光泵浦垂直外腔面发射激光器（OP-VECSELs）,又称为光泵浦半导体碟片激光器（OP-SDLs）,兼具光泵浦固体激光器和半导体激光器的优点,如光束质量好、输出功率高、泵浦光选择多、外延材料无需掺杂等优点。其独特的外腔可以在腔内插入非线性晶体进行频率转换,结合成熟的半导体能带工程设计,VECSEL的输出波长可以覆盖紫外到近红外波段。同时,它可以在高功率输出时保持输出光束具有基模圆形对称光斑。VECSEL可以通过增益芯片结构设计,实现单芯片双波长激射。VECSEL输出激光拥有较小的发散角的特点使其适用于无线光功率传输,在几公里的传输距离下,激光光束直径仅有几十厘米,可以实现长距离的能量传输。单色和高功率密度激光光束的能量可以被接收端太阳能电池有效地吸收并转化为电能。VECSEL的谐振腔结构也将激光泄露的风险降到最低。一旦任何形式的阻挡物破坏激光谐振腔,激光振荡和输出立即停止。因此,采用谐振腔作为能量传输途径可以提高无线激光能量传输系统的安全性。VECSEL已经广泛应用于激光显示、基因测序、无线光功率传输、激光医疗等领域。本论文主要围绕光泵浦垂直外腔面发射激光器增益芯片结构、高功率输出、外部谐振腔对光束限制机理与控制方法这些关键科学问题,开展了高功率垂直外腔面发射半导体激光器的光束与波长调控的研究,研究内容和取得的创新性成果如下:（1）面向VECSEL倍频输出可见光波段应用,开展高效率倍频研究。通过建立VECSEL外部谐振腔内的光束分布理论模型,模拟谐振腔内光束的变化,设计腔内透镜调控传输光束的长直腔结构。通过在谐振腔内增加透镜调节腔内光束束腰位置,增大通过倍频晶体的基频光功率密度,实现高效率的频率转换。通过搭建外腔结构进行测试,实现980nm基频光倍频输出490nm高达45.57%的倍频效率,获得了490nm倍频光1.258W的输出。（2）针对单芯片实现双波长输出的VECSEL开展研究,采用两种不同In组分的量子阱构成有源区,通过微腔调控结合外部谐振腔参数调节,实现单个芯片发射两个可切换波长。两组量子阱分别放置在对应驻波波腹位置,实现光生载流子和光子之间的有效耦合,并且两个量子阱分别放在彼此的驻波节点处,减少损耗。设计的增益芯片可以实现波长间隔超过40nm的双波长输出,双波同时输出的功率为250m W。通过调节泵浦功率改变腔模与增益峰之间的匹配关系,可以实现输出波长的切换。（3）针对安全的无线光功率传输应用开展基于VECSEL外部谐振腔结构的无线激光传能系统研究,通过传输矩阵算法建立多透镜外部谐振腔的稳定性参数分析模型,根据稳定腔理论分析谐振腔内各参数的稳定工作范围,实现稳定的谐振腔结构设计。提出由平面透镜和凸透镜组成的回复反射器结构的透镜系统,并将其作为激光系统的输出端。建立谐振腔内光束分布模型,通过腔内透镜对光束进行调控,理论上证明超过10m的超长激光振荡腔。通过搭建腔内光束调控长直腔结构,实现了传输距离1.5m,输出功率最高达到2.58W的长直腔VECSEL输出;通过对长腔可偏离光轴输出的VECSEL的谐振腔稳定性参数和腔内光束分布调控进行研究,在2m传输距离实现了最高705m W的激光输出功率。在激光器输出端偏离光轴±10mm的情况下,也可以保持稳定激光振荡。