激光破岩技术在油气开采、矿业挖掘等方面具有很大潜力，然而现阶段有关激光破岩的多数研究还处于理论与实验探索阶段。高能激光钻井破岩是一项涉及光学、材料、力学等学科的复杂技术，需要对激光与岩石作用过程中的物理化学变化、岩石力学性质、激光参数等问题进行研究，在实际应用之前有许多难题需要解决。本文针对激光与岩石作用机理，对近年来的相关研究成果在多方面进行了归纳总结。现阶段对激光破岩机理的研究仍在不断进行，其中数值仿真、实验研究是研究激光破岩的主要方式。此外，本文还总结了激光破岩的应用研究进展，并分析了未来激光破岩的发展趋势。

已知不同的激光参数组合可在不锈钢表面产生同种颜色，为探究参数和颜色之间的确定性关系，选用波长为1064 nm、最大输出功率为20 W的主控振荡器功率放大器（MOPA）光纤激光器进行实验研究，通过分光光度计对彩色样品的色彩、可见光谱进行采集分析，利用扫描电子显微镜对彩色样品的氧化膜厚度和表面形貌进行测量。结果表明，激光扫描速度、激光重复频率和激光功率按比例同时改变，可在不锈钢表面产生极其相似的色彩和氧化膜。该研究对激光彩色打标的实际应用具有较大的指导意义。

为探究激光的单脉冲能量密度、光斑重叠率、扫描次数对激光熔凝层耐蚀性的影响规律，首先采用单因素激光熔凝实验法在Q235B钢材表面制备激光熔凝层，然后采用显微镜研究激光熔凝层单位面积内的微裂纹分布，并采用电化学分析方法研究熔凝层自腐蚀电位和自腐蚀电流密度的变化规律。以最大自腐蚀电位和最小自腐蚀电流密度为目标进行激光参数优化，得出单脉冲能量密度为3.82 J/cm²、光斑搭接率为80%和扫描次数为4的激光最佳参数组合。分析表面及切面的X射线能量色散谱和X射线衍射谱发现，最佳激光参数组合下制备的激光熔凝层（最佳激光熔凝层）由内至外的组织为Fe渐变氧化层过渡至以Fe₃O₄‐FeO混合结晶为主的Fe稳定氧化层。将最佳激光熔凝层与Q235B钢碱性发黑层的电化学阻抗谱、表面粗糙度、X射线能量色散谱和X射线衍射谱进行对比后发现，最佳激光熔凝层的耐蚀性约为碱性发黑层的3倍，这得益于熔凝层中Fe稳定氧化层更低的表面粗糙度和微裂纹密度、更少的氧化漏点以及可防止过度氧化的特点。

加工效率低、表面完整性差以及严重的刀具磨损是微细铣削TiAl金属间化合物的主要原因。提出一种激光诱导可控氧化辅助微细铣削的复合加工方法,针对纳秒脉冲激光诱导氧化TiAl金属间化合物开展研究。主要分析了不同激光参数以及辅助气体对材料氧化行为的影响规律,揭示了TiAl材料的氧化机理以及氧化层与过渡层的形成规律与特征,为后续微细铣削加工中的参数选择提供了理论依据和数据支持。研究结果表明:TiAl材料在激光辐照下发生氧化反应并生成了疏松易去除的氧化物,生成的氧化层与过渡层随着激光能量密度的增大而变得越厚;随着激光扫描速度的加快,氧化层厚度逐渐减小,而激光扫描速度对过渡层厚度的影响不显著。此外,在相同的激光参数下,富氧环境对材料的氧化效果最佳。TiAl金属间化合物在优化的激光参数(激光能量密度为8.82 J/cm ²和扫描速度为1 mm/s)和富氧环境氛围下获得的氧化效果较优,生成的氧化层与过渡层厚度分别达到了66 μm与22 μm。

表面镀金属薄膜的复合材料具有耐热、抗辐射和低膨胀率等特点, 是一种应用于航空航天、信息传导等领域中电磁波传输控制的高效透波材料。以复合材料基底不损伤为前提, 实现对特定金属覆膜结构的精准、低损剥离刻蚀是其发挥功能的必要条件。本文针对铝覆膜石英纤维复材结构的剥离刻蚀需求, 探索研究了超快飞秒激光扫描次数、光斑搭接、能量密度等关键参数对刻蚀结果的影响与表现。研究发现采用脉冲频率100 kHz、波长1 030 nm、脉宽480 fs的超快激光刻蚀时, 参数组合为：能量密度3.80 J/cm2,光斑搭接率60%,光束扫描次数为3次情况下, 可以实现基材纤维基本无损伤的铝膜刻蚀与剥离。上述研究结果可用于铝覆膜石英纤维复材结构件的低损激光刻蚀, 也可为其他类似结构的透波材料高质量超快激光加工提供研究思路和方法。

采用Nd:YAG激光器对硼磷合金铸铁缸套试样进行激光微孔加工。研究了激光能量密度, 脉冲次数, 重复频率和聚焦条件等参数对微坑几何形貌的作用规律, 采用3D共聚焦显微镜及扫描电镜观察分析了微坑表面形貌和尺度随激光参数的变化。发现随着激光能量密度和脉冲次数的增加, 微坑的直径和深度均逐渐增大, 但增大幅度随能量密度增加而逐渐减小; 微坑直径随激光重复频率的增加而减小, 随着负离焦量的增加而增加; 微坑深度随负离焦量呈先增加后减小的趋势。对激光辐照硼磷合金铸铁的烧蚀阈值进行计算, 在单脉冲辐照条件下硼磷合金铸铁的烧蚀阈值为8.4 J/cm2, 脉冲次数对材料的烧蚀阈值产生累积效应, 烧蚀阈值随脉冲数量增加而减小, 累积系数为0.87。

激光破岩技术是利用高能量激光实现地层复杂岩性岩石高效可控破坏的一种新型的钻井技术,在石油、天然气开采以及矿业挖掘方面极具发展潜力。然而,目前关于激光破岩技术的研究还处于室内实验和理论探索阶段,在工业应用之前还存在诸多难点。着眼于激光与岩石相互作用过程涉及的对象,总结了近年来关于影响激光破岩效果的研究成果,分析梳理了激光参数、岩石性质、激光传递介质、工作环境这四方面因素的影响机制,对现存问题和今后的研究方向提出了建议。众多的研究表明,不同类型的影响因素对激光破岩的作用机制不同,且影响因素众多。量化激光破岩多因素影响机制,筛选关键影响因素,协调多因素共同作用,是实现激光高效破岩技术应用的重要课题。

太阳光泵浦激光器可将太阳光直接转化为激光, 在空间太阳能发电站、深海等领域有着极大的应用前景, 而Cr,Nd∶YAG是一种很有潜力的太阳光泵浦激光介质。 本文以高纯Y2O3、α-Al2O3、Nd2O3、Cr2O3粉体作为原料, 采用固相反应法结合真空烧结技术制备了高光学质量的0.1%Cr,1.0%Nd∶YAG透明陶瓷, 并研究了其光谱特性和激光参数。根据太阳辐照光谱和Cr,Nd∶YAG陶瓷的吸收和发射光谱, 计算了不同条件下Cr,Nd∶YAG陶瓷激光器的泵浦率、阈值太阳聚光比、有效发射截面、饱和光强和阈值输入功率等激光参数。研究发现0.1%Cr,1.0%Nd∶YAG陶瓷(厚度为1.0 mm)在370 nm和1 064 nm处的直线透过率分别为81.5%和84.0%, 晶胞密度为4.57 g/cm3, 光学散射损耗为1.4% cm-1, 吸收带内的太阳辐照度约是太阳常数的 42%。上述研究结果表明Cr,Nd∶YAG陶瓷是理想的太阳光泵浦激光介质, 可通过优化聚光系统、泵浦方式和陶瓷尺寸获得高功率激光输出。

针对移动纳秒脉冲激光控制参数对Pb99.994铅锭标刻区域温度分布影响规律尚不明确的情况, 基于传热学理论, 分别建立了光纤式脉冲激光单脉冲和连续脉冲标刻金属表面的三维非线性温度场通用模型, 并通过单因素实验重点讨论了在单脉冲作用下不同水平的功率、频率和速度对温度的影响变化以及多脉冲条件下的累积效应。最后通过显微测量深度与模型计算深度对比, 验证了模型的准确性。实验结果表明: 单脉冲作用下, 功率对材料温度升温幅度影响最大, 功率由10 W升至18 W时, 中心点温度升高幅度约为2 000 ℃; 连续脉冲作用下, 速度是脉冲累积效应变化的主因, 脉冲累积效应对影响区域温度的提升不大, 而对标刻灰度有一定程度上的决定关系, 这为金属材料有效标识选择合适的工艺参数提供了参考依据。

5083铝合金表面极易形成微米级阳极氧化膜, 显著影响其焊接质量。实验采用波长1 064 nm的纳秒光纤激光器对5083铝合金表面的阳极氧化膜进行激光清洗试验研究。采用不同激光清洗工艺参数, 研究激光功率、扫描速度和脉宽对激光清洗效果的影响, 总结了优化的激光参数组合, 并验证此参数组合对应的清洗效果。研究表明, 激光清洗5083铝合金表面阳极氧化膜优化的激光清洗参数组合为功率P＝42 W, 扫描速度V＝4 725 mm/s, 频率f＝250 kHz, 脉宽T＝100 ns。扫描电镜结果显示, 阳极氧化膜可得到完全剥离, 清洗效果好。