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量子级联激光器(Quantum Cascade Laser,QCL)是半导体耦合量子阱子带间电子跃迁的新型中红外至太赫兹波段的半导体激光器，在气体检测、自由空间通信、医学诊断等诸多领域具有巨大的应用价值。随着QCL在应用领域的不断发展，对器件性能提出了更多的考验。因此，本文致力于通过结构设计及工艺优化来改善单模器件在功率、功耗、光束质量，及单模稳定性等方面的性能，从而制备出满足不同需求的高性能量单模子级联激光器。具体研究成果如下: 一，研制高性能边发射单模QCL 1.设计并制备了一级表面金属光栅大功率单模QCL，促进了低阈值、大功率单模QCL的发展。基于有限元模型对器件光栅结构进行模拟，优化光栅占空比及光栅深度，降低激射模式波导损耗。最终实现了室温连续功率超过1W的单模QCL。器件工作波长为4.7μm，光电转化效率达到6％，阈值电流密度为1.23kA/cm2。 2.设计并制备了具有高光束质量的脉冲大功率相干阵列QCL。器件(脊宽150μm)由15个耦合脊单元组成，每个脊单元宽7.5μm，单元之间间隔2.5μm。阵列激光器实现了单元之间的相位锁定，输出光斑横向远场获得了近衍射极限的远场发散角3.9°。并基于InGaAs限制层上制作的一级掩埋光栅，器件在获得峰值功率4.2W输出的同时，实现了稳定的单纵模输出，边模抑制比达到23dB。 3.设计并制备了能够实现稳定调谐的复耦合光栅QCL。利用同时具有折射率耦合及损耗耦合机制的复耦合二级光栅的二级分量，得到具有稳定单模输出的边发射单模器件。激光器工作波长为4.7μm，边模抑制比达到30dB，在温度调谐或电流调谐的情况下均无模式跳变现象的发生。 二，研制高性能面发射QCL 1.设计并制备了室温连续工作的表面光栅面发射QCL。器件激射波长为4.8μm，25℃时器件面发射连续输出功率达到94mW，阈值电流密度为1.21kA/cm2。面发射光束远场发散角为0.58°×16.2°。在10-40℃的测试范围内单模激射，边模抑制比达到30dB。 2.设计并制备了低功耗面发射QCL。器件腔长为1mm，脊宽13μm，在InGaAs限制层上制备二级掩埋光栅实现面发射。前后腔面均蒸镀高反膜，减小器件的镜面损耗。短腔长面发射QCL在20℃时的阈值电流仅105mA，阈值功耗只有1.27W。激光器室温连续输出功率为6.4mW，阈值电流密度为0.81kA/cm2。 3.设计并制备了能够实现稳定对称模式激射的DFB/DBR QCL。制作二级掩埋光栅实现光的垂直抽取，并在器件两端制作用于DBR区来提供光反馈，从而消除腔面随机反射对模式选择的影响。最终，理论与实验均验证这种DFB/DBR多区QCL的优先激射模式为对称模式，器件(腔长6.4mm，其中DFB区4.5mm，DBR区0.75mm)横向远场发散角仅有0.18°，在高电流下仍然保持单瓣远场光斑。并且器件实现了连续波工作，25℃面辐射功率为24.4mW，而未镀膜单腔面输出功率为12.7mW，面发射抽取效率达到45％。