高功率CO2激光光束特性是决定激光加工质量的重要因素，本文利用横流CO2激光器及加工系统作为实验研究平台，系统地研究了高功率CO2激光束的能量特性、模式特性、焦点特性及其对材料深熔焊接、表面改性的影响规律。 (1) 研究了连续横流CO2激光器平－锥光学谐振腔的输出光场分布，建立了光束模式的理论分析模型。比较了平－凹腔与平－锥腔的输出光束特性，输出光束发散角分别为2.6mrad、2.1 mrad，当输出镜失调1.4′时，光斑缺失率分别为16％、8％，当反射镜失调1.4′时，光斑缺失率分别为20％、5％，因此平－锥腔具有较高的抗失调稳定性。提出了横流CO2激光束的“时间光束质量”概念以及三个评价参数：功率波动的频率与功率波动之比(f<,VP>/VP)，光束直径变化的频率与光束直径波动之比(f<,VD>/VD，光束中心变化的频率与光束中心变化之比（f<,vc>/VC ），研究表明：此三个参数越大，光束的时间特性越好，稳定性越高。 (2) 建立了积分聚焦镜焦点光场分布的理论模型，实验分析了焦点光场分布对表面改性质量的影响，通过改变积分镜中反射镜边长或入射光束质量，在焦点处可得到“凸”形、均匀和“凹”形分布光强，“凹”形光束的硬化区更宽、更均匀一致，底部近似平底状，更有利于表面改性处理。比较了平－凸透射聚焦镜、抛物面反射式聚焦镜对深熔焊接质量的影响规律，当光束垂直中心入射时，抛物面反射聚焦镜比平－凸透射聚焦镜的焊接熔深大15％，熔宽小10％；当入射光束的偏移增加到0.6mm时，抛物面反射聚焦镜的焊接熔深迅速下降到低于平－凸透射聚焦镜。 (3) 实验研究了高功率CO2激光光束特性对316L材料、Q235A材料、粉末冶金材料(PM)、三明治材料深熔焊接的影响，建立了激光功率(Kw)、焊接速度(m/min)、光束质量因子、焦距(mm)与焊接质量之间的关系，焊接熔深(mm)：焊接气孔率：，焊缝强度(Mpa)：三明治材料的激光焊接缺陷主要表现为焊缝中大量的焊接气孔和较多的铜，极大地降低了焊接强度，采用正面熔透1/2，反面完全熔透的焊接方式和提高焊接速度可以减少气孔缺陷。 (4) 实验研究了横流CO2激光器多模连续/脉冲激光对熔覆质量的影响规律，克服了航空发动机叶片K403材料的熔覆裂纹难题，与连续激光相比，脉冲激光熔覆硬度提高了5％，稀释率降低了20％，热影响区减少50％。分析了矩形、圆形、三角形光束对表面相变淬火质量的影响规律，结果表明：三角形光束可获得最大的表面硬度，矩形光束可获得最大的硬化区宽度，圆形光束可获得最大的硬化区深度。