超短脉冲激光器具有短的脉冲持续时间、高重复频率、高峰值功率等特点,在科研、工业、通讯、医学等领域有着重要的应用,对人类社会的进步有着巨大的贡献。其相关研究一直备受关注,半导体脉冲激光器因为其具有体积小、寿命长、重量轻、转换效率高、波长丰富、价格便宜等一系列优点而成为超短脉冲源的研究热点。本论文主要围绕基于主振荡器-功率放大器(MOPA)结构的半导体脉冲激光系统的高功率和超短脉冲持续时间输出这一关键科学问题,开展了外腔锥形锁模半导体激光器的谐波锁模操作、半导体光放大器中放大的自发辐射的抑制和利用双通光栅压缩器实现飞秒光脉冲输出的研究,研究内容和取得的创新性成果如下:(1)设计并制备了一种波导侧壁具有锯齿结构的外腔锥形锁模激光器。该激光器可以实现谐波锁模操作。利用软件对不同的锯齿结构的反射率进行了模拟计算,并确定了最优的锯齿结构。实验上观察到稳定的三阶谐波锁模的皮秒脉冲序列。分析了系统的工作原理,在重复频率412 MHz时,脉冲宽度3.9 ps,单脉冲能量59 pJ。(2)针对放大器中放大的自发辐射问题,提出了在波导侧壁制备锯齿结构的方法来抑制放大的自发辐射。研究了锥形半导体光放大器中不同锯齿状微结构对放大的自发辐射压缩的影响。比较了它们的发射光谱,发现直角三角形(器件A)的锯齿状微结构表现出最好的压缩效果。该结构与传统的放大器相比,最大强度与背景辐射之比较传统光放大器提高了21.9%,同时功率提高了30.5%。器件A的平均功率达799 mW,脉冲宽度6.7 ps,对应峰值功率206 W。(3)基于脉冲压缩可实现飞秒脉冲持续时间的理论,使用双通透射式光栅压缩器对MOPA系统输出的皮秒光脉冲进行压缩,获得了495 fs的光脉冲输出,其峰值功率达1.5 kW。