通过优化驱动光栅的电机PI控制器参数确定方法，加强了伺服电机的定位精度及稳定性，提升了单光路可调谐TEA CO2激光器的弱线输出稳定性并缩短了调谐间隔。该参数确定的方法基永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)的频域模型，推导出了伺服三环比例积分控制器(Proportional Integral, PI)的解析表达式，并根据工程实际需求设定超调量与峰值时间，求出截止频率，以此确定满足最大相位裕度的条件下的伺服三环PI控制器的参数。采用PML40-530B8ANL交流直驱电机及G-POLHOR10P100EE-E0驱动器搭建了光路实验装置对上述参数进行了验证，转台定位系统的超调量为4.86％，调节间隔为19.5 ms。基于该转台系统搭建了快调谐TEA CO2激光器，在20 ms调谐间隔下进行激光器弱线能量稳定性实验，9P(44)谱线的单脉冲能量小于74 mJ，能量波动范围小于±3.35%，能量稳定度提高了3.62倍。

为分析CO2激光9R波段输出谱线特性, 满足激光与物质相互作用的需求, 首先利用镀膜选支技术使高功率TEA CO2激光器只输出9R波段的激光。然后, 通过单脉冲放电试验, 利用CO2激光谱线分析仪分析9R波段CO2激光谱线的波长和谱线数量, 并利用能量计分析每支谱线在单脉冲能量中所占的比例。通过改变输出镜的透过率、全反射镜的曲率半径以及工作气体的比例, 分析CO2激光9R波段输出谱线在波长、数量以及能量比例方面的变化。试验结果表明, CO2激光在9R波段同时输出了多条相邻较近的谱线, 并且这些谱线随激光器输出镜透过率、全反射镜曲率半径和气体比例的变化而变化。

相干探测、高精度激光测距、高分辨率光谱学、激光雷达等领域均需要频率稳定的单纵模激光。文中对种子注入TEA CO2激光器进行了理论和实验研究。设计了通过频率稳定的种子光注入, 获得单纵模TEA CO2激光输出。进行了初步的实验研究, 获得单纵模激光输出, 单脉冲能量100 mJ, 输出光波长10.59 μm(10P20), 与注入种子光波长相同, 并对实验结果进行了分析。本方法获得的输出激光波长、远场发散角、频率稳定度及M2因子等均与种子光相同, 即如果采用光束质量极好的种子光源, 可以获得频率稳定度高且光束质量极好的大功率激光输出, 对科研和**应用借鉴意义重大。

随着高功率TEA CO2激光器技术的快速发展, 及其在工业加工、科学研究、航空航天等领域的广泛应用, 对其自身控制系统也提出了更高的性能要求。针对所研制的高功率TEA CO2激光器, 设计了一种基于DSP数字信号处理器技术的控制系统, 分别从硬件、软件两方面对控制系统的核心单元做了详细的介绍; 为了克服激光器在工作过程中产生的强电磁干扰, 对控制系统采取了屏蔽箱体结构、电源滤波、安全接地、数字滤波、关键数据存储自恢复、抗复位干扰等设计。经过激光器长时间运行试验, 控制系统工作稳定、可靠, 控制响应速度快, 同时满足了抗强电磁干扰的设计要求, 具有很好的实用和推广价值。

为提高触发高功率横向激励大气压(TEA) CO2激光器中旋转火花开关的稳定性和可靠性, 减小火花开关触发系统的体积和重量, 提出了将高频谐振充电技术应用于触发系统的方法。研发了采用全桥逆变结构和串联谐振软开关电路、输出电压大于38 kV、输出功率为2 kW的高频高压充电电源并将其作为旋转火花开关触发系统。该系统的全桥逆变电路由智能功率模块(IPM)构成, 采用MSP430单片机控制IPM驱动信号的频率、脉宽以及个数, 直流电压经全桥逆变电路及串联谐振电路在高压脉冲变压器原边获得脉冲信号。此脉冲信号经高压脉冲变压器的升压和变压器次级整流给高压电容充电, 当电容电压达到火花开关间隙的自击穿电压时, 电容放电。实验结果表明, 该系统在500 Hz的重复频率下能连续稳定触发旋转火花开关, 提高了触发系统的可靠性和稳定性, 其体积及重量为脉冲式触发系统的1/2。

由于大功率TEA CO2激光器系统中的液晶显示模块易于耦合电磁干扰, 从而影响激光器的正常工作, 本文研究了在瞬变电磁场辐照下预测液晶显示模块电磁兼容(EMC)能力的方法。分析了液晶显示模块集成于激光器系统时受干扰耦合的机理; 从场线耦合干扰的角度, 采用Taylor形式的BLT方程对液晶显示模块耦合的场线电磁干扰进行了分析计算, 并采用实验手段对预测结果进行了验证。计算结果显示: 连接线缆耦合电磁场在液晶显示模块数据线上产生的干扰电压为1 V, 超出了电路的噪声容限, 需要采取EMC控制措施保证液晶显示模块的工作性能。验证实验结果表明: 得到的EMC预测的结果能够正确反映液晶显示模块的实际EMC性能。该方法对大功率TEA CO2激光器电磁辐射近场区内电气设备的电磁兼容预测与设计具有指导意义。

为促进高功率TEA CO2激光器的工程化应用, 对主机结构进行了小型化轻量化研究。设计了一种新型环形流道式主机结构, 取代原来的圆筒式结构。采用计算机有限元分析方法对壳体结构的应力和变形进行模拟计算, 通过对2种结构在刚度、稳定性和重量方面的对比分析, 以有筋板的盒式壳体取代纯盒式壳体结构, 壳体设计壁厚由7 mm下降到4 mm, 最大变形减小了近1个数量级, 由1.11 mm减小到0.126 mm。研制出的壳体实测变形与模拟计算结果最大误差仅为1.58%。经测量, 新型的环形流道式主机比圆筒式主机体积减小约30%, 重量减少约40%, 放电区气流速度由84.8 m/s提高到97 m/s。在相同的工作参数下进行出光实验, 新型主机与圆筒式主机相比, 激光重复频率由400 Hz提高到了470 Hz, 激光输出平均功率由6 800 W提高到7 900 W。

介绍了光栅调谐原理，分析了闪耀光栅性能和选择了光栅参数；设计了 TEA CO2激光器光栅调谐选支系统，对可调谐选支输出控制系统的软、硬件进行了设计开发；实验表明，研制的 TEA CO2激光器光栅调谐选支系统，可精准、快速地实现光栅选支谱线输出。

利用光栅选支调谐的TEA CO2激光器作为泵浦源设计了高能量脉冲光泵浦太赫兹激光器。太赫兹激光谐振腔由2 m长的石英玻璃管、GaAs泵浦光输入窗和SiO2太赫兹光输出窗组成，氨气充入谐振腔内作为增益介质。太赫兹激光的波长由自主设计的金属线栅F-P干涉仪测量。实验中在多个波长处都获得了强烈的太赫兹光输出，其中151.5 μm太赫兹光的输出脉冲能量高达204 mJ，对应的泵浦光能量为32 J。最后,还给出了利用151.5 μm太赫兹光进行透视成像的实验结果。