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单晶碳化硅具有光学性能优异、热稳定性好、化学惰性大、高硬度等优点,广泛应用于集成电路、太阳能电池、光电检测等领域。但单晶碳化硅属于典型的难加工材料,采用传统加工技术在其表面加工微纳米结构难度较大,限制了其进一步应用。具有三维高精度及无损伤加工优势的飞秒激光加工技术为单晶碳化硅材料的微纳米结构制备提供了技术手段,但其加工工艺和加工机理还有待研究。本论文致力于单晶碳化硅的飞秒激光加工研究。实验研究了单晶碳化硅表面的飞秒激光刻槽工艺。研究了能量密度、重复频率、扫描速度、扫描次数和数值孔径等参数对微槽性能（槽深、槽宽、热影响区宽度、材料去除率和侧壁倾斜角）的影响和显著性。结果表明,能量密度和数值孔径对槽深、槽宽、热影响区宽度、材料去除率和侧壁倾斜角的影响都非常显著;扫描速度对槽深、槽宽、热影响区宽度和侧壁倾斜角的影响非常显著,对材料去除率的影响不显著;重复频率和扫描次数对槽深、热影响区宽度、材料去除率和侧壁倾斜角的影响非常显著,对槽宽的影响中等显著。研究了单一工艺参数对微槽性能的影响规律。结果表明,槽深、槽宽、热影响区宽度、材料去除率和侧壁倾斜角均随着能量密度和扫描次数的增加而增大,随着扫描速度的增加而减小;槽深随着数值孔径的增加而增大,槽宽、热影响区宽度和材料去除率均随着数值孔径的增加而减小。建立了槽深、槽宽、热影响区宽度和材料去除率的回归模型,优化了工艺参数。研究了工艺参数间的交互作用对微槽性能的影响。结果表明,工艺参数间的交互作用与单一因素的影响结果一致。研究了提高深宽比和减小热影响区宽度的实验方法,并进行了显著性分析。能量密度、扫描次数和z层进给对槽深、槽宽、深宽比、热影响区宽度和材料去除率影响非常显著;偏振角度对槽深、槽宽、深宽比和材料去除率影响均不显著。利用单束飞秒激光在单晶碳化硅上加工了多种周期性结构阵列。结果表明,随着激光能量密度、扫描速度和扫描次数的增加,波纹结构向V形槽的变化是渐进的;激光诱导的表面不稳定性、孵化效应、库仑爆炸、熔化和蒸发是微纳米结构形成的主要机理;随着能量密度的增加,团聚纳米颗粒密度增多,使得激光诱导的周期性表面结构之间的边界消失;随着激光能量密度的增加,纳米颗粒表面氧元素（O）含量增加;当激光能量密度超过烧蚀阈值能量密度时,细波纹结构转化为粗波纹结构,而细波纹和粗波纹的空间周期与能量密度无关;辐照表面由近无损伤区转变为有重铸层和热致微裂纹区;热裂纹的形成与能量密度和扫描速度有关;在接近烧蚀阈值的能量密度下,利用多道扫描技术在微槽侧壁上制备了不同取向的近无热损伤波纹结构;自组织模型表明激光偏振导致能量分布不对称,结构阵列沿能量主流方向排列,实验结果与基于激光诱导表面不稳定性的自组织模型分析结果相一致。制备了较大尺寸（800 μm × 800 μm）的细波纹和粗波纹结构阵列、纳米颗粒结构和V形槽,并对其进行了原子键的X射线光电子谱分析（XPS）、残余应力的X射线衍射分析（XRD）和晶格无序度的拉曼光谱分析（Raman）。XPS分析结果表明,随着激光能量密度的增加,C=O键的含量增多,O-C=O键含量减少,C-C（sp2）键被破坏,不稳定的C-C（sp3）键增多;Si-Si键和Si-C键的含量减少,Si-O键的含量增多,生成的氧化层提高了周期性阵列的断裂韧度。XRD分析结果表明,改性区域和原始区域的XRD图谱显示仅两个衍射峰,分别为单晶碳化硅的（0004）晶面和（0008）晶面;XRD对激光引起的碳化硅结构缺陷和烧蚀带来的表面污染物不敏感,因此未辐照和辐照的XRD图谱中没有出现新的峰;在（0008）晶面,随着能量密度的增加,晶格间距、应变和残余应力先增加后几乎保持不变,激光改性区域对应的是拉应力区,最大拉应力是179.464 MPa;在（0004）晶面,随能量密度的增加,晶格间距、应变和残余应力呈不同程度的增大,细波纹和微槽底面的残余拉应力分别为0和14.623 MPa,粗波纹和纳米颗粒结构的残余拉应力均为277.847 MPa;残余拉应力随着扫描间距的增加而增大。Raman分析结果表明,总无序度随着激光能量密度的增加而增大,最大无序度为0.548;加工后的表面非结晶性质变化不显著。建立了飞秒激光加工单晶碳化硅的温度场模型,包括激光强度、载流子密度、双温方程和傅里叶热传导方程。在模型中根据单晶碳化硅的分解特性计算了碳化硅的物理参数,并对比了与温度有关的光学参数和根据介电函数计算的光学参数对非热熔化的影响。结果表明,两种光学参数计算得到的非热烧蚀尺寸基本一致;由于未考虑热烧蚀过程,非热烧蚀深度和非热烧蚀半径均小于实验值。对比分析结果表明,文献数据和实验结果与模型计算结果吻合较好,该模型能有效地描述飞秒激光与宽带隙半导体之间的热传导过程。利用所建立的温度场模型对飞秒激光加工过程进行了仿真研究,研究了飞秒激光加工过程中涉及的相关物理现象和材料去除机理。仿真结果表明,飞秒激光烧蚀单晶碳化硅的过程中,介电函数的实部不会出现负值,单晶碳化硅在烧蚀中不会出现金属性质;在烧蚀坑的非热去除过程中,t=50 fs时,工件材料的反射率最小、吸收系数最大,此时的非热烧蚀尺寸最大;在飞秒激光与单晶碳化硅相互作用过程中,自由载流子吸收系数在激光强度总吸收系数中占有较大比重;自由载流子吸收机理主要是通过双光子吸收,其次是三光子吸收和俄歇复合,碰撞电离的作用较小;由于明显的非线性效应,波长800nm的损伤阈值低于波长401 nm的损伤阈值,波长401 nm的损伤阈值随脉冲宽度变化较小;波长800 nm的损伤阈值和非热熔化阈值随脉冲宽度的增加而增大;损伤阈值小于非热熔化阈值,非热熔化阈值小于烧蚀阈值;在高能量密度下,非热熔化后立即发生热熔化;超快非热熔化发生在电子和晶格子系统的平衡阶段之前,热熔化发生在平衡阶段之后;随着激光脉宽的减小和激光能量密度的增加,电子温度和晶格温度增加,且二者达到弛豫的时间变短;相变潜热对晶格温度的影响较小,表面热累积较小;傅里叶热传导模型可用于描述载流子与晶格温度达到热平衡后的温度变化;材料去除机理受不同的激光能量密度的影响。由于激光能量密度在激光束空间的分布不均匀,在飞秒激光加工过程中,可能出现几种去除机理共存。