飞秒激光作为本世纪最受关注的技术之一,为精密测量领域时空分辨力的提升提供了突破性的新方法和新技术。这主要体现在两个方面:（1）飞秒激光的脉冲重复频率可以溯源至原子钟频率基准,将脉冲与脉冲之间的空间距离精度锁定到原子跃迁的共振频率稳定性上,利用这绝对精确的距离作为一把标尺去测量几何量可以达到超高的空间分辨力;（2）飞秒激光的脉冲宽度为10^-15s量级,该时间尺度在宇宙大统一作用力崩解与电弱对称崩解的时间之间,利用单个飞秒脉冲对物理现象进行曝光捕获,可以达到超高时间分辨力。本文以实现精密表面形貌测量中的超高时空分辨力为任务,开展了基于飞秒激光的静态表面和动态表面形貌测量理论和方法研究。论文的主要工作总结如下:1)开展了飞秒激光光源相干性定量测量方法研究。测量结果表明,光纤飞秒激光光源具有高空间相干性和低时间相干性。基于飞秒激光搭建的干涉系统可以消除寄生噪声条纹对测量的影响,验证了飞秒激光对提高光学干涉成像测量视场和条纹分辨力的可行性。2)提出了基于低相干扫描的大视场粗糙表面形貌测量方法。根据飞秒激光的相干特性,分析了飞秒激光相干扫描干涉理论,研究了干涉条纹的零级条纹识别算法。针对粗糙表面,提出了光强偏振调制的技术,保证了干涉对比度,以粗抛光中的巨型麦哲伦望远镜镜面碳化硅基板为例,实现了高精度、大视场粗糙表面的三维形貌测量。3)搭建了基于飞秒激光重复频率扫描的多目标表面形貌并行测量系统并彻底解决了在线测量精度溯源问题。利用溯源至原子钟的飞秒激光重复频率扫描,进行不同干涉仪站点中不同级脉冲之间的扫描干涉并实现了多个表面形貌测量,完成了从空间测量精度到频率测量精度的转化,彻底解决了现有相干扫描干涉垂直分辨力难以溯源以及难以实现并行检测等问题。利用所搭建的系统对硅晶片和量块进行了纳米精度的表面形貌测量,验证了该方法的高测量精度和在线并行检测能力。4)研究了光纤飞秒激光脉冲数字全息干涉测量方法。基于飞秒激光超短脉冲宽度特性,将单脉冲成像技术与数字全息干涉技术相结合,实现了动态表面形貌测量的超高时间分辨力。利用脉冲飞行时间与相机曝光时间的同步匹配对被测目标进行曝光和成像,深入研究了低重复频率飞秒激光放大的ASE干涉成像噪声抑制技术,并进行了不同方法对比和技术特点总结。以反射式离轴数字全息干涉系统为例,实现了声致薄膜振动的动态表面进行测量。5)结合泵浦探测技术,提出了基于单脉冲数字全息干涉的平面光声波瞬时测量方法。研究了光声波激发及传播原理,分析了热扩散和压力扩散限制对光声成像的要求,设计并搭建了透射式单脉冲数字全息泵浦探测系统,对飞秒激光泵浦激发丙酮溶液的瞬时光声波进行测量。和传统光声波测量方法相比,该测量方法无需区域扫描或电子噪声平均化,具有理想的图像对比度,首次实现了光声波超高时间分辨力和高空间分辨力的二维平面表征。