随着微细制造技术的快速发展,具有特定表面微纳结构的功能器件的高效制备逐渐成为人们研究的热点。由于飞秒激光具有极高的峰值功率和超快作用时间,通过简单的激光辐照方法,可以在任何材料表面上制备出亚微米级周期表面结构,在光子学、等离子体学、光电子学、热辐射源和生物光学等方面具有广阔的应用前景。因此,针对飞秒激光诱导表面周期性条纹结构的形成及演化机制进行研究具有重要的科学意义和应用价值。为了揭示了硅表面LIPSS条纹结构形成及演化的内在机制,本文从激光与物质相互作用的角度出发,根据电离速率方程、麦克斯韦方程研究了飞秒激光作用下硅表面自由电子的产生机制、时空分布规律及其演化机制,获得了激光辐照表面等离子体的运动规律以及其入射激光能量分布的影响。然后根据固体物理、量子力学的相关理论,综合考虑了激光与物质相互作用过程中的相关电离机制以及电子-晶格弛豫过程,根据电离速率方程、双温模型、Drude模型及等离子体激元对入射激光能量分布的影响,对飞秒激光辐照单晶硅的超快作用过程进行分析,建立了飞秒激光辐照单晶硅制备表面周期性微纳条纹结构的仿真模型。通过仿真研究了能量耦合过程中靶材的瞬时热物性参数,例如电声耦合、电子扩散,对LIPSS条纹结构形成及演化过程的影响机制。仿真研究表明当材料的电子扩散系数越小、电声耦合强度越强时,越有利于材料表面周期性条纹结构的形成。为进一步比较电子扩散作用与电声耦合作用对LIPSS条纹结构形成过程的影响,通过飞秒激光分别在不同属性的材料(铜、蓝宝石)表面进行制备实验,获得了不同激光参数对周期性表面条纹微结构的影响。实验结果表明相比于金属靶材,在半导体与绝缘体材料上诱导的LIPSS条纹结构周期性结构更为明显且具有更大深度,这与仿真中所揭示的电子扩散系数越小、电声耦合强度越强时,越有利于材料表面周期性条纹结构形成的机制相吻合。本文研究对进一步理解LIPSS条纹结构的形成及演化机制具有重要意义,为获得激光诱导高质量LIPSS条纹结构提供了理论与实验指导。