的应用提供了参考。本论文的工作概括如下:一、使用Langmuir探针在真空中探测飞秒激光溅射产生的低温等离子体的特性,以获得等离子体中的电子温度信息。电子温度的衍化过程是双温模型的重要参数,所以在实验中通过Langmuir探针测得的电子温度被用来验证使用双温模型的合理性。此外,通过自制的自动偏压控制单元自动调节加载在Langmuir探针上的偏压并自动存储示波器产生的数据,可以在短时间内处理大量数据,提高获取等离子体特征信息的效率和可靠性。二、利用高重复频率飞秒激光分别在空气环境和水环境中烧蚀铜纳米薄膜。在空气中,选择不同厚度的铜膜作为加工样品,获得了在烧蚀孔周围百微米范围内的彩色纳米颗粒环带。通过扫描电子显微镜和显微拉曼频谱仪分析了这些彩色环带的纳米结构和物质构成,以分析产生机制。在水中,经过飞秒激光辐射之后,在铜膜表面得到氧化铜和氧化亚铜的纳米颗粒、以及氧化亚铜的纳米立方体,分析了产生机制。进一步使用双温模型计算了不同厚度的铜膜在空气中受到飞秒激光辐射以后的温度衍化情况,并与使用Langmuir探针探测得到的等离子体电子温度进行了比较,为上述实验现象产生机制提供了理论依据。三、通过飞秒激光在单晶硅表面进行表面处理实验,获得周期性表面微纳结构,并使用改进的双温模型和Sipe-Drude模型对实验进行了分析。在本论文中,阐述了两种之前被忽视了的实验现象:第一,波纹(ripples)的弯曲和分裂现象;第二,凸槽(grooves)的产生。通过模拟计算,这两种现象的产生机制获得了解释,这有助于人为控制并自主设计周期性表面微纳结构,为该成果转化到工业生产之中提供参考。四、为了将单脉冲入射条件下获得的理论结果和多脉冲入射条件下得到的实验结果结合起来,分析了飞秒激光导致的周期性表面结构(波纹和凸槽)阈值的潜伏效应(incubation effect)。潜伏效应通常被用来表示随着入射激光脉冲数量的增加,激光对材料的烧蚀阈值将会降低这一实验现象,而本论文的工作证明潜伏效应同样适用于激光对材料造成表面改性的阈值。通过对潜伏效应的分析,建立了在不同脉冲数量的入射条件下引起材料表面结构改变的阈值之间的对应关系。五、改进了飞秒激光加工系统,通过在光路中放置q板(q-plate)以产生飞秒激光涡旋光束,用来对材料进行表面处理。在实验中通过改变飞秒激光涡旋光束的参数,成功地对周期性表面结构的几何形态进行了控制。另外,系统地建立了飞秒激光涡旋光束材料加工的分析方法,将加工结果和飞秒激光涡旋光束的特征很好地结合起来,为使用飞秒激光涡旋光束制造复杂的表面结构打下了基础。