随着纳米科技的发展设计与制备各种极小尺寸的低维微纳米结构已经成为人们广泛关注的研究热点，发展和完善各种高效、简便的微纳米结构制备技术也成为重要的挑战。飞秒激光凭借其超短脉冲持续时间和超高峰值功率，与金属、半导体和透明介质等材料作用过程中均表现出了超高精度的“冷加工”特点是微纳米加工中的一种新型有效手段，同时它也将有助于研究光与物质的相互作用物理机制，是光学领域内一个重要研究课题。　　自1965年Birnbaum等人使用红宝石激光器在锗(Ge)表面作用区域诱导产生一组平行光栅状条纹之后，各国科研人员对表面周期性微结构制备及其应用产生了浓厚的兴趣，并做出了极其广泛的研究。本论文基于对飞秒光场作用下微纳米结构形成受材料表面瞬态物理过程影响的深刻认识与理解实验提出和建立了空间上共线传输、时域上皮秒延迟、线偏振垂直交叉的同波长双束飞秒激光脉冲在金属钨表面诱导产生微结构的新方法实现了多种新型二维亚微米周期阵列结构的大面积快速制备，并对其形成的物理过程做了深入探讨。本论文主要的研究内容及创新性成果如下:　　1.提出利用YVO4双折射晶体的分光技术获得共线传输、偏振交叉和具有1.2ps固定时间延迟的同波长双束飞秒激光脉冲，并通过柱透镜线聚焦在金属表面一步式实现大面积微结构制备的实验方法。在实验上首次分别观测到了特征尺寸为亚微米量级二维周期性分布的圆包状和三角形阵列结构的形成，研究分析了其中激光能量、样品扫描速度和双折射晶体方位角等参数变化对形成微结构特征的影响。通过深入分析双束飞秒激光脉冲在与材料表面作用过程中的诸多物理因素，理论上建立了一个以瞬态折射率光栅对超快表面等离子体波激发影响为核心的相关物理模型进而在深层次上探究了二维亚微米周期阵列结构形成的基本物理机制。　　2.实验建立了基于迈克尔逊干涉系统将单束飞秒激光转换成时域上可变时间延迟、空间上共线传输、偏振方向相互垂直的同色双束飞秒激光脉冲，并经柱透镜聚焦的飞秒激光微纳米加工平台，在金属钨表面首次实现了特征尺寸为亚微米量级的菱形周期阵列结构的大面积快速制备。通过采用不同的实验参数如激光能量、脉冲延迟时间和样品离焦量等，成功获得了材料表面周期阵列结构单元不同形貌之间的相互转挽并且基于上述理论模型对实验现象和结果给予了合理解释，深刻揭示了其中的物理本质。　　3.设计和建立了时间延迟的标量（线偏振）和矢量（角向偏振）飞秒激光脉冲通过金属表面超快动力学过程实现相互关联从而诱导产生新型二维微纳米结构的实验装置。首次在金属钨上获得了条纹方向在二维空间呈现不同程度弯曲的亚微米蝶形结构。通过改变激光脉冲的个数、延迟时间和样品离焦量等参数系统研究了蝶形结构形成的物理特征，发现其中条纹弯曲度随着光束空间方位角增加而减小和随远离光斑中心距离的增加而逐渐增大的变化特点。当双束飞秒激光之间的延迟时间增加时，条纹弯曲现象逐渐减小并消失。随后，针对角向偏振-线偏振飞秒激光先后入射情况下在金属表面亚微米蝶形结构的产生机理进行了分析和探讨，并与实验结果相吻合。　　4.通过分别采用单束线偏振和角向偏振的近红外飞秒激光脉冲聚焦照射在金属钨表面实验观测到了材料表面不仅可以产生排列方向与激光偏振方向垂直的亚波长周期条纹结构，而且在其相邻单元之间可以形成排列方向与激光偏振方向平行的周期纳米线结构。研究发现这种特殊空间分布的复合周期微纳结构仅在激光脉冲个数为N=20～100的范围内获得，随着激光脉冲个数的增加，周期分布的金属纳米线结构将逐渐消失，而亚波长周期条纹结构依然能够保留。初步分析认为这种纳米线结构产生的物理原因与材料表面亚波长条纹结构形成过程中热熔金属液面张力引发的毛细现象有关。另外，实验分析比较了这两种不同偏振态的飞秒激光各自诱导形成二维微纳米复合结构的区域面积随脉冲个数增加而逐渐增大的变化趋势。