针对半导体激光二极管由束散角大(14°~46°)导致的激光功率密度在传播过程中不断衰减的问题, 提出了一种提高激光功率密度的光束整形方法。首先以X型柱面平凸透镜和Y型柱面平凸透镜对激光二极管输出光束慢轴和快轴方向进行准直, 然后通过一对平凸透镜组合进行扩束, 进一步提高光束平行度, 最后由单片平凸透镜将光束聚焦为高功率密度的光点。采用Light Tools软件仿真光路、优化光学元件参数, 对光学元件进行实际选型后安装并调试光束整形系统。测试结果表明: 半导体激光二极管输出光束的67%激光能量汇聚于直径1 mm圆内, 激光功率密度优于30 W/cm2。

针对两种波长的直接高功率半导体激光堆栈, 为适应半导体激光在材料加工方面的需求, 设计一种双波长合束及长焦距光学系统。首先, 利用快慢轴准直镜对两种波长的激光堆栈进行初步准直, 然后, 用双波长合束镜将其合束。进而, 利用倒置开普勒望远系统原理对慢轴光束进一步扩束准直, 最终, 用快慢轴聚焦镜实现同步聚焦。利用光参数积原理对聚焦系统进行理论分析, 并根据瑞利长度公式计算出焦深。用ZEMAX软件对整个光路进行光线追迹, 得出模拟结果。根据理论分析和软件模拟, 开展相应实验。经合束和聚焦, 实现焦距300 mm, 焦点尺寸2.0 mm×4.0 mm的聚焦光斑, 输出功率5 000 W, 功率密度达104瓦级。最后讨论该系统影响因素。聚焦光斑可用于激光熔覆, 表面处理等工艺。

针对2 750 W直接大功率半导体激光堆栈输出的矩形光斑, 设计了一种长焦距光学系统用于激光材料加工。首先,对整形光路进行了理论分析, 利用倒置开普勒望远系统原理对慢轴光束进行扩束和准直, 再利用聚焦镜实现快慢轴同步聚焦。推导出了快慢轴聚焦光斑大小的公式并计算出焦深理论值, 分析了聚焦光斑大小的影响因素。接着, 用ZEMAX软件模拟了LD stack光源和整个光学系统并进行了光线追迹, 得到了模拟的光束变化形式及聚焦光斑尺寸。最后, 进行相应的实验验证, 实现了1.5 mm×4.0 mm的焦点光斑, 焦距250 mm, 焦深18.6 mm。讨论了整个聚焦光学系统性能的优缺点以及今后的改进方向。这种聚焦方法可以得到长焦距高功率密度聚焦光斑, 满足激光熔覆、表面处理等工艺对光源的要求。

本文对国际上最新的大功率扩散冷却型Slab CO₂激光器的光束质量进行了全面的测量与实验研究.从原始激光束的光束质量、通过导光系统后激光束质量、聚焦光斑的质量以及焦点漂移四个方面全面考察了Slab CO2激光器的光束质量以及光束的传输、聚焦特性.结果表明,Slab CO₂激光器具有高光束质量,其M2因子非常接近1的理想值;激光束具有良好的传输和聚焦性能,可以长距离传输;使用焦距为300mm的聚焦镜聚焦,聚焦光斑的束腰半径约为134μm,光束横截面能量分布接近理想的高斯分布,焦深约为5mm,在加工范围内(3m),激光束的焦点漂移量大约为1mm.另外,采用Slab CO₂激光器对厚度为10mm的低碳钢在不同的离焦位置进行激光深熔焊接实验,讨论了激光光束质量和焦深对焊接结果的影响.

为了解决精细聚焦问题,采用Nd∶YAG倍频技术以获得短波长激光器。在激光烧结技术、获取短波长激光的方法、短波长激光光束特性等方面进行了研究和探讨。从理论和实验两方面,研究了利用KTP晶体对Nd∶YAG激光进行环形腔外腔倍频的方法。这种倍频所利用的基频光最大平均功率为50 W,采用声光调Q技术,频率约为1005 Hz。当基频光平均功率约为35 W的情况下,实验中光-光转换效率约为31.4%。利用BEAMCODE SYS光束质量分析系统对二次谐波与基波光束质量进行了比较,并比较研究了二次谐波与基波的聚焦特性。实验中测定的二次谐波TEM00模所占比例约为95%。利用短波长可以获取更小聚焦尺寸,可以在激光粉末成型中得到更微小的成型尺寸,展示了二次谐波在微成型方面应用的初步成果。

从激光加工的角度出发，以多模激光光束传输和聚焦理论为基础，论述了飞行光学导光系统中光来变换系统的设计方法、光束质量对飞杆光学导光系统设计的影响，提出了飞行光学系统中激光光束在激光加工中的加工范围和有效焦深等新概念．