量子级联激光器(Quantum Cascade Laser，QCL)由于独特的子带间跃迁机制可实现波长的“人工剪裁”，经过二十年的迅猛发展，逐渐成为中红外和THz波段的重要激光光源。在自由空间通信、污染监控等实际应用领域，往往要求器件具备高功率、单纵模、小发散角、面发射等性能。本文以研制可实用器件为出发点，研究了InP基InGaAs/InAlAs材料体系的中红外二级分布反馈垂直面发射量子级联激光器，实现了器件室温、高功率、单模激射;在GaAs基GaAs/AlGaAs材料体系的太赫兹量子级联激光器研究方面，实现了频率～3 THz的高性能器件的激射，并在此基础上应用一级分布反馈光栅、光子晶体等耦合机制以及阵列等方式实现单纵模、高功率、良好光束质量输出。主要研究成果归纳如下:　　1、将金属光栅引入中红外QCL，应用表面等离子体增强二级分布反馈耦合机制研制了激射波长8.5μm附近的垂直面发射QCL。通过优化光栅结构，在保持较高耦合系数的的同时尽量减小腔面损耗，提高垂直面发射效率;在工艺流程中减小器件制作难度，更易实现。器件在室温及以上温度表现出了良好的单模性能:从25℃到60℃，器件的中心波数从1177.6 cm-1(相应波长为8.49μm)变化到1174.2 cm1(相应波长为8.52μm)，线性温度调谐系数为-0.096 cm-1/K。在远场上，沿腔长方向呈双瓣分布，瓣叶中心间距为0.35°，强度较大瓣叶的半高宽为0.29°;沿脊宽方向，远场呈经典高斯分布，半高宽约6.9°。最重要的是，160 K时器件最高输出功率达3.85 W，300 K时仍有1.06 W，这是国际上目前可见报道的最大值。　　2、基于束缚态-连续态的有源区结构和半绝缘-表面等离子体波导结构，成功实现了频率～3 THz的THz QCL激射。器件的激射峰由10K时的101.93μm缓慢红移到65 K时的102.18μm，温度调谐系数为4.5 nm/K。引入winston cone改进功率测试设备后，发现之前所测得的功率被大大低估。脉冲工作模式下，器件最高工作温度达90K;10K时最高峰值功率达112.5 mW，相应阈值电流密度为243.3 A/cm2，内量子效率每周期0.3。连续工作模式下，器件最高工作温度60 K;10 K时的最高输出功率达62 mW，内量子效率每周期0.188。　　3、引入复耦合金属光栅进行单纵模可实用THz QCL的研制。一维分布反馈(DFB)器件利用光栅脊上金属增强耦合，实现了单纵模输出:中心波长97.07μm，线宽0.65μm，边模抑制比(SMSR)达到20 dB。器件在10K时测得的最大峰值功率为10 mW（由于测试方法不完善，该值实际应为10倍左右），最高工作温度88 K，特征温度23.2 K。二维光子晶体分布反馈(PCDFB)器件采用anti-crossing耦合机制，在50 K实现了单模激射:中心波数106.50 cm-1，线宽0.71 cm-1。　　4、提出将单片集成技术应用于THz QCL，并制作了太赫兹量子级联阵列激光器以提高输出功率、优化光束质量。为了初步验证阵列的想法，首先将已有的脊宽180μm，腔长1.5 mm的F-P腔器件进行简单并联测试，发现10K时双脊并联阵列最大功率达218mW，比单脊器件的137 mW明显增大许多;最高工作温度87 K，仅比单脊器件低了2K;器件整体性能较单脊器件有所提高。三脊并联阵列的热模拟结果及最高工作温度显示，只要适当选择阵列间距，单片集成技术的应用对热耗散几乎没有影响。在并联测试的基础上，综合考虑脊宽与阵列间距对激光器性能的影响，设计制作了腔长2 mm，单脊宽125μm，阵列间距35μm单脊、双脊、三脊阵列激光器。10K时三种器件的最大功率分别为55.5 mW、142.4 mW和160 mW，相应的阈值电流密度分别为279 A/cm2、275 A/cm2和235 A/cm2;远场呈现出非完全相干光的高斯分布叠加的单瓣、双瓣、三瓣分布。最后为了实现高相干度输出，我们提出了除注入接触层外的联体并联结构来增强不同发光区域之间的相互作用，有望实现相干阵列。