激光微纳制造技术因其加工范围广、加工形式多样、无需接触的特点,成为高端制造的重要手段之一,在微电子、新能源、航空、信息、生物、国防、医疗等领域均发挥重要的作用。然而,由于光学衍射极限的存在,激光加工的极限尺寸被限制在波长量级。如何突破衍射极限的限制,提高激光加工的精度,成为激光微纳制造领域的重要挑战之一。传统的突破衍射极限的加工方法存在一些缺陷,例如适用材料有限、加工效率较低、加工质量较差、三维复杂加工困难等,亟需发展新的加工方法,克服以上问题。飞秒激光的发明,为突破衍射极限的加工带来了新的可能。飞秒激光具有超快(持续时间可达到10^-15 s)、超强(峰值功率密度可达到10¹⁵ W/cm²)等极端特性,因而飞秒激光加工过程和普通长脉冲激光相比具有本质的不同,表现出很强的非线性、非平衡效应。在飞秒激光加工过程中,光子能量的吸收主要通过电子作为载体来完成,电子的状态也决定了瞬时局部材料性质,并影响后续相变过程。因而,本课题组提出了通过时/空整形的超快激光,控制加工过程的电子动态,实现全新的制造目标。电子激发区域的大小也将决定最终加工结构的大小,如果能将瞬时局部的电子动态限制在纳米尺度,则可实现突破衍射极限的激光加工。依据以上科学思路,本文探索了基于纳米尺度瞬时局部电子动态调控的突破衍射极限加工新方法。论文主要工作包括:（1）探索纳米尺度瞬时局部的电子动态调控的主要方法,提出突破衍射极限的具体机理;（2）设计并搭建飞秒激光整形的实验装置,实现电子动态的有效控制;（3）通过时空整形的飞秒激光,实现了纳米尺度瞬时局部的电子动态调控（包括电子密度、温度、分布等）,进而控制材料的物理/化学性质和材料的相变过程,从而实现突破衍射极限的加工;（4）探索所加工结构的特殊性质及其潜在应用。本文所取得的主要创新成果如下:1.提出并实现了一种全新的基于膜系设计的脉冲时域整形装置,可以灵活实现多参数光场控制,例如时域强度、脉冲间的延时、偏振等。相比传统整形手段,该装置的体积、延时范围、稳定性、损伤功率、成本均大幅优化。通过集成化设计,该装置的体积可减小到0.5 dm³以下,延时可从飞秒(10^-15 s)调节到皮秒(10^-12 s)甚至纳秒(10^-9 s)范围,损伤功率高达0.5 W以上,成本大幅降低。该装置大幅提高了对电子状态的控制能力,且具有较大的产业化潜力。2.设计飞秒激光脉冲序列的时域分布,控制激光与熔融石英的相互作用过程,基于前序脉冲对后续脉冲的影响,实现对电子激发区域的限制,从而在熔融石英表面实现了最小加工半径为75 nm的烧蚀坑,相对于非整形加工方法提高了5倍以上。基于等离子体模型对加工过程进行模拟,理论与实验结果吻合。3.通过远场空间整形的飞秒激光对电子的空间分布进行控制,进而控制材料的相变过程及材料的微区转移,最终实现了纳米结构的加工。基于该方法,加工出的金属纳米线的宽度可达波长的1/14,且电导率可达体材料的1/4,较大提高了纳米线电导率,提高了微电子系统等领域应用的集成度;此外,基于该方法在硅表面实现了图案化纳米结构,通过结合干涉的方法,大幅提高了纳米结构的加工效率,单个脉冲加工面积可达1600μm²以上,大幅促进了纳米结构的实际应用。4.提出了将近场空间整形方法与无衍射光束相结合的方法,成功实现了三维曲面周期性微纳结构的降维加工,使用二维平移台即可在三维表面实现微纳结构的制备,且无需预先测量三维结构形貌,大幅降低了三维曲面的加工难度。使用该方法成功实现了三维光栅结构以及三维超疏水表面的加工。此外,使用所加工出的表面微纳复合结构,制备了超高灵敏度的探测基底,测量的浓度极限低达10^-14 M/L,相对于传统拉曼探测基底提高了57倍以上。