本文主要研究了飞秒激光改性(微构造)硅的过程及其物理机理,并对飞秒激光构造的硅微纳结构和材料的性质进行了系统的研究。我们分别在空气、氮气、六氟化硫和真空环境下,采用稳态及瞬态光谱技术对飞秒激光与硅相互作用过程中产生的羽流进行了深入研究,弄清了羽流的产生和演化过程,进而揭示了飞秒激光改性硅材料的物理机理。并且,我们采用双温模型对作用过程中硅表面的热力学过程进行了模拟,为解释飞秒激光刻蚀这一复杂物理过程提供了参考。通过研究,我们可以清晰地描绘出飞秒激光微构造硅的微观过程。飞秒激光作用后,硅表面自由电子浓度在几十飞秒之内即达到了峰值(～1027/m3)；电子温度在100fs之内也达到了最大值,这一最大值在105K的量级。这一温度已经远远超出电子脱离硅表面所需的温度(-3.7×104K)。这意味着将有大量电子逃逸,导致硅表面产生很强的静电场。未逃逸的高能电子把能量传递给晶格,使晶格温度迅速升高,大约1ps之内,晶格温度就超过了硅的熔点(1683K)。晶格快速升温导致超快相变发生,这会导致局部快速膨胀而致使大量材料从表面移除,其中包含大量硅原子和一价硅离子,在表面静电场的作用下,硅离子获得了更大的逃逸速度。逃逸的粒子迅速在表面形成了等离子体羽流,这一过程发生的时间早于0.2ns。之后,羽流在膨胀过程中,会受到背景气体限域效应的作用,导致膨胀速度减缓；另外,羽流膨胀过程中的剧烈碰撞引起背景气体电离。除此之外,限域效应还会使一部分脱离的硅材料再沉积到硅表面,从而影响后续激光脉冲与表面的相互作用,在这种反馈机制,或者说孵化效应下,在不同气氛中形成了略有不同的微结构。然后,为了弄清楚飞秒激光微构造硅的光电性质以及材料内载流子的微观动力学过程,我们研究了微构造硅的光致发光性质,并探讨了其内光生载流子的迁移和复合过程。微构造硅的发光峰位于530nm,这源于表面硅纳米晶结构。硅纳米晶核和表面氧化层界面上的氧缺陷形成表面束缚态,其位于带尾,具有约14meV的宽度。这些表面态能够束缚载流子,导致载流子辐射复合。光致发光的衰减曲线符合拉伸指数衰减函数,时间常数在1-2ns左右,这也表明其为缺陷发光。我们建立了载流子迁移模型来阐述微构造硅的发光机制及载流子的迁移过程,光生载流子的运动过程很复杂,包括迁移、束缚、再激发、再束缚、被非辐射复合中心捕获等一系列动态过程。由于载流子的这一复杂运动过程,非辐射复合会受到载流子浓度的影响。因此,我们将非辐射复合系数表示成关于载流子浓度的函数,以此为基础建立了荧光衰减的数学模型。该模型的拟合结果与实验结果非常吻合；最终我们得到结论,与载流子浓度相关的非辐射复合过程是光致发光按拉伸指数衰减的根本物理原因。温度和非辐射复合中心的密度都能够影响非辐射复合的强度。在前面研究的基础上,我们利用飞秒激光对微构造硅进行刻蚀直接得到了掺杂硫元素的硅纳米颗粒,这部分工作是前面工作的延伸。与纯硅纳米颗粒相比,掺硫硅纳米颗粒的反射、透射和吸收性质有所不同；硫掺杂的硅纳米颗粒在近红外区域的吸收稍强。接着,我们研究了硅纳米颗粒的光致发光性质,其发光谱为从450nm-780nm的连续谱,并且其衰减速度非常快,衰减时间小于我们实验的时间分辨率。因此,我们认为该发光为400m的飞秒泵浦光在纳米颗粒薄膜表面形成的超连续谱。可见,硅纳米颗粒具有很强的非线性。已经取得的研究结果使我们更深刻理解了飞秒激光改性硅材料的过程和物理机理,并让我们对改性后的微构造硅内载流子的微观动力学过程有了一定认识。这对于获得性能更佳的微纳硅材料及其在光电方面的应用具有指导和借鉴意义。