为了解决石油输送管道Al2O3陶瓷内衬管的连接问题,研制了专用的半导体激光光源用于陶瓷激光焊接。实验研究了陶瓷激光焊接所需要的半导体激光工艺参量及光束要求,采用单管空间合束、偏振合束、波长合束以及菲涅耳聚焦系统输出等方式,研制了光场分布均匀的半导体激光陶瓷焊接系统。结果表明,所设计半导体激光器偏振合束输出功率为384W,合束效率达到96.62%,经波长合束后输出功率可以超过800W,聚焦系统输出光斑均匀度为93.85%。该系统可以成功应用于不同场合的陶瓷焊接生产中,满足2mm厚度Al2O3陶瓷激光焊接要求。

针对3 kW 半导体激光器应用于机器人表面改性系统，聚焦光斑不均匀问题，提出了一种采用菲涅耳透镜对面阵高功率半导体激光器输出光斑进行聚焦匀化的方法，设计出尺寸为10 mm×2 mm 的均匀矩形光斑。利用Zemax 和Matlab 软件进行仿真分析，研究了菲涅耳透镜楞距和入射光发散角对聚焦系统焦斑均匀性的影响。结果表明，当菲涅耳透镜楞距在1 mm 以内时，焦斑均匀性最佳约为94.90%。随着楞距的继续增大，输出光斑均匀性会逐渐降低。当楞距增大到2.5 mm 后，光斑的均匀性不再随楞距的增大而变化，基本稳定在93.85%左右。焦斑的均匀性会随着发散角的增大有所提高，但是发散角太大会使聚焦难度增加，而且光斑均匀性也随之劣化。当菲涅耳透镜楞距为1 mm，入射光发散角在12.5~20 mrad范围内时，焦斑均匀性最好约为95.22%。

为了研究调谐过程中外腔半导体激光器的模稳定性, 采用多光束干涉理论推导Littrow结构外腔半导体激光器的腔增益, 并模拟其模结构。分析了光栅面和转臂不在同一平面的情形下, 在光栅转动调谐时, 通过匹配光栅的反馈波长变化率与外腔波长变化率, 推导出最佳的初始外腔长度, 并研究了动态模稳定(无跳模调谐)的范围; 采用严格的耦合理论和光线变换矩阵分析了准直(耦合)透镜的位置对系统后向耦合效率的影响。结果表明, 系统后向耦合效率最大可达99%, 极大地压窄了中心波长为780nm半导体激光器的线宽, 外腔半导体激光器的理论线宽为未加外腔时的0.96%, 动态模稳定范围可达6.8nm。

为了研究大功率半导体激光加工过程中, 光致等离子体对激光光束显著的屏蔽作用, 以波长为976nm、光斑尺寸为0.5mm×1mm、最大功率为4kW的半导体激光加工系统为实验基础, 采用了与实际相符的光致等离子体电子密度数学模型和几何光学ABCD矩阵算法, 从吸收和折射两方面对光致等离子体的屏蔽作用进行了理论分析和实验研究, 得到了在光致等离子体电子密度ne≤1.0×1018/cm3的条件下, 光致等离子体的折射效应才是引起半导体激光光束屏蔽的主要原因这一结果。结果表明, 光致等离子体改变了聚焦光束的形态, 使其焦点下移、光斑变大、能量密度变小, 其效果类似于一个非线性梯度折射率的负透镜。