大数据时代的到来使人们对于数据的处理、传输速度和存储容量的需求变得空前苛刻,以电子为信息载体的集成电路技术已经不能满足人们的需求,发展以光子或光电子做为信息载体的集成光路技术成为显得愈加迫切。集成光路技术的发展瓶颈在于难以将各种光功能微纳结构精确高效地集成在半导体或者玻璃等基板材料上。随着激光技术的快速发展,飞秒激光的出现为突破这一技术瓶颈提供了强有力的工具。飞秒激光由于其超短脉宽和超高峰值强度的特点,可以在透明材料内部实现超越衍射极限的空间选择性三维微纳结构加工。近十几年来,利用飞秒激光在透明材料内部诱导和集成功能微纳结构在光波导,微光子元件,微流体器件和高密度光存储等方面的研究已成为国际前沿课题,将极大地促进集成光路技术的发展。本文主要针对飞秒激光诱导的纳米光栅及其他偏振相关性微结构进行了机理和应用方面的研究。从激光参数,材料性能和其他实验参数等方面出发,系统研究了飞秒激光在玻璃和晶体等透明材料中诱导的自组织纳米光栅的形成过程和结构特征,最后探索演示了这一类结构在光学上的应用。本文的主要研究内容和研究成果结论概括如下:(1)利用1 kHz的近红外低重复频率飞秒激光在石英玻璃中辐照形成双折射结构,通过偏光显微镜和扫描电子显微镜确认了双折射来源于照射区域纳米光栅的形成,并表征了纳米光栅的结构特征。系统研究了不同重复频率飞秒激光脉冲作用下石英玻璃中纳米光栅的形成过程和双折射性能变化,以及其他实验参数如激光能量、扫描速度和激光偏振方向等对纳米光栅形成的影响。发现纳米光栅的形成是一个多脉冲作用累积的结果,其过程可以分为三个基本阶段;激光偏振与扫描方向夹角对影响纳米光栅的形成有较大影响,这种现象归因于界面对不同偏振光的各向异性反射导致的能量吸收效率差异。利用基于纳米光栅的线条构建了一个可用作光衰减器的平面阵列,研究了其消光比随波长的变化和结构的耐热性能,发现该衰减器可抵抗高达900℃的高温,并且一定温度的热处理还可以提高消光比,分析认为其原因是照射区域的微裂纹愈合和应力松弛降低了各向同性散射,提高了结构的规则性。(2)利用飞秒激光首次在石英晶体中辐照形成纳米光栅,研究了纳米光栅的形成参数范围。观察到激光改性区域在一定条件下形成了具有双周期的纳米光栅结构,这种双周期结构同时出现在垂直和平行于激光传播方向的两个平面内,并且发现在平行于激光传播方向的双周期与激光偏振方向有关。认为这种双周期结构的产生与激光在晶体中激发的某种波的相干有关。讨论了石英晶体中纳米光栅的双折射特性难以表征的原因。(3)利用飞秒激光在GeO2玻璃中辐照形成纳米光栅,证明了纳米光栅的形成不受玻璃种类的限制。系统研究了不同重复频率飞秒激光脉冲作用下纳米光栅的形成过程和光学特性,发现随着重复频率的增加,纳米光栅形成的参数窗口显著变窄,且双折射强度明显下降,分析认为是热积累效应导致这一现象的发生。通过实验研究了GeO2玻璃中纳米光栅的形成阈值,发现其远低于石英玻璃中的形成阈值,从两种玻璃的带隙能量差异对飞秒激光非线性作用过程的影响这个角度进行了解释。研究了各种实验参数如激光能量、扫描速度和激光偏振方向等对纳米光栅形成过程和光学特性的影响,发现通过改变激光偏振方向可以在一定范围内影响纳米光栅的周期大小,且诱导的双折射强度在一定条件下出现与石英玻璃相反的偏振依赖性,从玻璃结构这个角度讨论了导致这一现象的可能原因。利用纳米光栅的双折射特性,在GeO2玻璃中制备了偏振衍射光栅、偏振转换器和计算机生成全息图等光学元器件,并演示了它们各自的应用。(4)首次在一种铝硅酸盐玻璃中观察到紧聚焦高重复频率飞秒激光诱导的两种偏振依赖性微结构及它们的形成和演变过程。发现在500 kHz飞秒激光辐照的前期(几秒内),椭球形激光改性区域的顶部出现一个取向与激光偏振方向垂直的哑铃型结构,通过电子探针分析了激光改性区域的元素分布,认为哑铃型结构的实质是与离子的迁移相关的色心等缺陷的集中分布;当照射时间进一步延长时,哑铃型结构逐渐消失,激光改性区域底部着色随之出现,通过拉曼光谱证明着色区域析出了硅纳米晶体;当照射时间延长至30 s以上时,在椭球形区域的赤道位置出现了沿着激光偏振方向聚集分布的气泡,拉曼光谱显示气泡中有氧气填充。通过对激光传播时在修饰区域和玻璃基质界面处的反射进行模拟,提出了基于热积累效应的哑铃型结构形成和擦除的机理,讨论了导致气泡形成偏振依赖性分布的可能原因。