提高半导体激光器的输出功率及电光转换效率一直是国内外的研究热点。本文针对应用在低温环境下的半导体激光器，优化其外延结构中波导层的材料组分，有效降低了器件的串联电阻，使其在低温环境中有更好的性能表现。制备了腔长为2.5 mm的940 nm半导体激光阵列(巴条)，并在－65～5 ℃的温度范围内对其进行性能表征。对比波导层优化前后两种结构的低温特性，结果显示，优化后的外延结构在低温下的性能大幅提升。由于低电阻特性，优化后的外延结构在－65 ℃、占空比为8%(200 μs，400 Hz)的准连续条件下的最大电光转换效率高达82.3%，远高于结构优化前的78.5%，而且其在1000 W输出功率下的电光转换效率为71.3%。

分析了热沉和陶瓷基板对背冷式封装结构半导体激光器阵列性能的影响。通过栅格化厚铜填充技术降低了复合金刚石热沉的等效电阻, 并实现了热膨胀系数匹配; 采用热沉和陶瓷基板嵌入焊接技术, 提高了封装散热能力和稳定性。制作了间距为0.4mm的5Bar条芯片阵列样品, 在70℃热沉温度、200A工作电流(占空比为1%)条件下进行性能测试, 结果显示器件输出功率为1065W、电光转换效率为59.2%。在高温大电流条件下进行了1824h寿命试验, 器件表现出良好的可靠性。

为了解决阵列中每个发光点性能分布不均的问题，研究了微通道水冷封装的960 nm半导体激光器阵列，阵列包含38个发光点，腔长为2 mm，在驱动电流为600 A、占空比为10%的条件下，输出的峰值功率达到665.6 W，电光转换效率为63.8%，中心波长为959.5 nm.通过对应力的理论分析，给出了各个发光点应变的表达式；通过搭建单点测试系统获得阵列中每个发光点的阈值电流、斜率效率、光谱和功率等光电特性；结合应变理论分析可知，器件中发光点的性能与应变大小和类型密切相关，压应变会导致器件波长蓝移、阈值电流降低、功率和斜率效率升高，张应变会导致波长红移、阈值电流升高、功率和斜率效率降低.研究表明，影响器件内部发光点的性能不仅与热效应有关，而且与封装后残余的应变密切相关，通过应力的分布可以预测阵列性能的变化规律，可为高峰值功率、高可靠性的半导体激光阵列的研制提供参考.

高峰值功率半导体激光阵列在高温工作条件中的应用需求日益凸显，本文以微通道封装的高峰值功率960 nm半导体激光阵列为研究对象，通过精密控温系统测试了其在10~80 ℃范围内峰值功率、电光转换效率、工作电压和光谱等一系列光电特性，结合理论分析，给出不同温度下电光转化效率的能量损耗分布。结果表明，工作温度从10 ℃升高到80 ℃后，电光转化效率从63.95%下降到47.68%，其中载流子泄漏损耗占比从1.93%上升到14.85%，是导致电光转换效率下降的主要因素。该研究对高峰值功率半导体激光器阵列在高温应用和激光芯片设计方面具有重要的指导意义。

随着半导体激光器输出功率的进一步提高, 热管理已经成为制约其性能和可靠性的关键瓶颈之一。利用有限元方法对千瓦级高功率传导冷却型(G-Stack)半导体激光器阵列的热特性进行数值模拟与分析。结果表明工作脉宽大于250 μs时器件各发光单元之间会发生严重的热串扰现象。在横向及垂直方向的热量分别为64.7％与35.3％, 横向方向热阻的74.9％及垂直方向热阻的66.5％来自CuW, 表明CuW对于激光器的散热性能有着决定性的影响。实验测试了器件在不同占空比条件下的光谱特性, 得到工作频率分别为20、30、40 Hz相对50 Hz的温差分别为2.33、1.56、0.78 ℃, 根据累积平均温度法计算得到的温差分别为2.13, 1.47, 0.75 ℃, 理论模拟结果相对于实验结果的平均误差小于6.85%, 结果表明理论模拟结果和实验瞬态热阻基本吻合。

设计了一种大功率、小体积、可有效降低散斑的投影用二维激光光源模块。该激光光源模块由二维激光二极管（LD）阵列和微透镜阵列两部分组成，不需要其他光学器件，可直接获得均匀的矩形照明光斑。使用Zemax软件建立了具体的模型，分别分析了LD的发散角、个数、间距以及光束经透镜后发散角等参数对光能利用率、光束形状、光斑大小、光束照明位置以及光束均匀性的影响。根据理论分析设计了一种用于液晶显示器(LCD)投影系统的二维激光光源模块。

针对目前采用非球面快慢轴准直镜准直的大功率半导体激光阵列的远场光束特性在理论上缺乏准确的描述，而常用的单一能量利用率光束发散角不能够准确地描述半导体激光器准直光束的特性，难以有效指导其后整形、聚焦等光学系统设计的问题，文章利用CCD成像结合图像处理手段对半导体激光阵列光束经过非球面快慢轴准直镜后的远场光束进行实验研究。实验结果表明，随着能量利用率选择不同快、慢轴远场发散角变化趋势有较大区别，在较高能量利用率条件下，快轴方向能量利用率的微小增加可导致光束质量的迅速劣化，对光学系统要求苛刻；而慢轴方向能量分布较为均匀，光学系统冗余量较大。

针对现有高光束质量大功率半导体激光阵列内部发光单元条宽、填充因子不断减小，腔长不断增加的发展趋势所带来的热源分布及长度变化影响器件热阻的问题，利用分离热源边界条件结合商用计算流体力学(CFD)软件FLUENT进行数值计算，获得微通道热沉热阻随阵列器件发光单元条宽、空间位置变化关系以及不同阵列腔长对应的微通道优化长度。根据优化参数制备获得无氧铜微通道热沉,并对宽1 cm，腔长1 mm，条宽100 μm，填充因子为25%的半导体激光阵列进行散热能力测试，冷却器外形尺寸27 mm×11 mm×1.5 mm。微通道热沉热阻0.34 K/W，能够满足半导体激光阵列器件高功率集成输出的散热需求。

自由运行的半导体激光器列阵输出激光谱线较宽、中心波长易漂移。为此,本文采用体全息光栅(VBG)构成外腔半导体激光器阵列(ECLD)系统,利用体光栅能够稳定波长、压窄线宽的特点,从而克服上述缺点。实验表明:采用了VBG外腔反馈后,在最好的情况下,LDA的输出光谱宽度从自由运行时的2.3 nm压窄到了0.96 nm;在测试的环境温度变化范围内(14～31℃),LDA的峰值波长稳定在体光栅布拉格波长808 nm处,输出光的线宽维持在1.14 nm之下;并且,在测试的偏置电流变化范围内(7～13 A)峰值波长和谱宽无明显变化。

对体布拉格光栅(VBG)作为波长选择元件的外腔半导体激光器的波长锁定进行了实验研究,报道了连续运转输出功率达43.5 W的半导体激光器阵列的体布拉格光栅波长锁定实验结果, 给出了不同热沉温度下的稳定的波长锁定结果, 说明采用体布拉格光栅外腔将减小半导体激光器的温控压力。实验中发现, 随着注入电流的增大, 输出激光功率逐渐增强, 锁定的激射波长向长波长方向偏移。在输出功率为34.5 W时, 波长红移约0.56 nm。这一移动与实验测量的体布拉格光栅的温度特性相吻合。连续和高占空比运行、高输出功率情况下, 在器件的设计和使用时应该考虑这一效应。