为了解决传统双放电盒横流5kW CO2 激光器双风道、风速小、体积庞大等问题, 研究开发了单放电盒横流5kW CO2 激光器, 采用气体动力学、放电区气体流场分析的方法, 在保证风机强度的前提下根据通风机原理设计了一款铝质轻型离心风机,风机的进口直径为382mm, 出口直径为451mm, 蜗壳宽度为160mm,并进行了实验验证。结果表明, 配置该风机的单放电盒的5kW CO2激光器提高了功率稳定性, 放电区气体平均流速从60.8m/s提高到75.5m/s, 缩小了弧光放电的面积, 改善了近场光斑的强度及均匀性, 采用铝制风机及单放电盒减小了激光器的整体重量和体积。这对CO2激光器向高功率、小体积、紧凑型发展具有重要意义。

为了提高激光稳定性和激光加工质量，实验测量了大功率横流CO2激光横模，并理论分析了横模形成机理。针对大功率横流CO2激光器管板式电极结构，由麦克斯韦方程给出电场的横向分布，并通过数值计算得到了激光强度的横向分布。实验结果与数值模拟得到的激光能量分布基本一致。结果表明，在给定放电电压条件下，电极结构和气体流动速率决定了激光横模峰值大小，激光峰值的横向位置取决于气体流动的速率。

根据针-板放电5 kW横流CO2激光器的结构特点,设计并实验研究了直角锥面镜作为全反射镜的谐振腔。在菲涅耳-基尔霍夫理论的基础上,引入柯林斯公式并考虑增益影响,推导了锥面谐振腔的衍射积分方程,并进行了相应的模拟计算。研究结果表明,在高功率横流CO2激光器中锥面反射镜与平面输出镜相配合使用组成稳定腔,获得了TEM30的低阶模输出; 由于锥面反射镜受加工精度的影响中心残留有加工盲孔,导致TEMmn(m＝0,n≠0)的模损耗较大不易耦合输出; 而镜面中心场分布很弱的其他低阶模因损耗小,则会优先输出。

从理论和实验上研究了高功率横流CO2激光器高反膜输出耦合窗口GaAs的热形变。在作合理近似情况下，给出了GaAs温度分布和热形变的理论表达式，并从实验上进行验证，理论和实验较好地一致。

详细讨论了脉冲预电离高功率横流CO2激光器的工作特性，研究了一套新型的电极结构，对其放电、注入功率、输出功率等特性进行了讨论.实验结果表明，脉冲预电离可以提高高功率横流CO2激光器的注入和输出功率，并有效地改善了放电的稳定性和均匀性.

本文研究了横流CO2激光器中阴极管的冷却水温对激光器输出功率的影响,指出提高阴极温度有利于改善放电均匀性和稳定性。