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在过去几十年中，激光技术得以迅猛发展，并在当今社会中扮演着至关重要的作用。如今，半导体激光器以其体积小、重量轻、可靠性高、耗电少、效率高、寿命长等优点，在军事、工业、通信、医学、科研等诸多领域获得了广泛的应用，是未来最具发展前景的激光光源。然而在激光测距、交通监控、安检、医疗器械、测绘遥感和激光雷达等一系列领域，仍对脉冲半导体激光器以更小的发光面积实现更高峰值功率的输出提出更高的要求。 本论文基于外延叠层多有源区结构，探讨了制约其峰值脉冲输出功率、远场垂直发散角、斜率效率等关键器件性能提升的原因。在此基础上研制了外延叠层双、三有源区半导体激光器，主要的优化设计和所获得的研究成果如下: 1.归纳总结了大功率半导体激光器设计的基本原理，论述了大功率半导体激光器的主要特性和相关的设计要点，为器件的研制提供了必要的理论依据。 2.针对905nm外延叠层多有源区半导体激光器，采用PICS3D和Matlab作为主要的设计工具，对应变量子阱激光器的激射波长、增益谱、近场光场模式分布、自由载流子吸收损耗、相邻发光区之间的距离、单发光区结构以及掺杂浓度分布等关键参数做出优化，详细阐述了在提高器件峰值脉冲输出功率、降低内损耗和远场垂直发散角等器件性能的优化方面所涉及的技术细节。 3.研制了FRL+GRIN-SCH ALOC结构的双有源区大功率脉冲半导体激光器。1mm腔长、100μm条宽的器件在150ns脉宽和6.67kHz重复频率的条件下，实现了37.4A脉冲电流驱动下85W的峰值脉冲功率输出。器件的斜率效率为2.31W/A，单个发光区实现了折合95.6％的内量子效率和1.48cm-1的内损耗，水平方向和垂直方向上的半峰高宽远场发散角分别为7.2°×26.4°。 4.研制了GRIN-SCH ALOC结构的三有源区大功率脉冲半导体激光器。1mm腔长、100μm条宽的器件在150ns脉宽和6.67kHz重复频率的条件下，实现了36.9A脉冲电流驱动下122W的峰值脉冲功率输出。器件的斜率效率为3.36W/A，单个发光区实现了折合94.2％的内量子效率和1.63cm-1的内损耗，水平方向和垂直方向上的半峰高宽远场发散角分别为7.8°×27.6°。所研制的外延叠层双、三有源区激光器，在同一个外延片内的垂直方向上实现了多个发光区的有效集成，获得了相比于传统单发光区结构激光器约2～3倍的器件峰值输出功率，与此同时降低了器件的远场垂直发散角，以更小的发光面积实现更高峰值功率、更高亮度的脉冲激光输出。