2 μm波长附近可调谐半导体激光器在分子光谱学和光通信领域中有广阔的应用前景。基于绝缘体上硅（SOI）平台，对2 μm波长附近可调谐半导体激光器的外腔部分进行了设计优化。分析了不同尺寸光波导的模式损耗特性、单个微环谐振腔受总线波导耦合间距的作用以及总线波导光反馈终端对外腔半导体激光器性能的影响。并提出了一种具有高工艺兼容度的多模环形光波导光反馈结构。所设计的可调谐半导体激光器硅基外腔可通过环形波导上的镍铬合金微加热器进行0.1 nm/K的高精度调谐，对单个微加热器施加3.2 V电压时，调谐范围可达66 nm（1967~2033 nm）。

通过调制转移光谱稳频的方式，将外腔半导体激光器频率锁定于⁸⁷Rb原子D₂线超精细跃迁5²S_1/2，F=2→5²P_3/2，F=3，使激光器线宽由自由运转的382.18 kHz压窄至稳频后的37.94 kHz。稳频后的窄线宽激光用于积分球冷原子钟的探测光，可以将激光频率噪声对原子钟短期稳定度的影响降低至5.6×10^-14 τ^-1/2。

采用超极化惰性气体的磁共振成像技术可大大提高肺部影像成像质量，其中自旋交换光泵作为超极化惰性气体的关键，通常是对碱金属铷进行泵浦，为获得较好的泵浦效率，要求泵浦源具有窄光谱宽度和高功率的特点。针对这一需求，提出以体布拉格光栅（VBG）作为外腔反馈元件的795 nm窄谱宽外腔半导体激光器设计，并对VBG的外腔锁模稳定性进行了分析讨论，最终实现了功率为6.36 W，谱宽低至0.036 nm 的795.245 nm单管外腔激光输出，为实现大功率的单管外腔半导体激光器奠定基础。

可调谐外腔半导体激光器具有线宽窄、调谐范围宽、单模输出、输出功率高等优良特性, 在白光干涉测量技术、波分复用系统、相干光通信、光纤传感等领域有着广泛的应用。文章首先介绍了可调谐外腔半导体激光器的基本原理以及各种典型外腔结构的调谐机理, 然后根据外腔结构阐述了各种可调谐外腔半导体激光器的最新研究进展, 分析了不同外腔结构的优缺点, 最后对可调谐外腔半导体激光器的不足进行了总结, 展望了其未来发展趋势。

利用光学注入锁定制备的拉曼激光可以用于原子干涉仪。为解决原子干涉条纹的相位受相位噪声的极大影响的问题,研究了不同实验条件下的拉曼激光相位噪声。采用光纤电光调制(EOM)和注入锁定相结合的方法得到两束频差为6.834 GHz的相位锁定拉曼激光,将主激光通过光纤EOM移频 6.834 GHz后作为种子光注入到从外腔半导体激光器,调节从激光器,获得-1级移频光的初步放大激光。结果显示,拉曼激光的拍频线宽不大于3 Hz,频率可调范围为300 MHz,主激光锁频下相位噪声在10 Hz~100 kHz范围内低于-60 dBc/Hz。

研制了1550 nm波段的窄线宽、低噪声混合集成外腔半导体激光器,将保偏光纤布拉格光栅(FBG)作为反馈元件与半导体增益芯片进行耦合,并利用FBG斜边处的大群时延特性将半导体激光器的线宽压窄。所得到的蝶形封装激光器原型器件实现了稳定的单纵模、单偏振激光的保偏输出,在1 kHz处积分线宽为15.9 kHz的输出功率≥30 mW,洛伦兹线宽为4.85 kHz,本征线宽为4.06 kHz,相对强度噪声≤-155 dB·Hz ^-1@1 MHz,偏振消光比>25 dB,无跳模电流调谐范围≥8 GHz,无跳模温度调谐范围≥14 GHz,6 h功率稳定度为1.7%,频率漂移量<50 MHz。

实现了一种基于数字信号处理(DSP)技术的外腔半导体激光器的自动稳频装置。该自动稳频装置以铷原子的饱和吸收谱线作为频率参考,采用调制解调技术得到稳频所需的鉴频信号。激光自动稳频装置通过模数转换器以固定的速率不间断地采集饱和吸收信号和鉴频信号,由DSP芯片对采集到的数字信号进行处理和分析。DSP 芯片利用通用输入输出端口控制调制信号的开关状态,通过数模转换器控制激光频率扫描以及输出数字反馈。利用所述的激光稳频技术不仅实现了外腔半导体激光器自动稳频,而且能够实时评估激光器的锁定情况,在激光器失锁后及时重新锁定,提高了激光器的长期运行能力。最后,将使用自动稳频技术的激光器应用于空间冷原子钟原理样机地面实验中,该稳频激光可以满足相关科学实验的需求。

提出了一种基于体布拉格光栅(VBG)和横向啁啾体布拉格光栅(TCVBG)组合的双光栅外腔半导体激光器, 该外腔半导体激光器采用反射率15%的体光栅和反射率17%的啁啾体布拉格光栅作为反馈元件和模式选择元件, 实现特定波长的选择和调谐, 实验研究了外腔激光器的功率-电流特性、光谱特性和波长调谐特性。实验结果表明: 双光栅外腔半导体激光器最大输出功率为1.96 W, 斜率效率为0.94 W/A, 外腔效率达到78%。输出光谱为双波长, 一个波长为808.6 nm, 另一个波长连续可调, 通过改变横向啁啾体光栅的位置, 该波长可从800 nm调谐至815 nm, 可调范围达15 nm, 在整个可调范围内两个波长的谱线宽度(FWHM)均小于0.3 nm。

针对移频激发拉曼光谱测试系统的小型化需求, 在Littrow结构中, 采用商用的785 nm大功率激光二极管作为增益器件, 构建了一款便携式光栅外腔可调谐半导体激光器。 该激光器通过采用一种新型的波长调谐方法, 即以改变半导体增益器件相对于准直透镜的水平位置来实现波长的连续调谐, 实现了尺寸为140 mm×65 mm×50 mm的小型化结构设计。 相比于传统的旋转衍射光栅改变光线在光栅上的入射角来实现波长调谐的方式, 该方法有效地缩减了增益器件的平移距离, 从而有利于便携式外腔激光器波长的快速宽带调谐。 实验结果表明, 该激光器具有较宽的波长调谐范围, 在340~900 mA注入电流下均可实现10 nm以上的波长调谐, 尤其在900 mA大注入电流下, 其波长调谐覆盖77940~79107 nm, 调谐范围可达1167 nm, 且激射线宽小于02 nm, 单波长输出功率最高可达280 mW, 放大的自发辐射抑制比大于25 dB, 呈现出较优异的输出性能, 满足移频激发拉曼光谱检测系统对光源的基本要求。 此外, 该激光器可采用一微型压电陶瓷驱动器来实现波长的电动调谐, 实验获得了135 nm的波长调谐范围, 证实了所制785 nm便携式光栅外腔可调谐半导体激光器适合作为便携式移频激发拉曼光谱检测系统的光源用于减除原始拉曼光谱中的荧光背景。