量子级联激光器由于其独特的物理内涵和潜在的中、远红外波段应用价值受到人们的广泛重视，已成为国际上半导体激光器研究领域最为活跃的一个方向。本文以GaAs/AlGaAs材料为基础，研究了量子级联激光器的有源区和波导结构设计、材料生长、器件工艺和光电性能的表征，取得的主要结果如下：　　 (1)基于包络函数近似推导出一维的Schr(o)dinger方程，在数值求解Schr(o)dinger方程的基础上研究了量子级联激光器有源区的相关理论问题，包括子带间光学跃迁的极化问题、子带间跃迁的振子强度、光学声子散射速率等;基于Maxwell's理论推导出一维的Helmholtz方程，在数值求解Helmholtz方程的基础上讨论了量子级联激光器的波导理论，包括传播常数、光场限制因子和波导损耗等；利用线性速率方程理论讨论了量子级联激光器的增益和阈值问题。以这些基本理论为基础建立了量子级联激光器设计的理论框架。　　 (2)研究了GaAs/AlGaAs三阱耦合有源区和四阱双声子共振有源区量子级联激光器有源区和波导结构的理论设计、材料生长、器件工艺和性能表征。成功研制出了波长为9.1、9.75、10和11.2μm的GaAs基量子级联激光器，基本覆盖第二个大气窗口；实现了低阈值电流密度(Jth=2.6 kA/cm2)和高峰值功率(单腔面＞500 mW)准连续波工作;实现了波长9.75μm量子级联激光器液氮温度以上超高占空比(95％)工作。以上指标具有世界先进水平。　　 (3)将量子级联激光器设计思想由中红外范围拓展到远红外范围，系统研究了Terahertz量子级联激光器典型的有源区导带结构；深入研究和探讨了频率为1-5 THz量子级联激光器的半绝缘一等离子体波导结构。