高功率横流CO2激光器在激光切割、焊接和热处理等工业加工领域，发挥着愈来愈重要的作用。在激光加工中，影响激光材料加工主要有两方面因素，一是光束质量，即激光束输出的稳定性和光束模式结构，另一方面是聚焦后的光束强度分布，即聚焦系统的影响。激光束通过聚焦系统聚焦到工件表面，良好的激光聚焦特性是获得高质量激光热处理的关键因素。以往的激光加工用聚焦系统在设计时一般都是以基模光束为参考，而来自激光器的光束通常不是理想的基模高斯光束，而是复杂的混合模，所以其聚焦效果不甚理想。通过对新型激光聚焦系统的分析和设计并改进其聚焦特性，对于推进激光热处理技术的广泛应用具有重要意义。 本论文在深入了解激光热处理原理和工艺的基础上，利用新型激光束模式监测仪实时检测了激光加工中的光束模式变化，分析了激光模式对激光淬火效果的影响。再通过衍射计算、有限元法和实验结合的手段，分析了聚焦系统对激光热处理的影响，验证了衍射计算和有限元模拟的准确性。重点设计了一种分束叠加聚焦系统用以改善光斑功率密度分布，通过衍射计算、有限元法结合的手段，对其进行检验分析，衍射计算结果表明，在观测平面的激光光强分布只有较小的起伏，聚焦后的光斑光强分布相对比较均匀，峰值相对标准偏差为3.21％，聚焦效果较好。有限元数值模拟结果表明，整个熔池表面的温度分布差异变小，以光斑为中心，熔覆层左右两侧的温度呈对称分布，聚焦系统的聚焦效果良好。