为了获得多种类型聚焦光斑的分布，基于Richards-Wolf矢量衍射积分理论，分析了偏振转换和叠加对空心光束(HLB)聚焦光场的影响。理论上研究了空心光束(HLB)偏振态转换对应关系，利用数值模拟得到同阶空心光束叠加后在数值孔径不同时的四种偏振态空心光束(HLB)的聚焦光斑大小和形状的变化。其中圆偏振空心光束和垂直线偏振空心光束随着聚焦透镜数值孔径的加大，中空特性不发生变化，只是聚焦光斑大小发生变化; 水平线偏振空心光束和径向偏振空心光束随着数值孔径的加大，中空特性消失。此外，提出了矢量偏振空心光束转换为标量偏振空心光束的方法，实现了空心光束偏振态的转换并得到功率补偿，获得平均功率2.2 W激光输出，有望拓展在激光加工等领域的应用。

基于中空激光光内送粉技术, 运用实时变姿态方法和法向分层方法, 进行了具有不等高熔道特征的扇形结构件成形研究。分析了熔道层高与扫描速度之间的对应关系, 结合不等高熔道的几何模型和熔道层高与扫描速度之间的关系, 采用分段变速的方法熔覆出了不等高熔道。在此基础上进行多道不等高熔道堆积, 成形出了扇形薄壁墙结构。分析表明, 所获得成形件尺寸精度较高, 相对尺寸误差控制在7%以内; 成形件各处显微组织差异较小, 组织细密、均匀。

基于中空激光光内送粉技术,利用该技术粉末流发散小, 挺直度高的特点, 进行了垂直表面(立面)熔覆试验。分析了熔覆工艺参数(扫描速度、功率、送粉量)对立面熔道宽度、高度及宽高比, 特别是重力作用下的熔道顶点下垂量的影响规律, 得出了控制下垂量的最佳工艺参数组合。在立面进行水平方向的熔道堆积生长, 实现了立面斜壁墙的成形。成形过程稳定, 成形熔覆层与基体形成冶金结合, 显微组织细密均匀。

基于激光光内同轴送粉技术和6轴机器人技术，采用熔覆头空间变姿态的成形方法，通过沿着生长的切线方向连续变角度送粉堆积的方法成形了悬垂薄壁件。建立了倾斜基面熔池受力与位移模型，并通过优化工艺参数抑制熔池的位移和流淌。实验结果表明，倾斜角可从0°逐渐变化至81°，实现了大倾角悬垂结构的无支撑成形。成形件表面平整光滑，完全消除了“台阶效应”，表面粗糙度Ra=6.3 μm。截面纹理图显示各熔层沿中轴线对称，无明显朝重力方向的偏移。成形件在不同倾角位置的显微组织无明显区别，皆达到晶粒细小，组织致密均匀。

针对“光束中空, 光内送粉”激光熔覆工艺方法, 通过改变激光功率、送粉速度、扫描速度、离焦量等工艺参数, 分别进行单熔道表面形貌、熔道宽度和高度的实验对比研究, 分析了环形光光内送粉的激光熔覆工艺参数对熔道成形质量的影响规律。结果表明, 激光功率较小将导致熔覆不均匀, 激光功率过大又会使熔道表面烧损, 随着功率的增加熔道宽度有增大趋势, 高度先增大后减小; 扫描速度过快会导致粉末不能充分熔化, 扫描速度过慢会增加熔道的厚度, 影响熔覆质量, 随着扫描速度的增加, 熔道宽度和高度均减小; 送粉速度增大导致熔化金属粉末增加, 但熔道宽度增加不明显, 当送粉速度过大时大量未熔化的金属粉末粘结在成形件的表面, 影响成形件质量; 随着离焦量的增加, 熔道宽度明显增加, 高度明显减小, 离焦量较小时熔道会烧损, 较大时熔道会无法形成。

为了研究中空激光参量对金属板料变形的影响, 采用数值仿真的方法, 选用不同的中空激光参量对3003铝合金板料进行了冲击成形数值模拟, 分析了板料变形的动态响应过程以及成形规律。结果表明, 中空激光加载后, 板料获得初速度, 光斑区域的速度逐渐减少, 区域外的速度逐渐增加, 带动整个板材的运动; 与实心激光冲击板料变形比较, 板料底部变形区较为平坦, 变形比较均匀, 提高了板料的成形性和成形极限。该研究通过选择不同的中空激光参量获得板料的成形规律, 为中空激光冲击成形技术提供了依据。

提出了激光以一定角度入射液芯光纤(LCOF)产生空心光束(HLB)的方法。利用Zemax软件对产生系统建模，理论分析了HLB的暗斑尺寸DSS和光束宽度随传播距离、LCOF的长度与芯径的变化规律，并以CS2作为芯液材料，用630 nm半导体激光器对部分理论结果进行了实验验证。研究表明，通过改变激光入射角度可获得DSS可调的HLB，其DSS和光束宽度几乎不受LCOF长度的影响，但与芯径大小有关。该方法操作简便、成本低、DSS调整范围大，可满足不同应用领域的需求。

针对“光束中空，光内送粉”的激光熔覆工艺方法，利用Ansys软件的参数化设计语言(APDL)建立了环形激光光斑连续移动加载的激光熔覆模型。通过计算该模型，可以掌握环形激光光内送粉激光熔覆过程中温度场的分布规律。计算结果表明，采用环形激光束加载时，熔池的最高温度区域的形状呈现出“马鞍形”。在基体纵切面上，熔池的高温区域分布呈不对称的“W”形，且高温区域主要分布在光斑中心往后；在基体横截面上，熔池的高温区域分布呈对称的“W”形，熔池中心温度低，两侧温度高，通过基体横断面等温线的分布能够判断熔覆层与基体的结合情况。位于扫描路径中心位置的点在激光束扫过其过程中会经历迅速升温、降温、升温、再迅速降温的急冷急热过程，且第二次升温高于第一次的温度值；位于光斑内外环之间的点在激光束扫过其过程中只有一次升温降温的过程，温度分布较均匀。