为了解决3kW射频板条CO2激光器在高功率工作条件下功率波动的问题, 采用外光路转折镜调节方法对腔镜热畸变造成的光路偏移进行补偿。研究了基于芯片TMS320LF2407的脉宽调制器控制激光器注入功率的关键技术, 设计了整形光路尾镜取样功率检测系统, 并分析了外光路自适应调节系统的补偿原理。结果表明, 整形光路尾镜取样功率检测系统与基准功率计的最大误差为±2.59%, 其具有高线性度; 采用PA 100/T 14型压电陶瓷微位移驱动器, 对微动距离不超过54μm的自适应调节转折镜进行调节补偿, 光束偏移不会超出空间滤波器的0.8mm狭缝宽度; 调节补偿前后输出功率波动由18%降到2%, 达到了由于腔镜热变形导致光束偏移的补偿要求, 整形光束的旁瓣消失, 获得最佳模式输出。此项研究对提高激光器输出功率稳定性具有一定的实用价值。

为了提高传统球面镜腔3kW射频板条CO2激光器光束质量, 设计了新型抛物面镜负支非稳-波导混合腔; 结合标量光束的瑞利-索末菲衍射理论与特征向量法, 研究了大菲涅耳数下镜面类型对非稳波导混合腔光场传输特性的影响; 利用矩形波导理论、1维近似分析得出了波导传输损耗及偏振情况。结果表明, 将非稳方向输出镜和尾镜改为与光轴交点处曲率半径为R1=951.32mm和R2=1088.68mm的抛物镜面, 能够避免尾镜漏光, 可有效改善模式鉴别特性; 常用波导电极镀膜材料中, 镀铝电极内波导方向传输损耗最小, 传输光场为x偏振的EH1模。采用电极镀铝的抛物面非稳波导腔能够降低损耗、提升光束质量。

2 kW射频板条CO2激光器光束整形系统中空间滤波器具有消除旁瓣、提升光束质量的作用，研究其失调对输出光束的影响具有现实意义。通过理论和实验研究了空间滤波器失调对光强分布的影响，理论分析与实验结果基本一致。数值模拟了失调对输出功率的影响。结果表明，空间滤波器非稳方向横向位移失调对输出功率的影响不是线性的，输出功率损耗随着横向位移的增加急剧增大；对整形光束光强分布的影响很大，失调量大于0.2 mm时就会使整形光束非稳方向出现明显的旁瓣。空间滤波器轴向位移失调对功率影响较小，但对光斑形状有比较明显的影响，失调量达到10 mm时，整形光束两个方向的直径差可达3 mm。空间滤波器旋转失调角度在10°以下时，对整形光束非稳方向光束的影响可以忽略，主要影响波导方向光束，旋转失调会使模式变差。旋转失调对功率也有较大的影响，失调角度为10°时，功率损耗增加到25%。

为了解决射频板条CO2激光器因安装或腔镜热畸变造成的光路偏移问题, 采用外光路偏移补偿的方法对其进行校正。研究了基于压电陶瓷的偏移补偿装置, 设计了压电陶瓷驱动电路,并分析了控制精度和自适应控制方法。结果表明, 通过偏移补偿装置, 激光输出功率在任何占空比下均可达到或超过标准参考功率值, 并通过对比有无自适应调节, 激光输出功率最大相差100W, 且可保持激光输出功率在2h运行中波动小于2%。此项研究可保证激光器高效运行, 提高激光器的输出功率和模式的稳定性, 具有较大的实用价值。

针对2 kW射频板条CO2激光器离轴负支非稳波导混合腔的近场分布存在较多高空间频率分量，导致聚焦后会产生不可忽略的旁瓣,无法直接应用于激光加工的问题，对谐振腔的近场分布使用特征向量法和矩形波导的解析表达式进行了数值模拟和实验研究。并结合Collins公式研究了输出光束整形过程中光场分布的变化和整形系统中空间滤波器的优化设计。理论和实验结果表明：激光器输出光束在整形前为有较多高空间频率振荡的长条形的简单象散光束。通过带空间滤波器的整形系统消除旁瓣，并将初始的长条形的简单象散光束整形成近圆形、近基模高斯分布的光束。整形后的光束非稳方向的光束质量因子M2为1.1，波导方向M2为1.08。