以TC4钛合金为研究对象，采用数值模拟与试验相结合的方式，研究了激光冲击TC4钛合金表面金属塑性变形和体积流动规律，分析了塑性变形驱动金属表层体积流动、应力重构、晶粒细化的机制。研究结果表明：激光冲击塑性变形使得光斑中心区域材料向着边缘及材料内部流动。整体塑性变形体积数值计算结果显示：当功率密度为1.58、2.25、3.02 GW/cm²时，表面凹坑体积大致等于内部正向变形体积与表面环状凸起体积之和，在无相变体积改变的情况下，试件整体塑性变形符合体积不变定律；不同激光功率密度作用下的表面残余应力分布与表面塑性变形分布规律大致相同，存在对应关系；表面凹坑变形、环状凸起变形、内部凸起变形各区域粒径尺寸分别为99、108、136 nm，晶粒细化程度在表面凹坑区、环状凸起变形区域、内部正向变形区域依次递减。此外，光斑边缘出现的微凸起变形在受到搭接激光冲击作用后，再次发生塑性变形，微凸起变形在冲击载荷方向被压回，向着材料内部流动；凹坑表面各光斑边缘处依旧存在较小的微凸起变形。

采用脉冲激光对7050-T7451铝合金表面进行了激光冲击强化处理。利用X射线衍射仪(XRD)和场发式透射电镜(TEM), 获得了试样表面衍射图谱和微观组织形貌, 建立了激光冲击强化7050-T7451铝合金表面的微结构响应模型。结果表明, 当激光功率密度为1.83 GW·cm-2时, 试样表面发生了过饱和固溶体的失稳分解；当激光功率密度为2.34 GW·cm-2时, 试样表面的晶粒尺寸增大；当激光功率密度为2.85 GW·cm-2时, 试样表面产生了纳米晶。激光冲击强化7050-T7451铝合金表面的XRD图谱与TEM分析结果具有一致性。

以波长为720 nm处的散射光强I720为评估光学参数，探讨了激光热毁损过程中用远中心处双点光学参数实时评估近中心处热毁损效果的可行性。首先，对离体猪肝进行激光热毁损实验，实时采集距离毁损中心4，8，12 mm处的I720，当8 mm处的I720上升至初值的6倍时停止加热，共进行20组实验（A组），构建加热时间、8 mm和12 mm处I720上升倍数与4 mm处I720上升倍数的数学模型；然后，分别以4 mm处I720上升至初值的3、4、5、6倍为停止加热的条件，重复上述热毁损实验和实时数据采集，每种条件下各进行10组实验，共40组（B组）；最后，对B组实验的样本进行切片分析，建立I720上升倍数与毁损效果的对应关系。实验表明，利用加热时间、8 mm和12 mm处I720上升倍数估算4 mm处I720上升倍数的准确率可达90%以上。可用远离加热中心的双点光学参数实时评估近中心处激光热毁损效果。

提出了利用近红外散射光谱对生物组织热毁损程度进行实时鉴别的一种新方法。 实验首先分别用功率3.5, 5, 6.5和8 W的808 nm脉冲激光对新鲜离体猪肝进行热毁损, 在距离毁损中心10 mm处实时采集近红外散射光谱和温度, 以最小二乘法拟合得到波长830～900 nm处的光谱斜率(S830～900), 将其不同上升幅度为条件结束加热。 其次, 对光谱采集点附近的组织作病理切片, 根据组织学特征进行评分, 采用3级评分制(3分为完全毁损, 2分为部分毁损, 1分为无效毁损)评估毁损程度。 最后, 分析加热期S830～900最大上升幅度、 降温后S830～900最终稳定值与病理分析的毁损程度之间的关联。 结果表明, 一般情况下, 若加热期S830～900上升至初值的4倍以上、 降温后最终稳定于3.5倍以上, 对应组织为完全毁损; 若S830～900加热期上升2～5倍, 降温后最终稳定于1～1.5倍, 对应组织为无效毁损; 其余为部分毁损。 根据分析结果, 首次建立了光谱因子与热毁损程度的关联, 利用加热期S830～900的最大上升幅度与降温后的最终稳定值来鉴别组织毁损程度, 可以很好的降低实验对象个体差异性对判断结果的影响, 具有很好的鉴别效果, 其准确率达到90%以上, 实现了组织热毁损程度实时、 准确的鉴别, 为组织热毁损实时监控提供了一种新思路。

探讨了基于可见-近红外光谱的生物组织激光热毁损实时监测的可行性。采用5 W、 808 nm激光对新鲜离体猪肝进行了热毁损实验,在距离毁损中心4、8、12 mm处实时采集可见-近红外光谱(330～1100 nm), 选取波长720 nm的散射光强(R d 720)作为评判因子。结果表明:加热初期R d 720随组织温度升高而快速增强,光 谱测量点与毁损中心距离越小, R d 720上升越快；达到有效毁损后,若保持加热,则温度继续上升 而R d 720趋于平稳;停止加热后,组织温度逐渐恢复到室温,而R d 720微降后基本保持不变且远高于初始值。 由此可见,生物组织的可见-近红外散射光强可以作为激光热毁损实时监测的一项重要参数。

为研究激光冲击波在690高强钢薄板中的传播机制，对690高强钢薄板经激光冲击后的动态响应以Hyperworks、LSDYNA为平台进行模拟，用聚偏氟乙烯压电传感器进行测量，将模拟结果与实验结果对比研究试样动态应变特性，建立了高应变率条件下表面动态应变模型和690高强钢薄板激光冲击波加载模型。研究结果表明，在功率密度为12.7 GW/cm²的激光加载下，通过改变表面测量位置和试样厚度测得表面Rayleigh波波速为3.08×10³m/s、纵波的波速为3.09×10³m/s；表面Rayleigh波传播速度模拟值为3.24×10³m/s，模拟结果与实验结果有较好的一致性；通过调整激光功率密度可分离剪切波和表面Rayleigh波。实验数据证明690高强钢表面动态应变模型准确可靠，激光冲击波加载模型可描述激光冲击波在690高强钢薄板中的传播机制。

为研究激光冲击7050铝合金薄板试样形成残余应力洞的机制，分别使用功率密度为1.98 GW/cm²和2.77 GW/cm²的激光冲击7050铝合金试样。采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件模拟分析了在功率密度为1.98 GW/cm²的激光束冲击下的薄板试样。实验中利用X射线应力分析仪测量薄板试样和厚板试样的残余应力分布，利用压电薄膜传感器测量激光冲击时试样的动态应变，并利用三维显微系统观察激光冲击区域的表面微结构。实验结果表明，功率密度为1.98 GW/cm²和2.77 GW/cm²的激光束冲击7050铝合金薄板试样后均产生了残余应力洞现象。反射边界条件下的模拟结果与实验数据具有较好的一致性，表明稀疏波在光斑中心的会聚是产生残余应力洞现象的主要原因。由残余应力分布和动态应变可知，在试样内来回反射的冲击波对残余应力洞的影响不容忽视；功率密度为2.77 GW/cm²的激光束冲击加载后，薄板、厚板试样冲击区域中心的厚度分别比临近区域的厚度大10.800 μm和8.150 μm；在表面稀疏波与冲击波的共同作用下，试样表面均产生了残余应力洞现象。

阐述了激光冲击强化(LSP)技术定量调控表面残余应力的最新研究动态，重点论述了激光冲击研究中的主要问题，指出激光与材料相互作用、表面残余应力、微观组织变化多尺度表征是激光冲击强化技术研究的新热点。在此基础上,对激光冲击强化技术在表面残余应力定量调控和海洋工程重型装备制造中的应用进行了展望。