本文以熔石英为例,主要研究飞秒激光在透明介电材料表面制备微纳米周期结构的物理过程。调节激光参数,飞秒激光在熔石英表面诱导出各种微纳米周期结构。首先,通过实验研究了激光的各项技术参数对熔石英表面周期性结构的影响规律。然后通过有限元分析的方法对飞秒激光烧蚀熔石英的物理过程做分析计算。最后利用仿真软件模拟了单脉冲辐照下熔石英的载流子-晶格温度演化、温度分布以及入射光和表面等离子体激元(surface plasmon polaritons,SPPs)干涉对波纹周期影响,并与实验数据做比较分析。本文的研究工作和成果如下:(1)研究了熔石英表面周期结构(laser-induced periodic surface structures,LIPSS)和实验环境、激光脉宽、激光能量密度、脉冲数量、扫描速度的关系。并设置K9玻璃作对照组探究介质材料禁带宽度的影响。结果显示:在固定脉冲数量下,LIPSS的周期随能量密度的增加而增加,熔石英从高频周期结构(high spatial frequency LIPSS,HSFL)过渡到低频周期结构(low spatial frequency LIPSS,LSFL)时的临界能量密度在空气35 fs条件和真空260 fs条件下分别约为2.5 J/cm~2和2.0J/cm~2;超波长周期结构(supra-wavelength periodic structures,SWPSS)更容易在窄带隙的材料上形成,且对应的能量密度范围更广;在过低和过高的能量密度下,周期结构可能受实验环境的影响;LIPSS周期随脉冲数量的增加而增加,随扫描速度的增大(等效脉冲数量则随之减少)而出现缓慢的小幅度增大。(2)采用有限元方法分析了飞秒激光辐照过程中的温度场、入射光-SPPs干涉以及熔融材料的流体动力学。熔石英内部载流子和晶格经历了非平衡的传热过程;由电子-晶格热传递双温方程计算晶格和电子的温度;而LIPSS周期本质上是由瞬时自由电子密度决定的;熔融材料的流体动力学的主要驱动力是马兰戈尼效应,即温度梯度是造成表面张力梯度的主因。(3)利用仿真软件计算了单个脉冲激光辐照熔石英表面的温度分布、载流子-晶格的温度演化以及瞬态自由电子密度决定的波纹周期。计算结果显示,单脉冲飞秒激光辐照熔石英表面后,其内部载流子和晶格的非平衡态传热过程大约持续了5ps,载流子温度的峰值随着激光能量密度的增加而增大;固定脉宽下,随着能量密度的增大,烧蚀面积和深度明显增加,同时,载流子密度的峰值也随之增加;波纹周期的仿真结果在LSFL段与实验数据相近,而在SWPSS段与实验结果相差较远,入射光-SPPs的干涉模型适用于近波长周期波纹的形成机理。该研究对透明介电材料表面制备LIPSS的技术的发展有一定的参考价值。