外腔面发射激光器的GaAs基质厚度大, 热导率低, 严重阻碍有源区热量的扩散, 影响激光器功率的提高。为了去除激光器的GaAs基质, 采用硫酸系酸性腐蚀, 通过改变腐蚀液浓度和腐蚀温度来比较腐蚀液对GaAs基质的腐蚀影响,并采用原子力显微镜照片表征了腐蚀表面的粗糙度。结果表明, 当腐蚀液的体积比V(H2SO4)∶V(H2O2)∶V(H2O)=1∶5∶10, 腐蚀温度为30℃时, 腐蚀速率适中, 为5.2μm/min, 腐蚀表面粗糙度2.7nm, 腐蚀总体效果较为理想。较好的GaAs基质腐蚀效果为外腔面发射激光器衬底去除腐蚀阻挡层的选择性腐蚀提供了基本的保障。

基于垂直外腔面发射半导体激光器窗口散热模式的传热模型，用有限元法计算了不同条件下量子阱有源区的温度变化，建立了量子阱最高温度的等效热阻模型和计算公式，并通过拟合确定了热阻模型的相关参数.计算表明量子阱最高温度与抽运功率存在线性关系，与光斑面积近反比关系，窗口散热片可显著降低量子阱有源区温度和温度的不均匀度.等效热阻模型表明由于半导体晶片内热流在径向难以扩散，热传导中存在较大串联热阻，使得散热片热扩散能力趋于饱和，其中碳化硅的散热性能约为金刚石的75%.

采用脉冲抽运方式可显著改善光抽运垂直外腔面发射半导体激光器的热效应，大幅度提升激光器的输出功率。用有限元方法数值求解瞬态传热方程，得到激光器中温度升高的最大值随抽运脉冲的变化规律。讨论了抽运光脉冲宽度范围的选择，分析了抽运脉冲重复频率对激光器中温度升高最大值的影响作用，对抽运脉冲的时间宽度进行了优化设计。结果表明，对于基质去除型的InGaAs量子阱垂直外腔面发射激光器，抽运光脉冲的宽度介于1~10 μs时，激光器中最大温升值即明显下降；同时，抽运脉冲的重复频率应限制在50 kHz以内，以满足脉冲间隔大于激光器热弛豫时间的要求，否则激光器中会产生热量的积聚，增加最大温升值。

为了研究线性啁啾光纤布喇格光栅的特性, 并进一步把它用于光纤激光器上, 介绍了线性啁啾光纤布喇格光栅的耦合模理论, 采用4阶Runge-Kutta法和传输矩阵法结合控制变量法, 对线性啁啾光纤布喇格光栅反射率与啁啾系数、半峰全宽与光栅长度、反射率与直流纤芯折射率改变量之间的关系进行了数值模拟。结果表明, 线性啁啾光纤布喇格光纤可以展宽带宽。基于这个结论, 提出了利用线性啁啾光纤布喇格光栅作为光纤激光器腔镜, 使输出谱线展宽, 从而可作为宽带光源使用的方案。

为了降低光抽运外腔面发射激光器的热效应，提高激光器的输出功率，采用液体毛细键合方法将逆序生长的半导体外延片与高热导率的碳化硅散热窗口键合，并用化学刻蚀方法去除外延片的基质。实验研究了用基质刻蚀的外延片搭建的外腔面发射激光器的性能。当增益介质的有源区为InGaAs/AlGaAs多量子阱、抽运源为808nm的光纤耦合输出半导体激光器，输出镜对激光波长透过率为3%时，在室温下获得TEM00模的最大输出功率0.52W，激光波长1018nm，光谱线宽2nm(半峰全宽)，激光器的光光转换效率约为20%。测得x方向与y方向的M2因子分别为1.01和1.00，说明输出光束为质量优良的近衍射极限高斯光束。结果表明，基质刻蚀技术可明显改善外腔面发射激光器的热性能，获得高功率、高光束质量的激光输出。

根据激光二极管发光的部分相干性这一客观事实,运用部分相干光理论提出了描述激光二极管远场分布的新的理论模型。该模型体现了激光二极管本身特性参数对其远场分布的密切影响,能够描述已观察到的各种远场分布结构,为准确了解激光二极管输出光束的特性和对其进行光束整形提供了理论依据。

多物理场耦合有限元方法被用来模拟光抽运垂直外腔面发射半导体激光器(OPS-VECSEL)内部的热分布情况,特别对OPS-VECSEL芯片帽层表面与金刚石散热片毛细键合(capillary bond)的情况做了计算。计算表明,在没有金刚石散热片的情况下,从窗口以下首个量子阱到末个量子阱的温差达到150 K;在有金刚石散热片的情况下,器件中各个量子阱的温差很小,其共振波长差只有几纳米;在芯片的分布式布拉格反射镜(DBR)一侧焊接有硅微通道冷却器的情况下,各量子阱间的温差进一步减小,器件性能得到最大改善。模拟计算也表明,在抽运功率不变的情况下,适当增加抽运光的半径,可显著降低器件的热效应,尤其热透镜效应。

千瓦级连续激光二极管面阵由30个40 W的808 nm连续激光二极管条组成,按要求排列成5×6矩阵,发光孔径12 mm×70 mm。每个激光二极管条安装在微沟道冷却封装组件上,依靠高压冷却水通过微沟道维持连续运行。面阵的30个二极管条的电路串联,冷却水道并联,恒流电流50 A时,发射连续1060 W,808 nm波长的激光,平均功率密度126 W/cm2。5个K型热电偶安装在面阵不同位置测量激光二极管底部附近硅热沉的温度随耗散热功率的增加, 面阵整体热阻的测量值为0.009 ℃/W。千瓦级连续面阵可用于抽运大功率固体激光器,也可用于材料表面热处理。

根据光线传输的基本原理,通过计算和推导,用解析式表达并讨论了半导体激光器快轴方向发散光束通过圆柱透镜后的准直特性、光强分布和光能转换效率与圆柱透镜的半径、介质折射率、介质损耗、安装距离等可调参数以及界面反射的关系。说明了安装位置直接影响到准直效果;透镜半径、折射率和介质损耗不仅影响到准直后光斑的大小、光强分布和光能转换效率,而且影响到偏振状态的重新分布,因此,要获得最佳准直效果必须略微离焦安装;还需根据具体使用要求综合考虑各参数对光斑大小、光强分布和光能转换效率的影响,以采用适当的参数,并考虑是否进行增透处理。为正确认识和使用微圆柱透镜改善半导体激光快轴方向光束的发散,提高光束质量提供了理论依据。