为了提高976 nm宽条形高功率半导体激光器的光束质量, 基于严格的二阶矩理论搭建了一套适用于高功率半导体激光器的光束质量检测装置。利用该装置测量了实验室研制的976 nm宽条形高功率半导体激光器在1～10 A工作电流下的束腰位置、束腰尺寸和远场发散角。实验结果表明, 随着电流从1 A增加到10 A, 快轴方向束宽及远场发散角由于反导引效应有微小增加, 但由于垂直方向较强的折射率导引机制使得光束参数变化很小, 光束质量因子M2仅从1.32增加到1.48, 光束质量基本不变。慢轴方向由于反导引效应及热透镜效应而导致高阶模式激射, 使得束宽及远场发散角随工作电流增加逐渐增大, 光束质量因子M2从5.44增加到11.76, 光束质量逐渐变差。傍轴光束定义及非傍轴光束定义下的光束质量因子测试结果表明, 在快轴方向, 两者差别较大, 不能使用傍轴光束定义近似计算; 在慢轴方向, 两者近似相等, 可以使用傍轴光束定义近似计算。

模拟分析了大功率半导体激光器的稳态温度场, 通过温度场计算半导体激光器的热透镜焦距及其对慢轴发散角的变化量, 并获得半导体激光器的热功率及其关系。分析表明, 相同条件下热功率与热透镜焦距近似为反比关系, 与慢轴光束发散角近似为线性关系。当热功率达到10 W时, 热透镜焦距为568 μm, 慢轴发散角增加约10°。实验测量了不同工作电流条件下激光器的慢轴发散角, 结果显示模拟值与实验值基本一致。

在半导体激光器芯片与热沉的焊接过程中不可避免地会在焊料层产生一些空洞,而空洞会在铟的电迁移以及电热迁移作用下慢慢变大,使芯片局部温度迅速上升, 进而影响半导体激光器的性能。针对10 W的808 nm单管焊装半导体激光器建立三维有限元模型, 分别模拟计算了空洞面积、空洞厚度和空洞位置与结温的关系。芯片出光面边缘的有源区区域形成的空洞对芯片的结温影响更为显著, 最后得到空洞面积与器件结温的关系, 并表明对空洞率控制的重要性。

为了快捷而有效地检测半导体激光器的封装应力，设计了一种通过检测激光器巴条各个单元偏振度揭示出其封装应力分布的实验方法。实验测试半导体激光器巴条的各项参数，并利用有限元软件模拟，通过半导体能带与应力理论，说明偏振度与封装应力的影响关系。实验表明，巴条个别发光单元的偏振度较低、阈值电流较高是由于封装应力较大。通过计算，封装应力为141.92 MPa，偏振等效应力最大为26.73 MPa。实验器件在阈值以下的偏振度较好地反映了封装应力的分布趋势。利用阈值电流以下测量器件偏振度，可以为选择热沉及焊料材料、焊接工艺参数的改进等方面提供一个较为快捷而有效的检测方法。

应用ZEMAX软件设计出高亮度大功率光纤耦合模块。采用16支输出功率12 W的单偏振态单边发射半导体激光器, 耦合进芯径100 μm、数值孔径0.22的光纤中。模块输出功率达到189.4 W, 耦合效率达到98.6%, 亮度达到94.66 MW/cm2-str。通过SolidWorks软件优化得到新热沉结构, 应用ANSYS软件进行热分析, 结果表明新热沉结构最高温度为42.4 ℃, 相比优化前温度降低1 ℃以上, 得到良好散热结构模型。

为了降低单管半导体激光器的结温、提高器件的散热效果, 基于C-mount热沉的热特性分析提出了一种优化的台阶热沉结构, 研究了单管激光器结温和腔面侧向温度分布曲线的影响。在热沉温度298 K和连续输出功率10 W的条件下, 腔长为1.5 mm的典型C-mount封装结构激光器的结温为343.6 K, 热阻为4.6 K/W。通过在典型C-mount热沉中引入台阶结构, 使封装激光器的结温降低为333.8 K, 热阻减小到3.5 K/W。计算表明, 其输出功率可提高近20%。