为了改善用于铷原子钟的795 nm垂直腔面发射激光器（VCSEL）的偏振稳定性，研究了不同氧化孔径和椭圆度对VCSEL偏振性能的影响。利用COMSOL Multiphysics的波动光学频域模块模拟了不同氧化孔径对有源区谐振光强的影响。结果表明，当氧化孔径为3.5~4.0 μm时，有源区的谐振强度最高。采用可实时观察的湿法氧化系统，研究了氧化温度对氧化速率和氧化孔椭圆度的影响。随着注入电流的增加，三种不同椭圆氧化孔的VCSEL表现出不同的模式特性、偏振特性和偏振角旋转特性。测试结果表明，带有长轴径为3.7 µm、椭圆度为1.7的椭圆氧化孔的VCSEL性能最佳。在85 ℃下，当注入电流为1.5 mA时，输出功率为0.86 mW，激光波长为795.4 nm，边模抑制比（SMSR）为43 dB，线宽为65 MHz，正交偏振抑制比（OPSR）为23.8 dB。在0.6~2.7 mA的范围内，VCSEL的主偏振方向保持不变。

以超冷铒原子系统冷却光的基频光作为探测光，主动补偿激发铒原子赫兹线宽能级跃迁的激光在光纤传输中引入的附加相位噪声。在不影响原有被传输亚赫兹线宽激光（1299 nm）的情况下，将相近波长的宽线宽基频光（1166 nm）从光纤输出端反向注入，实施外差拍频探测并主动反馈补偿。当两个波长激光的光纤传输噪声基本一致时，可极大地抑制亚赫兹线宽激光在光纤传输中由于温度和振动等因素引起的各种相位噪声。主动补偿后传输激光的线宽从锁定前的14.6 Hz压窄到锁定后的11.6 mHz，光频传输的1000 s稳定度从1.6×10^-16提升到6.5×10^-19，满足当前最高精度和稳定度光钟的光频传输需求。所发展的光频传送方案可作为被传输激光器功率不足或空间受限时的替代方案，也可用在单点对多点近距离传输网络中简化源端发送装置。

为了实现远程气体探测，基于由超晶格材料构成的光参量振荡器，研制了一台双波长输出的中红外激光器。该光参量振荡器通过种子注入的方式，实现了纳秒级窄线宽的中红外脉冲激光输出，重复频率为500 Hz，单脉冲能量超过1 mJ，并能够对准2.6~4.0 μm波长范围内的NO、NO₂和SO₂的吸收峰。通过气体动态排放实验，在远程气体探测实验中对该激光器进行了验证。

激光线宽作为表征激光相干性的重要参数，自激光技术诞生以来就备受人们关注。窄线宽激光器由于光谱纯度高、相干长度长、相位噪声低等优点，被广泛应用于引力波探测、冷原子物理、相干光通信、光学精密测量，以及微波光子信号处理等领域。随着现代信息技术的发展，窄线宽激光器作为这些应用的核心光源，在固有的线宽、噪声等参数得到进一步优化的同时也被期望拥有一些新的性能，如参数的极致调控、时频超稳、波长调谐，以及波长扫描等。激光本征线宽源于自发辐射噪声，激光器线宽压缩的发展历程是研究人员与自发辐射噪声对抗的历程。纵观窄线宽激光的发展历史，激光腔构型从简单的两个反射镜构成的单主腔、多布拉格反射面（DBR）构成的单主腔、分布反馈（DFB）结构构成的单主腔，到激光单主腔加固定单外腔，再到波长自适应分布弱反馈激光构型，其核心思想都是利用反馈信号对自发辐射噪声进行抑制。本文以激光主腔构型的演化发展为叙述脉络，总结窄线宽激光技术的研究进展，对比激光谐振腔构型在激光线宽压缩、噪声抑制思想上的异同，最后重点介绍新近发展的波长自适应分布弱反馈窄线宽激光器，对该类新型激光器的物理思想、核心器件和系统性能进行分析和讨论。

光栅外腔半导体激光器在冷原子精密操控等领域具有重要的应用价值。根据87Rb冷原子干涉仪干涉过程的应用需求, 利用光学锁相环技术, 重点开展了自制体布拉格光栅100 kHz外腔种子源的调谐和拍频锁频特性实验研究。进行了电流和温度调谐实验, 种子源输出激光频率的电流调谐系数和温度调谐系数分别为400 MHz/mA和16 GHz/℃; 实现了自制种子源激光频率的拍频锁定, 锁定后种子源的激光频率变化小于500 kHz(峰峰值, 10 s), 12 h功率稳定性优于0.1%(rms), 可满足87Rb冷原子干涉仪各物理过程, 特别是干涉过程的应用需求。

报道了基于保偏光纤结构的窄线宽窄脉宽高重复频率光纤激光器。采用主振荡器功率放大器（MOPA），主放大级采用芯径为40 μm的光子晶体光纤（PCF），获得了重复频率为10 kHz、脉宽为1.34 ns、光谱宽度为0.05 nm、脉冲能量为298 μJ的稳定激光输出。通过腔外倍频的方式，使用长度为40 mm的温度匹配型三硼酸锂（LBO）晶体，获得了能量为155.5 μJ 的532 nm激光输出，倍频效率为52%，横向和纵向光束质量分别为Mx2=1.28和My2=1.26。该激光器可应用于基于单光子探测技术的空间激光探测雷达。

对半导体激光器外腔自反馈注入锁定进行了理论分析，研究了片上微腔的自反馈注入锁定对于分布反馈(DFB)激光器输出线宽的影响，分析了决定锁定带宽及线宽压缩系数的关键参数。基于Q值为2.4×106的片上Si3N4微腔的后向瑞利散射实现了DFB激光器的自反馈注入锁定，将其输出线宽由自由运转时的556.71kHz压窄到了92.28kHz，锁定带宽达到425MHz。研究结果有助于理解半导体激光器自反馈注入锁定机理，并为实现窄线宽激光器提供了新的结构更简单、集成化潜力更高的方案。