本论文涉及飞秒激光超微细加工中的脉宽效应及等离子体非线性成像方面的实验研究，主要内容和结果包括： 1．对飞秒激光放大系统工作原理的研究和技术特性的优化。在对一个进口的脉宽小于50飞秒，单脉冲能量大于2毫焦尔，脉冲重复频率为1千赫兹的CPA飞秒激光放大系统各项输出特性的表征和优化研究中发现，受色散补偿系统的影响，放大器存在一个最优的泵浦功率，当偏离这一泵浦功率最佳值时，放大器输出的脉冲就会被展宽，偏离越远，脉冲展宽就越严重。飞秒放大器的能量调节可以通过在压缩器前加入一块半波片的办法来实现，但由于半波片的波长选择性，这种装置有一定的局限性和适用范围。本论文研究了该衰减方式对宽谱飞秒脉冲的光谱调制及时域特性的影响，为类似飞秒激光放大系统的合理使用提供了有益的指导。论文还介绍了对飞秒激光放大器输出特性的优化工作，包括如何实现预设数目的脉冲的输出、脉冲宽度的调谐、脉冲能量变化的计算机控制等。这些实验工作，对充分把握飞秒激光放大系统的各种性能参数，并根据实际应用的需要对其进行调控起到了关键作用。 2．研究了超短脉冲超微细加工中的脉宽效应问题。提出了通过研究超短激光脉冲加工过程中加工深度与脉冲宽度之间的变化关系来确定临界脉冲宽度的新方法。研究发现，超短脉冲加工中的临界脉宽随脉冲能量的增加而减小，临界脉宽和激光通量之间的关系曲线实际上代表了超短脉冲加工中“热”与“非热”两种截然不同的烧蚀过程的分界线。这一分界线的存在和确定揭示了“热烧蚀”与“非热烧蚀”这两种重要加工机制之间的相互转化规律。这一规律为实际超短脉冲超微细加工中激光脉冲宽度和脉冲能量的合理选择提供了科学的指南。 3．实现了飞秒激光诱导空气电离显微术的重要设想。这一设想的基本原理是，低能量的飞秒激光脉冲会聚照射到接近样品表面的空气中诱导样品发射光电子，这些电子在激光的作用下增强附近的空气电离形成微区等离子体，通过测量样品表面不同位置附近的空气等离子体的辐射强度得到反映样品表面性质的显微图像。实验证明，该技术可以对样品表面的形貌变化和材料的物理、化学性质变化进行显微成像，是一种独特的高阶非线性成像手段。飞秒激光诱导空气电离显微术可以实现突破衍射极限限定的空间分辨率，成像过程中对样品的损伤能够小到可以忽略。 4．提出和验证了飞秒激光诱导样品击穿显微术的概念。飞秒激光诱导样品击穿显微术通过测量飞秒激光在透明样品内部不同位置和深度处诱导样品材料所产生的等离子体的信号强度，给出反应样品材料性质空间变化的显微图像。作为前述飞秒激光诱导空气电离显微术的重要延伸，这一技术不仅可以对样品表面而且可以对透明材料内部的微结构进行成像。实验证明，这种成像方式对样品材料的组成成份和激光诱导产生的结构变化有很高的探测灵敏度，对于这些材料性质变化所带来的轻微的折射率变化有很高的对比和分辨能力，在透明光学材料的检测和飞秒激光诱导光电子器件的制备领域有很好的应用前景。 5．对上述两种飞秒激光电离显微术在生物医学成像方面的应用可行性进行了实验探索。研究发现，对于没有染色的植物及人体细胞，激光诱导材料击穿显微术比传统光学显微镜的对比度要好，而且可以实现层析和三维成像。将两种电离显微术相结合，通过简单的调节样品的纵向位置，可以获得生物样品表面和内部结构的显微图像。飞秒激光诱导空气电离显微术对新鲜树叶表面的成像实验表明，它对叶片的呼吸特征非常敏感，可以用于监测植物的呼吸活动。