混沌激光在高速保密通信、高速物理随机密钥产生以及高精度雷达测距等方面具有重要应用价值。外腔反馈半导体激光器因结构简单、动态特性复杂而成为上述应用的首选光源。然而,外腔反馈半导体激光器产生的混沌信号具有两个固有缺陷：第一,激光器弛豫振荡占据了混沌激光的主要能量,导致混沌频谱不平坦。不仅限制了混沌的有效带宽,还限制了低频成分能量(为实际应用中后续电路采集和处理带来困难)。第二,外腔谐振导致混沌信号具有反馈时延特征、暗含周期性。这种特质将增大系统被破译的风险、降低混沌光保密通信的安全性,还会恶化混沌激光产生随机码的随机性和可靠性。此外,半导体激光器产生混沌激光的功率较低,并不适合于自由空间的雷达探测。针对上述问题,本论文探索产生频谱平坦的宽带混沌信号的方法,并将混沌激光雷达拓展至光纤故障检测领域,研究和发展混沌光时域反射测量技术。主要工作及结果如下：1)利用光注入外腔半导体激光器实现了混沌带宽增强,实验上产生带宽约17GHz的混沌激光,并结合理论研究揭示了其物理机理：带宽增强源于非锁定式光注入引起的高频宽带振荡。2)提出一种光纤环形振荡器作为混沌激光带宽“放大器”,能同时增强低频和高频振荡成分,产生宽带平坦的混沌频谱。实验上产生了带宽超过26.5GHz、频谱平坦度±1.5dB的混沌信号；同时实验和理论研究了其物理机制和规律,发现该方法可灵活调控带宽并保持频谱平坦度。3)实验和理论研究发现,混沌外腔半导体激光器的延迟自干涉可以产生宽带混沌信号、抑制外腔反馈时延特征。此外,延迟自干涉主要能够增强混沌信号低频成分的能量,消除弛豫振荡的主导地位。4)在延迟自干涉的研究基础上,提出外腔半导体激光器的光学外差法,用以产生具有白噪声频谱的混沌信号,称为白混沌。实验和理论研究一致表明,光学外差法可以消除反馈时延特征并产生类似白噪声谱的混沌频谱。实验获得了带宽11GHz的白混沌,其频谱波动仅为1dB。5)实验研究了混沌外腔半导体激光器在时域反射测量中的应用,包括：采用固定波长的混沌激光实现单链路故障的时域反射测量,利用滤波光反馈FP激光器产生波长调谐的混沌激光实现网络故障的反射测量,获得了与距离无关的厘米量级空间分辨率；采用本文提出的光纤环振荡器改进混沌光源,研制了混沌光时域反射仪样机。6)利用外腔半导体激光器混沌激光研制了4.5Gbit/s随机码发生器样机,同时分析了混沌激光延迟干涉信号对随机码的改善作用,发现它可以将多位ADC量化方式产生的随机码速率提高5/3倍。