具有超短脉宽、超高峰值功率特性的飞秒激光,在微纳制造等领域得到了广泛研究。近年来,随着二维石墨烯材料的不断创新和发展,对其进行微纳结构化加工成为了石墨烯研究的热点之一。其中,利用飞秒激光对石墨烯及石墨烯相关材料进行微纳加工具有极为突出的优势。本课题一方面研究了石墨烯膜的飞秒激光烧蚀特性,并将其与氧化石墨烯膜和石墨进行烧蚀特性的对比,从而对石墨烯膜的烧蚀面积不随脉冲数变化而发生改变这一独特的反常现象进行机理解释;另一方面,根据本课题组所提出的电子动态调控的科研方法,即利用飞秒激光脉冲序列技术可以进一步调控飞秒激光加工过程中的电子动态,进而优化加工结果,因而在本课题中我们探究了飞秒激光双脉冲序列还原氧化石墨烯膜的效果。本文的主要研究工作和创新点总结如下:(1)针对直接真空抽滤法所制备的石墨烯膜,实验研究了其在飞秒激光辐照下的基本烧蚀特性。实验结果表明,在很大范围的激光能量下,随着飞秒脉冲数的增多,石墨烯膜的烧蚀面积保持不变,烧蚀面积未出现累积效应。该反常现象在超短脉冲激光加工其他材料如金属、半导体、透明材料、聚合物、单层石墨烯、氧化石墨烯和石墨中均未出现。因此,本文进一步开展了大量的对比实验,研究了飞秒激光烧蚀氧化石墨烯膜和高定向热解石墨膜这两种与石墨烯膜极为类似的材料,确认该反常现象在石墨烯膜上的特异性。(2)采用多种表征手段,对上述三种材料及其飞秒激光加工结果进行了烧蚀阈值、烧蚀形貌、微纳结构、化学成分及拉曼光谱等分析,并结合了大量的文献资料,提出了引起石墨烯膜烧蚀面积不变的原因:第一,是由于石墨烯膜独特的多级分层结构引起了飞秒激光非热烧蚀产生了独特的翻起结构,使得石墨烯膜具有极低的烧蚀阈值,飞秒激光烧蚀的热影响很弱;第二,石墨烯膜的超快能量弛豫能力对于烧蚀面积不变现象也有重要影响。此外,该实验全面、系统地研究了飞秒激光对石墨烯膜、氧化石墨烯膜和石墨的基本烧蚀特性,拓展了飞秒激光加工石墨烯相关材料的研究。(3)使用的高重复频率(76 MHz)的飞秒激光双脉冲光路还原氧化石墨烯膜。通过调节两个子脉冲之间的脉冲延时,研究氧化石墨烯膜还原效果的变化情况。实验发现,在一定的激光通量和扫描速度下,相比单脉冲或零延时条件,具有3皮秒脉冲延时的双脉冲飞秒激光能使氧化石墨烯膜样品中氧原子的含量进一步降低约5%,说明了飞秒激光脉冲序列技术可以有效地促进氧化石墨烯膜的还原。此外,通过与低频(1 KHz)飞秒激光还原效果对比发现,使用76 MHz的飞秒双脉冲激光可以有效保持还原氧化石墨烯片层结构的完整性,还原过程效率高,还原效果更优。