提高半导体激光器的输出功率及电光转换效率一直是国内外的研究热点。本文针对应用在低温环境下的半导体激光器，优化其外延结构中波导层的材料组分，有效降低了器件的串联电阻，使其在低温环境中有更好的性能表现。制备了腔长为2.5 mm的940 nm半导体激光阵列(巴条)，并在－65～5 ℃的温度范围内对其进行性能表征。对比波导层优化前后两种结构的低温特性，结果显示，优化后的外延结构在低温下的性能大幅提升。由于低电阻特性，优化后的外延结构在－65 ℃、占空比为8%(200 μs，400 Hz)的准连续条件下的最大电光转换效率高达82.3%，远高于结构优化前的78.5%，而且其在1000 W输出功率下的电光转换效率为71.3%。

为了解决阵列中每个发光点性能分布不均的问题，研究了微通道水冷封装的960 nm半导体激光器阵列，阵列包含38个发光点，腔长为2 mm，在驱动电流为600 A、占空比为10%的条件下，输出的峰值功率达到665.6 W，电光转换效率为63.8%，中心波长为959.5 nm.通过对应力的理论分析，给出了各个发光点应变的表达式；通过搭建单点测试系统获得阵列中每个发光点的阈值电流、斜率效率、光谱和功率等光电特性；结合应变理论分析可知，器件中发光点的性能与应变大小和类型密切相关，压应变会导致器件波长蓝移、阈值电流降低、功率和斜率效率升高，张应变会导致波长红移、阈值电流升高、功率和斜率效率降低.研究表明，影响器件内部发光点的性能不仅与热效应有关，而且与封装后残余的应变密切相关，通过应力的分布可以预测阵列性能的变化规律，可为高峰值功率、高可靠性的半导体激光阵列的研制提供参考.

高峰值功率半导体激光阵列在高温工作条件中的应用需求日益凸显，本文以微通道封装的高峰值功率960 nm半导体激光阵列为研究对象，通过精密控温系统测试了其在10~80 ℃范围内峰值功率、电光转换效率、工作电压和光谱等一系列光电特性，结合理论分析，给出不同温度下电光转化效率的能量损耗分布。结果表明，工作温度从10 ℃升高到80 ℃后，电光转化效率从63.95%下降到47.68%，其中载流子泄漏损耗占比从1.93%上升到14.85%，是导致电光转换效率下降的主要因素。该研究对高峰值功率半导体激光器阵列在高温应用和激光芯片设计方面具有重要的指导意义。

高功率半导体激光器阵列已经广泛应用于许多领域。Smile效应是由高功率半导体激光器阵列（巴条）本身在封装过程中与热沉之间热膨胀系数（CTE）失配导致的热应力造成的。各个发光点在横向上不在一条直线上，从而导致半导体激光阵列整体发光弯曲。较大的Smile值可以引起光束质量降低、造成光束耦合和光束整形困难。为了降低热串扰实现巴条温度均匀化，我们在传统CS热沉的基础上，引入高热导率铜基石墨烯（GCF）与孔状结构，对CS被动式制冷半导体巴条热应力分布不均导致的Smile效应进行了数值模拟与仿真分析。在热功率为60 W的条件下，一方面，当仅有GCF材料，并且其长度为8 mm时，温差从最初的7.94 ℃降低到3.65 ℃；另一方面，在合理的温升范围内，当GCF的长度为8 mm时，结合增加热沉热阻的孔状结构时，温差进一步降低到3.18 ℃。

介绍了一种减少半导体激光器阵列光栅外腔光谱合束(SBC)整体光谱展宽的方法, 通过加入一组变形棱镜对传统光谱合束结构进行了改善。变形棱镜的作用实现减小半导体激光线阵输出光斑宽度, 减小入射到光栅上的入射角度进而减小整体的光谱线宽。采用发光单元宽度为100 μm、周期为500 μm、由19个发光单元组成的常规CM-Bar条进行光栅-外腔光谱合束技术的理论推导及软件模拟, 得到了光谱线宽为3.2 nm。与通过增大柱透镜焦距来减小光谱线宽的方法相比, 此方法的优势是保证了整体光谱合束的整体结构在500 mm以内, 使得各个发光单元有足够反馈量, 抑制光束间串扰, 保证合束后的光束质量和效率。

通过对半导体激光阵列进行光谱组束, 使阵列中各个发光单元的光束重叠, 同时锁定在不同的波长上; 将组束后的光束进行频率变换, 组束的各个光束同时满足非线性频率变换中的和频条件, 产生和频的蓝光输出。光谱组束半导体激光阵列增加了参与非线性频率变换半导体激光发光单元的个数, 有利于提高整体频率变换的输出功率。实验采用标准的半导体激光阵列, 组束后连续输出功率为18.2 W, 非线性频率变换产生的蓝光的输出功率为93 mW, 光光转换效率约为0.51%。实验证明了光谱组束半导体激光阵列多谱线频率变换的可行性。

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。

基于光谱光束组合技术，利用光栅的衍射和外腔的反馈，并通过加入光束整形系统，将标准的半导体激光阵列的发光单元锁定在窄线宽的不同波长上，以近似平行光束沿组合方向输出，以实现半导体激光阵列输出光束质量的改善和线宽的压窄。实验中采用发光单元宽度100 μm，周期500 μm，由19个单元构成的标准阵列，分别对快、慢轴准直后光谱组束、光束整形后光谱组束和线宽压窄外腔组束进行了实验验证，实现了组合光束与单个发光单元近似的光束质量，同时得到了较窄的线宽输出，并对实验结果进行了分析。

针对3种典型“Smile”形态的半导体激光阵列(LDA)如何装调快轴准直镜的问题, 开展“Smile”条件下快轴准直实验定量研究。利用光纤近场扫描法和最小二乘法获得LDA的“Smile”值, 采用Zemax非序列模式, 模拟“Smile”下LDA的快轴准直。结果表明, LDA的“Smile”大小及形态分布影响准直镜装调位置, 透镜光轴需要与LDA匹配, 否则会造成光束质量的劣化。这为实际掌握LDA的快轴准直安装提供一种思路, 为进一步集成高功率高光束质量的大功率半导体激光器提供了理论和实验基础。