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多层介质膜是激光系统中非常重要而又最易损伤的基本元件。长期以来，激光对光学薄膜元件的破坏一直是限制激光向高功率、高能量方向发展的瓶颈，也是影响高功率激光薄膜元件使用寿命的主要原因。因此，研究薄膜的损伤机理，不断提高其破坏阈值，对改进激光系统并扩展其在科研生产中的应用，具有非常重要的意义。本文利用钛蓝宝石800 nm飞秒激光对几种重要的光学薄膜，如800nm全向高反膜SiO2/TiO2和MgF2/ZnS、45度高反膜ZrO2/SiO2、干涉滤波片MgF2/ZnS进行了表面烧蚀研究；利用飞秒激光泵浦-探针技术，研究了材料的超快结构相变和烧蚀过程；建立了多层膜破坏的耦合动力学模型，从实验和理论上分析了多层膜激光破坏的特性。
本文的工作及获得的主要创新性成果归纳为如下三个方面：
1.表面烧蚀实验研究：
(1)利用800 nm飞秒激光，首次从实验上测量了800 nm全向高反膜SiO2/TiO2、MgF2/ZnS，45度高反膜ZrO2/SiO2、干涉滤波片MgF2/ZnS及金膜的破坏阈值随脉宽的依赖关系。实验发现，三种高反膜的破坏阈值相对较高，是普通金反射膜破坏阈值的2-10倍。薄膜破坏阈值随脉宽的减小而降低，明显偏离了平方根规律，是一种非热破坏。
(2)从实验上研究了多层膜在800 nm飞秒激光作用下的烧蚀规律，发现烧蚀深度与激光脉冲能量近似成对数关系。当脉冲能量稍大于烧蚀阈值时，烧蚀深度就突然增加到上百纳米，不同于长脉冲激光作用下的烧蚀。烧蚀深度和烧蚀形貌表现出明显的层状特征，烧蚀的弱点位于两层的界面处。
2.超快动力学实验研究：
(1)利用泵浦-探针技术，首次从实验上研究了全向高反膜SiO2/TiO2在高泵浦激光激发下的超快动力学过程。实验结果表明，反射率随着泵浦光能量的改变而改变，但反射率下降的最快阶段都是在泵浦光脉冲的前半段，而不是峰值。这说明光致电离和碰撞电离在材料的破坏中都起着重要的作用。
(2)研究了全向高反膜SiO2/TiO2在低泵浦激光辐照下电子弛豫的超快动力学过程。随着泵浦-探针延迟时间的增加，反射率先下降然后又逐渐回到最初的状态。整个超快非线性光学响应时间不到1 ps，因而多层膜SiO2/TiO2在全光开关领域具有一定的应用前景。
(3)首次研究了45度高反膜ZrO2/SiO2在高泵浦激光照射下的超快动力学过程，发现材料反射率的下降主要与两个过程密切相关，一是在泵浦激光脉冲作用时间内导带电子数密度的快速增加，二是激光脉冲过后的超快结构性相变过程。通过对比ZrO2/SiO2和SiO2/TiO2膜的超快动力学曲线，发现高反膜表层的材料对其烧蚀特性有重要影响。
3.理论研究：
(1)现有的烧蚀模型仅仅考虑了激光对材料的作用，而忽略了材料对激光的反作用。本文采用雪崩模型结合薄膜矩阵光学描述每一层材料的导带电子激发；利用强场激光作用下介质的介电常数与自由载流子密度的依赖关系计算了导带电子的激发对激光场分布的反馈影响，建立并求解了多层膜破坏的耦合动力学模型。
(2)利用建立的耦合动力学模型计算了多层膜的场强分布、导带电子激发、介电常数及激光能量沉积在时间和空间上的分布；计算了多层膜破坏阈值与脉宽的依赖关系及超快电子激发过程，理论结果较好地解释了实验现象。