利用半导体增益介质中的非线性克尔效应，结合增益芯片上泵浦光斑形成的软光阑，在外腔面发射激光器中实现了重复频率为1.1 GHz、脉冲宽度为4.3 ps的连续自锁模。通过在谐振腔内插入不同厚度的双折射滤波片，实现了可连续调谐的激光波长输出。当双折射滤波片的厚度为2 mm时，获得的波长调谐范围为30 nm，最大输出功率为129 mW，激光器可在964～979 nm波段内维持连续锁模状态，获得的锁模调谐波长范围为15 nm。本文还分析了外腔面发射激光器中启动克尔锁模的机理和条件，同时就双折射滤波片对锁模激光波长的调谐范围进行了讨论。

在光泵浦外腔面发射激光器中,分别用Cr 4+∶YAG晶体和半导体可饱和吸收镜SESAM作为可饱和吸收介质,获得了稳定的调Q脉冲输出。使用Cr 4+∶YAG晶体时,调Q脉冲的宽度为10 μs,脉冲重复频率为26.3 kHz。在相同的脉冲重复频率下,用半导体可饱和吸收镜所获得的调Q脉冲宽度为8 μs。基于外腔面发射激光器中增益芯片的量子结构,以及Cr 4+∶YAG晶体和半导体可饱和吸收镜各自的时间特性,分析讨论了两种不同的可饱和吸收介质作用下,外腔面发射激光器中调Q脉冲的形成过程,初步清晰了外腔面发射激光器这一特殊种类的激光器中与调Q过程相关的物理图像。

为了使半导体激光器输出高功率、高光束质量的激光,垂直外腔面发射激光器(VECSEL)应运而生。本文通过对激光器谐振腔的稳定条件进行计算,并结合实验估算出VECSEL中增益芯片的热透镜在泵浦功率为31.3 W时的热焦距在45.7 mm到53.6 mm之间。实验过程中观测到增益芯片的荧光光谱随观测角度变化的现象,并提出一种通过观测增益芯片在不同角度下的荧光光谱来直接估算VECSEL的调谐范围的方法,用所提方法测得增益芯片调谐范围为995~1030 nm。

以InGaAs多量子阱为有源区材料,以对抽运光透明的AlGaAs/AlAs为后端分布布拉格反射镜材料,采用后端抽运方式,在腔内插入标准具作为滤波元件,通过腔内倍频,获得小型化可调谐的光抽运外腔面发射绿光激光器。作为滤波元件,标准具可压窄基频光的光谱半峰全宽。为了阻止倍频光返回到增益芯片,标准具镀有倍频光高反膜。激光器的基频光调谐范围超过10 nm,倍频绿光在中心波长559 nm处的调谐范围为4 nm,光谱半峰全宽为1.0 nm,最大输出功率为65 mW。

热效应是限制外腔面发射激光器（VECSEL）输出功率和光束质量的主要原因。为了优化VECSEL增益芯片有源区量子阱的设计，降低激光器的热效应，提高斜效率和输出功率，采用光致荧光谱方法，对设计波长980nm VECSEL自发辐射谱的热特性进行了实验研究。取得了不同热沉温度下边发射和面发射谱随温度的变化数据。结果表明，反映有源区量子阱自身特性的边发射谱峰值波长随温度升高的红移速率是0.5nm/K，而受到增益芯片多层结构调制的面发射谱峰值波长随温度升高的红移速率只有0.1nm/K；由于受到VECSEL增益芯片中微腔的限制，面发射谱分离为多个模式，分别与微腔的腔模对应。可见对量子阱的发射波长及微腔腔长做预偏置优化处理，可以显著改善激光器的输出性能。

垂直外腔面发射激光器(VECSEL)可以实现大功率的高光束质量输出。针对外腔制作工艺复杂、腔体结构松散的缺点, 研制了一种介质膜集成衬底表面外腔底面发射激光器。将衬底表面生长的多层介质绝缘薄膜与N-DBR、P-DBR共同构成复合腔结构, 衬底充当外腔。该结构能够抑制高阶模式, 进而优化输出光谱及远场发散角等光束特性。在已有的理论指导下, 制作了有源区直径为200 μm、外腔腔长250 μm的VECSEL。室温下, 向器件连续直流注入3.4 A, 测试得到输出功率为260 mW, 远场发散角的半角宽度为3.8°, 光谱半高全宽为0.046 nm。与常规结构底面发射VCSEL进行比较, 发现VECSEL器件的光束质量得到了明显改善, 实验结果与理论仿真结果有较好的一致性。

外腔面发射激光器的GaAs基质厚度大, 热导率低, 严重阻碍有源区热量的扩散, 影响激光器功率的提高。为了去除激光器的GaAs基质, 采用硫酸系酸性腐蚀, 通过改变腐蚀液浓度和腐蚀温度来比较腐蚀液对GaAs基质的腐蚀影响,并采用原子力显微镜照片表征了腐蚀表面的粗糙度。结果表明, 当腐蚀液的体积比V(H2SO4)∶V(H2O2)∶V(H2O)=1∶5∶10, 腐蚀温度为30℃时, 腐蚀速率适中, 为5.2μm/min, 腐蚀表面粗糙度2.7nm, 腐蚀总体效果较为理想。较好的GaAs基质腐蚀效果为外腔面发射激光器衬底去除腐蚀阻挡层的选择性腐蚀提供了基本的保障。

对具有InGaAs/GaAsP量子阱周期增益结构有源区的980 nm电泵浦垂直外腔面发射激光器(EP-VECSEL)的振荡特性进行了理论分析及实验研究.模拟并分析了耦合腔条件下EP-VECSEL的振荡特性与其分布布拉格反射镜(DBR)及外腔镜反射率之间的关系，并根据理论分析结果对器件结构进行了优化设计.在实验上制备出具有不同外腔镜反射率的EP-VECSEL器件，并对其连续波(CW)振荡特性进行了研究.实验结果表明，有源区直径为300 μm的EP-VECSEL器件在外腔镜反射率为90 %时阈值电流为1.2 A，注入电流为4 A时连续激光输出功率为270 mW; 在外腔镜反射率为95%时阈值电流为0.9 A，4 A下输出激光功率为150 mW.实验结果与理论分析结论符合较好，说明本文采用的理论分析方法能有效模拟及优化EP-VECSEL器件的振荡特性.

介绍了光抽运垂直外腔面发射激光器的材料增益特性，以InGaAs/AlGaAs应变量子阱系统为例，建立了将带边偏置、能带结构和材料增益系统结合起来的理论模型。用Model-Solid模型确定带边偏置比，然后采用导带抛物线近似及价带6×6 Luttinger哈密顿量精确计算了能带结构和材料增益。基于对材料增益特性的分析研究，优化设计了1 μm波段的量子阱有源区，分别对量子阱的阱宽、阱深和阱的构成形式进行了优化设计并得到了最优选择，为光抽运垂直外腔面发射激光器的优化设计提供了理论依据。