为了得到角向偏振光输出,采用严格耦合波分析方法,设计了一种复合光栅镜.先通过对Ge光栅的伪博世工艺刻蚀特性的研究,得到了高深宽比的无定型Ge光栅.然后在栅槽底部引入了随机分布的Ge纳米针,在该光栅上依次镀金膜和介质保护膜,得到介质-金属复合光栅镜.最后将该复合光栅镜用作轴快流CO2激光器谐振腔尾镜,得550W角向偏振光输出.结果表明,纳米柱及金栅脊的引入使得该复合光栅镜具有很高的偏振选择性.

为了研究气体配比、抽运电子密度、腔长对脉冲横向激励大气压CO2激光器输出功率的影响, 采用了六温度模型的方法, 对工作气体中不同分子振动模式间的能量转移和激光输出功率进行了理论分析和模拟。当CO2,N2,He的体积比由4∶30∶65上升到6∶30∶65时, 脉冲功率增加, 输出延迟时间变短; 当CO2,N2,He的体积比由5∶15∶65上升到5∶35∶65时, 脉冲功率按先增加后减小的趋势变化, 在N2比例约为25时达到最大; 当CO2,N2,He的体积比为5∶30∶65、最大抽运电子密度由4×1012/cm3增加到6×1012/cm3、腔长由2m增加到4m时, 脉冲功率都会逐渐增加; 脉冲功率越大时, 输出延迟时间越短, 但有更长的拖尾现象。结果表明, 气体配比、抽运电子密度、腔长对脉冲输出功率有影响, 该研究为设计和优化激光器提供了参考。

为了提高大功率轴快流CO2激光器的单根放电管的质量流量,得到更大的单根放电管的输出功率,对原有放电管的喷嘴、绕流环等结构进行了改进和优化,设计出一种新型的大质量流量放电管.采用数值模拟和实验验证的方法对新设计的放电管内的气体流动状态和输出功率进行分析,得到了工作气体的质量流量,放电管的输出功率以及工作气体在放电管内的流场分布,数值模拟结果和实验结果一致,并对不同结构的放电管的输出功率和流场分布进行了比较.结果表明,新设计的放电管的质量流量明显增加,单根放电管的输出功率提高,且能够得到均匀的辉光放电.

为了提高轴快流CO2激光器换热器设计的灵活性、缩短研发周期、降低成本, 采用计算流体动力学方法对换热器内部流场和热交换过程进行了分析。根据分析结果设计出流阻为154.5Pa、换热量为8888.5W的换热器。由4kW轴快流CO2激光器的运行试验证明, 采用计算流体动力学法设计的换热器满足激光器的运行需求。结果表明, 计算流体动力学法是一种精确、高效的轴快流CO2激光器换热器的设计方法。

为了研究全波段正常色散光子晶体光纤中高相干度超连续谱的产生及其脉冲压缩，采用分步傅里叶法数值模拟了超短光脉冲在全波段正常色散光子晶体光纤中的非线性传输和超连续谱的产生; 利用1阶相干因子分析了抽运波长和入射峰值功率对超连续谱相干特性的影响。结果表明，色散效应越弱，越有利于高相干度超连续谱的产生; 在色散效应较小处抽运时，获得了带宽为587nm、平坦度小于7dB的高相干度的超连续谱; 超连续谱的相干性越高，越有利于脉冲压缩，采用光栅对压缩器对高相干度超连续谱脉冲进行压缩，获得了8.4fs、压缩质量因子为88.88%的超短光脉冲。因此，抑止色散效应，利用自相位调制可获得高相干度的超连续谱及高质量的脉冲压缩。

虚共焦腔作为非稳腔中一个典型实用的腔型。随着传输距离的增加, 它输出的环形光束逐渐转变成高斯光束, 这种环状激光束在聚集过程, 将光束聚集成高能量密度的亮斑。文章主要就聚集之后光强分布和距离对光束半径的影响这两个方面作以深入地探讨。

针对高功率射频激励轴快流CO2激光器的射频匹配问题作了实验研究, 采用L型匹配网络, 对多段并联放电管进行射频匹配实验。在输出激光功率达10kW时, 实现了均匀稳定的射频放电, 反射率可以控制在2%以内。研究了匹配网络参数不变时, 射频电源不同调制模式对反射率的影响。实验研究表明, 脉冲宽度调制模式的稳定度要明显高于振幅调制模式。

采用分步的傅立叶方法数值求解了一维的耦合非线性薛定鄂方程, 模拟了超短光脉冲在双芯光子晶体光纤中的非线性传输和孤子开关现象的产生。分析了泵浦脉冲的脉宽、入射峰值功率对孤子开关现象的影响。研究表明：当泵浦激光的入射峰值功率低于孤子开关的阈值功率时, 能量转换效率很高; 当泵浦激光的入射峰值功率超过孤子开关的阈值功率时, 孤子发生了明显的分裂现象, 产生了多个频率成分, 孤子开关现象逐渐消失。此外, 也研究了双脉冲在双芯光子晶体光纤中的非线性传输特性, 研究表明：入射峰值功率和脉冲延迟对孤子的分裂和能量转移有重用影响。

为将高功率轴快流CO2激光器放电过程中产生的大量热量带走, 保持放电区气体温度接近常温, 更利于激光器稳定运行, 对于气体循环系统的优化设计至关重要。先就其气体循环系统组成及重要性进行阐述, 后对其各个组成方面的研究发展进行综述, 并对已有的模型建立以及数值模拟的发展进行综述, 并运用计算流体动力学方法对气体流场进行数值模拟, 通过对模拟结果分析得到对气体循环系统进行优化设计的方向, 最后对课题组已经进行的一些工作进行阐述。

To increase the photoelectronic conversion efficiency of the single discharge tube and to meet the requirements of the laser cutting system, optimization of the discharge tube structure and gas flow field is necessary. We present a computational fluid dynamic model to predict the gas flow characteristics of high-power fast-axial flow CO2 laser. A set of differential equations is used to describe the operation of the laser. Gas flow characteristics, are calculated. The effects of gas velocity and turbulence intensity on discharge stability are studied. Computational results are compared with experimental values, and a good agreement is observed. The method presented and the results obtained can make the design process more efficient.