高功率微波（HPM）产生器件通过增加慢波结构的过模比使得功率容量显著提高。嵌套型结构让过模器件的空心结构或内导体结构得到使用，同时嵌套型器件的低阻抗使得其与低阻脉冲功率源能良好匹配。基于内外嵌套结构提出了一种锁频锁相高功率微波振荡器。相对于传统的锁频锁相方法，提出了基于耦合波导实现锁频锁相的新方法。内外相对论速调管振荡器（RKO）产生的微波信号通过耦合波导泄漏到高频结构中，对电子束进行预调制，从而实现锁频锁相。另外，为实现内外高功率微波通道合成，设计了双通道功率合成器。在振荡器的工作频点，功率合成器能弥补振荡器两输出通道相位差，使得功率合成效率提高，合成效率为98.3%。在二极管电压575 kV，磁场强度0.6 T条件下，内外RKO 的微波输出功率分别为2.2 GW和3.2 GW，频率差波动小于20 MHz，相位差稳定在10°附近；加载双通道功率合成器，仿真结果表明，微波输出功率为5.31 GW，功率效率32.2%。结果表明，嵌套器件在互锁状态时，振荡器饱和时间缩短，输出功率增大。

去污和拆除是核设施退役的关键环节, 需要使用先进的技术及装备, 以实现安全、高效和退役废物最小化的目标。本文介绍了包括激光去污、激光剥离及激光切割在内的一系列激光技术在核设施退役中的应用研究情况, 分析了各技术的特点和适用范围, 并就未来核设施退役中激光技术的发展趋势和值得深入探讨的问题进行了展望。

为了实现微机器人的快速批量制造，提出一种飞秒贝塞尔光束叠加干涉方法生成带侧瓣的环形光场，并结合动态全息加工术实现了中空螺旋微机器人的高效制造。对根据贝塞尔传输函数生成的贝塞尔全息图进行叠加，并对产生的光场进行仿真和实验测量。利用叠加的全息图加工得到具有不同侧瓣数目（2~4）的环形结构，分析了两种不同参数对侧瓣宽度和圆环直径的影响。通过引入动态全息加工方法，实现了中空双螺旋微机器人的高效快速加工，微机器人宽为25 µm、长度为100 µm。最后，利用旋转磁场驱动微机器人在微流体环境实现运动。实验表明，加工单个微机器人仅需6 s，旋转磁场下微机器人在7 s内沿直线前进400 µm。该动态全息方法能够快速制备出中空双螺旋微机器人并实现无线磁驱动，为批量制造具有运载能力的磁驱微机器人提供了一种新的途径。

微驱动技术由于驱动方式的多样性和应用的广泛性, 在近年来受到了越来越多的关注。本文提出一种利用飞秒激光同时实现微结构加工和旋转驱动的技术。利用双光子聚合加工直径20～30 μm的微转子结构, 然后结合空间光调制器调制出带有光学轨道角动量的光场, 实现对微转子结构的旋转驱动, 并获得了40 r/s的转动速率。详细介绍了利用飞秒激光直写技术加工可运动微转子结构的实验过程与优化参数, 利用空间光调制器生成了不同拓扑荷的涡旋光, 研究了其传播与聚焦特性, 并用于驱动转子的顺、逆时针旋转运动。这种可控光学驱动技术在微流控、光镊技术、靶向药物运输、细胞动态行为等领域具有广阔的应用前景。

提出了基于空间光调制器(SLM)的飞秒激光双模式双光子聚合加工方式。通过在空间光调制器上加载相应的全息图, 可以实现焦点控制扫描加工和图形化曝光加工模式。 这两种加工模式不但可以保证加工质量, 而且能够提高双光子聚合加工的效率。采用这两种不同的模式, 分别加工了里约奥运会会徽和不同形状的图案, 验证了这两种加工方式在微纳加工领域的可行性。

微管道是微纳领域最基本的模型之一，其结构简单、均匀，应用广泛。本文提出一种利用飞秒贝塞尔光进行激光直写，结合磁控溅射金属镀层，加工可磁驱动微管道的新方法。利用空间光调制器将飞秒激光调制成飞秒贝塞尔光，通过高数值孔径的物镜聚焦，配合精密三维压电平台的移动，实现了微管道的拉伸加工；通过后续磁控溅射镍处理后，微管道具有超顺磁特性，利用外部磁场可以有效实现驱动。本文详细研究了利用空间光调制器产生的飞秒贝塞尔光的传播和聚焦特性，提出的微管道加工新方法可实现微管道直径、长度、排布的灵活控制，加工效率高；经磁控溅射镍处理的微管道可以利用外部磁场实现在液体环境下沿特定路径的可控驱动，运动灵敏度高，环境适应性强。这种新的微管道加工方法具有灵活、可控、高效的优点，所加工的可驱动微管道在无创手术、靶向药物运输、生物成像与传感、微环境净化等领域具有广阔的应用前景。

为了实现以水凝胶为材料的细胞支架快速加工, 将计算全息法引入传统的飞秒激光双光子加工中, 并对全息图的生成方法和全息图对加工结构的影响进行了研究。首先, 根据贝塞尔光波动方程和其透射函数生成贝塞尔光束全息图, 分析两种参数对环形结构大小和质量的影响。然后利用生成的全息图加工得到壁厚800 nm、直径为8~15 μm不等的水凝胶（PEGDA）圆管结构。最后, 实现了基于圆管道的水凝胶细胞支架高效快速加工, 支架中圆管道壁厚800 nm、直径为8 μm。本文首次将飞秒激光全息加工技术应用于水凝胶三维支架加工, 解决了飞秒激光单点加工效率的问题。该技术在生物医学中具有广阔的应用前景。

搭建了能够在二维方向上实现纳米级定位的二维自动定位系统。首先, 加工了栅格间距为5 μm的64×64编码的透射式二维零位光栅; 然后, 分析设计了光栅系统光电转换电路和数据控制电路, 实现了系统数据采集、显示和运动控制等功能。在此基础上搭建了基于二维零位光栅的纳米定位系统, 并利用积分法实现了二维方向的自动定位。实验结果表明, 系统定位速度对透射光强分布具有很高的依赖性, 系统一次定位的成功率与初始位置密切相关。若起始位置在以零位为中心, 半径为2.5 μm圆形区域内, 系统可实现纳米量级定位对准; 当起始位置在以零位为中心, 5～200 μm为半径的圆环范围内, 自动定位可能存在盲点, 但通过改变初始位置重新进行搜索, 仍然能够准确地实现纳米定位。

采用四个不同偏振方向的线偏振和圆偏振态飞秒激光扫描处理金属铁表面来制备不同的彩色铁。从不同角度观察被处理区域时，线偏振扫描处理的彩色区域呈现不同的色彩,而圆偏振扫描处理的区域没有明显的颜色变化。扫描电子显微镜图片显示，线偏振激光扫描处理金属铁表面形成了nm量级的激光诱导周期表面结构，其方向始终与激光偏振方向垂直；圆偏振激光扫描处理金属铁表面形成的条纹结构不明显且有大量的纳米颗粒结构。

为了提高飞秒激光加工的效率和灵活性, 设计了一套飞秒激光全息并行加工系统, 并对该系统中加载计算全息图(CGH)生成的多焦点均一性和空间位置分布的关系进行了研究。首先, 将空间光调制器(SLM)引入飞秒激光加工光路; 然后, 采用GS(Gerchberg-Saxton)算法设计了直线型和三角型分布的三焦点阵列。最后, 通过数值仿真和实验研究比较了用两种不同空间分布的焦点列阵设计的全息图对均一性的影响。 结果表明, 在焦点阵列间距较小的情况下, 直线型分布设计的焦点阵列不易获得好的均一性, 三焦点U仅有79%; 而用三角型分布焦点阵列设计时, 可以获得很好的均一性, 三焦点U约等于100%。实验数据表明, 三角形分布的三焦点可以实现高质量的并行加工, 加工的半球状微结构阵列具有微透镜阵列的功能。