在过去的半个世纪里,超短脉冲激光技术逐渐朝着更加实用、成本更低的方向发展。其中,飞秒激光与物质的相互作用一直是科学研究的活跃领域,飞秒激光因具有超高峰值功率、超短脉宽等特点,能够在引发晶格紊乱和热扩散更小的时间尺度内与物质发生相互作用,引起一些不同于长脉冲激光诱导发生的物理现象。基于此,文章结合现有实验条件探究飞秒激光与硅材料的相互作用,并对其产生的非热烧蚀效应及引起的硅表面特殊形貌进行深入分析:论文首先讨论了光电离模型和改进的双温模型在探究飞秒激光烧蚀硅材料的适用性,通过有限差分软件的仿真对单脉冲和双脉冲作用下的电子密度、电子和晶格温度及激发等离子体情况进行分析,比较了以温度模型与等离子体模型为判据得到的损伤阈值及烧蚀形貌。计算结果表明:改进的双温模型相比于光电离模型更加适用,当自由载流子数密度达到临界值时激发等离子体,此时等离子体阈值模型相比于温度阈值模型更能反映硅表面激发等离子体及复杂情况的烧蚀状态,其烧孔半径和损伤阈值与实验值符合地较好;双脉冲飞秒激光烧蚀硅表面时,控制不同子脉冲时延会导致损伤阈值不同,产生不同的烧蚀面积;在第1个脉冲达到造成表面极化等离子体的条件下,第2个脉冲部分能量被等离子层吸收,使硅表面的反射率增高,类似于金属烧蚀状态,影响最终烧蚀形貌。其次,利用单个脉冲作用后的热传导过程分析了下个脉冲辐照前硅内部的温度变化情况,模拟了连续飞秒激光烧蚀硅材料的超快热响应,利用时域有限差分方法(FDTD)分析了孔状结构对脉冲能量再分布的影响,实验采用激光通量为1~2J/cm~2、重频为10Hz的光源烧蚀硅靶,观察到低重频脉冲条件下表面熔融、氧化等现象不利于光滑打孔形貌的产生,通过宏观热模型进行对扫描加工参数优化的研究。结果表明:当连续飞秒激光辐照在硅表面,非辐射复合相比于表面浮雕结构对硅表面温度的影响可以忽略;形成孔洞时随着光束与孔壁的夹角越小激光能量越接近孔底中心,更易引发该范围内的等离子体激发,在不同偏振态光束辐照下,孔底的能量分布不同将造成相应特殊的烧蚀形貌;高重频脉冲飞秒激光扫描硅表面的温度热积累不仅与光源本身入射通量和重频有关,也与扫描速度有关。最后,基于Sipe-Drude模型和表面等离子体激元(SPP)的干涉理论,考虑到硅材料的光学性质变化(由德鲁德模型得到的介电常数变化),分析了单脉冲飞秒激光诱导硅表面形成的低频率周期性波纹(LSFL)和不同激发水平下波纹形貌变化。引入电子数密度模型、德鲁德模型和波纹间隔理论(?)探究了高频周期波纹的形成,并利用FDTD方法对飞秒激光辐照硅表面电场分布进行数值仿真。研究结果表明:Sipe-Drude和SPP理论都适用于分析和解释高激发态下周期性波纹的形成,但Sipe-Drude理论更适合分析更为广泛的波纹周期性结构;波纹延伸方向总是垂直于入射激光偏振方向,波纹周期略小于激光波长并受到入射激光通量的影响,在不同偏振态下随入射角度增大波纹周期呈现相反的变化趋势;高频波纹周期具有波长依赖性的特点且与入射激光通量近似成正比,在初始脉冲形成近波长波纹的情况下,硅表面的电场再分布使得激光能量大多沉积在凹槽边缘,形成高频周期性结构。