（1）教学理论目标
掌握高功率短脉冲强激光核心光学元器件工作原理、瞬时高温、高压等离子体形成原理、激光冲击波时空分布及冲击波压力计算模型、高强合金激光冲击强化原理，应力-组织协同的抗疲劳制造调控准则。
（2）教学实践目标
了解激光冲击强化设备的结构组成、工作流程及操作步骤；掌握试样吸收层/约束层的制备方法；学会编辑激光加工工艺参数，实现激光束与两个机械臂（分别控制工件和柔性约束层）的协同运动；掌握激光冲击强化效果测试方法，如残余应力、显微硬度、微观组织、疲劳性能等；数值模拟结合实验结果分析激光能量、光斑直径、冲击路径等关键工艺参数对激光冲击强化效果的影响规律，获取较优工艺参数组合。
（3）课程思政目标
一是培养学生家国情怀，树立产业强国、争做大国工匠的品质；二是培养学生努力进取的品格，敢于和善于探索、不轻言放弃，善于团队协作和沟通交流；三是帮助学生树立正确价值观，形成爱岗敬业、诚实守信的职业素养，自觉遵守规章制度，培养学生的职业道德；四是培养科学发展观，充分认识本专业领域的现状及发展趋势，综合考虑经济性、环境可持续发展等问题，促进学生发现问题、科学探索，培养创新思维。
（1）Nd:YAG纳秒固体激光器工作原理
激光器是形成并输出高功率短脉冲激光的光学元器件，其内部基本结构如图1所示：由Nd:YAG振荡器、多级放大器、隔离器、能量计、冷却滤光系统以及激光电源等构成，工作中涉及电光Q调制等基本过程。
1. 90反射镜1；2. 电光Q开关；3. 波片1；4. 偏振片1；5. 振荡器；6. 90反射镜2；7. 45反射镜1；8. 45反射镜2；9. 石英片1；10. 凹透镜1；11. 凸透镜1；12. 第一级放大器；13. 45反射镜3；14. 45反射镜4；15. 偏振片2；16. 隔离器；17. 波片2；18. 偏振片3；19. 爬高镜；20. 凹透镜2；21. 凸透镜2；22. 波片3；23. 45反射镜5；24. 45反射镜6；25. 第二级放大器1；26. 石英片2；27. 第三级放大器2；28. 45反射镜7；29. 45反射镜8；30. 石英片
图1 纳秒固体激光器内部主要结构
振荡器的基本结构如图2所示，工作物质是四能级系统的晶体材料：掺杂Nd3+离子的钇铝石榴石晶体，简称Nd3+:YAG；以惰性气体放电灯（氙灯）为泵浦源，为工作物质中的粒子数反转提供光能，振荡器工作过程中的能量转换过程如图3所示。
图2 固体激光器振荡器的基本结构
图3 能量转换过程
当需要大能量激光时，可根据需要采用多级行波放大，放大器逐级扩大激光束的孔径，而每级的工作物质长度可以缩短，有利于防止超辐射和自聚焦的破坏。激光器与放大器串接工作过程示意图如图4所示。
图4 激光器与放大器串接工作过程
放大器的级间耦合会形成自激振荡或经行波放大而造成强的超辐射现象，不仅降低了放大器的增益，而且会因影响激光振荡器的稳定工作。在高增益的多级放大系统中，各级之间必须插入隔离元件来阻止各级放大器之间的反馈，其作用是只允许光信号从振荡器通向放大器，或从前级放大器通向后级放大器，但不允许光信号逆行，从而达到使放大的光信号单向通行的目的。
（2）激光冲击波时空分布原理
激光冲击利用高峰值功率密度、短脉冲激光辐照金属表面，金属表面吸收层在短时间内吸收激光能量并产生瞬时高温、高压等离子体，由于等离子体受到约束层的约束，形成高压冲击波并向材料内部传播，从而诱导应力强化和组织强化效应实施材料表面改性。激光冲击波时空分布（如图5）和冲击波压力计算模型如下：
式中：Pmax为激光诱导等离子体冲击波压力，单位为GPa；A(t)为不同时刻下的压力因子；Z为折合声阻抗，单位为g/(cm2 s)；I为脉冲激光的平均功率密度，单位为GW/cm2 ；t为时间，单位为s；r为光斑内任一位置到光斑中心的距离，单位为mm；R为激光光斑半径，单位为mm；α为内能转化为热能部分的系数，一般取0.1~0.15；a、b为常数。
图5 激光诱导冲击波的时空分布(a)二维; (b)三维
激光诱导冲击波峰值压力Pmax的估算公式：
式中：Z为折合声阻抗；α为内能转化为热能部分的系数，一般取0.1~0.15；I为激光功率密度，其与单脉冲能量E、激光脉宽τ和光斑直径d之间的关系满足下式：
（3）应力-组织强化原理
激光冲击引起材料表面发生剧烈的塑性变形，诱导形成稳定的残余压应力，产生原理如图6所示。
图6 残余压应力场(a)激光冲击中; (b)激光冲击后
残余应力估计模型为
其中：v是材料泊松比；σx、σy分别表示材料在X和Y方向的残余应力；E是材料弹性模量；x是塑性形变影响层深度；k和b是材料自身的常量。
团队采用了透射电子显微镜研究了304不锈钢在多次激光冲击下的微观结构演变和晶粒细化，揭示了面心立方晶体（FCC）材料在极低堆垛断层能量下的塑性应变诱导晶粒细化原理。
图7 不同次数激光冲击强化引起的表层微观组织演变示意图
1、模块一：实验准备环节
教师布置实验任务，学生按小组进行讨论，学习熟知实验原理、实验方法、操作步骤等，并完成实验的演练。根据实验要求确定试样参数并线切割机加工、对试样表面进行打磨、研抛和清洗，且在待强化工件表面涂覆吸收层。在此过程中，教师进行监督和指导，让学生了解所学专业和高端装备关键构件抗疲劳制造行业的现状及发展趋势，帮助解决过程中出现的共性问题，并适时进行总结；
2、模块二：出光过程探究
学生分组后，教师分配不同的任务。要求学生探究高功率密度激光产生原理，振荡器高压灯高压输入后，调节Q开关振荡器以产生高强度和短持续时间的脉冲，通过光束扩展器调整光束大小，通过调节隔离器控制多级放大器增益，依次进行一级、二级和三级放大器高压灯输入使放大器工作，以保证光脉冲信号通过时得到的增益大于介质内部损耗，脉冲信号持续增强，从而获得所需激光能量。通过反复设计的过程，培养学生知识运用能力、动手实践能力以及努力进取、探索规律的品质；
3、模块三：工艺参数设计
学生通过模块二出光过程探究，学习和掌握了激光能量、脉冲宽度等的调节方法，在此基础上，根据选定高强合金材料种类及试样尺寸进行激光对焦、激光参数设置、强化区域设置及运动参数设置；通过本实验环节，学生明确了激光冲击强化工艺流程，实现了激光束与两个机械臂(分别控制工件和柔性约束层)的协同运动，深刻认识激光能量、光斑直径、脉冲宽度、光斑搭接率、冲击路径轨迹和填充方式等工艺参数的作用和重要性，在此过程中，提升学生的创新实践能力，充分认识生产过程中的生产成本和加工效率问题，提升学生的经济效益分析能力；
4、模块四：组织性能分析
激光冲击强化完成后，关闭各组件电源并进行试样后处理，开展试样显微硬度、粗糙度、残余应力、拉伸强度、微观组织和疲劳寿命等性能测试，分析不同激光冲击强化工艺参数对高强合金试样组织和性能的影响，绘制相应的参数-性能关系曲线图，通过结果分析和实验探究，掌握材料力学性能、微观组织结构和服役寿命的变化规律，最终获得较优工艺参数组合；要求学生课后利用ABAQUS和MSC. Fatigue数值分析模拟软件对激光冲击强化后的残余应力场及疲劳寿命进行深入模拟与优化，剖析高强合金不同材料-工艺-组织-性能相互关系，在此过程中，促进学生发现问题、分析解决问题，勇于探索，培养创新思维。
最后，提交实验报告，系统自动给出实验成绩。由教师进行评估，并针对实验过程中出现的问题与学生进行线下的总结和讨论，挖掘解决上述问题的基础知识或专业知识，帮助学生树立正确的价值观，培养学生遵守规章制度，树立爱岗敬业、诚实守信的职业素养。