大功率激光治疗过程中, 避免表皮及正常组织的热损伤副作用, 是保证激光治疗安全性和有效性的关键。本文采用具有高制冷性能的医用134a制冷剂, 通过对高压储液罐、密闭传输管路、高速雾化喷射装置以及电子学控制等系统的设计, 形成了可与治疗激光不同时序输出、对皮肤和组织进行实时快速冷却的瞬态喷雾冷却系统。通过研究喷洒时间、喷射距离、类皮肤材料温度变化之间的量效关系, 验证了装置的冷却效果。实验结果表明, 在20~50 ms喷洒时间内可将组织温度降低40~60 ℃。冷却系统的生物兼容性、耐压性、密封性通过了医疗器械注册检验。并联合大功率1 450 nm半导体激光用于面部痤疮的临床治疗, 189例轻中度痤疮患者在连续治疗4次后治疗的总有效率达873%, 未出现皮肤热损伤。该瞬态喷雾冷却系统可与各类激光治疗设备集成应用, 提高了现有激光治疗技术的安全性、有效性和治疗范围。

为了实现大功率激光溶脂仪安全、稳定的输出, 设计了1 470 nm大功率半导体激光溶脂的控制系统。对该控制系统所采用的驱动模块、温控模块、主控模块和人机交互模块等进行了研究。首先, 采用FPGA实现恒流源的数字控制, 功率反馈闭环实现恒功率控制,以提供1 470 nm大功率激光器和弱激光红光指示的驱动, 单片机负责实现RS232的协议解析。采用数字模拟PID混合控制, 根据NTC的反馈对TEC进行驱动实现激光器温度控制。设计了基于ARM Cortex-M3架构的STM32F系列微处理器主控模块和人机交互模块, 实现了相关数据的输出显示与存储、触摸屏驱动及响应以及各接口控制。最后, 利用MDK平台编写控制软件并对整机控制系统进行联调和测试。实验结果表明: 整机输出功率与设置功率的偏差小于2%, 安全性能符合国家医用电气安全通用标准的要求。该系统能够满足1 470 nm大功率半导体激光溶脂仪的稳定可靠、安全性高、抗干扰能力强等要求。

研究了大功率底发射垂直腔面发射激光器（VCSEL）单管器件光束质量，分析了电流、出光孔径、衬底厚度等因素对M2因子、远场发散角、近场及远场光强分布等的影响。使用有限元的方法对不同电极及不同氧化孔径时有源区中电流密度的分布进行了计算，为了获得高功率、高光束质量的VCSEL器件，选择氧化孔径为650 μm以及P面电极直径为580 μm，在对电流进行有效限制的同时实现了有源区中电流密度的均匀分布，从而抑制远场光斑中边模的产生，改善了光束质量。

在全息光栅曝光光路中，基底的定位误差会直接影响光栅的技术指标。对平面全息光栅会造成光栅周期误差，对凹面全息光栅则会增大其像差。分析了全息光栅洛艾镜干涉系统中使用叠栅条纹方法调整干涉场周期时，标准光栅定位误差及基底定位误差对光栅周期的影响,指出通过调整基底使其与标准光栅表面平行可以补偿由标准光栅和基底定位误差带来的光栅周期误差。

为了获得高稳定性的偏振光，研制了氧化孔区域为70 μm×10 μm 的非对称电流注入的矩形台面垂直腔面发射激光器(ACIR-VCSEL)。在室温下，注入连续直流电流，实验测试得到ACIR-VCSEL 的斜率效率为0.483 W/A，微分串联电阻为23.5 W。在电流注入过程中，ACIR-VCSEL 以稳定的平行于长边的偏振光输出，功率偏振比始终大于5。当电流为15 mA 时，功率偏振比的最大值为14。在相同的测试条件下，氧化孔径大小同为70 μm×10 μm 的环形电流注入矩形台面VCSEL (RCIR-VCSEL)的斜率效率为0.568 W/A，微分串联电阻为18.1 W，偏振功率比值最大值为9，最小值为2.6。RCIR-VCSEL 与ACIR-VCSEL 的输出特性相比，虽然RCIR-VCSEL 比ACIR-VCSEL 的斜率效率高，串联微分电阻小，但是ACIR-VCSEL 的偏振稳定性和最大偏振比值比RCIR-VCSEL 增强。

垂直外腔面发射激光器(VECSEL)可以实现大功率的高光束质量输出。针对外腔制作工艺复杂、腔体结构松散的缺点, 研制了一种介质膜集成衬底表面外腔底面发射激光器。将衬底表面生长的多层介质绝缘薄膜与N-DBR、P-DBR共同构成复合腔结构, 衬底充当外腔。该结构能够抑制高阶模式, 进而优化输出光谱及远场发散角等光束特性。在已有的理论指导下, 制作了有源区直径为200 μm、外腔腔长250 μm的VECSEL。室温下, 向器件连续直流注入3.4 A, 测试得到输出功率为260 mW, 远场发散角的半角宽度为3.8°, 光谱半高全宽为0.046 nm。与常规结构底面发射VCSEL进行比较, 发现VECSEL器件的光束质量得到了明显改善, 实验结果与理论仿真结果有较好的一致性。

为了获得较大的尖锐度, 提升微环传感器的灵敏度, 提出利用眼型谐振腔结构在下路端输出的非对称Fano谐振光谱, 眼型谐振腔由一个外环和内环构成, 外环与总线波导耦合, 内环与外环耦合.利用传输矩阵法对下路端输出光谱进行了数值计算, 在不同剩余电场比例系数下, 发现非对称Fano谐振峰的尖锐度随电场剩余比例系数的增大而增大;改变外环与总线波导间的场强耦合系数和内环与外环之间的场强耦合系数, 其尖锐度的最大值随外环和内环场强耦合系数变化缓慢增大, 尖锐度最大值处谐振点传输系数值在不同电场剩余比例系数和内外环场强耦合系数下稳定在－6 dB附近.因此利用眼型谐振腔结构下路端的Fano谐振峰, 可获得对耦合系数不敏感的尖锐度和谐振点传输系数, 降低器件对耦合区加工准确度的要求.

由Van Cittert-Zernike提出的部分相干光定理出发，研究了大功率垂直腔面发射激光器(VCSEL)及其列阵器件的空间相干特性。采用杨氏双缝干涉实验装置得到980 nm波段VCSEL单管器件的干涉条纹图样，再将干涉图样转换进行灰度读取处理得到光强分布图样，最后分别采用积分法和平均值法对光强图样进行计算，所得结果与由Van Cittert-Zernike定理所得的空间相干度理论值进行对比，并讨论了VCSEL器件发光孔径对其空间相干度的影响。实验结果表明提出的积分法计算出的空间相干度与理论值的误差在2.5%～37.4%。而常用的平均值法所得结果与理论值的误差为7.5%～120.5%。可见，传统算法误差普遍大于积分算法1.5～27倍。出光孔径在200～500 μm的单管VCSEL器件相干度在0.731~0.426之间，且发光孔径越小，其相干度越大。分析了积分平均值法和传统平均值法的优劣及VCSEL器件出光孔径对相干特性的影响，为VCSEL相干列阵的设计提供了必要的理论和实验依据。

为了实现808 nm垂直腔面发射激光器(VCSEL)的高功率输出, 对808 nm VCSEL的 分布式布拉格反射镜(DBR)结构材料进行了优化设计, 分析了AlxGa1-xAs材料中Al组分对于折射率与吸收的影响, 并最终确定了材料。采用非闭合环结构制备了2×2 VCSEL列阵。通过波形分析法对VCSEL列阵的功率进行了测量: 在脉冲宽度为20 ns、重复频率为100 Hz、注入电流为110 A的条件下, 最大峰值功率为30 W; 在脉冲宽度为60 ns、重复频率为100 Hz、注入电流为30 A的条件下, 最大功率为9 W。对列阵的近场和远场进行了测量, 激光器垂直发散角和水平发散角半高全宽分别为16.9°和17.6°。