在精密制造中,微孔作为一种常见结构,广泛应用于航空、生物、化工、新能源等领域。但随着国家重大战略需求应用中不断攀升的制造要求,微孔结构的加工往往也成为了制造的难点之一,严重制约了我国的核心竞争力。例如,在新能源领域,我国重大专项之一“点火工程”中靶球上的微孔制造是最关键环节之一,微孔的品质直接决定了工程能否顺利开展。但由于微孔质量要求高(无重铸层、无裂纹、无热影响区、密度均匀),深径比要求大(深径比超过十几的通孔或沉孔),材料多样(合金、聚合物、玻璃等)且受到不能污染等多种条件的限制,微电火花/电化学/酸碱刻蚀辅助等方法均不适用,电子束、离子束加工可满足加工精度却又无法获得足够的深径比,因此,微孔结构的制造成为了制约工程顺利推进的瓶颈之一。飞秒激光以其超快、超强的独特性质,带来了全新的制造机理。使得其具有材料适应性广、极小化热影响区、几乎无重铸等加工优势。同时也由于加工中非接触、无需液体/酸碱辅助的特点,基于烧蚀的飞秒激光微孔加工成为了目前最有希望克服这一微孔制造难题的加工方式之一。然而,飞秒激光加工是一个受到诸多因素影响的非线性/非平衡复杂过程。深孔加工中也存在一些机理尚不清晰,如激光向孔底传播机理、深径比提高的机理、深孔底部发生弯曲的机理等。所加工微孔质量较难控制,深径比一般也很难超过10:1。若要克服微孔加工中的诸多难点,进一步提高微孔加工的可控性与深径比,必须对微孔加工的机理进行深入理解。但一般理论模型仅能在一定简化条件下对极小时间/空间尺度中单个/数个脉冲加工所形成的烧蚀坑进行模拟,因此,短期内理论模型方面对深孔加工机理的理解很难有所突破。然而国家重大需求中高质量高深径比微孔的制造难题也亟需得到解决。鉴于此,本文以国家重大需求中对高质量、高深径比微孔的制造需求为背景,结合微孔加工技术国内外发展概况,在大量实验基础上,创新性的辅以多角度/多尺度的在线/离线观测分析方法,对基于飞秒激光烧蚀的高质量、高深径比微孔加工技术机理进行研究,揭示了飞秒激光深孔加工的规律与众多参数的影响机制,进一步指导微孔加工方法的优化,提高微孔加工的可控性,并大大拓展微孔可加工尺寸范围,为各种急需和潜在的应用提供有力的技术支撑。论文的主要创新性工作内容包含以下几个方面:1、创新性的将多角度/时间尺度在线监测方法与微孔加工相结合,搭建了一整套完整的飞秒激光微孔加工及在线监测系统,并在此实验条件下,首次全面地系统地研究了飞秒激光叩击式高质量高深径比微孔制备方法。对其加工结果进行相关表征。针对微孔制备过程及其主要加工规律进行了大量实验分析,探索了对激光烧蚀形貌产生影响的多个主要因素(脉冲个数、焦点与材料相对位置、脉冲能量、聚焦状态),并系统的揭示了叩击式深孔加工规律。获得了直径10~40μm,深径比达10~50:1的高质量深孔结构。本工作所揭示的加工规律,可应用于一定范围内不同所需尺寸的微孔制造当中,对微孔加工机理分析和微孔的应用提供强有力的技术支撑,在该领域具有重要推动意义。2、首次揭示并消除了深孔加工中存在的弯曲现象。针对深孔加工中严重制约加工质量与可控性的弯曲现象形成机理进行了详细而全面的研究及分析。实验研究表明,激光偏振并非是微孔弯曲与否的决定性因素。但弯曲方向的统计学分析发现,线偏振激光能够对微孔弯曲带来沿偏振垂直方向上的倾向性。而圆偏振激光所加工微孔没有这一倾向性。为了进一步确认弯曲机理,本文创新性地对微孔加工中多个时间尺度下存在的现象进行在线观测,从而发现毫秒量级存在于微孔上方的动态气溶胶状烧蚀物(包括气态烧蚀产物和颗粒状烧蚀碎屑)的聚集,是造成微孔弯曲最可能的因素之一。在进一步延长后续脉冲的到达时间后,发现微孔弯曲现象确实不再发生。实验结果与观测结果相对应,从实验上验证了毫秒量级未能完全弥散开的动态气溶胶状烧蚀物的聚集破坏了后续激光传播的稳定性,这是带来微孔弯曲的主要因素之一。在弯曲消除的基础上,通过加工无弯曲的高质量微孔阵列展示了弯曲问题消除的重要意义,大大提高了微孔加工质量与可控性。3、通过系统的实验现象并结合在线观测,提出了真空辅助微孔加工方法。该方法不仅更为有效的避免了微孔的弯曲,也极大的增加了微孔加工效率与极限深度,大大拓展了高质量、高深径比微孔的可获得尺寸范围。能够有效地获得直径10μm以上的高深径比微孔(通过调节聚焦状态也可获得直径5~10μm深孔结构),深径比超过100:1。在此基础上,通过大量真空/非真空对比实验与在线观测现象以及一定的实验设计,对微孔加工中电离、碎屑等现象进行分析,并对脉冲能量、加工环境、激光脉宽等因素进行分析,表明真空辅助微孔深径比提高的现象是由多个因素共同作用所决定,创新性的揭示了真空辅助微孔加工中飞秒激光的独特加工机理。该研究工作对这一领域的科研人员具有很强的参考和指导意义。此外,考虑到高斯光束自身的局限性,很难获得直径更小的高深径比微孔结构(直径小于5μm),通过将高斯光束转化为长径比更大的贝塞尔光束,单脉冲加工即可获得了直径小于5μm的高深径比结构,深径比同样能够超过100:1(优化后最高可达330:1),填补了高斯激光在小直径、高深径比微孔加工方面的空白,为微孔的各种可能的应用需求提供了制造条件。最后同样通过多尺度观测系统,进一步揭示了其加工机理。发现单脉冲极短的作用时间中并不存在前序脉冲的影响,因此该方法能够高效的获得无弯曲的高质量微孔结构。本论文研究内容在工程应用方面,部分研究成果应用于国家重大科技专项“点火工程”靶球微结构制造当中,同时也作为科技部“973”项目“激光微纳制造新方法和尺度极限基础研究”、国家自然基金重大研究计划重点项目“基于脉冲序列设计和共振吸收激光微纳跨尺度制造及理论”等多个项目中的亮点工作进行汇报。在基础研究方面,研究成果中有关微孔加工新方法和其加工机理的研究内容发表于国内外主流期刊/会议论文。共发表SCI/EI检索论文8篇,其中本人第一作者论文3篇。