可快速连续调谐的小尺寸窄线宽外腔半导体激光器是调频连续波（FMCW）激光雷达、量子技术等领域的核心器件。通过紧凑的反馈光路设计，采用腔长为2.5 mm的法布里-珀罗腔（FP腔）反馈压窄线宽，并结合压电陶瓷（PZT）进行腔长扫描，组装了波长为1550 nm的小型化可调频的激光样机。采用光纤长度为1 m的马赫-曾德尔干涉仪，在重复频率为0.1、1.0、10.0、100.0 kHz下分别测得激光器无跳模的连续调谐范围为25.0、21.6、18.0、10.0 GHz。基于20 km长光纤的延时自外差法，测得3 dB线宽约为10 kHz。未来通过更加紧凑的光路设计，可以获得更大调频范围的超窄线宽激光。

采用超极化惰性气体的磁共振成像技术可大大提高肺部影像成像质量，其中自旋交换光泵作为超极化惰性气体的关键，通常是对碱金属铷进行泵浦，为获得较好的泵浦效率，要求泵浦源具有窄光谱宽度和高功率的特点。针对这一需求，提出以体布拉格光栅（VBG）作为外腔反馈元件的795 nm窄谱宽外腔半导体激光器设计，并对VBG的外腔锁模稳定性进行了分析讨论，最终实现了功率为6.36 W，谱宽低至0.036 nm 的795.245 nm单管外腔激光输出，为实现大功率的单管外腔半导体激光器奠定基础。

小尺寸低功耗的超窄线宽半导体激光是相干通信、光纤传感等领域的核心器件。采用品质因子Q>10 ⁸且腔长为7 mm的法布里-珀罗光腔,设计并封装了波长为1550 nm的环形结构的小型自注入锁频激光样机,采用基于100 km光纤的自延时外差方法,测得3 dB线宽约为200 Hz, 洛伦兹拟合线宽约为20 Hz。未来可通过提高Q值,改进封装,进一步压窄激光线宽,提供比光纤窄线宽激光性能更加优异的小型窄线宽激光产品。

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。

主要研究了外加光反馈对光纤布拉格光栅外腔半导体窄线宽激光器特性的影响。在研究温度对光纤光栅外腔半导体激光器激射波长影响的基础上，设计了强度可调的外加光反馈系统，并利用延时自外差法测试外腔半导体激光器的线宽，从实验上分析了不同强度的外加光反馈对外腔半导体激光器线宽和噪声的影响。实验结果表明，在外加光反馈强度逐渐增强的过程中，激光器线宽逐渐变窄。当反馈比为-22 dB时，激光器线宽被压窄至原始线宽的15%。与此同时，在相同的反馈变化下，激光器的相对强度噪声开始无明显变化，直到反馈比达到-27 dB。再继续增大反馈强度，相对强度噪声显著增大，激光器内部发生相干崩塌。

对一种复合外腔半导体激光器的阈值增益进行分析，引入等效反射率建立该复合外腔半导体激光器阈值增益系数和阈值电流密度公式。通过数值模拟分析研究了闪耀光栅一级衍射效率、分光板反射率及谐振腔输出端面反射率对阈值增益系数的影响。最后对该复合外腔结构进行了简要分析，探索了进一步优化的可能性。

半导体抽运碱金属蒸气激光器(DPAL)是具有潜力的新型高能激光光源，高功率抽运条件下，铷原子会发生电离，对激光器性能产生负面影响。铷原子主要电离通道之一是抽运光谱(中心波长780 nm)和远翼776 nm 成分引起的5S→5P→5D 的级联效应以及后续的光电离过程。为了定量测量铷DPAL 电离度，需要搭建窄线宽776 nm 高功率半导体光源以模拟780 nm 抽运光的远翼光谱成分。基于Littrow 结构实现了窄线宽776 nm 半导体激光输出，激光线宽小于0.15 nm，功率大于10 W，外腔效率为67%；利用该激光器进行了780 nm 和776 nm 级联抽运实验，观察到显著增强的荧光信号。

针对相干光通信系统对窄线宽可调谐激光器的要求，提出并实际研制了一种基于MEMS（微电子机械系统）技术的外腔可调谐激光器，分析了外腔参数对激光器性能的影响。该激光器尺寸符合光互联论坛关于ITLA（集成可调谐激光器组件）的标准01.2，调谐范围覆盖C波段内40 nm，输出功率>13 dBm，光谱线宽<100 kHz。为进一步验证器件的性能，使用该激光器作为本振光源，验证了它在基于PM-DQPSK（偏振复用-四相相移键控）的 100 Gbit/s传输系统中的性能，实验结果表明，该激光器可作为高速相干光通信系统中窄线宽可调谐光源的理想选择。

提出并实现了一台基于单腔全介质薄膜法布里珀罗滤光片的1550 nm可调谐外腔半导体激光器。介绍了其内部的光学元件及其工作原理，随后对该半导体激光器的纵模输出特性进行了理论分析，搭建了该可调谐外腔半导体激光器。在不同的实验条件下，对该可调谐外腔半导体激光器在调谐过程中的输出波长、线宽及功率进行了实时同步测量。由所测数据总结出最佳实验条件，并得到了此条件下可调谐外腔半导体激光器的各相关参数。该可调谐外腔半导体激光器有一个线性的无跳模波长调谐区域(1547.203~1552.426)nm，一个稳定的输出光功率范围(40~50)μW，以及一个稳定的输出单纵模分布、线宽范围(100~150)MHz。该可调谐外腔半导体激光器可用于环境监测、原子与分子激光频谱研究、精确测量等领域。

为了提高光纤光栅外腔半导体激光器的激射波长准确性，根据光纤光栅外腔半导体激光器的相位条件确定光纤光栅外腔半导体激光器的激光纵模分布后，采用数值模拟的方法研究了光纤光栅外腔半导体激光器的激射波长随光纤端头到有源区之间空气间隙长度的变化。结果表明，光纤光栅外腔半导体激光器的激射波长随着空气间隙长度的变化围绕着光纤光栅的布喇格波长波动，波动的最大幅度随外腔长度的增加而减小。因而当外腔长度一定时，可以通过微小的调节空气间隙的长度使激射波长精确定位于光纤光栅的布喇格波长处。