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单极性半导体激光器，其波长覆盖中远红外到THz波段，在气体成分检测、医学诊断、危险品遥测、自由空间通信等方面具有重要的应用。量子级联激光器阵列则是将多个单脊器件集成在一起:首先可以通过并联形成量子级联激光器阵列，从而实现激光器发光区面积的扩大，实现器件功率的线性增长;其次可以通过阵列结构的设计，使得不同单元之间的光场能够发生耦合作用，实现相干阵列基超模的输出，从而既可以实现功率倍增，并可通过相干耦合实现光束质量的改变。另一方面，可以通过将具有不同分布反馈(Distributed Feedback，DFB)光栅周期的单元进行单片集成，制作成量子级联激光器DFB阵列，每个单元发射不同波长的激光，从而实现阵列器件波长调谐的目的。量子级联激光器阵列与宽脊器件相比，具有热功率密度低、散热效率高，从而有利于实现大功率输出。用于波长调谐目的的DFB激光器阵列与外腔激光器相比，具有体积小、便携，不需要复杂的光学系统，可靠性高。因此，本文针对中红外光源的实际应用需求，提出了实现大功率及宽调谐量子级联激光器的解决方案，在研究过程中取得了一些成果，列举如下:　　一、设计并制备了大功率量子级联激光器阵列。　　1.通过热学模拟，比较了宽脊器件与量子级联激光器Bar条的散热能力并进行了器件散热的优化。制备了脊宽为170μm，腔长为3mm，窗口宽度为120μm的单管和由10个脊宽17μm的管芯组成的非相干阵列，均实现脉冲功率20W以上的输出;对比其远场，宽脊器件远场呈现双瓣、角度差为80°左右，阵列器件的双瓣远场，其两个瓣膜角度差为30°。　　2.通过优化外延材料生长技术，提高有源区材料的界面质量，从而提高有源区纵向热导率;为了增加量子级联激光器发光区面积，将单管器件的脊宽增加到380μm，单管器件的室温脉冲输出功率达到62 W、阈值电流密度1.80 kA/cm2、功率转化效率9％，其在100℃的输出功率仍大于20W。　　3.为提高光束质量，将相干阵列的设计方法引入中红外领域，利用折射率耦合的方式，制备了单片集成100单元的阵列。阵列器件在阈值电流附近的激光输出远场以中心单瓣形式存在并且呈现类基超模的形式，在1.5倍阈值电流处仍有73.3％的功率分布在中心主瓣上，相干阵列的室温脉冲功率40 W、大于国际上报道的相干阵列输出的最好结果。　　4.系统研究了不同类型的相干阵列的模式选择情况，分别设计制备了5单元和7单元的啁啾阵列和均匀阵列:制备的5单元啁啾与均匀阵列均呈现超基模工作模式、远场发散角保持在7～9°，制备的7单元啁啾与均匀阵列均呈现高阶超模激射模式;制备了7单元啁啾结构与增益调制相结合的相干阵列，得到了超基模激射的光场模式，远场呈现中心对称的单瓣。　　二、设计并制备了基于采样光栅的分布反馈量子级联激光器阵列　　1.使用取样光栅的方式直接在器件高掺层上面制作啁啾的光栅结构，利用复折射率耦合的方式，成功的制备了六通道单模、波长可调谐的量子级联激光器，波长覆盖75 nm，室温脉冲平均功率超过100 mW。这是一种方式简单、制作成本低的宽调谐范围的量子级联激光器制备技术，对于该类器件的产业化发展具有重要的意义。　　2.开发了一种图形化热沉技术，能够实现DFB激光器阵列的倒焊封装，提高了器件的散热效率，结合使用掩埋的采样光栅结构，降低波导损耗，国际上第一次实现了DFB阵列量子级联激光器的室温连续工作DFB量子级联激光器阵列的单模平均功率超过10 mW。