采用新型多环形腔结构优化垂直腔面发射激光器（VCSEL）的光场分布，解决了大孔径器件严重的载流子聚集效应导致的输出功率低、光束质量差的问题。研究结果表明：新型结构VCSEL较孔径相同的传统结构器件呈现更低的阈值电流，特别是输出功率较传统结构提高了近56%，且远场呈高斯分布。研究工作为实现高光束质量大功率垂直腔面发射激光器提供了新的技术途径。

GaAs基垂直腔面发射激光器在干法刻蚀过程中，台面侧壁形成的缺陷会导致器件出现层结构分层、断裂以及氧化孔不规则等问题。针对该问题，提出了一种干法刻蚀与硫化铵钝化相结合的氧化前预处理方案，研究了硫化铵钝化处理对器件层结构以及氧化工艺稳定性的影响。扫描电子显微镜测试结果表明：器件侧壁层结构的分层现象减少，器件结构稳定性更好；高 Al 层的氧化速率更稳定，氧化孔形状更为规则。将该工艺方案用于制备氧化孔直径为5 μm的940 nm垂直腔面发射激光器，室温下，与传统工艺制备的器件相比，钝化后的器件的斜率效率提高了5%，各器件之间的性能一致性更好。同时，在1 mA的驱动电流下，激光器的边模抑制比可达36 dB，处于单模激射状态。在优化后的氧化工艺条件下，制备了形状规范的氧化孔结构，进一步改善了氧化限制型垂直腔面发射激光器的性能。

为了改善用于铷原子钟的795 nm垂直腔面发射激光器（VCSEL）的偏振稳定性，研究了不同氧化孔径和椭圆度对VCSEL偏振性能的影响。利用COMSOL Multiphysics的波动光学频域模块模拟了不同氧化孔径对有源区谐振光强的影响。结果表明，当氧化孔径为3.5~4.0 μm时，有源区的谐振强度最高。采用可实时观察的湿法氧化系统，研究了氧化温度对氧化速率和氧化孔椭圆度的影响。随着注入电流的增加，三种不同椭圆氧化孔的VCSEL表现出不同的模式特性、偏振特性和偏振角旋转特性。测试结果表明，带有长轴径为3.7 µm、椭圆度为1.7的椭圆氧化孔的VCSEL性能最佳。在85 ℃下，当注入电流为1.5 mA时，输出功率为0.86 mW，激光波长为795.4 nm，边模抑制比（SMSR）为43 dB，线宽为65 MHz，正交偏振抑制比（OPSR）为23.8 dB。在0.6~2.7 mA的范围内，VCSEL的主偏振方向保持不变。

单模795 nm垂直腔面发射激光器作为铷原子钟的激光光源，一般采用氧化限制结构获得单模输出。对垂直腔面发射激光器外延结构以及氧化限制孔径进行了优化设计。基于有限元分析方法，利用光纤波导理论和热电耦合模型，对氧化孔径的光学和电学限制进行了模拟，计算分析了实现单模和良好热电特性所需的氧化孔径大小。实验制备了具有不同氧化孔径的器件，并进行了功率-电流以及光谱特性测试。当氧化孔径为1.9 μm时，在3~7 mA注入电流下器件始终保持单模输出，边模抑制比大于35 dB；器件保持单模输出的最大氧化孔径为3.8 μm，室温下阈值电流为1 mA，最大饱和输出功率为2 mW，斜率效率为0.3 W/A，3 mA注入电流下的出射波长为790 nm，边模抑制比大于30 dB。制备的室温下单模特性良好的790 nm垂直腔面发射激光器，为实现高温下795 nm偏振稳定单模输出提供了可能。

为了提高1060 nm垂直腔面发射激光器（VCSEL）的性能，本文对大功率1060 nm VCSEL进行了理论模拟和实验研究。计算得到红移速度为0.40 nm/K，据此确定增益和腔模失配量为-20 nm。对比分析了6种不同InGaAs组分和厚度的量子阱，以及3种不同势垒材料的增益特性和输出特性，模拟结果表明，应变补偿的InGaAs/GaAsP量子阱有源区在温度稳定性、阈值电流以及功率方面更有优势。对P型分布式布拉格反射镜（DBR）进行优化设计，优化DBR渐变层厚度和对数，有助于获得更好的输出特性。采用金属有机化学气相沉积生长了InGaAs/GaAsP应变补偿量子阱结构的VCSEL外延片，并制备了单管和阵列VCSEL，实验数据和理论分析基本吻合。实验测得，288单元VCSEL阵列在4.5 A电流下，连续输出功率为2.62 W，最高电光转换效率为36.8%，5 mm×5 mm VCSEL阵列准连续条件下（脉宽为100 μs，占空比为1%），且在100 A电流下，获得峰值功率为53.4 W。

首次报道了连续输出功率>1 W、脉冲输出功率>10 W的1550 nm波长垂直腔面发射半导体激光器（VCSEL）阵列。对1550 nm VCSEL激光器单个发光单元的热阻特性进行了分析，建立了基于热阻分析及可变产热量的VCSEL阵列热模型，优化了VCSEL发光单元间距，在理论上保证了阵列内部具有均匀的温度分布。制备了发光单元边缘间距为30 μm的高密度集成1550 nm波长VCSEL阵列，并对其在连续工作及脉冲电源驱动条件下的输出特性进行了测试分析。当VCSEL阵列的工作温度为15 ℃时，最高连续输出功率达到1.05 W；即使工作温度增加至65 ℃，VCSEL的最高连续输出功率仍能达到0.42 W。在脉宽为5 μs、重复频率为1 kHz的脉冲条件下，VCSEL在15 ℃时的最大峰值功率达到10.5 W，此时VCSEL呈现出热饱和现象。当脉冲功率为10.5 W时，阵列远场的光斑仍然呈圆形对称形貌，两个正交方向上的远场发散角分别为26.69°和26.98°。

为研究氧化限制结构孔径对940 nm垂直腔面发射激光器（VCSEL）特性的影响，制备了不同氧化孔径的940 nm VCSEL，并进行了测试分析。通过PICS3D软件对不同量子阱势垒材料的增益进行仿真计算，选取具有较高有源区材料增益的InGaAs/AlGaAs作为量子阱，并开展了增益-腔模失配设计。在设计优化的基础上，制备了6种氧化孔径的940 nm VCSEL，对其光电输出特性进行测试。结果表明：氧化孔径为4 μm的VCSEL，室温下斜率效率为0.93 W/A，最大功率转换效率为40.1%；氧化孔径为7 μm的VCSEL，室温下最大输出功率为12.24 mW；氧化孔径为2 μm的VCSEL，室温下最大基横模功率为2.67 mW。该器件在2 mA连续驱动电流下，在10~80 ℃的范围内均可实现边模抑制比大于45 dB的基横模输出。