纳米级尺寸周期性表面结构对于控制光的传播以及光与物质的相互作用非常重要,其在太阳能转换、光子学、生物医学领域具有广阔的应用前景。然而周期性纳米结构的制造需要复杂且昂贵的纳米制造工具,限制了这些结构在实际应用中的大规模集成制造。相比较而言,飞秒激光加工在不需要使用掩模的基础上,可以有效地改变材料的光学、电、机械和摩擦学特性,并在生物医学、环境和能源领域具有潜在的应用。飞秒激光加工可以通过引入随机表面结构,或者规则和周期性的表面结构,来更改样品表面的材料特性,可在多种材料上制造具有亚波长周期性的一维飞秒激光诱导周期性表面结构。然而,飞秒激光诱导条纹结构在实际应用中的扩展具有三大挑战,尤其是在纳米光子学中,其分别为;1.缺乏长距离的空间均匀性;2.难以产生亚波长周期性表面结构,即高空间频率条纹结构;3.难以获得复杂的二维几何形状。首先,由于纳米级结构可随机激发表面等离激元而形成条纹结构,因此最终的条纹结构通常扭曲成许多曲线,从而失去了远距离均匀性。其次,高空间频率条纹结构的起源来自于被照射材料的自组织理论,这与表面刻蚀和原子扩散效应导致的表面不稳定性有关,因此,高空间频率条纹结构的周期性和均匀性难以被有效控制。对于二维表面结构制造,通常需要两束可制造不同角度条纹的一同制造。另一方面,随机形成的表面结构易于获得,具有极为重要的应用。例如在结构着色、提高白炽灯的效率以及创造超疏水和超亲水表面结构等方面。然而,由于结构的随机性,使用飞秒激光加工表面并获得特定的特性具有较大的困难。例如,对金属的飞秒激光加工可以制造出黑色金属,但是对吸收带宽的控制(这在能源应用中至关重要)是一项尚未探索的挑战。本文旨在使用最新的激光制造技术来解决这些挑战,这些技术可以使我们在一定程度上克服上述难点。通过采用多脉冲飞秒激光加工,我们展示了使用多个时间延迟共线飞秒激光脉冲在镍上制造高质量的一维条纹结构。我们探究了此均匀表面结构的成因。此外,与现有文献相比,我们展示了具有异常高纵横比(~50)的一维高空间频率条纹结构。最后,我们展示了各种二维复杂几何形状,例如,在较短延迟时间(<12 ps)下产生的钴表面上的球形、三角形、菱形结构。使用三个具有不同延迟时间的飞秒脉冲,我们创建了高度均匀且大区域的的二维周期性表面结构。与其他二维的激光诱导表面结构相比,本文展示了在照射区域上创建均匀二维结构的能力。本文的第一部分涉及均匀的一维、二维和高空间频率条纹结构的创建。本文的主要目的是探究可控制造表面结构的方法,并揭示亚波长随机或有序结构在能量和生物医学领域中的应用。论文的第二部分讨论了通过飞秒激光脉冲创建可控随机结构的过程,该结构使材料呈现出理想化的功能。例如完美的光吸收性、超疏水性和超亲水性,以及在生物医学、环境和能源领域的诸多潜在应用。我们首次展示了一种新的飞秒激光加工方法,该方法以等离激元杂交模型为起始,在不同的金属上制造具有选择性的光吸收带以进行太阳能转换。对于经过加工太阳能吸收器-钨,我们展示出太阳能热电转换器的效率提高了130%。我们还通过功能化普通散热器材料-铝的表面以增强其辐射和对流冷却性能,来证明飞秒激光加工在热交换器上的应用,并证明了其对提高太阳能热点转换器输出功率的显著作用。本文还进一步探讨了经飞秒加工的表面结构,包括亚波长飞秒激光诱导条纹结构、被纳米/微结构覆盖的飞秒激光诱导条纹结构、圆锥形、一维杆状结构以及球形纳米结构在生物医学领域中的应用。体外实验的结果表明,所有形成的表面结构均具有降低大肠杆菌粘附的能力,并进一步表明,飞秒激光诱导条纹结构由于其覆盖范围广而具有优异的抗菌粘附的性能。我们对经过加工的金表面进行测试,其结果表明99.03%的区域摆脱了细菌粘附。