随着超快激光“冷加工”技术的发展, 超快激光逐渐开始应用于文物保护领域。针对古城墙文物表面污染物清洗的应用需求, 制作类城墙的大理石文物及表面污染物模拟样品, 进行基于皮秒激光的文物样品清洗实验研究, 并与纳秒激光清洗的效果进行对比。实验中采用共聚焦显微镜观测和荧光能谱仪成分分析等手段, 改变激光输出能量, 清洗次数和扫描速度等激光清洗参数, 在不损伤大理石基底并综合考虑清洗效率和清洗效果基础上, 寻找优化实验参数。实验发现皮秒激光清洗优化参数为激光功率18W, 扫描速度1000mm/s, 清洗次数8次。清洗后主要污染物硫元素占比下降94.57%, 清洗后区域表面粗糙度为1.267μm。综合考虑清洗后污染物成分占比、表面粗糙度等方面, 皮秒激光清洗大理石文物样品的整体效果优于纳秒激光清洗区域。

交叉验证是用于验证模型性能的一种统计分析方法, 可避免由训练集与测试集重合引起的过拟合。 进行交叉验证时通常使用交叉验证均方根误差（RMSECV）的均值来表征多元素的分析准确度。 但对于激光诱导击穿光谱（LIBS）用于多元素分析的情况, 发现各元素的RMSECV与其在样品中的浓度范围可近似用线性关系表述, 由于不同元素在样品集中的浓度范围差异很大, 不同元素之间的RMSECV差异较大, 实验中C与Cr在样品集中的浓度范围差异为28.11倍, 其RMSECV差异达到8.96倍。 发现RMSECV均值对于个别元素过于灵敏, 在数据优化过程中, 可能导致其不能反映大多数元素的分析准确度变化趋势。 为减小RMSECV均值对不同元素的灵敏度差异, 更全面地表征多元素的分析准确度, 提出了多元素的RMSECV标准化方法, 即将各元素的RMSECV与该元素在样品集中的浓度范围相除, 并引入标准化交叉验证均方根误差（SRMSECV）的概念。 LIBS检测受测量条件波动（如激光脉冲能量、 振动等）等不确定因素的影响, 会引入异常光谱, 并对分析准确度产生负面影响。 为通过滤除异常光谱来提高多元素分析准确度, 利用光谱面积筛选对光谱数据进行预处理, 以同一样品下各张光谱的面积中位数为中心, 选定某一光谱面积区间, 舍弃该区间之外的光谱, 并使用余下光谱用作定量分析。 在此基础上, 通过对0.5 Pa真空环境下的10块Ni基合金中的14种元素成分进行的多谱线内标法定量分析展开实验验证。 标准化后各元素RMSECV的相对标准差（RSD）由68.7%减小至48.9%, 元素间的RMSECV的最大差异由8.96倍降低至3.93倍, 表明SRMSECV均值能够较全面表征多元素的分析准确度, 从而有利于实现定标曲线的全自动优化。 在优化面积筛选跨度下, 各元素定标模型的决定系数（R2）均值与SRMSECV均值都得到一定程度的改善, 证明光谱面积筛选对于提高多元素分析准确度的价值。

激光热负荷研究的关键在于简易、可控、高效、准确地模拟实际工况下零部件表面所承受的热负荷温度场分布,为此采用一种非对称非均匀分布整形光束作为热源加载气缸盖表面,数值模拟的温度场分布与实际工况下一致,并进行气缸盖不同功率下的高周和低周热负荷试验.试验结果表明,采用温度控制和时间控制模式可以有效进行高低周热负荷试验,此结果可为后期疲劳分析奠定基础.

为了提高激光表面硬化的加工效率，可采用线状点阵分布光束取代原始单点高斯分布光束作为加工光源。利用均匀采样的Dammann光栅设计了线状点阵分布整形光束，对比了三种评价函数参数修订下的设计输出，其中一种修订方法得到较均匀输出，其他两种修订方法得到低零级的输出结果。设计并制作了一种非均匀线状多点阵分布整形光束用于实际表面硬化，得到的加工效果与设计要求相一致。

激光应用领域的逐步扩大，对激光光束空间强度分布提出了越来越高的要求。为了实现激光光束的空间强度分布多样化，利用衍射光学原理开展了激光光束整形研究。针对不同输出光束的空间光强分布特点，选用了不同的具体设计方法，分别利用Dammann光栅、几何变换法、GS算法设计实现了点阵、多圆环、线状和非对称图样等分布的整形光束，并利用空间光调制器对计算相位的实际整形效果进行了验证。实验结果表明，衍射光学用于激光光束整形研究具有设计灵活的特点，且整形后的输出光束均能够满足设计要求，可为激光整形技术的深入研究提供参考和依据。

为了满足不同材料的精细加工需求，采用三波长皮秒激光器作为光源，配合自行设计的光学系统和控制系统，研制了三波长同轴输出皮秒激光精细加工系统。该系统可使用任意一种、两种或三种激光波长进行同工作距加工，通过轴向色差补偿设计，实现轴向焦点补偿最大距离0.4 mm，最小焦斑直径为3 μm。初步探讨了该系统在微电子行业的应用，进行了铜电极板、手机屏的切割实验以及位置敏感阳极探测器图形的制作，实验证明该系统可满足多种材料的精细加工要求。

共焦显微术是一种重要的微小物体成像技术，由于具有高精度、高分辨率及容易实现三维重构图像的优势而被广泛应用于微纳三维形貌测量。近年来，并行共焦显微检测技术引起各国专家的广泛关注，该技术将单点扫描变为多路同时并行探测，大大提高了三维检测速度。综述了并行共焦显微检测技术的基本原理，系统论述了近年来国内外在并行共焦显微检测技术方面的研究进展以及作者在这方面的研究。按照实现并行检测的方法对7种并行共焦显微检测技术进行了分类介绍，并指出了各种方法的优缺点。最后总结了目前存在的技术难题，分析了未来的发展趋势，为我国进一步开展此项研究提供技术参考。

气缸盖激光热负荷试验采用整形激光束作为热源模拟实际工况下气缸盖承受的热负荷。为了使整形光束实际作用效果与模拟计算结果一致，需对激光加载下气缸盖有限元模型的相关参数进行校核。针对火力面结构采用不同光斑尺寸的激光束进行加载测温试验。建立了三维有限元分析模型，通过在合理范围内调整模型密度、比热、热导率和吸收率等参数取值，最终使模拟计算温度结果与实测结果相吻合、两者温度值误差与测温试验误差相当。此结果既为后续的热负荷试验奠定模型计算基础，也为其它零部件激光热负荷试验中模型参数的选择和校核提供参考。

针对大功率激光加工对光束空间强度分布的实际要求，提出了一种用二元光学元件对光束进行变换的方法，即利用均匀采样的矩形孔径Dammann光栅对激光高斯光束进行光束变换，可满足任意点阵分布的输出要求。以线状、均匀、环状和非均匀分布的光强输出为例，介绍了矩形孔径Dammann光栅光束变换技术的设计原理及实现方法，结果表明输出光强分布具有较高的衍射效率和均匀性。将均匀和非均匀分布的输出光束应用在激光加工技术的表面强化上，结果表明试样表面的硬度和耐磨性等力学性能均有提高并且强化层具有较好的均匀性。