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飞秒激光因其极短的脉冲宽度和极高的峰值功率等特点为强场物理及超快探测领等科学研究领域开辟了新的方向，同时也为在微纳加工、生物和医学等应用领域中发挥着不可替代的作用。在与飞秒激光相关的诸多研究和应用中，飞秒激光与物质相互作用是最基本的物理过程。对飞秒激光脉冲与物质相互作用机制的研究，对飞秒激光脉冲技术的应用以及对物理科学本身都有极其重要的意义。然而目前为止，人们在对这一过程的认识和研究中，还存在许多未能解答的科学问题。本文对飞秒激光与金属、透明固体等物质在不同的环境下相互作用的超快过程进行了实验和理论研究，其主要研究内容如下：
1．利用飞秒脉冲数字全息术和时间分辨阴影成像技术对高能流飞秒激光烧蚀固态物质过程中物质喷射的动态过程进行了研究。我们在400nm和800nm这两个截然不同的探测光波长下，在烧蚀铝、铜、镍、钨、硅和石英玻璃过程的全息图中观察到了不同方向的干涉条纹移动现象。我们认为这一现象是由折射率大于1的中性物质的喷射造成的。
2．根据从全息图计算得到的相位差图以及与之对应的阴影图，我们推测出了不同位置处喷射羽流的成分：在冲击波前端和接触前端之间的物质为自由电子、铝离子和空气等离子体；在接触前端内部的物质包含了大量折射率大于1的中性物质；而在第二个接触前端内部的物质几乎全部为中性物质。
3．根据喷射物的物质成分推断出了每次物质喷射所涉及的机制。其中第一次物质喷射的机制为离子/原子化；第二次物质喷射的机制为机械膨胀和临界点相位分离；第三次物质喷射的机制为机械膨胀。
4．采用双温模型对飞秒激光烧蚀铝靶过程中物质的温度变化进行了数值模拟，验证了在我们的实验中临界点相位分离机制发生的可能性，并对烧蚀过程中较大深度范围内和较大延迟时间范围内电子和晶格温度变化特性及其相关的热过程进行了计算和分析。
5．针对激光微加工实际应用中所采用的多脉冲加工方式，我们记录下了多个飞秒脉冲烧蚀铝靶过程中物质喷射的时间分辨的数字全息图和阴影图，并且通过研究喷射羽流的性质分析了烧蚀弹坑对物质去除以及靶内吸收的激光能量的分配产生的影响。
6．为了观察烧蚀过程中目标靶内部的现象，我们选用石英玻璃这一具有光透明性的物质作为烧蚀的目标靶，并采用脉冲数字全息技术和时间分辨阴影成像技术，同时对飞秒激光烧蚀石英玻璃过程中目标靶外部和内部的动态过程进行了记录。在阴影图中，我们在目标靶外部观察到了两次物质喷射，并且在目标靶内部观察到了成丝现象和多个传播速度不同的应力波。我们认为第一个应力波是热弹力波，而第二个和第三个应力波是由机械膨胀产生的，并且靶内部的多个应力波分别对应于把外部的多次物质喷射。在此基础上，我们描述了飞秒激光烧蚀透明介质过程中不同阶段发生的物理机制。
7．对飞秒激光烧蚀石英玻璃过程中各个应力波产生的阈值进行了研究。结果表面第一个、第二个和第三个应力波产生的阈值分别为2J/cm2、6J/cm2和31J/cm2。此外，通过对各个应力波的速度进行研究，我们发现第一个应力波是传播速度大于声速的超声速冲击波，第二个应力波是传播速度小于声速的塑性应力波或亚声速冲击波，而第三个应力波是传播速度接近于声速的声波。
8．我们对脉冲结束时产生的压力和电子密度进行了理论计算。计算结果表明，飞秒激光烧蚀石英玻璃过程中产生的压力可高至TPa量级，而产生的自由电子密度可以达到1022-1023/cm3量级。另外，当激光能流高至308 J/cm2时，SiO2分子中所有的价带电子将跃迁至导带，此时自由电子密度达到最大值6.6×1023/cm3。
9．通过对飞秒激光烧蚀石英玻璃过程中目标靶外部全息图进行数字再现，我们得到了与喷射物和等离子体相关的动态相位信息，并据此推断出了喷射物的成分和结构。我们发现烧蚀石英玻璃产生的喷射羽流的结构和成分与烧蚀金属铝靶产生喷射羽流的结构和成分相似。这也说明了强飞秒激光烧蚀这两种物质的机制相似。通过对目标靶内部全息图的数字再现，我们得到了与成丝和应力波相关的相位信息，发现了应力波引起的物质压缩和拉伸，并观察到了成丝引起的相位变化。
10.采用泵浦-探测技术，对飞秒激光烧蚀水下金属铝靶的超快过程进行了阴影记录和全息记录。根据阴影图和全息图中所包含的光强信息和相位信息，我们研究了飞秒激光烧蚀水中铝靶产生的等离子体和冲击波的行为特征，发现了液体限制喷射物、马赫锥等烧蚀液体内固态物质过程中的独特现象。此外，我们还对相同参数的激光脉冲烧蚀水中金属铝靶和空气中金属铝靶的超快过程进行了对比研究，并对两种不同环境下烧蚀机制的异同进行了分析。