1977年，日本东京工业大学的伊贺健一首次提出垂直腔面发射激光器（Vertical Cavity Surface Emission Lasers,VCSEL）的概念。因其光学谐振腔与半导体芯片衬底垂直，能够实现芯片表面的激光发射，且具有低成本、窄线宽、易高频调制、动态单模工作等优点被广泛应用，特别是在军事通信、原子陀螺仪、微型原子钟等领域，目前VCSEL已经成为国际研究的热点。
　　本论文主要研究基于亚波长光栅的垂直腔面发射激光器，实现激光器激射光束的会聚、偏转以及偏振稳定等特性。通过设计与仿真得到具有偏振稳定功能的894nm高温垂直腔面发射激光器以及具有光束会聚功能的850nm单模垂直腔面发射激光器。
　　论文主要研究内容如下：
　　1、设计并仿真了850nm具有光束会聚功能的非周期性亚波长光栅、894nm具有光束偏转功能的非周期性亚波长光栅以及894nm具有偏振稳定功能的周期性亚波长光栅。基于亚波长光栅的波前相位调控原理以及严格耦合波理论等，利用MATLAB数学工具进行光栅数据的计算并利用COMSOL有限元仿真软件对非周期性亚波长光栅进行设计仿真。实现了工作波长为850nm的光束入射到一维条形亚波长光栅，透射率为97%，焦距为15.1μm，消光比为19.6dB；工作波长在894nm的光束入射到亚波长光栅,通过数值计算得到光束的实际偏转角度为28.75°与理想的30°相比误差较小，透射率达到了95.42%；当波长为894nm的TM、TE偏振光分别入射到亚波长光栅，得到TM、TE偏振光的透射率为97.814%、1.017%；反射率为1.302%、98.628%，经过计算得出偏振消光比为18.7dB。
　　2、设计并仿真得到具有偏振稳定功能的894nm高温垂直腔面发射激光器。通过改善增益腔模失配量以及氧化孔径的尺寸形状，实现了器件在20-90℃工作环境下，器件的输出功率稳定在2mW左右；利用非周期性亚波长光栅实现了器件的激射光束按照偏振态分成左右两束，器件输出端口的消光比＞30dB。改善了器件因自热效应或工作环境中温度的升高导致的激射波长红移、阈值电流增加、模式不稳定等问题，同时，保证了器件具有稳定的偏振输出。
　　3、设计并仿真得到具有光束会聚功能的850nm单模垂直腔面发射激光器。通过在器件顶部刻蚀出直径为3μm厚度为λ/4的亚波长光栅，实现了器件抑制高阶模保证单一模式的输出；利用非周期性亚波长光栅实现光束的会聚功能，解决了器件因圆形小孔径导致的出射光束发散角比较大的问题，同时，改善了器件因氧化孔径或出光孔径过大导致横向模式竞争的问题，使得器件在实现单模工作的前提下满足低发散角的要求。