高能纳秒脉冲激光在约束模式下产生的高强冲击波,在多个领域得到了应用,包括激光冲击波强化(LSP)、激光冲击波成形、激光层裂法检测涂层结合强度和激光冲击波植入等。其中,LSP技术是纳秒激光冲击波最重要的应用领域,它使待处理工件表面产生高幅大深度残余压应力层,从而大幅度提高工件待处理表面的疲劳寿命,由于LSP技术具有非接触、可控性强及可局部处理等优点,在航空发动机叶片、整体叶盘的抗疲劳制造方面该技术体现出了无可比拟的优势。影响零部件疲劳寿命的主要因素是疲劳破坏部位的表面完整性,主要涉及表面的粗糙度、冷作硬化程度及残余应力状况,当前针对LSP处理后表面完整性的研究以及残余应力场的研究为主,对表面粗糙度的关注较少；此外,拓展激光冲击波在其他领域的应用同样有着重要意义。本文利用纳秒脉冲激光系统在约束模式下产生的峰值压力高达数个GPa的冲击波,从理论和实验出发,开展了激光冲击波强化铝合金的表面完整性研究,对LSP处理后金属表面粗糙度的变化规律做了系统的研究,并通过模拟和实验的方法,在光斑尺寸和激光冲击波压力脉冲上对LSP工艺参数进行了优化；同时本文拓展了纳秒激光冲击波的应用范畴,发明了两种基于激光冲击波效应的微结构制造技术,即金属织网掩模激光冲击波微凹坑制备技术(NMLSP)以及激光冲击波微压印技术(LSPMI)。本文的具体研究内容如下：(1)激光冲击波强化中不同搭接方式下粗糙度的理论计算研究最常用的两种搭接方式即等腰直角搭接方式(AAP)和等边搭接方式(AAA)在不同的搭接率下对粗糙度的影响,通过理论计算推导在这些不同的搭接方式及搭接率下的各粗糙度参数括Ra、Rq和Rz的值,推导出了优化的搭接方式和搭接率。(2)对激光冲击波强化LY2铝合金表面完整性展开了全面研究研究LY2铝合金经激光冲击波强化后在一个光斑范围内的表面完整性,分析强化过程中表面出现的各种缺陷以及形成机理；研究不同的工艺条件下,不同的初始表面状态经激光冲击波强化后表面粗糙度、残余应力以及表面硬度的变化规律,发现在柔性接触方式下,无论初始表面粗糙度如何变化,粗糙度存在一个最终值,在刚性接触方式下,刚性薄膜对粗糙表面具有良好的修整能力；通过对最终表面完整性的分析对激光冲击波强化中表面质量的提高提供了理论依据和解决方法；进行了压气机LY2铝合金叶片在不同搭接率和搭接方式下的LSP试验,并进行了面粗糙度和线粗糙度的测量,通过实验验证了优化的搭接方式和搭接率。(3)激光冲击波强化金属中光斑尺寸及不同空间分布的压力脉冲对残余应力场的影响规律以纯铝为研究对象,利用ABAQUS软件仿真及实验手段研究激光冲击波强化中光斑尺寸对塑性影响层深度、表层残余应力场分布的影响规律,指出了Ballard模型预测的塑性影响层深度的存在一定程度的不足,发现了塑性影响层深度和激光光斑尺寸之间的关系：以纯钛为研究对象,利用ABAQUS软件模拟了不同空间分布的压力脉冲下残余应力场的分布规律,优化了激光冲击过程中空间压力的分布模式。(4)基于激光冲击波效应的微结构制造技术利用纳秒激光的冲击波效应,发明了金属织网掩模激光冲击波微凹坑制备技术(NMLSP),该技术利用金属编织网将脉冲激光进行分束,在LY2表面获得了微凹坑阵列,NMLSP技术处理的LY2铝合金的表面完整性进行了表征,发现虽然分束后的激光束截面是正方形的,获得的微凹坑却是圆形的,利用ABAQUS软件仿真以及实验手段分析了NMLSP技术制备微凹坑阵列的机理,发现采用NMLSP制造微凹坑阵列式存在着冲击波诱导的表面波相互干涉现象。同时对NMLSP技术处理的A304不锈钢表面的摩擦磨损特性进行了分析研究,发现利用该技术制备的微凹坑阵列表面提高了摩擦磨损性能；发明了激光冲击波微压印技术(LSPMI),对LSPMI技术制备的微压印进行了表征,获得了LSPMI技术在不同工艺参数下的获得的微压印的深度变化规律,并对微压印的形成机理进行了分析。