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二氧化碳激光器以其独特的性能在越来越多的领域中得以应用。在应用的基础上，为了提高其输出光束的利用效率，有必要对其出射之后的光束做进一步的分析，并引入相应的光学器件，比如红外空芯传能光纤、ZnSe透镜组合系统。首先，介绍应用非常广泛的二氧化碳激光器的应用现状，分析其出射光束的特性，为出射光束与空芯光纤的耦合，以及光束在光纤中的传输特性分析提供了理论依据。其次，对红外空芯传能光纤的定义分类作简要的介绍，然后讨论了耦合系统的设计。在此基础上，分析光束经过光纤后的传输情况，包括能量、模式、发散角以及弯曲损耗等激光光束质量问题进行实验研究，并得出相应的数据及结论。然后，对二氧化碳出射激光经空芯光纤之后的光束做进一步的优化设计，即进行组合透镜的设计，其设计是基于几何光学中的组合透镜理论，用Zemax软件优化设计所需的透镜及透镜组，以实现高能量，小光斑的聚焦效果，从而使得激光在加工、医学以及军事等各个领域，有更好的应用。最后，通过实验进行验证，通过Matlab软件及Photoshop软件对单透镜、正负双透镜以及四透镜系统的光斑能量、直径作了比较，得出四透镜系统的聚焦效果最好，因其前面两个透镜对光束进行了准直矫正，压缩了出纤光束的发散角，使其接近平行光，而后边两个正负透镜减小了其像差，得到了更好的聚焦效果。证明了对光纤出射激光的再聚焦设计可以大大提高激光器的利用效率。