设计并制作了一种亚波长透射光栅,利用该光栅实现了半导体激光阵列光谱合束。基于严格耦合波理论,对光栅占空比、脊高和周期等进行了设计,模拟了不同结构参数对光栅衍射效率的影响,从而实现了光栅衍射效率的优化。理论计算表明,优化后的光栅对940 nm激光的-1级衍射效率可达92%。实验结果表明,激光阵列光谱合束后,输出功率为46.2 W,光束质量为3.9 mm·mrad。

研究了在多次回流下Au80Sn20焊层的微观演变机制及对半导体激光性能的影响, 为采用自动化精密校准机械设备, 多次回流实现激光叠阵自动化高精度封装提供技术支持。实验中, 采用扫描电镜对不同回流次数下Au80Sn20焊层金属化合物(IMC)的SEM形貌特征进行了观察, 并做EDS能谱组分分析。同时, 对多次回流过程中各阶段进行光电性能测试, 分析Au80Sn20焊料在多次回流焊接下的微观演变, 以及对激光光电性能的影响。实验结果表明：对于相同芯片, 同一封装形式, 同批次的器件, 在340 ℃, 30 s的回流焊接条件下, 多次回流加热2～6次, 即340 ℃间歇循环作用180 s以内, Au80Sn20焊层演变主要在于微观相形态的变化, 对激光光电性能影响不大; 在加热到8～10次时, 即340 ℃间歇循环作用300 s左右, Au80Sn20焊层与芯片边界处出现柯肯达尔空洞; 12～20次后, 即340 ℃间歇循环作用至600 s, 柯肯达尔空洞融合变大, 数量增多, 致使半导体激光光电性能明显下降。

在二极管激光阵列(DLA)光栅-外腔谱合成系统中, 由于DLA存在子单元光束发散角、 “smile”效应的位置偏差及指向性偏差等因素的综合作用, 将导致合成光束的光束质量降低。 综合考虑DLA子单元光束发散角、 “smile”效应等因素对谱合成系统中光束传输特性的影响, 建立了DLA光栅-外腔谱合成系统的光传输模型, 进而对谱合成系统中DLA子单元光束发散角、 “smile”效应的位置偏差及指向性偏差等因素对合成光束的光束质量影响进行了定量分析。 结果表明, DLA光源质量会明显影响合成光束的光束质量: DLA子单元光束发散角和“smile”效应引入的指向性偏差越大, 合成光束的光束质量就越差; “smile”效应引入的位置偏差在合束方向上对合成光束的光束质量没有影响, 而在非合束方向上引入的位置偏差将会明显降低合成光束的光束质量。 在实际工作应用中, 需要采取措施提高DLA光源质量, 以减小对合成光束的光束质量影响。

用数值模拟与实验测试相结合的方法, 研究了温度对“smile”的影响.利用有限元方法分别模拟计算了半导体激光器芯片键合及工作过程中激光器芯片中的热应力, 模拟中假设激光器芯片的弯曲仅由热应力引起；计算结果表明, 激光器芯片有源区的热应力随工作温度的升高而减小, 由热应力导致的芯片的弯曲随温度升高而减小.实验结果表明, 对于具有相同芯片、同一封装形式、同批次的器件, “smile”随温度的升高有增大或减小的趋势, 这与封装前裸芯片的弯曲形态及封装热应力的综合作用有关；若封装前裸芯片为相对平直的或凸的, 则封装后激光器的“smile”将随温度升高而减小；若封装前裸芯片为凹的, 封装后的激光器芯片仍为凹的, 则“smile”随温度升高而增大.

为了获得高功率高光束质量激光输出, 设计并制备了一种780nm波段5发光单元列阵器件, 其采用10μm宽窄条形波导, 各发光单元中心间距为100μm, 填充因子仅为10%。在准连续注入电流由1.2A增加到2.5A条件下, 该器件的输出光束侧向光学参量积由0.666mm·mrad增加至0.782mm·mrad。注入电流为2.5A时, 该器件实现了单边准连续506mW的高光束质量激光输出。

在二极管激光阵列(DLA)光栅-外腔谱合成系统中，由于变换透镜像差、光栅制作误差及“smile”工艺误差等因素的综合作用，将导致DLA 发光单元间出现光束串扰。通过分析光束串扰行为的产生机理，将主要的光束串扰行为分为两类，即杂散光返回至发光单元自身，以及经外腔反馈到其他单元，进而分别导致自激振荡模式和耦合振荡模式的产生。在此基础上，给出了含串扰光注入的半导体激光器速率方程，进而推导出DLA 发光单元的合成效率模型，分析了自激振荡和耦合振荡对发光单元合成效率的影响。结果表明，杂散光返回至发光单元自身，以及经外腔反馈到其他单元这两种光束串扰行为会不同程度地降低合成效率，且后者影响更大。在实际工作中，需要采取措施对光束串扰行为加以抑制。

以巴条叠阵结构及封装方法为基础, 研制了一组高温硬焊料准连续半导体激光器巴条叠阵, 并研究了其相关的光电性能和寿命特征。结果表明, 所研制的器件在200 A的工作电流下, 重复频率250 Hz、脉宽200 μs时, 单巴峰值功率＞200 W, 50%光谱宽度＜3 nm, 电光转换效率＞50%, 寿命达到4.71×109 shots时的功率衰减＜15%; 当工作电流为150 A时, 预期寿命高达1.5×1010 shots。

基于光谱光束组合技术，利用光栅的衍射和外腔的反馈，并通过加入光束整形系统，将标准的半导体激光阵列的发光单元锁定在窄线宽的不同波长上，以近似平行光束沿组合方向输出，以实现半导体激光阵列输出光束质量的改善和线宽的压窄。实验中采用发光单元宽度100 μm，周期500 μm，由19个单元构成的标准阵列，分别对快、慢轴准直后光谱组束、光束整形后光谱组束和线宽压窄外腔组束进行了实验验证，实现了组合光束与单个发光单元近似的光束质量，同时得到了较窄的线宽输出，并对实验结果进行了分析。

针对3种典型“Smile”形态的半导体激光阵列(LDA)如何装调快轴准直镜的问题, 开展“Smile”条件下快轴准直实验定量研究。利用光纤近场扫描法和最小二乘法获得LDA的“Smile”值, 采用Zemax非序列模式, 模拟“Smile”下LDA的快轴准直。结果表明, LDA的“Smile”大小及形态分布影响准直镜装调位置, 透镜光轴需要与LDA匹配, 否则会造成光束质量的劣化。这为实际掌握LDA的快轴准直安装提供一种思路, 为进一步集成高功率高光束质量的大功率半导体激光器提供了理论和实验基础。