量子级联激光器是一种基于子带间电子跃迁发光的新型半导体激光器，通过改变有源区超晶格材料的层厚和组分，其发光波长能够覆盖中、远红外乃至太赫兹波段（3μm～300μm），是目前中、远红外波段最为理想的半导体激光光源，在环境监测、工业过程控制、医疗诊断、自由空间通信以及国防等领域都具有巨大应用潜力。　　经过20多年的发展，今天，量子级联激光器正处于由实验室走向商业化并影响人类生活的重要阶段。实际应用系统的开发过程中，对量子级联激光器产品提出了更多的要求。本论文针对不同具体应用对单模量子级联激光器提出的不同要求，包括:单模稳定性、注入电功耗、输出光功率、光束发散角以及单模宽调谐，进行了深入研究。主要研究成果归纳如下:　　（一）提出分布反馈(DFB)量子级联激光器中的准增益耦合机制，并制备出准增益耦合稳定单模DFB量子级联激光器，工作波长4.25μm，室温连续波工作的阈值电流仅126mA，对应的阈值电流密度和阈值功耗分别为0.7kA/cm2和1.45W。　　（二）通过集成分布布拉格反射器(DBR)，优化了等效λ/4相移DFB量子级联激光器的单模特性和功率特性。所制备的波长4.77μm集成DBR等效λ/4相移DFB量子级联激光器在脉冲条件下表现出良好的单模工作特性，边模抑制比和单模输出功率都得到提升。　　（三）研制了波长4.25μm、4.51μm、4.65μm、4.88μm、5.26μm、7.20μm的一系列低功耗DFB量子级联激光器，开启了非掩埋异质结低功耗量子级联激光器的先河。其中，4.88μm DFB量子级联激光器在室温连续波工作的阈值、斜率效率和电光转化效率等方面都表现出世界领先水平。腔长2mm器件实现了超低阈值电流密度(0.5kA/cm2)的室温连续工作;腔长1mm器件实现了阈值功耗低至0.72W的室温连续波工作，同时表现世界顶级的斜率效率(1.8W/A)和电光转化效率(5.5％)，最高工作温度超过100℃，15℃时，输出功率超过110mW;进一步减小器件腔长至0.5mm，其阈值功耗降低至0.47W，整个工作范围内，注入功耗不超过0.75W。此外，波长7.20μm腔长0.5mm的DFB量子级联激光器的室温连续波阈值功耗和最大注入功耗也分别低至0.63W和1W。　　（四）提出一种小角度锥形结构和一种调制占空比采样光栅结构，分别应用于DFB量子级联激光器的制备中，显著提升了DFB量子级联激光器的室温连续波输出功率，小角度锥形结构还有助于光束质量的改善。还提出了一种光子晶体耦合相位锁定机制，并制备了面发射相位锁定量子级联激光器阵列，两个维度上的光束发散角都小于4°。　　（五）研制了精密电动控制外腔量子级联激光器系统，实现了对输出波长的高精度控制，波长控制精度可达0.5nm;创造性的将扫描振镜应用到外腔激光器当中，得到了能够实现波长快速扫描的外腔量子级联激光器，最高扫描频率超过1000Hz。