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量子级联激光器(Quantum Cascade Laser，QCL)是一种基于半导体耦合量子阱子带间电子跃迁的新型半导体激光器，具有输出功率高、波长可“裁剪”等特点，是中远红外及太赫兹波段最具有应用潜力的半导体激光光源。不同的应用领域对QCL的性能提出了不同的需求，如在气体传感、环境监测等领域要求QCL单模工作并具有较低的功耗，以减少发热量、提高波长稳定性和利于系统集成;在红外对抗、自由空间光通信、遥感等领域要求QCL具有较高的输出功率和良好的光束质量，以保证激光的远距离传输。 基于本组前期对QCL的研究工作，本文针对实际应用的不同需求，分别制作了低功耗面发射DFB-QCL以及高功率面发射DFB-QCL阵列，并利用中红外DFB-QCL进行了自由空间光通信以及气体检测等研究，取得的主要成果列举如下: 一，提出了基于激发态注入的有源区结构设计并制作了基于该结构的DFB-QCL器件。在有源区我们引入应变补偿机制，将设计波长调整为5.2μm左右，并通过工艺流程制作了具有低阈值电压、高电光转化效率的QCL器件。该器件采用掩埋一级分布反馈光栅，激射波长为5.25μm，其室温连续输出功率高达250mW，单腔面最高光电转化效率为5.6％。 二，制作了波长为4.7μm的低功耗面发射DFB-QCL器件并设计了小型化的封装。利用有限元仿真软件COMSOL对分布反馈光栅结构参数进行仿真设计，以获得最佳的光栅耦合强度，提高面辐射效率;同时采用缩短腔长以及双腔面镀膜等技术，降低QCL的阈值电流，最终获得了室温下低至0.43W的阈值功耗。此外，我们还为该器件设计了体积较小的TO-39金属管壳封装，封装后的器件可以在室温下无制冷连续工作，并具有良好的光束质量。 三，采用耦合脊波导结构，分别制作了波长7μm和5μm的面发射DFB-QCL相干阵列器件。对于波长为7μm，腔长为2mm的15单元器件，其室温峰值功率超过2W，是目前面发射QCL器件中功率最高的。该器件具有基超模远场分布，远场发散角为2.9°×0.36°;通过制作掩埋二级DFB光栅，实现了稳定的单模输出。采用中心波长为7.6μm的耦合脊波导相干阵列器件进行了外腔调谐，利用其基超模远场分布的优势，获得了30.6cm-1的调谐范围。 四，基于QCL进行了一系列应用研究，包括自由空间光通信以及高精度气体检测方面的研究。在自由空间光通信系统中，采用4.7μm的DFB-QCL进行了实时视频信号的传输实验，验证了基于DFB-QCL的自由空间光通信。气体检测系统则分别对CO气体和CO2同位素比例进行了高精度的检测，其中CO气体检测使用了波长为4.76μm的DFB-QCL并采用波长调制技术，系统的分辨率高达4ppbv。CO2同位素比例的检测则使用直接吸收法，其光源采用波长为4.35μm的DFB器件，根据艾伦方差分析，当积分时间为95s时，该系统的检测误差小于1.37％。