针对高功率半导体激光芯片工作温度升高易引起芯片性能退化和失效问题, 首先理论分析了工作温度对内量子效率的影响机理。其次, 为量化温度影响芯片稳定性的主要因素, 自主搭建高功率半导体激光列阵芯片测试系统, 研究15~60 ℃半导体激光列阵芯片的温度特性, 分析了5种能量损耗分布及其随温度的变化趋势。实验结果表明, 当温度由15 ℃升高至60 ℃, 载流子泄漏损耗占比由2.30%急剧上升至11.36%, 是造成半导体激光芯片在高温下电光转换效率降低的主要因素。最后进行了外延结构的仿真优化, 仿真结果表明, 提高波导层Al组分至20%, 能有效限制载流子泄漏, 平衡Al组分增加带来的串联电阻增大问题, 可以获得高效率输出。该研究对高温下半导体激光芯片的设计具有重要的指导意义。

为提高大功率半导体激光器的泵浦效率, 必须降低半导体激光器输出波长随温度的漂移系数。采用MOCVD外延技术、纳米压印和干法刻蚀附加湿法腐蚀等工艺制备了大功率分布反馈激光器列阵。激光器列阵的腔长为1 mm, 25 ℃时中心波长为808 nm, 通过测试不同热沉温度下的P-V-I曲线和光谱图, 表明当脉冲工作电流为148 A时, 激光器列阵的输出功率可以达到100 W, 斜率效率为0.9 W/A, 光谱的FWHM为0.5 nm, 边模抑制比可以达到40 dB, 出射波长随温度的漂移系数为0.056 nm/℃, 单列阵波长锁定范围可达50 ℃, 总锁定范围100 ℃。另外还分析了腔面镀膜对波长锁定效果的影响。

阐述了一种激光二极管叠阵以zigzag方式侧面泵浦多边形Nd∶YAG薄片放大器的模拟研究, 建模对Nd∶YAG晶体内泵浦光的吸收情况进行了深入的数值模拟与分析, 研究了晶体的Nd3+掺杂浓度对泵浦光分布均匀性的影响。研究表明, 采用多个方向泵浦和zigzag泵浦方式易于实现介质内泵浦光的均匀分布, 在晶体的Nd3+离子掺杂浓度为0.25at.%时, 仿真得到的泵浦光吸收分布为平顶型, 分布的均匀性均为0.0505。对侧面泵浦多边形薄片激光放大器的进一步研究提供了参考。

采用高功率激光二极管阵列（LDA）端面泵浦Nd:YAG激光棒方式,结合凸凹非稳腔的设计，获得20 Hz运转条件下小束散角激光输出平均能量约为83 mJ。以该激光为振荡源，同样采用LDA端面泵浦Nd:YAG激光棒的方式进行能量放大，组成LDA端面泵浦振荡-放大（MOPA)激光器，最终获得重频频率20 Hz、平均能量＞200 mJ、发散角＜2.1 mrad、能量波动＜±2.5%的脉冲激光输出。该激光器光光转换效率约为14.6%，体积为175×91×49 mm3，质量＜1 kg，激光经8倍发射天线后发散角＜0.3 mrad。

在空心导管泵浦耦合系统中, 测量了激光二极管叠阵中巴条的实际指向性, 并带入仿真建模中, 以便获得更准确、更优的模拟结果。与采用理想巴条指向性的模型模拟结果相比, 耦合系统的耦合效率降低了11.2%。同时, 带入实际指向性的模型模拟结果, 具有更大的能量传输损耗和调制更深的泵浦光场分布, 且该仿真模拟结果与实验结果相符。结果表明, 在空心导管耦合系统设计中, 带入实际巴条指向性模型是获得精确模拟结果的必要条件。

研制了无温控多波长激光二极管阵列端面泵浦Nd∶YAG电光调Q激光器。采用4 000 W多波长准连续激光二极管阵列作为泵浦源, 快轴准直镜与透镜导管作为泵浦耦合系统, 端面泵浦6 mm×60 mm的Nd∶YAG晶体, 并采用RTP晶体进行电光调Q实验。在重复频率5 Hz、室温(25 ℃)时, 激光器获得了最大输出能量74.4 mJ、脉宽15 ns的1 064 nm脉冲激光输出, 光光转换效率达到11%。在25~55 ℃的工作温度下, 对多波长LDA的光谱特征与激光器的输出特性作了测试, 激光器输出能量随着工作温度的上升而先迅速下降再逐步保持稳定, 当重复频率分别为5 Hz和10 Hz时, 激光器对应的最低输出能量分别为48 mJ与37 mJ。

为了满足片状激光放大器对泵浦功率密度的要求, 设计并加工了高缩束比的耦合系统。根据LD的发光特性, 将输出功率为80 kW的LD阵列进行拟球面排列, 采用正交柱面透镜配合空心导光管进行泵浦耦合, 将发光面积为330 mm×85 mm的泵浦光, 在输出口处压缩至18 mm×18 mm的口径, 耦合系统的缩束比高达86∶1。模拟计算表明, 该耦合系统的耦合效率对导光管反射板的反射率依赖性较低。实验测量该耦合系统的效率为84.2%, 输出口处泵浦光场快慢轴的调制度分别为130和1.18, 且脱离耦合系统后的泵浦光传输8.5 mm后, 依然可以保持泵浦光场的轮廓。该耦合系统在效率、泵浦场均匀性、传输性等方面均满足端面泵浦的片状放大器对泵浦耦合系统的要求。

为克服传统光学方法测量半导体激光阵列(LDA)Smile效应时存在的光学系统搭建精度要求高、测试人员素质要求高、后期数据处理繁杂测量时间长等缺点，通过用机械接触式台阶仪的探针扫描焊接后LDA芯片N面的方式，快速测量LDA的Smile效应，并将之与传统光学方法测量的Smile效应进行对比。结果表明，两者形态完全一致，差别小于1 μm。用台阶仪测量LDA Smile效应耗时小于1 min。此方法能为芯片焊接工艺优化Smile效应提供快速反馈，可方便集成在大批量生产流水线中对LDA的Smile效应进行实时监测。

介绍了一种大功率激光二极管阵列驱动电源的设计方法。对电源的组成、工作原理和电流上升前沿影响因素进行了详细分析, 对输出线结构和反馈电路进行优化，有效地解决了大电流、长距离传输条件下电流脉冲前沿缓慢的问题。测试结果验证了设计思路的可行性，驱动电源实现了0~300 A 连续可调、稳定度优于0.3%的输出，在300 A,40 m 输出时脉冲前沿24.7 μs，为同类型的大功率激光二极管阵列驱动电源的工程化应用奠定了基础。

为LDA侧面泵浦Nd∶YAG棒状固体激光器的优化设计、参数选取及后续试验提供了理论依据和参考,建立了环形侧面泵浦棒状介质泵浦光场分布数值计算模型，研究了LDA侧面泵浦固体Nd∶YAG激光器泵浦光场的分布特点。模拟分析了LDA的bar间距、玻璃管厚度、激光晶体半径等几个主要泵浦结构参数对泵浦光场分布的影响。通过对不同泵浦参数下泵浦光分布特性的数值计算，优化了LDA侧面泵浦固体激光器的泵浦结构参数，优化后的仿真结果表明：在泵浦距离为2 mm条件下，晶体直径为4 mm，玻璃管套筒厚度为1 mm，冷却水层厚度为1 mm时，泵浦光在晶体中心处强度相对值为40.8%，在晶体轴心附近分布比较均匀，且均匀分布区域相对较大。