采用反射式体布拉格光栅（VBG）实现半导体激光锁频是激光技术应用中的关键技术之一，进一步压窄半导体激光的输出光谱线宽、提高外腔效率是研究重点。采用微通道水冷半导体激光模块，利用衍射效率为18%的VBG构建激光外腔，分析了前端面反射率分别为0.02%、0.20%、0.40%时的输出光谱与外腔效率。研究结果表明，半导体激光前端面反射率的降低能够进一步优化半导体激光器的输出光谱，提高外腔效率，压窄输出光谱线宽，实现大驱动电流范围的激光锁频。对于前端面反射率为0.02%的半导体激光器，激光输出中心波长锁定在779.8 nm处，光谱线宽压缩至0.08 nm，温漂系数为6.25 pm·℃^-1，电流漂移系数为0.9 pm·A^-1，外腔效率达到106%，连续输出功率达到127 W。

半导体激光器（LD）的增益谱随着加载电流和温度的变化而变化，不同功率下LD的输出波长难以稳定。功率为120 W、中心波长为809 nm的LD在10%~100%功率出光期间的波长漂移约为6 nm，这对于激光器的直接应用是不利的。目前通常采用体布拉格光栅（VBG）锁定或片上分布式反射（DBR）、分布式反馈（DFB）的方法进行波长锁定来解决该问题，但仍存在低功率下波长不稳定的缺点。为此，本文提出了一种基于“电开关选通控制+光纤合束器”的半导体激光光源方案，通过在相同电流下控制激光器的挡位来调节功率，在不增加额外光学器件的情况下达到了波长稳定的目的；该光源包含数个12 W单模块LD、数个电功能模块、控制或通信软件、半导体制冷片（TEC）控温模块、光纤合束器、光学准直镜筒；该光源的中心波长稳定在808~810 nm范围内，功率大于120 W，光斑的非均匀性（均方根）<10%。该光源通过了高低温环境实验考核，可在-55~50 ℃范围内存放及工作，同时可满足冲击振动、电磁兼容环境下的实验要求。

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。

Multi-component and multi-point trace gas sensing in the wavelength modulation spectroscopy is demonstrated based on the frequency-division multiplexing and time-division multiplexing technology. A reference photodetector is connected in series with a reference gas cell with the constant concentration to measure the second-harmonics peak of the components for wavelength stabilization in real time. The central wavelengths of the distributed feedback lasers are locked to the target gas absorption centers by the reference second-harmonics signal using a digital proportional-integral-derivative controller. The distributed feedback lasers with different wavelengths and modulation frequencies are injected into the gas cell to achieve multi-components gas measurement by the frequency-division multiplexing technology. In addition, multi-point trace gas sensing is achieved by the time-division multiplexing technology using a photoswitch and a relay unit. We use this scheme to detect methane (CH4) at 1650.9 nm and water vapor (H2O) at 1368.597 nm as a proof of principle with the gas cell path length of 10 cm. The minimum detection limits achieved for H2O and CH4 are 1.13 ppm and 11.85 ppm respectively, with three-point gas cell measurement; thus 10.5-fold and 10.1-fold improvements are achieved in comparison with the traditional wavelength modulation spectroscopy. Meanwhile, their excellent R-square values reach 0.9983 and 0.99564 for the concentration ranges of 500 ppm to 2000 ppm and 800 ppm to 2700 ppm, respectively.

由于在很多特殊应用领域要求980 nm泵浦源半导体激光器具有光谱稳定、低功耗等, 本文通过对980 nm单模半导体激光器的腔长、腔面反射率及光纤光栅反射率等优化设计, 研制出低阈值、高功率980 nm光纤光栅外腔波长稳定半导体激光器。该低功耗、波长稳定的单模半导体激光器, 在100 mA工作电流下尾纤输出功率达到51 mW, 3 dB带宽为0.16 nm, 边模抑制比大于40 dB, 器件在250 mA工作电流下, 尾纤输出功率达到120 mW。

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%。

针对铯蒸气激光器对窄线宽与高稳定852 nm半导体激光抽运源的要求，采用体布拉格(Bragg)光栅作为外腔输出镜，研究了体Bragg光栅衍射效率对外腔半导体激光器输出光谱特性的影响。研究结果表明，衍射效率为24%、32%与37%的体布拉格光栅均能够改善半导体激光器输出光谱特性；输出光束中心波长锁定在852 nm附近、输出线宽约为0.26 nm；外腔半导体激光器输出波长随抽运电流、温度的变化速率分别小于10.4 pm/A、7.2 pm/℃，优于自由运行半导体激光器；随着光栅衍射效率增加，全系统外腔效率从91%降低至86%。

采用记录在光致热敏折射率玻璃中的反射型体布拉格光栅作为反馈元件构成外腔半导体激光阵列，对其输出光谱特性进行了实验研究，分析了快轴准直透镜的位置对外腔反馈耦合效率的影响。实验结果表明，在体布拉格光栅外腔反馈作用下，半导体激光阵列输出光谱中心波长得到锁定，同时输出线宽显著变窄。重点研究了体布拉格光栅的反射率对外腔反馈半导体激光阵列输出光谱特性以及激光器效率的影响。实验结果表明，体布拉格光栅反射率的增加可提高半导体激光阵列内腔模式的抑制效果，提高输出光谱对比度，减小输出光谱线宽。使用反射率为30%的体布拉格光栅，可将半导体激光阵列的输出波长锁定在808 nm附近，输出光谱线宽压缩至0.18 nm。外腔半导体激光器的输出功率达24.8 W，效率为82.6%。

大功率半导体激光器一般用作抽运源，但其抽运的离子吸收峰带宽一般都比较小。为提高大功率半导体激光器对固体或光纤激光器等的抽运效率，就要降低半导体激光器的输出波长随注入电流和热沉温度的漂移系数。分析了光栅深度和光栅填充因子对激光器输出波长锁定效果的影响，实验验证确定出合适的光栅参数，依据优化条件得出合适的激光器腔长，制备出锁定效果良好的宽条分布反馈激光器。该激光器的单管腔长2.4 mm，发光条宽100 μm，连续最大输出功率400 mW，热沉温度为15 ℃时的输出波长为954 nm，输出波长随注入电流的漂移系数为0.67 nm/A，输出波长的温漂系数为0.046 nm/K。

用体布拉格光栅(VBG)作为反馈元件与瓦级半导体激光器(LD)以及快轴准直柱透镜构成一个可以将半导体激光器的工作波长稳定在体布拉格光栅布拉格波长处的外腔激光器。测量了体布拉格光栅外腔激光器的波长稳定性与其工作电流、热汇温度、激光束准直装置等因素的关系。分析了波长稳定效果与半导体激光器增益谱特性、外腔结构参量等因素的关系。研究表明,在相同的工作电流、热汇温度下,当准直柱透镜直径为0.4 mm时的波长稳定效果较好;在此情况下,当热汇温度控制在30 ℃,工作电流从0.5 A增加到1.5 A的测量范围内,以及当工作电流固定在1.5 A,热汇温度从20 ℃增加到35 ℃时,测得的光谱特性表明,半导体激光器的工作波长可以很好地稳定在体布拉格光栅的布拉格波长处。与该激光器在同样条件下自由运转的光谱比较,可以看到,自由运转激射波长与体布拉格光栅的布拉格波长差值小于2.6 nm情况下,可以获得很好的波长稳定效果。实验也表明,当该值大于4.8 nm时波长稳定效果变差。