为了在热仿真时得到可靠的有源层温度分布，采用基于芯片封装结构原型的808 nm高功率半导体激光器单管有限元模型，引入条型区、热沉覆铜层和键合引线等影响因素，研究了高功率半导体激光器单管稳态工作时有源层的热分布特性。在简易模型的基础上分别单独引入并计算了条型区、热沉覆铜层和键合引线对器件有源层平均温度的影响，将这些影响因素同时引入得到了本文新模型，并使用该模型和简易长方体堆叠模型仿真了半导体激光器单管稳态工作下的温度分布，得到有源层的平均温度分别为42.089 ℃和46.405 ℃，使用实验数据计算得到器件有源层的平均温度为41.708 ℃，简易模型的仿真结果误差为11.26％，本文模型的仿真结果误差为0.91％。对同一封装结构参数、不同转化效率和波长的多个高功率半导体激光器单管进行了热特性计算，进一步验证本文模型仿真结果的准确性。

随着单管半导体激光器光纤耦合技术的不断发展, 为了进一步提高多单管半导体激光器的输出功率, 本文采用曲面空间排列方式对多个单管半导体激光器进行合束研究, 使更多数量的单管半导体激光器耦合进入同一光纤中, 获得更高的输出功率。文中利用ZEMAX光学设计软件进行仿真模拟, 将34只波长为975 nm、输出功率为10 W的单管半导体激光器合束聚焦后耦合进芯径200 μm、数值孔径0.22的光纤中, 获得耦合效率91.76%、输出功率312.03 W的激光系统。实验中, 将17只单管半导体激光器耦合进芯径200 μm、数值孔径0.22的光纤中, 在10.5 A的驱动电流下, 输出功率为100.5 W, 系统耦合效率为68.46%。

采用二维自动转动控制结合伺服电机、传感器及测量软件等设计了一种可实现光源和物体的表面空间变角度光度、色度等参数测量的多用校准装置, 解决了目前LED单管、显示器和标准色板等三类产品光度色度参数需使用独立测量装置的问题。结果显示可完成LED单管总光通量、CIE条件A/B场平均发光强度、等光强/照度曲线、小尺寸显示器光度色度和物体表面变角度色度等参数的测量。平均发光强度、总光通量、Y值和色品坐标与标准值偏差分别为: -1.8%、1.5%、0.9和0.005, 该装置测量精度高、功能切换方便、自动化水平高、操作简单, 达到设计要求。

为了简化半导体激光器电源的电路结构、提升其电能转换效率、实现输出电流的快速动态响应, 采用单管正激变换的并联交错技术, 设计出一种2kW单级变换的开关型直流驱动电源。测试并分析了电源的静态特性、动态特性及电能转换效率。结果表明, 电源的效率高达85%; 输出电流0A~100A的上升、下降时间仅为1ms; 满载100A工作时, 输出电流的纹波系数仅为0.04%。与两级串联结构的半导体激光器电源相比, 电源的效率得以提升, 输出电流的动态响应速度迅速, 满足激光加工的要求。

研究了大功率底发射垂直腔面发射激光器（VCSEL）单管器件光束质量，分析了电流、出光孔径、衬底厚度等因素对M2因子、远场发散角、近场及远场光强分布等的影响。使用有限元的方法对不同电极及不同氧化孔径时有源区中电流密度的分布进行了计算，为了获得高功率、高光束质量的VCSEL器件，选择氧化孔径为650 μm以及P面电极直径为580 μm，在对电流进行有效限制的同时实现了有源区中电流密度的均匀分布，从而抑制远场光斑中边模的产生，改善了光束质量。

根据单管半导体激光器出射光束特点，分别采用1/e2、环围能量以及二阶矩定义描述光束束宽，在高斯光束近似下采用双曲线拟合法测算得到不同方法定义束宽时的光参数积(BPP)，并与芯径为105 μm、数值孔径为0.2 的光纤所能接受的最大BPP 进行比较。对该单管半导体激光器进行光纤耦合，实验中单管半导体激光边模数量随注入电流的增大逐渐增多，光束质量的恶化导致其光纤耦合效率逐渐降低，当注入电流由1 A 增大到13 A 时，光纤耦合效率由96.5%降为88.8%。研究表明以二阶矩定义束宽半径测算光参数积BPP 去描述与评价单管半导体激光器光束质量特征是最为准确合理的。

为了减小长腔长高功率单管半导体激光器在封装过程中引入的热应力, 根据应力改变禁带宽度的原理, 理论上推导了应力与波长漂移的关系, 提出了一种通过测量激光器脉冲条件下的光谱来定量计算激光器应力的方法。 利用这种方法得到的研究结果表明, 焊接质量直接决定着应力的大小, 由焊接质量的不同引起的应力差值超过了300 MPa, 提出了优化焊接回流曲线的方法, 使激光器的应力由原来129.7 MPa降低到53.4 MPa, 该方法还有效的解决了封装应力随储存时间变化的问题。 实验表明, 激光器光谱图的测量分析是研究高功率单管半导体激光器封装应力的有效方法, 也是检测分析烧结工艺的有效手段。

与半导体激光Bar条相比, 单管半导体激光器具有光束质量好, 寿命长等优点, 但由于其输出功率小, 故在激光加工等领域的应用受到限制。为提高单管半导体激光器的输出功率, 提出了基于偏振复用技术对多个单管半导体激光器进行光纤耦合的方法。首先, 将16只808 nm单管半导体激光器分成两个单元, 通过空间合束将每个单元上的激光器发出的光合成一路; 然后, 利用偏振复用技术将两个单元发出的光束再次合束, 通过自行设计的聚焦系统将合束后的光束耦合进光纤实现光纤输出, 从而提高了半导体激光器光纤耦合模块的功率水平。实验显示, 当工作电流为5.8 A时, 通过芯径为200 μm、数值孔径(NA)为0.2的光纤的输出功率为67 W, 耦合效率达到84%。此模块在功率和光束质量方面满足激光塑料焊接等应用的要求。