提出了一种基于体布拉格光栅(VBG)和横向啁啾体布拉格光栅(TCVBG)组合的双光栅外腔半导体激光器, 该外腔半导体激光器采用反射率15%的体光栅和反射率17%的啁啾体布拉格光栅作为反馈元件和模式选择元件, 实现特定波长的选择和调谐, 实验研究了外腔激光器的功率-电流特性、光谱特性和波长调谐特性。实验结果表明: 双光栅外腔半导体激光器最大输出功率为1.96 W, 斜率效率为0.94 W/A, 外腔效率达到78%。输出光谱为双波长, 一个波长为808.6 nm, 另一个波长连续可调, 通过改变横向啁啾体光栅的位置, 该波长可从800 nm调谐至815 nm, 可调范围达15 nm, 在整个可调范围内两个波长的谱线宽度(FWHM)均小于0.3 nm。

光纤光栅外腔半导体激光器一般采用波导-光纤的直接耦合方式, 光纤与增益芯片的耦合效率对光纤光栅外腔半导体激光器性能影响较大。为了讨论在采用不同类型光纤微透镜时对准误差对耦合效率的影响, 寻找最佳微透镜类型, 指导器件的设计和装配, 分析了锥形和半球形光纤透镜的光线最大接收半角, 利用ZEMAX软件进行模拟仿真, 得到了两种光纤微透镜分别在位置误差和角度误差下的耦合效率曲线图。结果表明, 锥形光纤透镜耦合效果更好, 更适合应用于光纤光栅外腔半导体激光器。

采用光束传输法分析了横向啁啾体布拉格光栅的衍射特性，实验研究了横向啁啾体布拉格光栅外腔二极管激光器的功率特性、光谱特性和波长调谐特性，数值计算和实验结果表明：横向啁啾体布拉格光栅的峰值衍射效率随着入射光束在啁啾方向上尺寸的增大而降低，光谱选择宽度随着入射光束在啁啾方向上尺寸的增大而增大；当横向啁啾体布拉格光栅的啁啾方向与二极管激光器的快轴方向一致时，外腔二极管激光器的外腔效率为85%，在808.05 nm 处的输出激光光谱宽度为0.27 nm；当横向啁啾体布拉格光栅的啁啾方向与二极管激光器的慢轴方向一致时，外腔二极管激光器的外腔效率为89%，在808.05 nm 处的输出激光光谱宽度为0.3 nm，两种外腔激光器都较好地实现了约15 nm 波长调谐范围，且在整个调谐范围内输出功率波动范围分别小于1%(快轴方向一致)与1.5%(慢轴方向一致)。

为了研究纵向啁啾体光栅的光谱衍射特性, 采用传输矩阵方法进行了分析, 研究了光栅的厚度、折射率调制系数和啁啾波长范围对纵向啁啾体光栅中心衍射效率的影响。结果表明, 随着光栅厚度的增加, 中心衍射效率随之增大;随着光栅折射率调制系数的增大, 中心衍射效率也随之逐渐增加;而随着啁啾波长范围的增大, 纵向啁啾体光栅的中心衍射效率则逐渐减小。此研究结果对大尺寸啁啾体光栅的设计制作有一定的参考价值。

采用横向啁啾体布拉格光栅作为二极管激光器的外腔，实现一种简单易行的窄谱线宽、波长稳定且连续可调谐的外腔二极管激光器。实验研究了横向啁啾体布拉格光栅外腔二极管激光器的波长稳定性及谱宽压窄特性，分析了横向啁啾体布拉格光栅的波长调谐特性及其功率特性，研究表明，在横向啁啾体布拉格光栅外腔反馈的作用下，二极管激光器输出光谱的中心波长得到了锁定，同时输出谱线宽度显著变窄，通过横向移动啁啾体布拉格光栅的相对位置，可以实现外腔二极管激光器输出光谱的连续调谐，连续可调范围为800~815 nm，在整个可调范围内谱的半峰全宽（FWHM）小于0.3 nm，最大输出功率为2.01 W，输出功率偏移度小于1.5%。

为了实现高均匀性的半导体激光器泵浦光源，研究了成像型光束积分器中微透镜的变化对泵浦光均匀性的影响。详细讨论了微透镜数值孔径与入射光束的角度匹配的问题。推导了高斯光束经成像型光束积分器的光场分布模型，分析了微透镜的边缘衍射对光斑均匀性的影响，明确了微透镜孔径大小的取值范围，并利用ZEMAX进行了系统仿真及实验验证。结果表明，经优化后的成像型光束积分器实现了不均匀性为811%的矩形光斑。

体光栅光谱合成技术是获得高功率激光输出的一种有效途径，体光栅衍射旁瓣是影响合成光束数目的主要因素。采用了Hamming切趾技术对体光栅旁瓣进行抑制，建立了Hamming切趾体光栅的折射率分布模型，分析了Hamming切趾体光栅的衍射特性，给出了Hamming切趾体光栅光谱合成效率公式，分析了切趾光栅对光谱合成效率的影响。计算结果表明：体光栅切趾后有效减小了体光栅对相邻合成光束的衍射损耗，切趾后，在20 nm的带宽内，谱合成光束的数目由13束增加为20束，谱合成效率达75.3%，光谱合成功率提高为切趾前的1.5倍。

体光栅光谱合成技术是获得高功率激光输出的一种有效途径,体光栅衍射旁瓣引起的串扰是影响合成效率的重要因素。基于Kogelnik的耦合波理论,分析了体光栅光谱合成系统的模型,对体光栅旁瓣引起的串扰损耗进行了计算仿真;推导并简化了有串扰情况下的多路激光光谱合成效率公式。数值分析结果表明:体光栅的串扰损耗主要来源于一级至四级旁瓣,随着相邻光束的波长间距的增大,体光栅对光束的串扰损耗逐渐降低。简化后的合成效率公式计算得到的结果与简化前的公式所得结果相差小于0.5%。

为了研究多路激光体布喇格光栅光谱合成的合成特性, 采用建立多路反射式体布喇格光栅光谱合成系统物理模型的方法, 得到了具有不同谱宽的光束的衍射效率曲线, 以及体布喇格光栅材料的吸收系数和通道间的串扰对总的合成效率的影响曲线。结果表明, 在入射光束中心频率不变的情况下, 随着光束光谱宽度的增大, 衍射效率逐渐减小; 随着光束中心频率与光栅中心频率之间偏移量的增加, 衍射效率逐渐减小; 当光束谱宽与光栅光谱选择宽度大约相等, 并且通道之间的间距较小时, 通道之间由于发生串扰而损失的衍射效率需考虑, 随着合成路数的增加, 总的合成效率受体布喇格光栅材料吸收系数的影响越来越大, 而受串扰的影响则几乎保持不变。