采用超极化惰性气体的磁共振成像技术可大大提高肺部影像成像质量，其中自旋交换光泵作为超极化惰性气体的关键，通常是对碱金属铷进行泵浦，为获得较好的泵浦效率，要求泵浦源具有窄光谱宽度和高功率的特点。针对这一需求，提出以体布拉格光栅（VBG）作为外腔反馈元件的795 nm窄谱宽外腔半导体激光器设计，并对VBG的外腔锁模稳定性进行了分析讨论，最终实现了功率为6.36 W，谱宽低至0.036 nm 的795.245 nm单管外腔激光输出，为实现大功率的单管外腔半导体激光器奠定基础。

锥形半导体激光器具有能够同时获得高输出功率和高光束质量的优良特点。介绍了分离电极锥形器件的锥角选择、制作工艺、光电特性等;分析了脊形区电流和锥形区电流对器件光束质量和近场特性的影响。制作的器件总腔长为5.5 mm(脊形区长度为1.5 mm,锥形区长度为4 mm),锥角为5°,器件输出功率为7 W。在脊形区电流为400 mA、锥形区电流为7 A时,器件的输出功率为6.4 W,光束质量因子M²为1.66(1/e²),亮度达到369 MW·cm ^-2·sr ^-1。

为了突破多单发射区半导体激光器光纤耦合模块设计过程中空间合束法遇到的合束功率及光功率密度无法上升的瓶颈, 得到多单发射区半导体激光器光纤耦合模块更优参数的光束输出, 同时完成单一激光器光纤耦合模块泵浦多种激光器的目标, 结合ZEMAX光学设计软件及Solidworks工程设计软件设计并制作了一种由6支、可输出2种波长分别为915 nm及974 nm的单发射区半导体激光器组成的光纤耦合模块。该模块的实现过程包括微透镜光束快慢轴整形、空间合束、波长合束、光路转向及聚焦, 最终耦合进数值孔径为0.22、光纤芯径为105 μm的普通光纤, 测试结果表明该模块光纤输出光功率达到了46 W, 2种波长均在光纤输出光束中检测到, 且光纤耦合效率高于83%。使用ANSYS软件对模块进行散热分析, 结果显示, 模块正常使用后最高温升至37 ℃, 在正常使用温度范围内, 表明模块的散热性能良好, 具备实际应用的可行性。

为了提高半导体激光器件的可靠性, 研究了AlN过渡热沉上AuSn焊料不同配比对半导体激光器器件性能的影响。利用MOCVD 生长975 nm芯片, 通过对半导体激光器器件表面形貌、空洞、光谱特性、热阻特性以及寿命测试, Au组分比重低于72%的AlN过渡热沉封装器件表面颜色明显不同于组分相对较高的, 空洞较多, 平均波长红移约5 nm, 在寿命试验中过早失效, 最终得出AuSn焊料中Au组分比重最好大于72%, 小于80%, 才能保证封装器件焊接质量, 为实际生产和使用提供了指导意义。

为了发挥单管半导体激光器的优势, 获得光纤耦合模块多波长、高功率、高亮度的光束输出, 利用ZEMAX软件仿真模拟, 设计了一种单管光纤耦合模块。此模块将32支输出波长分别为915 nm、975 nm, 输出功率为15 W的单管半导体激光器, 经过微透镜组快慢轴光束整形、空间合束、偏振合束、波长合束以及光束聚焦等一系列工艺后, 耦合进芯径200 μm、数值孔径0.22的光纤。模拟结果显示, 光纤输出功率467.46 W, 光纤前后耦合效率大于98.47%, 总耦合效率高于97.39%, 光功率密度高于12.86 MW/(cm2·sr), 达到了泵浦激光器和功率型器件的性能要求。使用Solidworks软件设计了相应的底板结构, 并结合ANSYS软件进行散热模拟分析, 结果显示该模块散热性能良好, 可行性较高。

为研究基于碳化硅(SiC)陶瓷封装的高功率半导体激光器的散热性能, 将其与常用的氮化铝(AlN)陶瓷进行对比, 使用基于结构函数法的热阻仪分别测量SiC和AlN封装F-mount器件的热阻值, 得到SiC器件的总热阻约为3.0 ℃·W-1, AlN的约为3.4 ℃·W-1, SiC器件的实测热阻值比AlN器件低14.7%, 实验结果表明SiC过渡热沉具有较好的散热性能。实验进一步测试了两种过渡热沉封装器件的输出性能, 在16 A连续电流注入时, 915 nm波段的SiC器件单管输出功率为15.9 W, AlN为15 W, 测试结果显示SiC封装的器件具有更高的功率输出水平。

利用空间合束技术和光纤耦合技术将9只波长为915 nm单管芯半导体激光器高效率耦合进光纤中, 制备出具有高功率、高亮度输出光纤耦合模块。应用ZEMAX光学软件进行模拟仿真后通过实验验证, 光纤耦合模块可以通过芯径105 μm、数值孔径0.22的光纤输出大于110 W的功率, 并且亮度达到8.64 MW/(cm2·sr)。

对自主研发的975 nm波长的COS封装的大功率半导体单管激光器进行了10，12，14 A的电流步进加速应力试验，应用逆幂律模型和指数分布的理论对试验结果进行了分析，计算出在8 A的电流下，器件的平均寿命为28 999 h。研究了器件的失效形式和老化前后的温升、偏振度的变化，结果表明：失效形式主要有体内退化、腔面退化、与焊接有关的退化；老化后的器件的结温上升增多,偏振度下降10%左右。

为实现半导体激光器单管的高功率输出,研究了使用氮化铝和碳化硅两种陶瓷材料制成的三明治型过渡热沉的散热性能。首先使用有限元分析方法计算,然后利用光谱法测量激光器的工作热阻。数值计算和实验测量结果均显示,碳化硅制成的过渡热沉所封装器件的工作热阻更低,散热效果更好。此外,实验进一步测试了器件的光电特性,结果表明碳化硅陶瓷制成的过渡热沉封装器件的电光转换效率更高、输出功率更大。915 nm附近单管器件在注入电流15 A时的输出功率为16.3 W,最高电光转换效率达到了68.3%。

高功率窄间距列阵叠层是提高激光二极管泵浦源光功率密度的有效途径, 而封装散热热沉的结构设计在其热管理上占据至关重要的作用。本文利用ANSYS有限元分析方法, 对叠层间距、绝缘陶瓷厚度以及陶瓷底面与散热恒温面距离等几个影响高功率密度激光二极管叠层封装散热的重要因素进行了分析, 得到器件的最高温度随结构参数变化的规律, 并对上述参数进行优化。最后, 利用优化结果设计出一种适用于高功率密度激光二极管叠层泵浦源的高效有源散热热沉结构, 大幅提高了器件的散热能力, 并降低了所需冷却水的水泵功耗需求。