高功率微波（HPM）产生器件通过增加慢波结构的过模比使得功率容量显著提高。嵌套型结构让过模器件的空心结构或内导体结构得到使用，同时嵌套型器件的低阻抗使得其与低阻脉冲功率源能良好匹配。基于内外嵌套结构提出了一种锁频锁相高功率微波振荡器。相对于传统的锁频锁相方法，提出了基于耦合波导实现锁频锁相的新方法。内外相对论速调管振荡器（RKO）产生的微波信号通过耦合波导泄漏到高频结构中，对电子束进行预调制，从而实现锁频锁相。另外，为实现内外高功率微波通道合成，设计了双通道功率合成器。在振荡器的工作频点，功率合成器能弥补振荡器两输出通道相位差，使得功率合成效率提高，合成效率为98.3%。在二极管电压575 kV，磁场强度0.6 T条件下，内外RKO 的微波输出功率分别为2.2 GW和3.2 GW，频率差波动小于20 MHz，相位差稳定在10°附近；加载双通道功率合成器，仿真结果表明，微波输出功率为5.31 GW，功率效率32.2%。结果表明，嵌套器件在互锁状态时，振荡器饱和时间缩短，输出功率增大。

激光去除材料作为激光在工业生产中的重要应用，具有非接触、效率高、加工精度高等其他加工技术无法比拟的诸多优势。本文从单一激光束去除材料和激光复合减材技术两个方面进行阐述，介绍了激光打孔、激光切割、激光烧蚀、激光光刻这四项激光加工技术，并将其与其他加工技术进行了对比；此外，本文还介绍了以激光去除材料为主、多能量场为辅的激光复合技术，并针对单一激光束去除材料技术难以高效加工沟槽的问题，介绍了一种电磁场辅助的激光沟槽加工方法。

采用实验与神经网络预测相结合的方法, 对基于温度控制的激光相变硬化工艺参数进行了研究。首先, 使用基于温度可控的大功率半导体直接输出激光加工系统对45#钢进行设定温度下的激光相变硬化实验。然后, 通过改进的BP神经网络算法构建神经网络模型, 并采用所获得的实验样本数据训练该人工神经网络模型。模型中所采用的改进BP神经网络算法是遗传算法和基于新型误差函数的批量训练神经网络算法相结合的混合算法。为验证改进算法的性能, 在Lab Windows/CVI软件上应用C编程语言实现了该算法。通过运行程序发现, 采用此算法的收敛速度比传统算法提高了约80%, 预测输出的指标与实际值之间的偏差小于4%。

激光组合增材制造(LCAM)技术是一种新兴的制造工艺方法，近年来得到了快速发展。激光组合增材制造的质量受多种因素的影响，其中送粉工作头是一个非常关键的因素，它的性能直接影响着激光组合增材制造的质量和精度。本文重点介绍了国内外用于激光组合增材制造的侧向送粉工作头、同轴送粉工作头和智能化送粉工作头的结构原理及最新研究进展，并分析了三种送粉工作头的性能特点。根据三种不同送粉工作头目前存在的问题提出了激光组合增材制造送粉工作头未来的发展方向。

半导体激光器及其工业应用是激光领域研究与发展的热点，国内大功率半导体激光器的发展已经取得了较大进展，但基于国产大功率半导体直接输出激光器的自动化加工装备研究较少。研制了国产大功率半导体直接输出激光加工系统，开发了基于DSP的嵌入式激光加工过程检测与控制系统，设计了用于该系统闭环温度控制的模糊控制算法，并取得了良好的温度控制效果。基于该平台开展了激光宽带相变硬化实验，实验表明：在温度控制模式下，相变硬化层深度和硬度的一致性要优于恒定功率模式。

针对大功率半导体直接输出激光加工系统的应用, 本文搭建了由大功率半导体激光器、工控机、机械手运动系统、测温仪和WAGO通讯模块等组成的激光加工系统的硬件平台, 提出了大功率半导体激光直接输出加工过程中激光加工温度的控制方法, 设计了基于Lab Windows/CVI交互式软件开发环境的PID和模糊控制算法, 并且通过现场实验对两种控制算法的各个参数进行了精确整定。整定后的PID和模糊的温度控制效果良好, PID控制的温度峰值时间只有0.45 s, 最大超调量为3.28%, 稳态均方根误差为1.01 ℃; 模糊控制的温度峰值时间为0.93 s, 最大超调量为1.5%, 稳态均方根误差为2.22 ℃。为了对比两种控制策略的实际控制效果, 以设定温度为1 250 ℃, 启动功率为500 W, 45#钢基体为实验条件, 分别对整定后的PID控制和模糊控制以不同的扫描速度进行激光相变硬化实验, 实验发现随着扫描速度的增加, PID控制与模糊控制的稳定性都有所降低, 但是在相同扫描速度下, 模糊控制的超调量较小, 温度控制更稳定。因此模糊控制策略更适合于本控制系统, 最终本系统采用模糊控制作为激光加工的温度控制策略。

激光熔覆是一种新兴的材料表面技术，近年来得到了快速发展。激光熔覆层的质量受熔覆过程中多种因素的影响，其中熔池温度是一个非常关键的因素，激光熔覆熔池温度的监测与控制系统的研究对提高熔覆层质量具有重大意义。介绍了激光熔覆熔池温度的检测方法，综述了目前激光熔覆熔池温度控制系统的研究现状，并列举了部分温度控制系统。根据目前国内外的发展现状提出了熔池温度监测与控制系统的发展方向。

设计了一种用于激光再制造的沸腾式送粉器, 并基于PICF877A单片机开发了送粉器控制系统。为探索送粉器输送规律, 以Fluent软件为工具, 通过变化沸腾气流量值、送粉气流量值等参数, 探讨气体输送流量大小、输送策略等对粉末输送特性的影响。在仿真研究的基础上, 建立控制系统的控制策略, 并以所开发的控制系统为实验平台对控制规律进行实验验证。实验结果证明: 该系统控制精度高、稳定性好, 能够满足再制造系统的需要。

为了改进激光熔覆沸腾式送粉器的性能, 对送粉器的送粉过程运用FLUENT软件进行了3维非定常的气固两相流仿真。通过对比Syamlal-O’Brien,Gidaspow,Mckeen和修正的Syamlal-O’Brien曳力模型中Ni基合金粉末输送的模拟结果, 发现Mckeen模型得到的粉末流量与实验值相符。利用Mckeen模型, 分别对不同沸腾气流量进行计算, 其平均的粉末流量也与实验值接近, 从而确定了Mckeen曳力模型适用于该类送粉器的数值模拟; 并分析了2.6L/min的沸腾气流量下的气体与粉末的流化特性。结果表明, 沸腾进气口2对送粉的影响不大, 关闭该气流入口也可得到很好的送粉结果。这为激光熔覆送粉器结构改进和优化提供了理论依据。

2kW半导体激光器和同轴送粉装置在40Cr表面进行激光熔覆铁基合金，解决易于失效的问题。通过光学显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪、显微硬度计和摩擦磨损试验机等对熔覆层的微观形貌、物相、显微硬度和摩擦磨损性能进行分析测试。结果表明，激光熔覆铁基合金的显微硬度提高2倍左右，平均摩擦系数和磨损量分别为基体的44％和35％。激光熔覆层中的晶粒细化和金属间化合物的形成对性能的提高起到重要作用。