为实现孔径和锥度可调的微孔加工，设计研制了一种基于双振镜组联动与Z轴上下移动的五轴四联动激光旋切系统。建立了微孔激光旋切物理模型，首先利用边缘轮廓确定微孔形状，再通过分层回型填充方法确定每个激光作用点的位置；然后基于聚焦光束不被遮挡和振镜偏转整体运动量少的原则，确定四个振镜的偏转角度；通过改变边缘轮廓端点数据，可分别实现方孔尺寸和锥度的灵活可控。采用15 W紫外皮秒激光器、两套相同的振镜和焦距为32 mm的远心透镜，配合三维平移工作台，搭建了激光旋切硬件系统，自主开发了多边形激光旋切控制软件。实验采用分层降焦打孔的方式，在厚度为250 μm的氮化硅材料上实现了55 μm×55 μm规格的正锥、零锥、负锥方形微孔的加工，并且还实现了不同孔径（30~80 μm）零锥方形微孔和三角形、五边形、六边形等其他形状微孔的加工。

搭建了一种基于液体变焦透镜和振镜的三维光片显微成像系统，设计了振镜、液体变焦透镜、相机的同步控制采集成像系统，通过调谐振镜和液体变焦透镜，使得光片激发样品和成像同步，获得样品不同切面的图像堆栈并实现样品的三维重建。当采用数值孔径为0.3、放大倍率为10的成像物镜时，该系统的轴向扫描范围为507 μm，横向视场达到1970 μm×1300 μm，横向分辨率为1.32 μm，轴向分辨率可达12.75 μm。在轴向扫描过程中，系统的放大倍率保持恒定，可以用于对一定尺寸生物样品的成像实验和相关研究，并通过对斑马鱼胚胎进行成像验证所提系统对厚生物样品成像的可行性。

为了提高激光淬火硬化层形貌的均匀性，提出了一种基于振镜变速扫描的激光淬火光学系统。系统由QBH(quartz block head)、准直聚焦一体镜、单轴振镜和振镜变速扫描控制系统等组成。通过设定振镜扫描系统的变速区域宽度和变速系数，可实现能量中间低、两端高的“鞍形”光场分布。建立了重复变速扫描系统的等效热作用光场模型，并通过ANSYS软件模拟了45钢激光淬火过程中的温度场。重点分析了振镜扫描系统的变速系数和变速区域宽度对淬火后相变硬化层均匀性的影响。仿真结果表明，变速系数或变速区域的增大改善了硬化层的均匀性。采用千瓦级光纤激光器作为光源，进行了等变速区域不同变速系数的激光淬火实验。取硬化层深度降低至最大值90%的位置作为匀化区域的边界，变速系数为0.8时获得的硬化层的匀化区域宽度为5.1 mm，比振镜匀速扫描的匀化效果提升了约42%，实验结果与仿真结果吻合较好。

线结构光振镜扫描测量系统通过单个反射镜片摆动实现被测对象三维面形的测量,具有环境适应性强、测量速度快和结构紧凑等优点。为降低系统装调难度、提升标定方法的通用性,提出了直接建立反射激光平面方程系数与振镜摆角关系的标定思路。考虑系统各元件间的相对位姿关系,推导并得到了激光平面各系数与振镜摆角的一般表达式。根据特定摆角处得到的激光平面方程系数,采用最小二乘方法得到该表达式中的待定系数。实验结果表明,采用所提方法标定的测量系统对阶梯块高度测量的最大相对偏差为-0.3029%,成功实现了复杂曲面的多尺度特征获取。

为了提高微型无人机(MUAV)的续航时间, 基于二轴扫描振镜的工作原理, 设计了一套激光对MUAV的远程实时跟瞄充电系统。系统采用硅光电池阵列作为光斑位置传感器, 其信号经扫描跟踪算法处理后, 在地面与MUAV间建立起无线数传反馈链路, 控制二轴扫描振镜改变激光发射方向, 实现激光束对MUAV的扫描与实时跟踪; 同时硅光电池阵列也作为充电器件, 实现对MUAV的实时充电。结果表明,当MUAV在高度为80m、直径50m圆形区域内以低于2m/s速率飞行时, 可实现激光对MUAV的准确跟踪, 跟瞄精度小于0.63mrad。该系统具有跟踪速度快、瞄准精度高的特点,为激光对移动目标的远程实时能量传输提供了一种有效的解决方案。

采用振镜进行加工的激光切割设备，为了提高切割精度，首先需要对振镜进行标定，通行的标定方法是使用振镜在金属片或其他刚性材料上切割出一组具有固定图案（通常被称作mark点）的阵列，然后用相机逐一读取该阵列中每个图案的具体位置，据此计算校正网格并实施校正。圆形和十字形是两种最常使用的mark点形状。对这两种mark点对振镜标定精度的影响进行了对比试验，结果表明，圆形mark点标定的精度更好。在平台重复定位标准差约为1 μm的情况下，圆形mark点标定后的振镜平均误差为1.99 μm，标准差为1.09 μm；十字形mark点标定后的振镜平均误差为2.95 μm，标准差为1.60 μm。

飞行高度1000 m、飞行速度200 km/h的机载激光雷达（LiDAR）在测量海域的海底地形时，需要控制LiDAR中的二维振镜扫描系统，使激光脚点达到探测幅宽350 m以上、扫描网格点密度在1 spots/m²以上的圆锥扫描轨迹。根据二维振镜结构的特性，本文通过改进的Bresenham算法生成控制系统中步进电动机的触发信号，并对由二维振镜系统导致的光束横向偏移误差进行补偿，使扫描角误差降低至0.24 mrad以下。通过仿真实验验证了Bresenham算法可使机载LiDAR的二维振镜扫描系统达到水面激光脚点密度1~5.59 spots/m²和扫描角10°~60°的圆锥扫描，进一步证明了由算法导出的触发信号有效性。

为了解决激光振镜加工中由于数据点集过于密集导致激光在单点停滞时间过长引起激光烧蚀问题, 将原始数据点集经过稀疏化、曲线点集分段、三角二分法贝塞尔曲线拟合数据处理, 转换成由少量直线和曲线构成的实体, 在激光路径输出时, 根据输出放大倍数的大小及曲线曲率大小对曲线进行整体的适应性插补, 从而解决因放大倍数不同引起的数据点过密或过疏的问题, 并通过对前后数据以不同的标刻分辨率进行标刻。结果表明, 在保证拟合后的加工误差不超过2μm下, 解决了数据过密引起的激光烧蚀问题; 在高放大倍数下也具有平滑的加工效果, 具有更高的加工效率和质量。此研究为高密集数据激光加工提供了参考, 在高质量激光加工领域如激光精密刻蚀有良好的应用前景。

激光选区熔化(SLM)技术是目前最主要的激光粉末床熔融制造方式之一。SLM技术是基于逐层制造成型的过程,其工作时间成本一直是该技术领域的重要科学问题。该研究将为激光选区熔化多振镜系统的打印时间预估提供一种准确的算法及计算思路。铺粉式的激光选区熔化设备的打印原理主要涉及铺粉模块将金属粉末均匀地铺在制造成型区域和振镜扫描系统完成制造成型的扫描打印工作。该算法基于铺粉式的激光选区熔化设备的打印原理,采用多振镜激光选区熔设备软件控制系统编程,将算法程序集成到设备控制系统之中。该算法先通过模型图和工艺参数来计算得出激光选区熔化设备的扫描系统理论打印时间,再通过设备控制系统在打印过程中获得各个计时单元铺粉模块实时运行的时间,并采用计时单元内铺粉模块的算数平均值来提高各计时单元内铺粉模块时间预估精度。利用SLM设备扫描系统的实际运行时间和时间预估数值的差异,进行校正参数的实时修正。通过累加SLM设备每一层的打印时间,最终得到较为准确的制造成型时间预估。实验验证表明,十小时以上的打印任务中,打印预估时间和实际打印时间之间的偏差率小于±1%。本研究的算法可以准确地得到打印任务的工作时长,为SLM控制系统提供一种有效的时间预估方法,在帮助企业合理计划生产任务、预估打印成本和控制系统优化方面提供了新方向,有助于推动SLM设备和控制系统的持续发展。