超短脉冲激光具有超高的峰值功率密度与极短的时间弛豫尺度,可以在高透过率的透明材料中诱导非线性吸收效应,从而有效地在材料内部进行局域能量沉积,实现三维直写加工。同时,由于超快激光加工的精度主要取决于材料对光场的响应过程,从而可以实现超衍射极限的加工分辨率。因此,超快激光加工技术一直是在透明材料中进行微结构加工的首选工具。加工分辨率与深径比是超快激光加工微结构的两个重要指标,就目前来说,在达到100 nm量级的加工分辨率同时保持较高的深径比依然是个挑战。传统高斯型激光由于焦场较短,光束尺寸无法灵活调制等缺陷而不适合进行超高深径比微通道结构的加工。相比之下,无衍射贝塞尔光束由于具有极小的光斑直径,超长的无衍射传输距离与自我修复特性,而被广泛用于针对高分辨率,高深径比微结构的精密加工中。不同的材料样品具有的物理性质不同,针对特定材料样品存在有最佳的加工参数范围,因此对于特定材料开展探索性的参数扫描实验具有重要的现实意义。在这样的研究背景下,本文从超快贝塞尔激光与物质相互作用的基本原理出发,重点针对紧聚焦贝塞尔光束在多种透明材料中制备微纳米孔结构进行了详细的实验研究,探究了微纳米结构的形成机理,分析总结了三种材料的加工规律,最终在三种材料中成功制备了百纳米尺度的微孔结构。本文主要工作内容如下:(1)对轴棱锥调制产生高斯-贝塞尔光束的方法进行了研究,通过实际实验利用轴棱锥与4f系统对高斯型脉冲激光进行空间调制,得到了紧聚焦的超快贝塞尔光束。结合数值计算与实际实验的方法选定了合适的加工参数,成功搭建了一套高效的超快贝塞尔脉冲激光加工系统。(2)利用贝塞尔无衍射光束在高纯度熔融石英材料下表面制备出了大面积的微孔阵列,并通过详细的参数扫描实验总结出了石英材料的加工规律。随后结合贝塞尔激光光场与下表面相对位置的改变,发现并解释了内部材料在微爆的作用下会对下表面产生冲击,从而形成微孔结构的现象,并通过补充性实验对下表面微孔阵列进行了总体的形貌观测,进而对该现象的形成原因进行了佐证。(3)针对材料内部高深径比嵌入式微通道结构的高效表征一直是个难题,传统的光学显微,扫描电子显微镜与聚焦离子束切割等方法分别存在分辨率低,表征效率低等缺点。针对这个问题,本文利用研磨抛光与单次电镜扫描结合的方法完成了对石英内部微孔结构的多层次表征,测量得到材料内部微孔的最小直径可以达到67 nm,最高深径比可达523:1。文中分析了激光参数对于内部微孔形貌产生的影响,并结合微孔之间的相对位置数据成功还原了内部微通道的形貌结构,这一方法为表征嵌入式微尺度结构提供了新的思路。(4)为了推进超快贝塞尔光束的产业化应用,本文开展了针对商用铝硅酸盐玻璃的超快贝塞尔激光纳米孔结构的加工实验,发现了超快激光加工该材料时会产生纳米颗粒的现象。通过与石英材料物理特性的对比发现激光加工的热效应与该材料的高热膨胀率是该现象产生的主要原因。结合这一现象我们调制了激光参数的范围,最终于商用铝硅酸盐玻璃中制备出了最小直径为127 nm的微孔隙结构,证明了纳米颗粒形成理论的正确性,同时也总结出了商用铝硅酸盐玻璃材料加工的参数窗口(6-10 ps,10μJ/pulse)。该部分内容为商用透明材料中的超快加工研究提供了宝贵经验,推动了超快贝塞尔加工技术的产业化应用。(5)结合商用铝硅酸盐玻璃玻璃的加工经验,本文为高硬度高熔点C向蓝宝石材料选取了合适的加工参数,成功在蓝宝石材料上表面制备出了最小直径在133 nm尺度的高质量微孔,分析了脉冲参数对于蓝宝石表面微结构形貌的影响,找出了蓝宝石的加工窗口为脉冲宽度6 ps,脉冲能量大于21μJ。最后,通过对蓝宝石表面纳米颗粒形成的分析佐证了高热膨胀率与激光加工不可忽略的热效应是纳米颗粒形成主要原因的观点。该部分研究结果表明材料参数(熔点,硬度,杨氏模量,热膨胀系数和热导率等)对于激光加工具有重要的指导意义,为后续的研究工作提供了参考。