针对现有边发射半导体激光器远场发散角大、光束质量差等问题，引入光子晶体人工微结构实现模式扩展和模场分离，改善了单芯片半导体激光器的性能，实现了高亮度高光束质量的激光输出。理论分析并模拟了光子晶体半导体激光器对光场的调控机制，并介绍了几种典型的光子晶体半导体激光器。在光子晶体激光器实现低垂直发散角的基础上，设计了不同的结构实现了大功率、单模、高亮度等特性的输出。实验验证了光子晶体能带效应在提高半导体激光光束质量、提高亮度等方面的调控作用，其能够突破普通半导体激光器面临的限制，有助于半导体激光更有效地应用在光纤激光器抽运和激光加工等领域，为半导体激光的直接应用奠定了基础。

为了提高2 μm InGaAsSb/AlGaAsSb 半导体激光器的最大输出功率,减小远场垂直发散角并实现单模稳定输出, 在非对称波导结构的基础上设计了具有双波导结构的2 μm InGaAsSb/AlGaAsSb半导体激光器.同时, 利用相关的物理模型及SimLastip程序语言构建了InGaAsSb/AlGaAsSb Macro文件, 利用SimLastip软件对具有不同结构的2 μm InGaAsSb/AlGaAsSb 半导体激光器进行了数值模拟分析.研究结果表明, 双波导结构可以将半导体激光器的有源区限制因子由0.019 2减小至0.011 3, 器件的最大输出功率提高了1.7倍, 远场垂直发散角由57°减小到48°, 器件性能得到了改善.

针对大光腔结构往往导致阈值电流密度增大的矛盾，设计了一种具有较高势垒高度的三量子阱有源区。采用非对称宽波导结构的半导体激光器，该激光器在实现大光腔结构的同时保持阈值电流密度不增加。通过金属有机物化学气相沉积(MOCVD)生长InGaAs/AlGaAs三量子阱有源区以及3.6 μm超大光腔半导体激光器的外延结构。结合后期工艺，制备了980 nm脊形边发射半导体激光器。在未镀膜情况下，4 mm腔长半导体激光器阈值电流为1105.5 mA，垂直发散角为15.6°，注入电流为25 A时的最大输出功率可达到15.9 W。测试结果表明：所设计的半导体激光器在有效地拓展光场，实现大光腔结构的同时，保证了激光器具有较低的阈值电流。

为实现2 μm低发散角激光，提出在GaSb基半导体激光器中引入布拉格反射波导，利用光子带隙效应替代传统的全反射进行光场限制。研究了分布反馈反射镜(DBR)的厚度、对数、高低折射率DBR厚度比以及中心腔厚度等参数对激光器垂直远场发散角和光限制因子的影响。结果表明：垂直远场发散角随单对DBR厚度的增加而减小；光限制因子与远场发散角都随拉格反射镜对数的增加而减小，随高低折射率DBR厚度比的减小而增大；随着中心层厚度的增大，光限制因子减小而远场发散角增大。最终在理论上优化设计出了一种双边布拉格反射波导结构的超低垂直发散角2 μm GaSb基边发射半导体激光器，其垂直远场发散角可降低到10°以下。

模拟了带有模式扩展层的半导体激光器，研究了中心波导层、扩展波导层和内限制层对激光器性能的影响。经过优化获得了一个条宽为50 μm，远场发散角为23°，阈值电流为117.8 mA，限制因子为2.37%的激光器。远场发散角最小可达到18°，此时阈值电流为200.9 mA。与普通结构比较，优化后的结构远场垂直发散角减小了20°左右，阈值电流并没有明显增加，模拟计算表明模式扩展层没有降低激光器的电学和温度稳定特性。

设计并制备了808 nm波长布拉格反射波导激光器, 在垂直方向采用光子带隙效应进行光场限制, 实现了超大光模式体积和单横模激射。所制备的10 μm条宽、未镀腔面膜的器件在室温、准连续条件下的总输出功率可超过650 mW, 最高功率受热扰动限制。激光器垂直方向和水平方向的远场发散角半高全宽分别为8.3° 和8.1°, 这种近圆形的光束输出可以有效地提高激光器的耦合效率。