半导体激光器在光通信、生物医疗、激光雷达等领域中得到广泛应用，其单模稳定输出特性一直是国内外的研究热点。制备了一种基于表面高阶曲线光栅的宽脊波导半导体激光器，刻蚀曲线型高阶光栅后高阶横模损耗远大于基横模损耗，同时设置宽脊电流限制注入结构，使得高阶横模激射阈值高于基横模阈值，从而改善器件的横模特性并压窄光谱线宽。利用温控模块将器件的工作温度控制为18 ℃，对腔长为2 mm、条宽为500 μm的器件进行测试，在0.5 A电流下测得慢轴发散角为5.3°，快轴发散角为29.2°，在1 A驱动电流下测得3 dB光谱线宽为0.173 nm，边模抑制比为22.6 dB。实验结果表明，表面高阶曲线光栅对宽脊波导半导体激光器中的高阶横模起到了抑制作用且能够压窄光谱线宽，有助于实现半导体激光器的单模稳定输出，同时器件采用紫外光刻工艺，大幅降低了器件的制备难度。

通过设计基于金刚石微槽结构的复合热沉,利用不同材料的热导率差异改变热流传导方向,以优化垂直腔面发射半导体激光器（VCSEL）面阵由于温度分布不均匀导致的中心热量堆积的问题,从而改善激光器面阵整体的输出功率,提高可靠性。基于有限元分析法建立三维热电耦合模型,研究了VCSEL面阵单元排布方式对激光器热串扰效应的影响,同时还研究分析了金刚石复合热沉中微槽形状和位置的变化对半导体激光器内部温度的影响,设计最优结构对激光器的出光性能做进一步优化。采用金刚石复合热沉后的垂直腔面发射激光器面阵,与传统金刚石热沉的封装结构相比,激光器发光单元的温度差值降低了29%,为大面积半导体激光器面阵的输出功率优化提供了新思路。

随着智能感知技术的快速发展，高功率、窄线宽的半导体激光光源成为研究热点。通过在边发射半导体激光器件表面引入高阶曲线光栅，设计了一种独特的非稳谐振腔结构，可实现高功率和窄线宽。采用紫外光刻和电感耦合等离子体（ICP）刻蚀技术，制备了周期为6.09 μm、占空比为0.66、刻蚀深度为500 nm的曲线光栅。在室温条件下，测得腔长为2 mm的器件的阈值电流为220 mA，连续输出功率为1.48 W，斜率效率为0.63 W/A。比较了法布里‐珀罗激光器、直线光栅分布式反馈（DFB）激光器和曲线光栅DFB激光器的光谱，结果表明，曲线光栅对半导体激光器的模式选择起到了关键作用，有利于实现高功率DFB激光器的窄线宽单模输出。该器件具有制作工艺相对简单、性能优异、可靠性高等特点，具有广阔的应用前景。

以面发射分布反馈(SE-DFB)半导体激光器为研究对象,基于耦合模理论,通过耦合系数表征器件的出光特性,研究二阶光栅对器件出光特性的调控作用。使用时域有限差分法(FDTD)进行光栅的结构仿真和参数优化,在器件衬底部位引入分布布拉格反射镜(DBR)协同光栅调控出光特性,以980 nm波段半导体激光器为例,重点研究DFB光栅占空比、DFB光栅周期长度、DFB光栅刻蚀深度、DFB光栅倾角、DBR反射镜占空比、DBR反射镜材料折射率、DBR反射镜周期介质层数对光栅耦合系数的综合影响,得到优化的光栅参数,为后续器件设计与制备提供理论依据。

耦合系数是评价分布反馈(DFB)半导体激光器光栅性能的重要参数。本文基于耦合波理论, 结合数值模拟, 研究了侧向耦合表面光栅结构参数对其耦合特性的影响。与矩形光栅侧向耦合脊波导结构对比, 研究了对称梯形、错位梯形、对称结形、错位结形、双对称梯形和双对称结形六种特殊侧向微结构光栅, 通过改变光栅侧壁纵向倾角、调整光栅的光学限制因子等途径, 有效地实现了光栅的耦合系数调控。模拟分析了脊波导特殊侧向微结构光栅的占空比、脊宽、光栅侧向宽度等结构参数对耦合系数的影响, 发现合理的结构参数能够有效地缓解耦合系数的波动, 有助于减少工艺误差对耦合系数的影响。本工作为后续光栅结构设计与制备提供了理论依据。

分布反馈式(DFB)半导体激光器具有优良的稳定性和单模性, 广泛应用于激光器抽运和光通信等领域。光栅作为DFB激光器的关键部件, 对激光器性能有重要的影响。针对976 nm波段设计制备了DFB激光器的光栅。基于耦合模理论优化设计光栅的结构参数, 采用激光干涉光刻和反应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术制备光栅。通过引入表面镀膜SiO2的方法提高了光栅图形由光刻胶向衬底转移的保真度, 显著地改善了光栅的图形质量。探究了曝光时间、ICP刻蚀时间对光栅表面形貌的影响。实验结果表明, 所制备的光栅条纹分布均匀, 有较好的表面形貌, 满足预期设计目标。

近年来, 水平腔面发射半导体激光器具有高功率、高光束质量及易封装集成等优良性能, 已成为激光器领域的研究热点。本文详细阐述了几种水平腔面发射半导体激光器的结构设计、工作原理以及激光输出特性, 并对该激光器国内外最新研究进展与发展现状进行了总结和论述。在此基础上, 对该激光器的研究方向和发展趋势进行了分析与展望。目前, 水平腔面发射半导体激光器的激光输出功率可达瓦级, 美国Alfalight公司引入曲线形光栅的单一发射器输出功率可达73 W。随着应用领域的不断拓展, 中远红外波段水平腔面发射激光器将成为未来的研究焦点。

设计了一种具有波长和偏振模式选择特性的GaAs材料的亚波长抗反射光栅，工作波长为976 nm。采用等效介质理论与薄膜理论对光栅进行初步设计，基于严格耦合波法依次对光栅占空比、脊高和周期进行优化确定，同时分析了各个参数对光栅透射率的影响。所设计的抗反射光栅分别具有99.99%（横电模）和99.86%（横磁模）的高透射率，并且在976 nm± 30 nm的范围内保持99%以上的高透射率，满足器件应用要求。最后研究了工艺误差导致的光栅非矩形形貌对光栅透射率以及偏振优势模式的影响。

微机电系统（MEMS） 垂直腔面发射激光器（VCSELs）是一种特殊光源，具有低功耗、高调制速率、宽波长调谐范围、易耦合等优点，被广泛应用于激光通信领域。为提升激光器工作性能，如扩大波长调谐范围、提高偏振对比度等，需要优化内腔亚波长光栅结构参数来改善腔内光场分布以及偏振输出模式。基于等效介质理论（EMT），并结合薄膜理论设计了针对调谐范围中心波长为850 nm、GaAs材料的亚波长光栅的较优周期、占空比、脊高的取值。分析了横电（TE）、横磁（TM）光，占空比与脊高对光栅透射率的影响。另外，通过系统模拟，对比了未刻蚀光栅、光栅未优化及光栅优化后的激光器波长调谐范围，结果表明：针对特定波长调谐范围及光栅材料，通过优化光栅参数可实现光栅对TE或TM光的增透，增强半导体腔和空气隙之间光场的耦合，进而扩大激光器的波长调谐范围。

本文详细阐述了面发射分布反馈半导体激光器(SE-DFB-LD)的基本工作原理、结构设计及其工作性能, 针对国内外研究最新进展与发展现状进行了总结和评述, 并在此基础上, 对面发射半导体激光器的研究工作和发展趋势做出了进一步的讨论和展望。随着面发射分布反馈半导体激光器各性能指标的不断优化提升和后期加工、装调技术的逐渐成熟, 其将不断满足科学研究及工业、**等实际应用领域对半导体激光器的需求, 具有很大的发展潜力。