信息社会的快速发展对通信效率及信息处理速度提出更苛刻的要求,传统集成电路已达到发展瓶颈,高效低损耗的微纳光学器件或将替代集成电路成为下一代信息技术的核心。为适应多应用场景,可调制微纳光学器件已逐步成为该领域的研究热点。相变材料Ge₂Sb₂Te₅（GST）具有介电常数差异明显的晶态与非晶态两种结构,常作为介质层材料调控表面周期结构的振荡性质。然而传统的材料去除型加工方法,表面周期结构基元尺寸固定,限制可调制器件的调制范围。需设计一种新型表面周期结构加工与调制方法,实现对微纳光学器件中结构基元的多级精确调制与可逆重构。超短脉冲激光在微纳精密加工与GST物相调制领域均具有独特性质。本文提出通过超短脉冲激光直写在GST表面诱导可逆光栅结构,并通过形貌与结晶程度控制实现表面光学性质的可逆重置。表面周期结构特征与激光参数相关,本文系统研究了超短脉冲激光诱导GST表面周期结构的形貌特征（周期长度、方向、晶粒形状等）与结构性质（色散颜色效应、化学活性刻蚀）的演化规律。研究发现激光脉冲能量由小到大可分别诱导四种特征形貌,分别为:改性波纹结构、表面完全晶化结构、弱烧蚀纳米点阵结构和烧蚀波纹结构。形貌演化规律由材料阈值效应与表面结构诱导光场能量再分布效应共同作用导致。对改性波纹结构的深入研究发现,该结构表面由晶态条纹与非晶态条纹周期排列组成,具有高度均匀一致性,是实现本文可逆表面周期结构制造的关键。结合SPPs定向散射机理与波纹结构形貌表征,揭示激光直写改性波纹结构中周期方向与激光偏振密切相关,通过偏振调控可实现具有不同结构取向角的表面波纹结构直写加工。由改性波纹结构表面起伏形成表面光栅,对白光具有色散作用,因此在特定观测条件下加工区表面产生颜色效应。表面颜色色调由激光偏振依赖性的光栅结构取向角控制,颜色饱和度受激光脉冲能量控制,通过激光参数调制实现表面多级颜色信息记录。由于超短脉冲激光与材料相互作用具有非线性非平衡特性,为精确调控表面周期结构需对材料物相演化机理进行深入探索。因此本研究基于时间-空间分辨泵浦探测技术,对超短脉冲激光单脉冲烧蚀以及超短脉冲激光多脉冲结晶的两种物相演化过程进行观测,并结合激光与材料相互作用机理、瞬态相动力学特征及结构表面形貌特征,分别对两种物相演化过程的形成机理进行解释与验证。研究发现,多脉冲诱导结晶过程中,形成独特的准非晶态,其最佳形核阈值与结晶态GST存在差异,导致结晶阈值随脉冲数变化向外延伸。基于改性波纹结构表面光栅的颜色效应,本研究对颜色效应增强表面图形显示的多级图形存储应用进行设计,实现在相同区域记录并分别读取两种图形的信息。为揭示改性波纹结构的可逆重构性质,本研究设计表面结构擦除、表面物相重置与波纹结构重写三个步骤。使用与初始激光偏振方向垂直的脉冲序列作为擦除光,互相垂直的波纹结构减弱初始波纹取向的影响,形成均匀的结晶表面。再通过单脉冲准分子激光辐照结构擦除区,使表面重置非晶化。本研究证明重置非晶态表面仍可诱导改性波纹结构,实现表面波纹结构可逆重构的研究目标。