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光束扫描装置在军事和民用领域均具有广泛应用。随着现代光电系统向集成化、便携化、低功耗方向的发展,实现小体积、轻重量及低功耗已成为光束扫描装置的最终目标。非机械式光束扫描装置采用纯电控的光学相控阵来实现光束扫描,具有响应速度快、可靠性高等优势,因而迅速发展成为主流的光束扫描技术。然而,目前的非机械光束扫描装置中,激光源产生的相干光需经过光学系统、光纤或者波导均匀入射到空间光学相控阵上,三者在空间上分离,导致扫描装置封装复杂、难以微型化、激光源与相控阵耦合效率低等问题。因而光学相控阵与激光源的集成是解决这些问题的重要发展方向,这对激光源在结构和性能上提出了特殊要求。垂直腔面发射激光器（Vertical cavity surface emitting laser,VCSEL）具有平面结构和垂直出射特点,非常适合在其表平面集成光学相控阵。小孔径单管VCSEL虽可获得相干光输出,但其输出功率低,且由于出光面积过小,难以集成相控阵;而大功率单管VCSEL的出光孔径虽相对大一些,但其近场光强分布极不均匀,入射到光学相控阵各单元的光强不一致,不利于相控阵的工作。VCSEL的制备技术使其容易获得大规模近场均匀的二维阵列,但常规VCSEL阵列各单元发射的激光互不相干,因而在其表面集成相控阵无法实现光束操控。本论文提出一种微型化的激光光束扫描芯片:采用质子注入型同相耦合VCSEL阵列作为大面积近场均匀的相干激光源,利用其平面结构和垂直出射特点,在其表平面上采用常规工艺集成透射式光学相控阵。VCSEL耦合阵列提供功率和波长稳定的相干激光源,光学相控阵控制光束偏转,二者的各单元一一对应,无需光学系统、光纤或者波导,从而形成微型、耦合效率高、结构简单的集成式相控激光扫描芯片。本论文在国家自然科学基金的资助下,系统研究了大规模质子注入型同相耦合VCSEL阵列及其片上集成式相控激光扫描芯片的工作机制、结构设计和制备、及其测试表征。解决了质子注入型耦合VCSEL阵列规模小、同相模式功率低,光束质量差等问题,实现了大规模、近场均匀、光束质量高的同相耦合VCSEL阵列。突破了液晶光学相控阵和VCSEL阵列的集成技术、制备工艺等关键技术瓶颈,实现了微型相控激光扫描芯片。具体工作如下:1.大规模高光束质量的质子注入型同相耦合VCSEL阵列的耦合机理、结构设计和制备及均匀近场的实现VCSEL耦合阵列通常采用环形电极,而质子注入会在VCSEL外延片表面引入晶格损伤,导致横向电阻大,电流扩展更为困难,使得阵列规模被限制在3×3以下。采用网格电极虽可解决电流扩展问题,但以往的经验表明,这样的网格电极阵列单元倾向于反相耦合而影响光束质量和远场能量分布。通过深入研究质子注入网格电极VCSEL阵列的耦合机制、结构设计和制备技术,发现通过合理设计阵列结构和质子注入参数,即使采用网格电极,也可以使阵列工作在同相模式,获得大规模、近场均匀、光束质量高的同相耦合VCSEL阵列。研制出了大规模方形排布10×10网格电极同相耦合阵列,发散角小于1.89度,同相输出功率大于10m W;实现了六角排布127单元同相耦合VCSEL阵列,发散角为1.76度,同相功率为13m W,且同相模式能够从阈值维持到最大功率处。为研制基于同相耦合VCSEL阵列和液晶光学相控阵的微型集成式相控激光扫描芯片奠定了基础。2.同相耦合VCSEL阵列的光学耦合现象及非均匀近场对远场特性影响研究在理论上和实验上研究了质子注入型二维VCSEL阵列的光学耦现象,研究了光学耦合对阵列的输出功率、激射模式、单元阈值等特性的影响。采用等效折射率模型对耦合现象进行了分析。此外,采用有限时域差分法建立了二维同相耦合VCSEL阵列模型,模拟分析了近场不均匀性对阵列远场特性的影响。设计并制备了可寻址同相耦合VCSEL阵列,在实验上研究并讨论了不均匀近场对阵列远场特性的影响,并且提出了可寻址电极可用于解决同相耦合阵列的非均匀性近场问题,为制备高光束质量同相耦合VCSEL阵列提供了可供选择的方法。3.集成相控激光扫描芯片的光束偏转理论模型建立和分析建立了光束偏转理论模型,对光学相控阵的光束扫描理论进行了分析,从理论上研究了相控阵单元相位差、入射波长、单元尺寸、单元间距等参数对光束扫描角度的影响;根据液晶连续体弹性形变理论计算了液晶相控阵单元的相移-电压特性曲线,为集成相控激光扫描芯片的设计和制备提供理论指导和依据。4.集成相控激光扫描芯片的结构设计、集成技术、及测试表征将研制出的同相耦合VCSEL阵列作为大面积均匀的相干光源,利用其平面结构和垂直出射的特点,直接在其表面集成透射式液晶光学相控阵,实现了微型集成相控激光扫描芯片。研究了集成芯片的结构设计、集成技术以及测试表征技术,解决了相控阵布线、盒厚不均匀等关键工艺问题,分析并讨论了不同VCSEL阵列结构对集成芯片扫描角度的影响,实现了一维集成相控激光扫描芯片,扫描角度达到6.06度,光束扫描过程中保持良好的功率稳定性和波长稳定性。