材料表面功能微织构与性能研究一直是仿生学的研究热点之一,超快激光与材料相互作用造成的热效应小,热影响区小,适合精密的微织构加工要求。应用超快激光制备微织构具有适用材料广、加工步骤简单和无需化学试剂辅助等优点,可快速制备如微孔、沟槽、微米尖峰和周期性条纹结构等。本文针对超快激光制备金属材料表面功能微织构时,经常出现的小于入射光波长的周期性亚波长条纹结构,深入开展其可控制备工艺规律和形成机制物理模型的研究。主要研究了皮秒脉冲激光在金属黄铜和不锈钢表面刻蚀制备亚波长周期性条纹的工艺规律和机理模型,详细内容如下:首先,从分析材料表面的超快激光辐照效应入手,归纳总结了当前激光诱导亚波长周期性条纹结构的若干理论模型,包括经典模型(Sipe理论)、自组织理论、表面等离激元模型和其他理论。其次,采用皮秒激光在黄铜表面刻蚀诱导制备了亚波长条纹结构,研究了激光功率、扫描速度、扫描方向以及激光扫描的方式对诱导形成亚波长条纹结构的质量与形貌影响。结果表明:扫描方向对条纹的规律性均匀性具有重要影响,沿着激光偏振方向扫描诱导形成的条纹更均匀,条纹中的线准直度更高且连续性更好,沿其他方向扫描的获得的条纹相对模糊,条纹容易弯曲乃至分叉,且容易中断。然后,重点研究了皮秒激光在不锈钢表面可控制备双亚波长周期性层级条纹结构(NSRs&DSRs)的工艺规律和形成机制模型。结果表明:入射激光的峰值功率密度在光与物质的相互作用中起决定性作用,从而导致产生层级的周期性NSRs和DSRs。在低峰值功率密度下DSRs的形成与金属晶粒结构一致,优先发生在具有低表面原子平面密度的晶粒内部。提出了一个基于SPPs调制的周期性库仑爆炸模型,作为本文皮秒激光诱导双亚波长周期性层级NSRs和DSRs形成机制物理模型。在皮秒激光脉冲持续时间内,被光子吸收的自由电子沿激光电场的方向移动,但受SPPs调制电场下的自由电子被阻挡并沿SPPs传播方向集中在相邻位置,这导致随后的库仑爆炸链形成了垂直于激光偏振方向的NSRs;强库仑爆炸后谷中的弱电子浓度很可能形成微库仑爆炸,从而在谷中形成DSRs。最后,通过优化激光扫描参数,在不锈钢表面上制造出了大面积的双亚波长周期性层级NSRs和DSRs,空间周期分别为356±17 nm和58±15 nm,分布非常均匀,一致性较好,显示出很强的可控性。