为了提升激光器径向偏振光的输出功率, 改进了原有W形轴锥镜内锥角为90°的结构。为研究光束在轴锥尾镜单元的传输特性, 采用几何光学分析了轴向入射下、W形轴锥镜底角为90°时, 内锥角的改变对出射光的影响, 发现出射光的位置及方向不发生变化; 为研究轴锥镜的热畸变特性, 模拟了W形轴锥镜的温度形变, 可知内锥角变大时整体温度变小且分布更加均匀。结果表明, 随着内锥角的变大, 光束中心的光程减少量相对于光束边沿的光程减少量增大;采用Fox-Li数值迭代法模拟了引入上述形变后谐振腔的激光模式, 得出在内锥角为100°时温度形变对光束模式的影响最小。通过对W形轴锥镜温度形变的研究, 可为优化W形轴锥镜的设计提供参考。

为了提高大功率双包层光纤激光器的光束质量、光谱特性以及光纤系统的稳定性, 设计了一种用于滤除光纤内包层残留光的新型高功率包层光滤除器。采用蒙特卡洛算法以及光线轨迹追踪法对包层光滤除器进行了数值计算, 评估包层光滤除器的滤除能力, 并借助计算流体力学软件ANSYS, 分析包层光滤除器的温度场分布。结果表明, 优化级联结构后的包层光滤除器的滤除效果达到16.7dB, 降低了包层光滤除器的热点温度, 在600W的输入功率下, 热点温度降低了20.8℃, 实现了包层光功率的均匀滤除;在滤除功率达到千瓦量级时, 该包层光滤除器仍能够稳定工作在70℃以内, 满足大功率光纤激光器系统稳定运行的要求。

为了解决厚板切割领域中高功率轴快流CO2激光器翅片管换热器压力损失大、传热效率低的问题, 采用计算流体力学软件ANSYS分析了3种涡流发生器的换热特性, 并对换热性能更佳的梯形小翼涡流发生器的形状、长度、高度和安装角度进行优化设计; 通过一个开环的风洞实验平台验证了数值模拟数据的可靠性。结果表明, 长度11mm、高度2.6mm的梯形小翼涡流发生器采用30°迎角渐缩方式布置时换热性能最佳, 在雷诺数为600~1600范围内, 和没有安装涡流发生器相比,梯形小翼涡流发生器的努塞尔数Nu提高了8%~22%, 摩擦因子上升了16%~27%; 8h稳定输出功率4216W, 比额定输出功率高出5.4%。该研究提高了CP4000系列激光器的厚板切割能力。