超快激光烧蚀与微纳加工是一个非常复杂的过程,涉及到光与物质间的各种相互作用过程,比如激光诱导载流子激发、载流子加热、晶格加热、热传导、材料的熔化和结构化过程。激光诱导周期表面结构（Laser Induced Periodic Surface Structures,LIPSS）是激光烧蚀与微纳加工领域的一个具有重要的科学意义和应用价值的现象。影响LIPSS功能的重要因素是周期结构的均匀性、规则性和深度。超快激光脉冲制备规则、均匀的LIPSS主要存在以下三个挑战:增强周期性能量沉积、减少剩余热和避免沉积的碎屑。时域整形飞秒激光是一种控制激光与物质相互作用超快动力学的有效方法。本文基于4f零色散脉冲整形系统,研究了时域整形飞秒激光脉冲在硅上制备规则LIPSS的方法与机制,主要研究成果如下:1.利用单个时域整形的800 nm飞秒激光脉冲在硅表面诱导形成亚波长周期条纹（又称低空间频率 LIPSS,即 Low Spatial Frequency LIPSS,LSFL）。单个高斯飞秒激光脉冲,即傅里叶变换极限（Fourier Transform Limit,FTL）脉冲,在烧蚀区中心难以产生LSFL。建立了焦距为200 mm的4f零色散脉冲整形系统,通过对激光光谱成分进行周期π相位调制,一个FTL脉冲被整形为一个时域整形脉冲,其子脉冲间隔在0.1-7.2 ps可调。利用单个整形飞秒脉冲照射硅表面,发现当子脉冲间隔大于0.9 ps时,可以在烧蚀斑中心观察到周期性条纹。随着子脉冲间隔的增大条纹逐渐清晰。利用双温模型和Drude模型,理论研究了在单个整形飞秒脉冲照射后硅表面电子的激发,以及电子密度、电子温度和晶格温度的变化。结果表明时域整形的飞秒激光脉冲可以增强硅表面等离激元（Surface Plasmon Polaritons,SPP）的激发和周期性能量沉积,同时减小剩余热效应,最终导致在烧蚀区域中心形成周期性条纹。2.利用时域整形飞秒脉冲在硅片上加工出了大面积规则的LSFL结构。发展了 4f结构零色散脉冲整形系统,将柱透镜焦距增加到400 mm,提高光谱调制分辨率,整形脉冲的相邻子脉冲间隔在0.25-16.2 ps可调。相比于传统的高斯飞秒激光脉冲,在子脉冲间隔为16.2 ps的时域整形飞秒脉冲照射下,加工均匀LSFL的扫描速度提高了 2.3倍,深度提高了 2倍,LSFL的衍射效率提高了 3倍。实验和理论研究了整形脉冲加工规则周期条纹的机制。结果表明,时域整形脉冲照射可以增强SPP的激发和周期性能量沉积,同时减小剩余热效应,避免喷出碎屑的沉积,最终在硅表面形成规则且更深的表面周期条纹。利用子脉冲间隔为16.2 ps的整形脉冲,通过激光直写技术在硅表面高效率的加工了大面积LSFL,用规则LSFL填充的“中国结”图案在不同观察角下展示出了从蓝到红的鲜艳明亮的表面结构色。