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千兆赫兹(GHz)超短脉冲的脉冲宽度在皮秒(ps)至飞秒(fs)之间的量级,具有较高的脉冲重复频率,宽的频谱和较高的峰值功率。它们用于激光光谱,生物医学应用,光通信和大容量通信系统,在其他许多领域也有广泛的用途。自半导体可饱和吸收体发明以来,其所具有的紧凑性,廉价等优点,使得利用它实现的飞秒和皮秒锁模激光器,在不同的领域得到了飞速的发展和广泛的应用。垂直外腔面发射激光器结合了半导体激光器和固体激光器两者优点的新型激光器,抽运吸收效率高、输出功率大和光束质量好,能取得高质量的近衍射极限基横模,以及其半导体增益介质许可采用能带工程灵活设计从可见光到近红外较宽波段的发射波长。灵活的外腔结构允许在腔内插入其它光学元件进行非线性频率转换,在谐振腔内放置可饱和吸收体能够进行被动锁模,实现超短脉冲激光的输出。论文首先对半导体激光器以及垂直外腔面发射激光器的发展及研究意义进行简要描述,概括了垂直外腔面发射激光器相比于半导体激光器和固体激光器的优点,以及采用可饱和吸收体实现被动锁模外腔面发射激光器的研究现状及应用。论文首先从半导体材料的能带结构出发,介绍了半导体激光器的发光原理以及垂直外腔面发射激光器的基本结构,详细分析了VECSEL增益芯片的布拉格反射镜的结构和反射率,以及量子阱的面发射特性。对被动锁模垂直外腔面发射激光器的增益芯片的外延生长、设计结构以及其散热热沉键合方式进行了详细的探究,对比了利用透明Si C热沉液体毛细键合和金属化的金刚石焊接键合的两种键合方式,最终选择金属化的金刚石焊接键合的方式,获得较高的输出功率。增益芯片的后期处理腐蚀过程中,采用碱性腐蚀方法和酸刻的步骤结合成功去除Ga As基质,减小了增益芯片工作时的热阻。搭建被动调Q垂直外腔面发射激光器的直线腔型结构,对采用Cr:YAG晶体被动调Q外腔面发射激光器展开了实验研究,获得了激光器的部分输出特性。实验首先获得了未使用Cr:YAG的直线腔型结构,在室温为25℃,热沉温度为17℃时,泵浦功率为12W,激光器的最大平均输出功率为10.4m W。当泵浦大于12W时,出现调Q现象,获得了脉冲宽度为1ms,重复频率约为263Hz的调Q脉冲现象。搭建被动锁模垂直外腔面发射激光器的V腔结构,对被动锁模外腔面发射激光器展开了实验研究,获得了部分增益芯片特性。实验首先获得了未使用SESAM的V腔结构,热沉温度为17℃,泵浦吸收功率约为10W时,谐振腔约为等臂长时得到连续光的最高输出功率,功率高达0.7W,激光波长为983nm。在采用SESAM锁模,热沉温度为17℃,泵浦吸收功率为12W,直腔腔长为175mm,折叠腔腔长为29mm,获得波长平均功率为20m W的调Q激光输出。论文对VECSEL的功能进行了拓展,实现了双波长VECSEL以及小型化可调谐VECSEL绿光激光器,获得了波长间隔为147nm的双波长输出,调谐范围为4nm的绿光输出。