量子级联激光器(Quantum Cascade Laser,QCL)是一种基于多周期多量子阱结构中子能级间电子跃迁的单极器件.与传统的激光二极管不同,QCL的激射频率不是由半导体材料的带隙决定,而是由多量子阱结构中子能级间的能极差决定.基于此,通过改变多量子阱材料的厚度,可以实现能级和波函数的调控,从而用于QCL的频谱设计,即能带工程.1994年,贝尔实验室实现了世界上第一个QCL,其工作于中红外波段,采用GaInAs/AlInAs多量子阱结构；而第一个工作于太赫兹(THz)频段的QCL于2002年首次实现,采用GaAs/AlGaAs材料体系.采用蒙特卡洛模拟方法,基于QCL能带结构,我们实现了QCL的电光性能模拟,模拟结果和实验结果一致,可以很好的知道我们的实验工作.在高性能器件方面,在中红外波段,基于应变补偿的GaInAs/AlInAs有源区结构,我们实现了高功率、高转换效率的QCL器件.室温下,器件脉冲输出功率达4W,电光转换效率达7.2％.另外,采用短周期超晶格有源区能带结构,实现了宽谱中红外QCL.室温下,器件的增益谱宽度达60 meV,器件激射谱连续展宽1 μm.在THz频段,采用共振声子和束缚态-连续态跃迁有源区能带结构设计,实现了高功率THzQCL激射.连续波工作模式下,器件输出功率大于70 mW.采用耦合腔设计,实现了稳定的单纵模THzQCL激射,分析了不同共振腔结构THzQCL器件的选模机制.在优化条件下,实现了稳定单模激射,边摸抑制比高达40 dB.