垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Lasers,VCSELs)自1978年问世以来,经历了快速的发展。它具有许多传统边发射激光器难以比肩的优点,例如:体积小、阈值电流低、转换效率高、纵模单一性好、具有圆形的输出光斑、对芯片可进行在片测试,并且容易集成为大面积阵列等。基于这些优点,VCSEL在最近几年里快速占领了半导体激光器市场,在光通信、传感、存储等领域发挥着重要作用。原子钟是一种先进的计时装置,其精度可以达到每2000万年误差1秒,广泛应用于全球导航系统上。原子钟传感器依赖于对碱原子(铷或铯)的光谱分析,这些碱原子存在于小型蒸汽腔室中。铯的相应光谱波长为894.6 nm(D1)和852.3nm(D2),铷为795.0 nm(D1)和780.2 nm(D2)。VCSEL具有低功耗和圆形输出光束的特点,使得其成为原子钟首选的光源。为了提高原子钟传感器的精确度及稳定性,VCSEL光源必须具备与碱原子特征谱线对应的单纵模,窄的光谱线宽,基横模,以及稳定的线性偏振等特点。然而,传统结构的VCSEL受自身结构和制造工艺的影响,很难完全具备上述特点,对原子钟的应用造成了不良影响。本论文以795 nm的VCSEL为例,针对上述问题进行了研究。本论文的内容归纳如下:论文在第一章简要介绍了的研究背景,包括VCSEL的发展历史、基础知识以及面向原子钟应用的VCSEL的国内外研究现状。第二章详细分析了VCSEL的光电特性、模式特性、热特性以及偏振特性等相关理论。在第三章中,利用PICS3D仿真软件确定了795 nm VCSEL的材料体系和结构参数。为了改善VCSEL的输出模式特性,压窄光谱线宽,本论文创新性地设计了用于795 nm VCSEL的同心圆环光栅结构,并通过软件仿真,得到了最优化参数。同时还设计并仿真了用于795 nm VCSEL的表面偏振控制条形光栅以实现稳定的线性偏振输出。第四章介绍了VCSEL的制备工艺,并对制得的器件利用相关检测设备进行了测试分析。结果表明,同心圆环光栅结构可以使VCSEL实现基横模输出,光谱线宽由0.5 nm降为0.2 nm。表面偏振控制条形光栅使激光器的正交偏振抑制比(OPSR)达到25.8 d B,实现了稳定的线性偏振输出。最后一章总结了本篇论文的研究内容和成果,并明确了未来的研究方向。