采用非对称大光腔外延结构设计制备出976 nm InGaAs/GaAsP应变补偿量子阱脊形半导体激光器，通过对外延结构的设计优化，以实现器件低远场发散角、低功耗的基横模稳定输出。所制备基横模脊形半导体激光器的脊宽为5 μm、腔长为1500 μm，在25 ℃测试温度下，可获得422 mW最大连续输出功率，峰值波长为973.3 nm，光谱线宽（FWHM）为1.4 nm。当注入电流为500 mA时，垂直和水平远场发散角（FWHM）分别为24.15°和3.90°。在15~35 ℃测试温度范围内对脊形半导体激光器的水平远场发散角进行测试分析，发现随着测试温度的升高，器件远场分布变化较小，水平远场发散角基本维持在3.9°左右。

针对传统微透镜面形测试光路复杂和效率不高的问题，提出了一种基于微透镜远场光斑高效提取环带状面形误差峰谷（PV）值的方法。基于几何光学原理，计算了不同环带误差形成的光斑的分界线位置；建立了环带误差的三维模型，通过仿真不同误差模型下的远场光斑，获得了分界线内外光强比值和环带误差值的对应关系；最后利用微纳加工技术制备出不同环带误差的微透镜阵列，搭建测试光路，通过测试获得了不同环带误差下的光斑能量分布，通过模型计算获得的微透镜环带状面形误差PV值与干涉仪测试结果一致。

半导体激光器在光通信、生物医疗、激光雷达等领域中得到广泛应用，其单模稳定输出特性一直是国内外的研究热点。制备了一种基于表面高阶曲线光栅的宽脊波导半导体激光器，刻蚀曲线型高阶光栅后高阶横模损耗远大于基横模损耗，同时设置宽脊电流限制注入结构，使得高阶横模激射阈值高于基横模阈值，从而改善器件的横模特性并压窄光谱线宽。利用温控模块将器件的工作温度控制为18 ℃，对腔长为2 mm、条宽为500 μm的器件进行测试，在0.5 A电流下测得慢轴发散角为5.3°，快轴发散角为29.2°，在1 A驱动电流下测得3 dB光谱线宽为0.173 nm，边模抑制比为22.6 dB。实验结果表明，表面高阶曲线光栅对宽脊波导半导体激光器中的高阶横模起到了抑制作用且能够压窄光谱线宽，有助于实现半导体激光器的单模稳定输出，同时器件采用紫外光刻工艺，大幅降低了器件的制备难度。

976 nm高功率半导体激光芯片是光纤激光器的核心部件，具有极为重要的产业价值。报道了课题组在高效率高功率半导体激光芯片的设计、制作与测试方面的研究成果。为了最大限度地提高器件的功率转换效率，同时满足苛刻的寿命要求，在设计上采用双非对称大光腔波导结构，同时对量子阱结构、波导结构、掺杂以及器件结构进行了优化；在外延生长方面，系统地优化了生长工艺参数，确保了外延材料具有极高的内量子效率及低内损耗。大量测试表明：所制作的器件（腔长为5 mm、发光条宽为200 μm的芯片）在室温、连续波（CW）测试条件下，阈值电流约为1 A，斜率效率为1.14 W/A；当电流为9 A时，最高功率转换效率高达72.4%；当电流为30 A时，输出功率达到29.4 W，功率转换效率为61.3%；对应于95%光场能量的水平远场发散角低至8.7°。上述参数性能已经达到了国际同类产品的先进水平。

针对基于旁瓣光束衍射反演的强激光远场焦斑测量无法提取旁瓣图像更外围最小可测信号的问题，笔者提出了基于邻域向量主成分分析（NVPCA）图像增强的旁瓣弱光信号区域波峰参数检测方法。采取的主要优化措施为：首先，将旁瓣图像中的每个像素和它的8邻域像素看作一个列向量，构建一个9维数据立方体，选择主成分分析变换后的第1维数据为NVPCA图像；其次，通过角度变换转化检测对象，检测所有方向上一维旁瓣曲线的各个波峰参数，获得旁瓣弱光信号区域能量的量化分布；然后，搜索每个旁瓣波峰在所有方向上的极大值位置点，连接对应位置点生成每个旁瓣波峰的极大值圆环，计算各极大值圆环的灰度均值；最后，选择大于局域对比度方法（LCM）目标分离阈值且最小的极大值圆环的灰度均值作为整个旁瓣光束的最小可测信号。实验结果表明，采用基于NVPCA图像增强的旁瓣弱光信号检测方法能够从旁瓣图像的第5波峰环分离和提取最小可测信号，动态范围比值提升至原来的1.528倍，各旁瓣波峰参数满足精度要求，为未来大型激光装置强激光远场的精确测量奠定了基础。

研究光腔内导引光的往返振荡物理过程与传播特性有助于理解、判断光腔的准直失调状态。离轴非稳腔作为一种兼具高提取效率与高光束质量的混合非稳腔，调腔导引光在离轴非稳腔中的振荡物理过程研究鲜有报道。通过理论计算与实验研究了导引光在离轴非稳腔内的多光束干涉过程及其远场传播特征，在实验中搭建了离轴非稳腔（X方向为平凹稳定腔，Y方向为共焦非稳腔）导引光研究装置，通过凹球面镜小孔注入波长为632.8 nm的基模高斯光束，开展了光腔准直与导引光远场图样研究，实验结果与计算结果吻合较好。计算与实验结果表明：离轴非稳腔的干涉图样与传统共焦非稳腔/稳定腔不同，调腔导引光在腔镜小孔注入处出现椭圆“水滴”状干涉图样，该图样亮度较高，可以用于判断光腔的准直状态。输出导引光的远场光斑在Y方向上是不同振荡阶次的亮核光斑，其中高阶次亮核光斑可用于指示红外激光的远场光斑位置。

在光束传输控制中，反馈系统需要具有较高的角度分辨率，以达到自动准直的精度要求，此外还需要具备一定的角视场，以降低对初始安装和调试的精度要求。提出了一种基于双焦透镜的双踪远场自动准直方案，在同一光学系统中实现了高精度和大视场两种角度分辨率的远场图像反馈系统。基于矩阵光学理论对远场图像反馈系统进行数值分析，给出了双焦透镜的等效传输矩阵，并分析了双焦透镜的角度分辨率和视场特性。设计并开展实验对基于双焦透镜的双踪远场自动准直方案进行了性能演示，实验结果表明，高精度下的角度分辨率约为大视场下角度分辨率的6.9倍，与设计值（6.6倍）基本相符。

采用快速热退火方法制备了尺寸较小、密度较高的银纳米颗粒阵列，其面密度在一定区间可调控。通过实验测得银纳米颗粒阵列的远场反射和透射谱，进一步经理论数值变换，研究了所制备银纳米颗粒阵列的吸收、散射及消光特性。从谱线的变化趋势可知，当银纳米颗粒阵列的面密度不断增大、即颗粒间距逐步减小时，所产生的局域表面等离激元共振的波长发生红移；而且相邻金属纳米颗粒的耦合作用越强，波长红移越明显。该方法为分析高密度、小尺寸，特别是粒子间存在耦合的金属纳米颗粒阵列的等离激元特性提供了有效参考。