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。

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。

为了提高应用于光纤激光器的多量子阱半导体可饱和吸收镜（SESAM）的特性参数，对其结构进行优化，模拟分析了不同量子阱周期数对器件电场分布、调制深度及反射光谱等参数的影响，结果表明，SESAM中吸收层量子阱周期数越大，SESAM在1064 nm处的反射率越低，调制深度越高，在低反射率处的带宽越窄，可饱和吸收镜对生长误差的容忍度也越小。利用金属有机化合物气相沉积（MOCVD）方法对3种量子阱周期数结构的SESAM进行外延生长，通过非线性测试及锁模实验对3种结构的样品进行测量与表征，结果表明，3种结构的SESAM均实现了自启动锁模，其稳定锁模的泵浦区间为150~200 mW。采用泵浦探测技术对15个量子阱周期的SESAM进行动态响应测试，其响应恢复时间为5 ps。

905 nm多有源区激光器主要用作车载激光雷达的信号源。为了进一步降低激光器的阈值电流、提高斜率效率，对激光器芯片结构进行优化。在非对称大光腔波导外延结构的三有源区激光器中引入隔离沟道结构，通过控制隔离沟道的刻蚀深度和间距来抑制电流的横向扩散效应，提升器件性能。所制备的腔长为1 mm、电极宽度为110 μm、沟道刻蚀深度为7.0 μm，间距为125 μm的三有源区器件，能够将阈值电流降低到0.64 A，得到3.58 W/A的斜率效率，并在0.1%电流脉冲占空比的工作条件下获得134 W的峰值功率。

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。

通过引入渐变Al组分和脊型波导的设计，制备了1550 nm高功率AlGaInAs/InP基横模半导体激光器，室温连续工作模式下器件的斜率效率达到0.35 mW/mA，在500 mA的工作电流下，输出功率为138 mW，垂直和水平方向的远场发散角分别为32.9°和11.1°，证明器件具有良好的基横模输出特性。同时，建立高阶模截止条件温度模型，研究了器件在不同温度下功率-电流（P-I）曲线中kink效应与远场发散角steering效应的产生原因，阐述了温度对基横模和高阶模增益的影响机制。通过比较不同腔长器件发生kink效应的电流大小，证明长腔长结构可以有效防止kink效应的发生。

应用传输矩阵法计算并分析了分布式布拉格反射镜（DBR）的堆叠方式对反射谱的影响，当入射介质为GaAs材料、出射介质为空气时，DBR以低折射率层/高折射率层（LH）的方式排列具有更高的反射率。研究了入射角度对DBR反射率的影响，利用角度相关的传输矩阵模型对DBR反射谱进行计算，结果表明，DBR反射谱随着入射角度的增加而蓝移，最大反射率随着入射角度的增加而增大。建立了940 nm波长下Al_xGaAs的材料折射率与铝的原子数分数x之间的线性拟合模型，并通过多层剖分等效法，计算分析了渐变层对DBR反射谱特性的影响。相比于突变型DBR结构，渐变型DBR结构在维持最高反射率基本不变的情况下，反射带宽有所减小。