实验采用化学气相沉积方法制备硫化锌体材料(CVD-ZnS), 并对材料中普遍出现的胞状生长现象进行了系统研究。通过微观结构表征及宏观形貌分析, 发现胞状生长起始于大尺寸的晶体生长中心, 其内部晶粒的生长方向发生了横向偏移, 且生长速率大于正常晶粒, 最终导致了产物表面的球状凸起, 产物侧剖面表现出 “倒圆锥”状生长形貌。同时, 依据实验中所出现的不同胞状生长现象, 探究了胞状物异常生长中心形成的主要原因。在此基础之上, 设计了不同条件的沉积实验, 探究了各类胞状生长现象的抑制方法, 并在实际生产过程中得到了验证, 从而实现了对该异常现象的有效抑制。

为了解决垂直腔面发射激光器(VCSEL)列阵中金丝难以键和和电流注入不均匀的问题, 提出了一种非闭合型VCSEL列阵结构。该结构通过腐蚀非闭合环形凹槽形成器件台面, 从而简化了工艺步骤, 减少了器件的损伤。分别对2×2,3×3,4×4阵列的850 nm 非闭合型顶发射VCSEL器件进行了测试和分析, 结果显示其室温连续输出功率分别达到80, 140和480 mW; 阈值电流分别为0.15, 0.25和0.4 A; 平行方向和垂直方向上的远场发散角分别为9°和9.6°, 13.5°和14.4°, 15°和14.4°。在脉宽为50 μs、重复频率为100 Hz 时, 最大输出功率分别为90, 318和1 279 mW; 阈值电流分别为0.2, 0.5和0.7 A。分别测试了芯片在封装前后的功率曲线, 发现芯片在封装之后的热饱和电流要远远高于封装之前, 从而说明良好的封装技术可以提高器件的散热效率, 降低器件内部发热对器件性能的影响。

为了在不提高驱动电流的前提下增大垂直腔面发射激光器的输出功率，提出了一种将多个垂直腔面发射激光器芯片串接在一起的结构。首先，将垂直腔面发射激光器芯片焊接在氮化铝陶瓷热沉上，接着用金丝引线的方法以串联方式将芯片连接在一起。分别测试了串接4个、2个和单个芯片器件的微秒脉冲输出功率和纳秒脉冲输出功率，其分别为775，416，217 mW和18.9，9.8，5 W，测试结果显示串接4个和2个芯片器件的输出功率分别约为单个芯片输出功率的4倍和2倍。串接多个芯片器件的发射光谱半高宽(FWHM)比单个器件的略宽，但是可以通过选择均一性良好的芯片来解决这一问题。实验显示,串接结构可以实现在不提高驱动电流的条件下大幅度提高输出功率。

通过有机化学气象沉积(MOCVD)技术在n型GaAs衬底上生长制作了发射波长为850 nm 的VCSELs 4×4 列阵器件, 介绍了VCSELs 的制作工艺流程。对器件进行了相干性测量, 计算了干涉条纹可见度, 分析了影响干涉条纹可见度的因素。

采用激射波长为850 nm的AlGaInAs/AlGaAs梯度折射率波导分别限制增益量子阱结构的外延片，设计并制备了具有条形结构和锥形结构的半导体激光器。在输出功率同为1 W时，锥形激光器的发散角、光束传播因子和亮度分别为4°、2.8和9.9 MW·cm-2·sr-1，远好于条形激光器的6°、9.2和3.0 MW·cm-2·sr-1。当外加3 A的脉冲电流时，锥形激光器峰值功率达到1.40 W，斜率效率为0.58 W/A，电光转换效率为30%。实验结果表明，锥形激光器可以在保证大功率输出的前提下，具有更高的光束质量。

采用激射波长为808 nm的GaAs/AlGaAs梯度折射率波导分别限制单量子阱结构外延片，制备了沟道深度不同的半导体激光器阵列，并对载流子分布进行理论分析和模拟。理论和实验结果表明：引入脊形台面和隔离沟道后，激光器阵列的输出功率、电光转换效率、斜率效率和光谱特性均有显著提高。随着沟道的加深，对电流侧向扩散的限制作用增强，从而提高了阵列性能。

理论分析了高功率垂直腔面发射激光器(VCSEL)的器件特性与其分布布拉格反射镜(DBR)反射率的依赖关系, 并计算了具有不同有源区直径的VCSEL的输出特性.分析了具有不同有源区直径的VCSEL在不同DBR反射率条件下的连续输出特性曲线, 发现DBR反射率的改变会对有源区直径不同的VCSEL产生不同程度的影响.为了验证理论分析的结果, 进行了器件测试实验.实验结果表明, 有源区直径为500μm的VCSEL, 当其N-DBR反射率分别为99.7%及99.2%时, 在连续注入电流为6A时, 其输出功率分别为2.01W和2.09W；而有源区直径为200μm的VCSEL, 当N-DBR反射率为99.7%及99.2%时, 连续注入电流为3A时, 其输出功率分别为0.64W及1.12W.器件测试结果有效验证了理论分析的结论.

报道了优化p面电极的高功率高光束质量980nm垂直腔底面发射激光器(VCSEL).采用数学模型对VCSEL的电流密度进行了模拟计算, 发现电流密度分布由氧化孔直径和p面电极直径决定.确定氧化孔直径后, 优化p面电极直径可以实现电流密度的均匀分布, 抑制远场光斑中高阶边模的产生.将p面电极直径优化为580μm, 制作的600μm的VCSEL远场发散角从30°减小到15°, 优化器件的阈值电流和最高输出功率都略有增加.通过改进器件封装方式后, 器件输出功率达到2.01W, 激射波长为982.6nm.

报道了980 nm高功率低发散角垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列。通过增大阵列单元的出光孔径和单元间距来减小阵列器件的电阻和热阻,制作的台面为直径250 μm,氧化孔径200 μm,单元间距280 μm的4×4二维阵列,与有源区面积相同的单管器件相比具有更高的输出功率。在室温连续工作条件下,阵列在注入电流6 A时最高输出功率为1.81 W,阈值电流为1.2 A,斜率效率为0.37 W/A,微分电阻为0.01 Ω。针对较大的远场发散角对单元器件有源区中电流密度分布进行了计算,分析了器件高阶横模产生的原因。使用镀制额外金层的结构来改善远场发散角,将半角宽度由30°压缩到15°以下,改进后器件的输出功率略有下降。60 ℃恒电流模式寿命测试结果显示器件在800 h后输出功率衰减小于10%。

为了改善大功率垂直腔面发射激光器(VCSEL)的模式特性, 在GaAs衬底上采用限制扩散湿法刻蚀技术制作出了不同曲率半径的微透镜, 与P型和N型分布式布拉格反射镜(DBR)构成复合腔结构, 可以对腔内模式进行选择。有源区采用新型的发射波长为980 nm的InGaAs/GaAs应变量子阱, 包括9对In0.2Ga0.8As (6 nm)/Ga0.18As0.82P(8 nm)量子阱, 有源区直径100 μm, 微透镜直径300 μm, 曲率半径959.81 μm, 表面粗糙度13 nm。室温下, 器件连续输出功率大于180 mW, 阈值电流200 mA, 远场发散角半角宽度分别为7.8°和8.4°, 并且与没有微透镜的垂直腔面发射激光器输出特性进行了比较。