微纳米结构刻蚀技术是实现材料表面功能化再造并拓展其应用的重要基础,也是国际微纳米科学与技术领域内的重要研究课题。随着激光技术的迅猛发展,飞秒激光凭借超短脉宽和超高峰值功率的独特优势已被成功应用于多种材料表面的高精度结构制备和改性,在微光学、微机械和微流体等领域取得了许多创新性进展,目前,飞秒激光微纳刻蚀技术已经成为先进制造和高端制造的重要组成部分。尽管如此,飞秒激光加工过程中依然存在结构精度严格依赖于光束聚焦等问题,这在根本上限制了飞秒激光微纳刻蚀技术的实用化进程。或者说,如何解决高精度与高效率之间的矛盾,已成为飞秒激光微纳刻蚀技术的核心问题,具有极端重要性和现实紧迫性。值得庆幸的是,近年来基于飞秒激光诱导周期表面结构(LIPSS)的亚波长刻蚀技术研究为解决上述问题提供了新思路,这主要是因为该技术不仅能够快速形成亚微米甚至纳米量级的结构,而且几乎不受激光聚焦条件的限制,在高效纳米刻蚀方面具有巨大的应用潜力。不同于传统的光与物质作用过程中材料电子的杂乱热运动,该技术本质上是利用材料表面电子的集体物理响应将入射光斑能量调制为亚波长量级上的空间周期性分布。因为其中涉及光与物质相互作用的诸多复杂瞬态物理过程,特别是受材料表面光学性质影响的电子集体响应以及由此导致的亚波长局域和近场增强效应,使得完全攻克和掌握该技术还有很长的路要走。相对于半导体和透明介质等材料,金属由于具有高机械强度和坚固耐用等特性,使得飞秒激光对其表面的亚波长刻蚀研究备受国内外关注。目前,虽然人们利用该技术可以在金属表面构建多种结构来实现对湿润、光学吸收和热辐射等特性的调控,但其仍存在结构形貌单一、规整性差、刻蚀效率低和物理机制不清楚等问题,无法满足功能表面器件的实际应用。为此,我们在实验和理论上深入开展了飞秒激光对金属表面的亚波长刻蚀技术研究,力求积极推动这一技术的快速发展和提升其应用水平。本论文主要通过自主搭建的双束飞秒激光刻蚀平台,在金属表面实现了亚波长量级周期结构的多维度、多形貌、高规整、高效率控制产生和抑制,并对其中出现的新现象、新机理和新效应进行了深入分析和探讨,为飞秒激光亚波长刻蚀技术的未来实用化发展提供了理论基础和技术支撑。主要研究结果概括如下:(1)针对单束飞秒激光在金属表面进行的一维亚波长周期条纹状刻蚀实验,我们观察到结构空间取向相对于激光偏振方向发生了既不平行也不垂直的异常倾斜。通过显微测量结构区域调制深度的空间分布特征,以及入射激光不同偏振方向对结构倾斜程度的影响,我们给出了基于材料厚度斜面上有效电场分量激发SPP进行作用的物理分析,并通过减小入射激光通量使得条纹结构倾斜现象消失的实验结果进一步证实了理论分析的正确性。(2)为了突破单束飞秒激光亚波长刻蚀的局限性,我们利用时间延迟的正交偏振双束共线飞秒激光研究了金属表面一维和二维亚波长周期结构的高性能刻蚀,特别是通过采用光斑扩展和柱透镜线聚焦设计有效提高了飞秒激光亚波长刻蚀的时效性、灵活性和规整性。不仅实验确立了该方法的关键技术要素,而且理论提出了材料表面瞬态特性对结构形成影响的新见解。另外,还测量分析了这些表面亚波长周期结构的新功效。(3)针对双束飞秒激光与金属作用现象的研究,我们实验发现了材料表面亚波长周期结构产生被抑制的效应,系统研究了双束激光偏振方向、扫描速度和光通量比等参数对结构抑制效应的影响,掌握了有效抑制周期结构形成的关键物理条件,进一步的显微测量表明了光照抑制结构产生可以获得比机械抛光更小的表面缺陷,说明该效应在金属表面纳米光滑处理方面具有应用前景。