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%。

为了提高传统球面镜腔3kW射频板条CO2激光器光束质量, 设计了新型抛物面镜负支非稳-波导混合腔; 结合标量光束的瑞利-索末菲衍射理论与特征向量法, 研究了大菲涅耳数下镜面类型对非稳波导混合腔光场传输特性的影响; 利用矩形波导理论、1维近似分析得出了波导传输损耗及偏振情况。结果表明, 将非稳方向输出镜和尾镜改为与光轴交点处曲率半径为R1=951.32mm和R2=1088.68mm的抛物镜面, 能够避免尾镜漏光, 可有效改善模式鉴别特性; 常用波导电极镀膜材料中, 镀铝电极内波导方向传输损耗最小, 传输光场为x偏振的EH1模。采用电极镀铝的抛物面非稳波导腔能够降低损耗、提升光束质量。

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。

为了研究射频板条CO2激光器射频频率波动对输出光束的影响，采用等效电路分析和实验测量的方法研究了射频频率对激光器输入输出特性的影响。计算得到射频频率变化2MHz时引起的阻抗实部变化率为0.01%，说明射频频率漂移对放电部分等效电路参量影响很小。射频频率采用79.4MHz，80.0MHz，80.7MHz，81.4MHz，82.0MHz和82.7MHz，以设计频率81.4MHz对应的输出功率为基准,占空比设置为80%时，频率漂移 1MHz则激光功率下降约150W。激光功率随频率变化趋势与理论结果一致。结果表明，射频频率变化引起的阻抗匹配问题是导致输出功率波动的主要原因，可以通过改进匹配网络来克服射频频率的波动对激光器性能的影响。

为了得到工艺参量对层裂的影响, 运用有限元模拟的方法, 采用最大拉应力瞬时断裂准则来判断板料是否发生层裂, 并对各参量对层裂的影响进行了分析; 进行了激光冲击成形试验, 用电子扫描显微镜对冲击后的试样进行观察, 并运用应力波传播分析了层裂的产生、发展、形成。结果表明, 层裂易发生在激光冲击区域内, 其次是在光斑边缘处, 而在冲击区域外不可能发生层裂; 脉冲宽度、峰值压力和板料厚度对层裂发生的位置影响较大, 而光斑直径对层裂发生的位置几乎没有影响。这对激光冲击成形的发展具有指导意义。