短脉冲激光在烧蚀加工中的应用,极大地提高了激光微细加工的能力。特别是超短脉冲激光烧蚀材料时显现出的“无熔化物”加工特性,更使其成为近年来激光微加工领域的研究热点。为了进一步探究短脉冲及超短脉冲激光对金属材料的烧蚀机理及微加工工艺,本论文进行了三个方面的研究工作。首先,自主开发了超短脉冲激光材料烧蚀的分子动力学模拟软件,并系统地模拟了飞秒激光脉冲与纳米厚度的空间自由铜薄膜及块状铜晶体表面的作用过程,分析材料在强烈非平衡激光加热过程中的升温、熔化、过热、过冷、应力波产生及传播、弹性振荡、汽化、断裂、分解等物理现象;使用较大尺寸的模拟体系模拟飞秒激光脉冲作用下空间自由铜薄膜的汽泡成核过程,得到空穴成核、非均匀汽泡成核以及均匀汽泡成核等三种不同成核过程的原子级图像;模拟了飞秒激光脉冲与块状铜晶体的作用过程,研究了熔化深度、气相原子数及烧蚀深度与脉冲能量的依赖关系,并在与烧蚀实验结果对比的基础上,分析不同脉冲能量范围内的飞秒激光烧蚀机制。模拟结果表明,应力波在被烧蚀材料内的传播或弛豫过程将在很大程度上影响材料的升温及相变行为,并可使得材料表面发生光致机械分裂现象;按照脉冲能量密度的高低,可将飞秒脉冲激光对金属材料的烧蚀作用分为表面形貌改变、多脉冲积累烧蚀、光机械断裂烧蚀及热动力学分解烧蚀等四种类型。其次,为了提高纳秒脉冲激光金属烧蚀加工的质量和效率,采用脉冲塑形方法,将纳秒激光脉冲的单脉冲能量在时间上和空间上重新分配,并通过烧蚀实验探究使用塑形激光脉冲提高激光烧蚀加工质量和效率的可行性。实验结果表明,空间部分重合的塑形脉冲可以改变材料熔流的运动方向,抑制材料熔化物在孔入口或槽边沿的堆积,从而提高纳秒短脉冲激光的烧蚀质量;共轴塑形脉冲可以加速材料熔化物从激光烧蚀区的排出,从而提高激光烧蚀效率;在空气环境下,塑形双脉冲方法能大幅度提高不锈钢试件的打孔效率,并由此提出纳秒短脉冲激光金属打孔的双脉冲方法。最后,分别从实验及分析计算两方面讨论了高重复频率脉冲激光烧蚀过程中的准真空环境效应。将不同重复频率脉冲激光的烧蚀实验结果与不同气压环境下的烧蚀实验结果相对比,说明准真空环境效应存在的可能性;分析和计算了激光作用区周围环境气体密度分布以及低密度环境持续时间,说明高温低密度环境是准真空环境效应形成的内在原因。此外,还介绍了使用光学纹影照像法拍摄激光诱导等离子体冲击波的实验装置及激光打孔过程不同阶段等离子体冲击波的拍照实验结果,根据冲击波扩张半径、打孔脉冲数及孔深分析了孔的成形过程。实验结果表明,对于陶瓷和金属材料,激光脉冲作用后同一时刻的冲击波扩张半径随孔深的增加而线性减小,在此基础上提出通过检测冲击波扩张半径获取孔深的方法。