为解决高强铝合金激光增材制造过程中存在的孔洞缺陷、组织不均、晶粒粗大等难题，在摆动激光熔丝沉积的基础上引入超声能场是可行的抑制措施。搭建了超声辅助摆动激光熔丝增材制造试验平台，探究了超声功率、变幅杆压力、变幅杆输入位置对2319铝合金沉积层形貌和显微组织的影响规律并对超声工艺参数进行了优化。结果表明：变幅杆压力对沉积宏观形貌具有显著影响，随着压力的增大熔池横截面形貌逐渐趋于上宽下窄；超声参数对单道沉积层的晶粒尺寸有着明显影响，随着超声功率的增加晶粒尺寸先减小后增大，当超声功率占比（超声波发生器的输出功率占其最大输出功率的百分比）为40%时晶粒尺寸达到最小值70.9 μm。超声输入位置在熔池之后时晶粒细化效果更好，且在-10 mm处晶粒尺寸同组最低，只有80.9 μm。当变幅杆压力处于40~100 N范围内时晶粒的细化效果比较明显，晶粒尺寸在110~130 μm之间。观察多层沉积结果可知，超声的引入使得多层样品的平均晶粒尺寸降低了66.3%、增加了Al₂Cu强化相的含量并且抑制了Al的滑移面生长趋势。超声在熔池中传递所产生的声流效应和空化效应是使沉积层成分均匀、缺陷减少和组织细化的主要原因。

激光增材制造可实现高性能金属复杂构件整体化成形，在航空航天、汽车、医疗等领域具有广阔应用前景。但是，高斯激光作用产生不均匀温度场、极高的温度梯度以及不稳定的流场，导致飞溅、球化、气孔、残余应力和裂纹等缺陷及各向异性的微观性能，影响了该技术更广泛的应用。光束矫形和场辅助原位调控激光增材制造过程是控制缺陷产生的有效方法。综述了国内外在光束矫形以及热、磁和超声多场调控金属激光增材制造领域的研究进展，重点揭示外场-激光-材料-组织-性能间的作用机理，并对多场调控金属激光增材制造未来发展进行了展望，可为金属激光增材制造的高性能调控提供有益参考。

由于冲击载荷引起的动态霍尔-佩奇效应，高锰钢具有优异的形变硬化特性。研究高锰钢的激光重熔非均匀显微组织凝固原理及对超声滚压硬化行为的影响具有重要意义。对Mn13钢板表面先后进行激光重熔处理和超声滚压强化，通过扫描电子显微镜、场发射电子探针显微分析仪和电子背散射衍射仪分析了激光重熔高锰钢的显微组织和凝固过程，通过维氏硬度计和摩擦磨损试验机研究了激光重熔高锰钢的非均匀组织对超声滚压硬化的影响。研究发现：由于激光重熔过程的高温度梯度和高冷却速度，凝固组织从上到下依次为较薄的等轴树枝晶和垂直于结合面生长的柱状树枝晶，枝晶间为小角度晶界，且存在Mn元素的偏析；激光重熔高锰钢的非均匀组织在超声滚压下具有孪生硬化行为，表面硬度和耐磨性均有较大程度的提高。因此，激光重熔技术在高锰钢的表面处理领域具有潜在的应用前景。

通过测量板状材料中Lamb波的频散曲线可以反演出材料的特性参数，因而这种方法在材料表征、评价和无损检测等领域具有广阔的应用前景。基于移动激光源法测量了薄板中Lamb波的频散曲线，通过高速转镜使聚焦的激光线源在样品表面以与相应Lamb波模式匹配的速度移动，当激光移动速度与Lamb波相速度一致时，可以以较高的效率激发出此Lamb波模式。通过改变转镜的转速，即改变激光线源的移动速度，记录不同移动速度下所激发的Lamb波频谱，可以得到Lamb波的频散曲线。在此基础上，结合粒子群优化算法反演了铝板以及聚苯乙烯板中的纵波波速与横波波速。在仿真中，开展了不同模式和频厚积处频散特性对材料参数的敏感度分析，并比较了不同噪声水平下以及不同模态频散数据选取所对应的拟合效果，讨论了2500~4000 m/s相速度区间基于频散曲线的反演敏感度问题。最终基于移动激光源实验中所提取的铝板中Lamb波的频散数据进行参数反演，结果显示，纵波声速和横波声速的反演误差均小于1.5%，证明了该方案的有效性。

准确获取飞秒激光成丝横截面图像及其沉积能量空间分布信息，对于成丝动力机制研究和促进诸多基于光丝的实际大气应用发展具有重要意义。本文基于热传导方程和波动方程构成的光声信号前向仿真模型，理论模拟了利用环阵式光声层析系统接收飞秒激光在空气介质中成丝诱导产生超声脉冲信号的过程；然后，利用延迟叠加算法对飞秒激光大气传输成丝沉积能量横向分布图像进行了反向重建，并分析了测量系统中关键器件超声换能器的中心频率、带宽、表面尺寸和探测表面灵敏度等性能参数对光丝沉积能量分布图像重建结果的影响。结果表明，单丝诱导产生的声压脉冲信号频谱为单峰结构，而多丝声压脉冲信号频谱为多峰结构；相比于单丝图像重建，多丝图像重建受“孔径效应”影响更显著；换能器的性能参数对光丝图像的重建效果有显著的影响，换能器的带宽越大、表面直径越小，以及表面灵敏度系数越大，越有利于光丝沉积能量分布图像重建效果的提升。该研究结果可为真实大气条件下飞秒激光传输成丝沉积能量空间分布的实验测量提供一定的理论支撑。

针对目前激光选区熔化难以直接成形大尺寸、高强度铝合金构件的问题，对定向能量沉积（DED）连接激光选区熔化成形Al-Mg-Sc-Zr合金的工艺进行研究，分析缺陷分布的位置、形貌以及对力学性能的影响，对比分析定向能量沉积参数以及超声外场辅助下连接试样的微观组织、元素分布和力学性能，并通过热等静压进一步提升力学性能。结果表明：缺陷主要分布在基材与连接区交界的熔合区，密集气孔聚集导致熔合区硬度远低于连接区和基材的硬度，并使整体拉伸性能弱化。在75~150 J/mm²激光能量密度范围内，随能量密度增大，致密度和抗拉强度均提升。采用3000 W激光功率、5 mm/s扫描速率、3.7 g/min送粉速率，得到最高的熔合区硬度、连接区致密度以及抗拉强度，分别为90 HV、90.83%、203.38 MPa。超声外场辅助会促进Al₃（Sc，Zr）强化相的析出并细化晶粒，且能够有效减少气孔的数量和缩小气孔的尺寸。超声后试样的综合力学性能得到显著提升，熔合区硬度为95 HV，致密度为93.06%，抗拉强度为292 MPa，较未加超声时分别提高了5%、2.4%和44%。超声后采用热等静压的后处理方法，可使综合力学性能得到进一步提升，熔合区硬度为160 HV，致密度为99.99%，抗拉强度为405.71 MPa，较未热等静压时分别提高了68.4%、7.4%和38.9%。

超声复合激光制造技术通过施加外部超声以提升激光制造的加工能力与质量，已成为国内外研究热点。分析了当前超声复合激光制造技术涉及的耦合机理，并综述了超声在激光制造过程中的作用机制。根据超声振动模块与基体的接触模式将超声引入方式划分为固定接触式、移动接触式、非接触式，并分别阐述三种超声引入方式的优势与缺点。进一步，从增材、等材、减材制造三个方面全面讨论了不同超声引入方式和不同激光制造技术相结合的超声复合激光制造技术，探讨了不同复合制造技术的原理和技术特点，归纳了超声振动在激光制造过程中的影响规律。在当前研究进展基础上对超声复合激光制造技术的发展方向进行了展望。

目前光声成像中用于探测超声波的主流器件是基于压电材料的超声换能器，考虑到这类换能器的探测性能随器件尺寸的减小而大幅下降，科研者们近年来开始逐渐关注于小型化光学超声传感器的研究与开发。相较于传统的压电超声换能器，这些小型化的光学超声传感器通常具备较宽的探测带宽和与尺寸几乎无关的高灵敏度，在推动更深和更高分辨率的光声成像方面展现出了巨大的潜力。本文首先对光学超声传感器的发展历程进行了简要回顾，然后比较了3种重要的小型化光学超声传感器以及并行寻址的方法，其次介绍了这些传感器在光声活体成像方面的应用进展，最后展望了光学超声传感器的未来前景。

传统激光超声合成孔径聚焦技术（LU-SAFT）通常需要在待测样品表面以小步长扫描来提高横向分辨率，但小扫描步长会导致总检测时间过长，影响检测效率。针对这一问题，笔者提出了基于压缩感知的LU-SAFT方法，以提升扫描效率。该方法首先使用压缩感知根据稀疏扫描点处A扫信号的最大强度恢复出全场的扫描点A扫信号最大强度，进而确定样品表面的最优扫描区域，然后在最优扫描区域内进行扫描，最后对缺陷进行SAFT图像重建。在实验中，笔者采用脉冲激光在含有缺陷的样品表面激发超声，使用激光多普勒测振仪探测超声，并利用基于压缩感知的LU-SAFT方法对样品内部缺陷进行检测，以验证所提方法的可行性。实验结果显示：针对相同的扫描区域，传统LU-SAFT需要扫查500个点，花费3.15 min；与传统LU-SAFT相比，本文所提方法在扫描点数上减少了80%，在扫描时间上缩短了80%，并且缺陷的SAFT成像信噪比提高了约42%。本文研究内容及结果可为激光超声无损检测提供更快速的检测方案。