近年来气动CO2激光器由于在激光推进和小型化高功率激光器等领域有了新的应用前景而重新受到关注。本文针对研制高性能气动CO2激光器的需求,开发了激光器喷管非平衡流的数值仿真平台,并进行了相关的应用研究。对Open FOAM没有提供的输运模型和湍流模型进行了底层开发,在此基础上编写了预混/混合型气动CO2激光器喷管非平衡流的求解器及相应的前后处理程序,建立起完善的数值仿真平台。首先从耦合弛豫动力学的流体控制方程组出发,推导了影响弛豫过程的特征量,通过对预混型气动CO2激光器喷管内的流动参数、振动参数以及特征量的深入分析,揭示了喷管的“宏观”小信号增益参数与“微观”的流动和弛豫过程的关系:流动参数的分布决定了各个过程弛豫时间的分布,进而影响了平均振动量子数空间变化率的分布,从而改变了弛豫过程;弛豫过程反过来通过向平动转移能量而对流动过程施加影响。在此工作基础上研究了喷管的宏观工作参数通过影响喷管内“微观”弛豫过程进而改变喷管“宏观”增益场性能的影响机制,提出了喷管工作参数的优化方向。最后对MLN喷管和ALN喷管在预混型气动CO2激光器上的应用效果进行了对比研究,揭示了它们性能差异的内在因素并在此基础上对ALN喷管型面进行了改进。结果表明ALN喷管可以在调整喷管型面时做到只改变喷管弛豫特性,而不改变喷管的气动特性,从而达到优化喷管增益场的效果。目前气动激光器上应用的喷管几乎都是纯气动条件下设计的,ALN喷管设计方法给耦合弛豫过程的喷管型面优化设计带来了希望。针对新近提出的“低马赫数初始混合+二次膨胀至高马赫数”混合型气动CO2激光器喷管进行了分析,从理论角度阐明了其具有良好性能的内在因素。对其非平衡流场进行了仿真和分析,并初步研究了总温、总压、含水量等工作参数对这种喷管宏观增益场性能的影响。