随着光电子技术的快速发展，半导体激光器在航空航天、材料加工、军事、医疗等领域具有广泛的应用。而窄线宽半导体激光器以其窄线宽、低噪声、高稳定性、高相干性和良好的动态单模特性，成为远距离空间光通信、高灵敏度光学传感以及能源探测等领域的核心光源器件。这些领域对激光光源的线宽、相位噪声和频率噪声都具有极为严苛的要求，因此本文针对窄线宽半导体激光器的线宽和相频噪声特性进行了实验研究。并提出了一种基于β算法计算窄线宽半导体激光器线宽的方法，获得了全频域下激光线宽的完整分布特性。
　　理论上，通过分析半导体激光器线宽的产生机理和分布特性，阐述了半导体激光器的自发辐射、腔长长度、光输出功率和光损耗均直接影响线宽的大小。并基于维纳-辛钦定理，介绍了半导体激光器相频噪声的功率谱密度。通过对比分析频率噪声中1/f噪声和白噪声的基本特性，深入理解了半导体激光器的载流子自发辐射、杂质和外部振荡都是相频噪声的影响因素。在线宽表征方面，介绍了传统的线宽测量技术的基本原理，通过对比分析，发现它们均存在单一线宽表现形式的弊端。为了能够观察到激光线宽和频率噪声的完整分布特性，本文提出了一种基于β算法计算窄线宽半导体激光器线宽的方法。该方法是结合频率噪声中的白噪声和1/f噪声分别诱导不同激光线型的理论，从而确定激光线宽。本文首先介绍了β算法的基本原理，分析了不同频率范围内的频率噪声和激光线宽的依赖关系，并推导出频率噪声分量中高斯线型的总和即为激光线宽计算公式；其次，对半导体激光器的频率噪声和激光线型进行数值仿真，结果显示：频率噪声中1/f噪声导致激光呈现高斯线型，线宽随截止频率的增加而增大；而白噪声将导致洛伦兹线型，线宽不再随截止频率而改变。因此，高斯线型区域对应的频率噪声面积的积分，即为待测半导体激光器的线宽。
　　实验上，通过对窄线宽半导体激光器进行电流调谐和温度控制，测量了其最佳激射光谱。并在相同工作条件下，采用延迟自零差测量系统测量了其频率噪声谱密度，运用β算法对频率噪声功率谱密度进行积分计算，成功获得了全傅里叶频率下的激光线宽值。同时为了对β算法进行实验验证，搭建了延迟光纤为50km、中心频率为140MHz的延迟自外差法测量系统。对注入电流为110mA的窄线宽半导体激光器的线宽进行实验测量，测得该激光线宽的半高全宽为1.8kHz与上述β算法中2.8kHz的频率带宽积分结果一致。充分证明了此算法的准确性。实验结果表明，β算法可以完整呈现全频下频率噪声和激光线宽的分布特性，对窄线宽半导体激光器的研究具有重要意义。