高速光通信、高分辨率光传感等领域的发展迫切需要窄线宽激光器，半导体激光器凭借其高可靠性、高转化效率以及易于集成等优点得到广泛应用。当前，虽然实验已发现在弱耦合条件下，互注入锁定激光器可以显著改善半导体激光器的线宽，但缺乏稳定性分析的有效手段以及关键参数对线宽影响的深入分析。本文使用基于传输矩阵理论的阈值增益分析模型定性分析了互注入锁定激光器的稳定性，并应用基于噪声相关性的迭代噪声模型深入分析了线宽的主要影响参数，为窄线宽互注入锁定半导体激光器的应用提供参考。

将双光互注入半导体激光器作为混沌光发射源,构建了受环境影响较小、稳定性较好的全光纤型混沌同步通信系统,并从延时特征的隐藏、接收与发射激光器的互相关性及输出混沌光带宽三方面研究该系统的同步通信能力。使用自相关函数及互信息函数等数学工具仿真计算该系统外腔反馈延时特征峰值、发射与接收激光器的互信息函数峰值及系统输出混沌光带宽。研究表明,通过适当调整参数使发射与接收激光器高度同步,双光互注入系统外腔反馈延时特征峰值可减小至0.1899,比相同条件下单光互注入的延时特征峰值降低了0.1696,接收和发射激光器最大互相关系数为0.9113。此外,21 GHz的中心频率失谐能将输出光带宽展宽到3.319 GHz。经实验验证,双光互注入系统产生的混沌载波能很好地隐藏实验用的正弦波信号,并且能够在接收端成功解调。

基于放大自发辐射(ASE)噪声扰动和半导体激光器互注入的方法,设计并研制了一款50 GHz宽带混沌信号发生器。该信号发生器主要包括两个分布式反馈半导体激光器(DFB-SL)和一个半导体光放大器(SOA),利用SOA产生的ASE噪声扰动SL产生混沌激光,基于SL互注入的拍频效应进一步实现频谱整形和带宽增强。在反馈强度为9.096%、频率失谐量为32.75 GHz、耦合强度为1.966的状态下,信号发生器可以产生频谱带宽超过50 GHz、平坦度为±2.5 dB、光谱线宽为0.56 nm的混沌激光。高带宽、高平坦度的宽带混沌信号发生器的研制,解决了混沌激光存在的频谱不平坦、带宽窄等问题,将进一步推动混沌激光的产业化应用。

多光束相干合成是获得高功率、高亮度激光输出的有效途径。首次采用倏逝波理论结合互注入特性揭示了角锥腔固体激光器远场输出为相干合成分布的机理, 角锥腔对称部分的激光由于互注入实现锁相, 相邻部分由于倏逝波耦合实现锁相, 重点研究了固体激光器倏逝波耦合相干的特性。研究表明: 锁相效果跟激光阵列排布方式有关, 在相同的激光阵列排布方式时, 腔长越长, 占空比越大, 则模式间耦合越强, 锁相效果越好, 越趋向于同相模输出。理论和实验证明了角锥是一个天然的相干合成元件, 角锥多光束相干合成技术具有重要的科学价值。

相干合成技术是获得高功率、高亮度激光输出的有效途径之一。互注入锁相是获得相干合成的被动方式。理论分析与仿真模拟了角锥的相干特性，提出了基于角锥棱镜的脉冲固体激光束相干合成方案。开展了两路脉冲固体激光束相干合成和六路脉冲固体激光束相干合成的实验研究。得到了超过 255 mJ的合成激光输出，功率合成效率接近80%，可见度约为0.5。研究表明，该方法结构简单，是获得多路激光相干合成输出的有效方案。

提出角锥作为相干合成元件实现互注入锁相获得相干合成输出的方案。对比分析了采用4种锁相结构进行两路光纤激光器相干合成的结果，并报道了4路光纤激光相干合成的最新实验结果。

为了研究互注入半导体激光器产生的混沌带宽及复杂程度, 采用互注入半导体激光器速率方程进行了理论分析。结果表明, 随着注入系数的增加, 混沌的带宽变大, 混沌复杂程度变高; 偏置电流越大, 混沌的带宽越大, 时间序列标准差越大, 混沌越复杂。这为实现更为复杂的高带宽混沌提供了理论指导。

基于角锥互注入锁相相干合成方案,利用光纤Bragg光栅(R=85% @1 064 nm)作为两路光纤激光器的共用腔镜,实现了两路光纤激光器相关联,进一步提高了激光的互注入能量。采用外腔结构,较容易实现了两路光纤激光器的能量互注入锁相。在实验上观察到了远场清晰稳定的干涉条纹(可见度超过0.8),获得了功率合成效率约为80%的线偏振相干激光输出。

提出一种基于角锥互注入锁相的多路光纤激光器相干合成新技术, 分析了其锁相原理, 设计了基于球面角锥和平面角锥的两种多光束光纤激光器相干合成方案。开展了基于平面角锥互注入锁相的两路光纤激光器的相干合成实验, 成功实现了两路独立光纤激光器的注入锁定, 观察到波长锁定（中心波长稳定在1085.22 nm）、远场干涉条纹（可见度约0.5）、线宽压缩（44%）和功率合成效率大于1（120%）等现象, 获得了超过2.4 W的相干合成激光输出。在两路光纤激光器不同功率比例注入条件下, 研究了波长漂移的规律, 得到了波长漂移量与注入功率成反比的定性规律。