垂直腔面发射激光器(VCSEL)作为一种重要的半导体激光器,相较于传统的边发射激光器,VCSEL的有源区体积小,出光方向垂直于衬底。其独特的激光器结构使得VCSEL不仅具有阈值电流小、单纵模出射、小发散角、圆形光斑、高调制速率等优点,而且易于实现二维集成,这使得VCSEL成为3D成像、光通讯网络等应用的核心激光光源。随着探测显示技术的不断发展,特别是相干探测、光学相控阵等高新技术领域,具有高光束质量的VCSEL阵列激光光源越来越受到人们的关注和研究。本文围绕高光束质量850nm VCSEL阵列设计与制备工作,开展了VCSEL阵列制备工艺开发与优化研究,并针对不同结构设计的阵列光束质量进行了测试与分析。此外,本文还对内腔光栅可调谐VCSEL进行了设计和仿真,为实现大范围波长偏振调谐VCSEL激光器提供理论基础。本论文的主要研究内容和成果如下:1.研究了不同阵列结构参数和工艺条件对VCSEL阵列工作性能的影响,并根据实验结果优化设计了高功率VCSEL阵列结构,并改善阵列热特性,提高平均输出功率。通过实验优化了高光束质量VCSEL阵列的氧化、光刻等关键制备工艺,进一步提高了阵列光束质量和成品率。2.制备了高功率VCSEL阵列器件并对其进行了测试分析。其中,10×10 VCSEL阵列在连续电流下实现最大输出功率为507m W,在40Hz占空比为0.4%的脉冲电流下最大输出功率为1320m W。阵列光束正交偏振抑制比(OPSR)达到了10。实验结果表明所制备得到的VCSEL阵列具有了较好的模式特性和单偏振性。同时,VCSEL阵列单元间的温度差小于2℃,实现了较好的阵列温度分布均匀性和单元一致性。3.设计并搭建了VCSEL阵列光束准直与实验平台。测试分析了VCSEL阵列的光束质量。实验结果显示,准直阵列光束的2因子为4.2,发散角为2.39°,准直设计进一步提升了光束质量。在此基础上,开展了VCSEL阵列光束的相干性研究和分析,重点分析了器件注入电流,准直光路和光束传播距离对光束相干性的影响。4.开展了内腔光栅可调谐VCSEL结构设计和仿真。在传统静电式可调谐VCSEL结构基础上,采用了Half-VCSEL顶部的亚波长光栅结构设计,并利用严格耦合波分析法(RCWA)模拟和优化了内腔光栅厚度,周期和占空比等参数,据此对器件的阈值增益,调谐范围和偏振特性进行了仿真。亚波长光栅结构增加了TE/TM不同偏振模式入射光的反射系数和限制因子差,大大提高了TE/TM偏振模式各向异性增益差,从而实现了大范围偏振稳定波长调谐。