为了实现波导CO2激光调Q脉冲输出, 需要搭建半外腔激光器以在谐振腔内插入Q开关。实验研究了波导纵横比m=2的半外腔矩形波导CO2激光器的输出功率与谐振腔光学结构参数之间的关系, 对比了平面反射镜紧贴波导口激光器的输出功率, 得到谐振腔模式耦合进入波导口的损耗与谐振腔全反镜曲率半径R以及全反射镜至波导口的距离d的关系。基于菲涅耳衍射积分理论, 采用变步长辛普森算法理论计算了m=2的矩形波导谐振腔耦合效率与R、d之间的关系。基于实验及理论结果, 得到了适合高纵横比矩形波导CO2激光器半外腔搭建的两个耦合效率较高的谐振腔光学及结构参数：d=10 mm、d=R的位置, 并且R越大这两个位置对应的耦合效率越高。

为了研发紧凑型的射频波导CO2激光器并探究影响其输出性能的因素, 采用平行平面腔内电极结构, 设计并研制了一台射频激励矩形波导CO2激光器。实验中采用透过率为20%的输出镜, 在工作气压14kPa下, 得到12W的最大激光输出功率, 电光转换效率达到9.4%。结果表明, 工作气压和射频输入功率是影响激光输出性能的最主要因素。该研究取得了预期的实验结果, 对国内今后此类器件的研究具有很好的借鉴意义。

报道了一种高脉冲重复频率，紧凑型横向激励大气压CO2激光器。激光器使用紫外电晕预电离方式，放电均匀、稳定。自由振荡情况下，激光脉冲输出能量达到15 mJ,输出脉冲宽度为60 ns。气体高速循环系统采用涡轮增压技术，最高循环风速可达100 m/s以上，激光脉冲重复频率为2 kHz。

研制了一种新型的预电离结构——管状预电离器，并将其应用于可调谐TEA CO2激光器。利用光栅选线方案，采用光栅谐振腔，实现了激光的调谐输出。在输出耦合率为50%、气压为40 kPa的条件下，10P(20),10R(20),9P(20),9R(20)四条谱线获得的最高电光转换效率，分别为9.5%，9.7%，9.8%，9.8%。实现了激光器的高重复频率可调谐输出运转，测量了上述4条谱线激光输出的脉冲能量及平均功率,在输出耦合率为50%、气压为30 kPa的条件下，重复频率最高可达190 Hz, 此时的10P(20),10R(20),9P(20),9R(20)四线的平均功率分别为322，321，340，338 W。

研究了一台增益体积为2.48 L,采用pulser/sustainer放电技术激励的高功率长脉冲紫外预电离TE CO2激光器的运转特性。激光器采用普通平凹稳定腔输出或光栅谐振腔调谐输出。在20-40 kPa气压范围,10-50 μs放电脉冲宽度下,均获得均匀稳定的大体积辉光放电和大能量长脉冲激光输出。给出了激光器在不同脉冲宽度、不同气压下的典型放电电压、放电电流波形和详细的激光输出脉冲能量及电光转换效率数据;也给出了采用光栅谐振腔调谐输出时4条主要激光跃迁谱线的输出激光脉冲波形。工作在非调谐谐振腔和激光混合气气压30 kPa时,激光器以50.1 μs放电脉冲宽度工作,单脉冲输出激光能量11.1 J,相应脉冲功率达220 kW;以31.6 μs放电脉冲宽度150 Hz高重复频率工作输出平均功率达1.52 kW,相应平均脉冲能量10.0 J,脉冲功率超过300 kW。

采用光栅谐振腔,对基于Pulser/Sustainer技术的紫外预电离长脉冲TE CO2激光器的调谐特性进行了实验研究.在增益体积为1.17 L,激光混合气体比CO2:N2:He=1:5:19的条件下,比较了刻槽密度分别为80、120、150 line/mm的光栅在不同工作气压和激励电路条件下的激光器调谐特性,其中,120 fine/mm的光栅谐振腔可以输出75条激光谱线,4条主要谱线(9R(20)、9P(20)、10R(20)、10P(20))输出能量与采用全反铜镜的非调谐谐振腔激光器输出能量相当.深入实验研究了120 line/mm光栅谐振腔激励电路和工作气压对长脉冲TE CO2激光器调谐特性的影响.

研制了一种新型的采用直驱交流伺服电机的光栅选线TEA CO2激光器快速调谐系统,进行了一系列实验研究,包括系统调试实验、单脉冲运转调谐实验和快速调谐实验.实验共得到85条调谐输出谱线,单脉冲能量超过10 J的有18条谱线;在动态快速触发情况下,分别在60 ms和20 ms内实现了整个CO2激光光谱范围任意两条谱线和同一个跃迁带内相邻两条谱线的快速调谐输出.该方法可应用于高功率、大范围可调谐TEA CO2激光器的快速调谐,对高功率高重复频率可调谐TEACO2激光器研制中的快速调谐输出设计具有较高的参考价值.

采用光栅谐振腔,对一台基于Pulser/sustainer技术的紫外预电离长脉冲TE CO2激光器的调谐特性进行了实验研究。在增益体积为1.17 L,激光混合气体体积比V(CO2):V(N2):V(He)=1:5:19,工作气压为30 kPa条件下,实验测量了75条激光谱线的输出脉冲能量和脉冲宽度(半高全宽,FWHM),结果表明,相同的激励条件下,不同的激光波长,激光输出脉冲宽度有所不同。通过仔细观察比较四条主要谱线(9R(20),9P(20),10R(20),10P(20))的激光输出脉冲波形随放电电压、放电脉宽以及气体成分配比等的变化情况,说明基于pulser/sustainer技术激励的长脉冲可调谐TE CO2激光器的激光输出脉冲宽度随调谐波长的不同而变化。简单实验分析表明,谱线增益的变化可能是引起谱线输出脉冲宽度不同的主要原因。

实验通过采用最大输出脉冲能量为100 J的TEA CO2激光器,研究了从13～80 J的激光脉冲能量对大气呼吸模式激光推进冲量耦合系数的影响。结果表明当脉冲能量在80～24 J变化时,冲量耦合系数没有明显变化,当脉冲能量下降至22 J以下时,冲量耦合系数下降52%。对这一特性进行了初步的理论分析,并通过改变实验环境气体压强,对这一理论进行了验证。

为了研究TEA CO2激光输出的脉冲波形对激光推进中冲量耦合系数的影响，通过激光技术手段，改变激光混合气体比例及压强，控制激光器脉冲输出波形,将激光的脉冲宽度压缩近50%。在此基础上进行的激光推进冲量耦合系数的实验测量和数值计算结果表明，对于大气呼吸模式TEA CO2激光推进而言，在不影响工质击穿功率密度的情况下，减小脉冲前段起击穿工质作用的尖峰部分占整个脉冲能量的比例，有利于获得高的冲量耦合系数。脉冲宽度大于二维运动的特征时间时，获得的冲量耦合系数也高于脉冲宽度偏小时所获得的冲量耦合系数。