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中红外半导体激光器相比于其它体制中红外波段激光器具体积小、寿命长、转换效率高等优点,在气体探测、激光雷达、医疗及国防等领域有着重要的应用。但因器件材料体系及外延结构的影响,目前中红外半导体激光器普遍存在导热散热差、封装及温控要求高、侧向光束质量低的问题,这些限制了中红外半导体激光器的实际应用。针对上述问题,本论文将侧向微结构引入到中红外半导体激光器中,目的是实现中红外半导体激光器电、热、光特性的改善,具体的研究内容和成果如下:(1)采用有限元方法模拟研究了量子级联激光器热学、电学特性与波导结构的关联关系,提出阶梯型侧向波导微结构,有效改善了量子级联激光器侧向导热,使有源区中心温度对比传统结构有明显下降,同时提高了电流注入效率。(2)提出倾斜波导片上合束结构,采用软件模拟了倾斜波导各阶侧向模式的谐振状态和腔面反射率,从理论上证明该结构可有效抑制高阶侧向模式激射,可明显改善激光器侧向光束质量,同时揭示了器件阈值电流密度升高的原因。(3)将倾斜波导片上合束结构应用于GaAs基近红外和GaSb基中红外激光器,成功制备了夹角分别为10°和15°的合束器件,实验验证了倾斜波导片上合束结构对侧向光束质量和激光器亮度有明显改善作用。(4)提出GaSb基微条形宽区波导激光器结构,并采用有限元软件COMSOL Multiphysics对该结构的热学及电学特性进行模拟。结果表明,与GaSb基宽区波导激光器相比,此结构对电流注入效率和有源区散热能力均有显著改善。(5)成功制备了GaSb基微条形宽区波导激光器,室温下激射波长在1.96μm附近。与宽区波导激光器相比,器件的注入效率、散热性能及特征温度均大幅度提升,阈值电流密度降低了50%以上,电光转换效率提升到30.5%,同时微条形宽区波导激光器具有更好的侧向光束质量。在实验上验证了GaSb基微条形宽区波导激光器结构对器件性能的改善作用。