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。

设计并制作了一种新型含有组合光栅结构的分布式布拉格反射（CDBR）半导体激光器。通过引入组合光栅结构，对分布式布拉格反射（DBR）激光器的高阶侧向模式进行调控，提升了高阶侧向模式的损耗，最终优化了远场光斑图案。实验制得的器件腔长为2 mm，脊波导宽度为40 μm，高阶光栅周期为7 μm，占空比为0.6。当注入电流为1.0 A时，组合光栅起到明显作用，远场光斑图案从DBR-激光二极管（LD）的多瓣优化到CDBR-LD的单瓣。CDBR-LD在电流为1.25 A时的饱和输出功率约为433 mW，斜率效率为0.337 W·A^-1，注入电流为0.95 A时的光谱半峰全宽（FWHM）约为0.61 nm。

通过设计基于金刚石微槽结构的复合热沉,利用不同材料的热导率差异改变热流传导方向,以优化垂直腔面发射半导体激光器（VCSEL）面阵由于温度分布不均匀导致的中心热量堆积的问题,从而改善激光器面阵整体的输出功率,提高可靠性。基于有限元分析法建立三维热电耦合模型,研究了VCSEL面阵单元排布方式对激光器热串扰效应的影响,同时还研究分析了金刚石复合热沉中微槽形状和位置的变化对半导体激光器内部温度的影响,设计最优结构对激光器的出光性能做进一步优化。采用金刚石复合热沉后的垂直腔面发射激光器面阵,与传统金刚石热沉的封装结构相比,激光器发光单元的温度差值降低了29%,为大面积半导体激光器面阵的输出功率优化提供了新思路。

为了实现高功率半导体激光器连续泵浦源输出，设计一种使用微通道热沉封装多个单管半导体激光器的堆叠结构。基于有限元分析，此结构可以通过辅助热沉和微通道内部圆柱翅片扩展单管半导体激光器的传热渠道，与传统凹槽微通道相比，热传导效果有所增强，优化提出斜翅片结构，控制水流速，调节流体流动从而产生混流效应，进一步改善微通道散热性能，对其封装下的多单管进行功率拟合，理论最大输出功率可达128.75 W，在微通道热沉所需制冷功耗较低的前提下，可以实现多单管半导体激光器连续工作模式下泵浦且满足其散热需求。

随着智能感知技术的快速发展，高功率、窄线宽的半导体激光光源成为研究热点。通过在边发射半导体激光器件表面引入高阶曲线光栅，设计了一种独特的非稳谐振腔结构，可实现高功率和窄线宽。采用紫外光刻和电感耦合等离子体（ICP）刻蚀技术，制备了周期为6.09 μm、占空比为0.66、刻蚀深度为500 nm的曲线光栅。在室温条件下，测得腔长为2 mm的器件的阈值电流为220 mA，连续输出功率为1.48 W，斜率效率为0.63 W/A。比较了法布里‐珀罗激光器、直线光栅分布式反馈（DFB）激光器和曲线光栅DFB激光器的光谱，结果表明，曲线光栅对半导体激光器的模式选择起到了关键作用，有利于实现高功率DFB激光器的窄线宽单模输出。该器件具有制作工艺相对简单、性能优异、可靠性高等特点，具有广阔的应用前景。

基于严格耦合波理论，分析GaAs/AlO_x高折射率对比度亚波长光栅（HCG）反射镜的偏振和反射特性，设计了横电（TE）偏振的HCG。当入射光由衬底垂直入射时，HCG在940 nm附近的最高反射率接近1。分析了光栅形貌误差和入射角偏差对其反射特性的影响。采用金属有机化合物气相沉积技术进行外延生长，通过电子束曝光、干法刻蚀、湿法刻蚀以及湿法氧化等方法制备出HCG，并进行理论与实验结果的对比分析。实验测试了入射光由光栅表面垂直入射的反射率，其中TE偏振光的最高反射率达到84.9%，与86.5%的理论值比较接近，且横磁（TM）偏振光的反射率低于40%，反射谱的变化规律也与理论结果基本一致，这验证了理论结果的合理性。该反射镜可以作为垂直腔面发射激光器的超薄反射器，具有低损耗、偏振稳定和单模工作的特性。

以面发射分布反馈(SE-DFB)半导体激光器为研究对象,基于耦合模理论,通过耦合系数表征器件的出光特性,研究二阶光栅对器件出光特性的调控作用。使用时域有限差分法(FDTD)进行光栅的结构仿真和参数优化,在器件衬底部位引入分布布拉格反射镜(DBR)协同光栅调控出光特性,以980 nm波段半导体激光器为例,重点研究DFB光栅占空比、DFB光栅周期长度、DFB光栅刻蚀深度、DFB光栅倾角、DBR反射镜占空比、DBR反射镜材料折射率、DBR反射镜周期介质层数对光栅耦合系数的综合影响,得到优化的光栅参数,为后续器件设计与制备提供理论依据。

采用电子束光刻技术制备出了深刻蚀的GaAs基微纳光栅。针对电子束曝光过程中存在的由邻近效应引起的光栅结构图形失真和变形的问题，本课题组采用厚度较薄的PMMA A4抗蚀剂和SiO₂薄膜形成多层抗蚀剂来减小邻近效应，同时将SiO₂薄膜作为硬掩模，实现了高深宽比的光栅结构。此外，针对电感耦合等离子体刻蚀过程中光栅结构出现长草的现象，通过增强电感耦合等离子体的物理刻蚀机制，有效消除了结构底部的草状结构。扫描电镜测试结果显示：将100 nm厚SiO₂作为硬掩模，可以实现周期为1.00 μm、占空比为0.45、刻蚀深度为1.02 μm的光栅结构，该光栅结构具有陡直的侧壁形貌以及良好的周期性和均匀性。在该工艺条件下，电感耦合等离子体刻蚀工艺对SiO₂掩模的刻蚀选择比可达26.9∶1。最后，将该结构应用于分布式布拉格反射锥形半导体激光器中，获得了线宽为40 pm的激光输出。这表明，采用电子束光刻技术制备的光栅结构对半导体激光器具有很好的选模特性。