将超高速激光熔覆技术取代电镀铬，可解决电镀铬工艺因重金属铬离子（Cr6+）污染，而被禁止或限制的工业应用问题。金属工件表面镀硬铬，集耐蚀性防护、装饰于一体，有着巨大的应用前景。我国超高速激光熔覆技术的研发，主要侧重点在于设备集成与工艺试验研究，缺少熔覆过程仿真模型。以超高速激光熔覆环形熔覆头为研究对象，利用FLUENT建立了基于非稳态粒子追踪技术的CFD仿真模型，开发了一种针对环形熔覆头激光熔覆粉末的温度场模型。对超高速激光熔覆工艺进行了试验与分析，建立了该过程的理论模型。通过仿真结果发现，超高速激光熔覆环形熔覆头可以形成半径0.8 mm的粉斑，熔覆头下方15~19 mm空间内粉末浓度最高，并通过试验对比验证了模型的可行性。

采用扩散冷却型激光器进行激光烧结金刚石微粉与金属粉末压坯试验, 研究了激光参数对金刚石微粉与金属粉末结合性能的影响, 分析了烧结体的烧结性能及耐磨性。结果表明: 光斑直径为8.5 mm时, 在激光功率550 W、扫描速度1 100 mm/min烧结条件下可获得金刚石颗粒、金属粉末二者具有最佳结合性能的烧结体。

国内高功率射频板条CO2激光器铜电极表面没有镀介质膜, 裸铜在放电程中, 表面容易氧化, 受激光电子溅射及激光损伤, 波导损耗大, 影响了激光器的出光效率。针对以上问题, 课题组研制了Al＋Al2O3混合波导介质膜, 对该电极膜层进行了成分分析, 测试了抗电子溅射能力, 检测了膜层表面对CO2光波反常色散特性。结果表明, 镀膜层主要成分为Al和O, 原子数Al∶O远大于2∶3, 膜层结构为Al＋Al2O3, 满足电极镀膜层结构设计。测试了不同角度下的反射率, 在掠入射角为10°～170°时, Al2O3膜层对波长10.6 μm CO2光波的最高反射率为85%。Al2O3镀膜电极2 kW射频板条CO2激光器, 电光转换效率平均为10.4%; 裸铜电极2 kW射频板条CO2激光器, 平均电光转换效率为6.5%。

针对高功率射频板条CO2 激光器铜电极表面放电氧化、受射频放电的电子溅射，致使电极表面不光滑，辉光放电不均匀，光波导损耗严重等问题。利用Al2O3波导介质膜具有的反常色散效应、耐高温能力强的特点，采用磁控溅射镀膜技术对激光器电极表面先镀Al，而后阳极氧化获得Al2O3 波导介质膜。分析了磁控溅射工艺对膜层结构的影响，测量了镀膜电极对CO2 激光的反射率，并进行了放电实验检测。结果表明，溅射功率为250 W 时可得到致密的镀膜层结构；厚度6 μm 的Al2O3 薄膜，对波长10.6 μm 的CO2 激光波导反射率最高达75%；电极镀膜后激光器输出功率在占空比为30%时为700 W，占空比为60%时达到了1300 W。

为了解决传统双放电盒横流5kW CO2 激光器双风道、风速小、体积庞大等问题, 研究开发了单放电盒横流5kW CO2 激光器, 采用气体动力学、放电区气体流场分析的方法, 在保证风机强度的前提下根据通风机原理设计了一款铝质轻型离心风机,风机的进口直径为382mm, 出口直径为451mm, 蜗壳宽度为160mm,并进行了实验验证。结果表明, 配置该风机的单放电盒的5kW CO2激光器提高了功率稳定性, 放电区气体平均流速从60.8m/s提高到75.5m/s, 缩小了弧光放电的面积, 改善了近场光斑的强度及均匀性, 采用铝制风机及单放电盒减小了激光器的整体重量和体积。这对CO2激光器向高功率、小体积、紧凑型发展具有重要意义。

针对2 kW射频板条CO2激光器离轴负支非稳波导混合腔的近场分布存在较多高空间频率分量，导致聚焦后会产生不可忽略的旁瓣,无法直接应用于激光加工的问题，对谐振腔的近场分布使用特征向量法和矩形波导的解析表达式进行了数值模拟和实验研究。并结合Collins公式研究了输出光束整形过程中光场分布的变化和整形系统中空间滤波器的优化设计。理论和实验结果表明：激光器输出光束在整形前为有较多高空间频率振荡的长条形的简单象散光束。通过带空间滤波器的整形系统消除旁瓣，并将初始的长条形的简单象散光束整形成近圆形、近基模高斯分布的光束。整形后的光束非稳方向的光束质量因子M2为1.1，波导方向M2为1.08。

针对常规的氧助激光切割带有尖角(≤30°)图形的中低碳钢板材过程中存在的尖角“烧蚀率”很高的问题，采用Rofin DC025板条CO2激光切割机系统，在优化的激光切割工艺参数的条件下，通过轨迹变换的方法，在3 mm厚的A3钢板上切割出多种带有尖角(≤30°)图形。系统研究了激光切割尖角图形的切割轨迹及参数对尖角“烧蚀率”的影响。结果表明，采用圆心在所切割尖角角平分线上，且通过该尖角顶点的圆形切割轨迹可大大降低激光切割尖角“烧蚀率”。且对于不同尖角大小(≤30°)该轨迹圆都存在一个最优补偿半径可把尖角“烧蚀率”控制在10%以内，获得理想的切割效果。

采用高功率横流CO2激光扫描钎料合金与金刚石颗粒。研究了激光工艺参数对钎焊层结合性能及金刚石热损伤的影响,分析了钎焊层与金刚石结合机制及金刚石颗粒在激光作用下的热损伤机制。研究结果表明,激光功率和扫描速度是影响金刚石热损伤及表面浸润的主要因素。在氩气保护下,粉末厚度为0.5 mm,激光光斑直径3 mm,功率为800 W,扫描速度为8.39 mm/s时,可获得金刚石颗粒、钎料合金、金属基体三者具有最佳结合性能的钎焊层。合金粉末对金刚石颗粒浸润良好,并发生冶金化学反应,生成TiC和SiC。当激光输入能量太高时,金刚石颗粒开始与外界的氧发生氧化反应,在自由能方程中的气体分压下,金刚石一直氧化,直到与氧化物处于平衡状态。这一过程表现为金刚石颗粒石墨化,逐步氧化烧损变成气体。