通过引入渐变Al组分和脊型波导的设计，制备了1550 nm高功率AlGaInAs/InP基横模半导体激光器，室温连续工作模式下器件的斜率效率达到0.35 mW/mA，在500 mA的工作电流下，输出功率为138 mW，垂直和水平方向的远场发散角分别为32.9°和11.1°，证明器件具有良好的基横模输出特性。同时，建立高阶模截止条件温度模型，研究了器件在不同温度下功率-电流（P-I）曲线中kink效应与远场发散角steering效应的产生原因，阐述了温度对基横模和高阶模增益的影响机制。通过比较不同腔长器件发生kink效应的电流大小，证明长腔长结构可以有效防止kink效应的发生。

为了提高808 nm激光器对固体激光器的泵浦效率，对其波长稳定性进行了研究。阐述了光栅设计的理论基础。将纳米压印、干法刻蚀及湿法腐蚀工艺相结合，制备了含有一阶光栅的808 nm分布反馈（DFB）激光器阵列。在准连续条件（脉宽为200 μs，频率为20 Hz）下对所制备的激光器进行性能测试。测试结果表明：所制备的808 nm DFB激光器阵列的发射波长随温度的漂移系数为0.06 nm/℃，温度锁定范围可达70 ℃（-10~60 ℃），随电流的漂移系数为0.006 nm/A。

为提高1060 nm锥形激光器的输出性能,对1060 nm锥形激光器的脊形波导区和锥形增益区长度进行了优化。当保持总腔长3 mm不变时,设置脊形波导区长度为500,750,1000 μm。在输出功率为2 W时,对三种情况所需的输入电流、功率-电流曲线斜率效率、电光转换效率、输出光谱及远场特性进行了对比。研究结果表明,当脊形波导区长度为750 μm,锥形增益区长度为2250 μm时,1060 nm锥形激光器的输出性能最优。当输出功率为2 W时,所需输入电流为3.95 A,斜率效率为0.61 W/A,转换效率为33.9%,光谱宽度(半峰全宽)为0.3 nm,远场近似高斯分布且95%能量处的水平发散角约为14°。

为提高大功率半导体激光器的泵浦效率, 必须降低半导体激光器输出波长随温度的漂移系数。采用MOCVD外延技术、纳米压印和干法刻蚀附加湿法腐蚀等工艺制备了大功率分布反馈激光器列阵。激光器列阵的腔长为1 mm, 25 ℃时中心波长为808 nm, 通过测试不同热沉温度下的P-V-I曲线和光谱图, 表明当脉冲工作电流为148 A时, 激光器列阵的输出功率可以达到100 W, 斜率效率为0.9 W/A, 光谱的FWHM为0.5 nm, 边模抑制比可以达到40 dB, 出射波长随温度的漂移系数为0.056 nm/℃, 单列阵波长锁定范围可达50 ℃, 总锁定范围100 ℃。另外还分析了腔面镀膜对波长锁定效果的影响。

半导体分布反馈（DFB）激光器的核心工艺之一是分布反馈光栅的制作, 设计了808 nm DFB激光器的一级光栅结构。利用纳米压印技术与干法刻蚀附加湿法腐蚀制作了周期为120 nm的梯形布拉格光栅结构, 使用MATLAB和Pics3D软件模拟了一次外延结构的光场分布和能带图。通过优化湿法腐蚀所用腐蚀液各组分比例、腐蚀温度、腐蚀时间等条件, 得到了理想的湿法腐蚀工艺参数。扫描电子显微镜表征显示, 光栅周期为120 nm, 光栅深度约为85 nm, 占空比约为47%, 光栅边缘线条平直, 表面平滑, 周期均匀。创新型的引入湿法腐蚀工艺和腐蚀牺牲层使光栅表面的洁净度得到保证, 提高了二次外延质量的同时,也为进一步制作DFB激光器高性能芯片奠定了良好的基础。

针对半导体激光器腔面光学灾变损伤的发生机制, 设计了一种单管芯半导体激光器腔面真空解理钝化工艺方法。在真空中解理并且直接对半导体激光器腔面蒸镀钝化膜, 提出用ZnSe材料作为单管芯半导体激光器真空解理工艺的钝化膜材料, 发现利用真空解理钝化工艺方法和ZnSe材料作为钝化膜可以使器件输出功率提高23%。通过电致发光(EL)对半导体激光器腔面损伤机理进行分析。进一步说明对915 nm半导体激光器制备工艺中引入真空解理钝化工艺技术并且选择ZnSe作为钝化膜可以有效保护半导体激光器腔面, 提高器件可靠性。

为了研究以单管半导体激光器为基本单元的高功率、高亮度波长合束光纤耦合模块，设计出新型光纤激光器泵浦模块，基于ZEMAX光学设计软件等设计了一种由30支单管半导体激光器组成、可输出3种波长光束的光纤耦合模块。将经快慢轴整形、空间合束、波长合束、光路转向及聚焦的光束耦合进入芯径105 μm、数值孔径0.22的普通光纤，最终得到尾纤输出端高于357.91 W的输出功率，光纤耦合效率为99.42%，光功率密度为27.24 MW/cm2-stras。为了验证模块的实际操作的可行性，分析了光纤端面法线与入射光束之间的夹角对耦合效率的影响，结果显示该夹角对模块的耦合效率影响较小。同时，应用ANSYS软件对模块散热情况的分析结果可知，模块散热性能良好。故该模块各项性能良好，可靠性较高，实现了高功率、高亮度、多波长的多单管半导体激光器光纤耦合模块的设计目的。

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)。