太赫兹量子级联激光器（THz-QCL）具备高功率、窄线宽、频率可调谐以及易集成的特点,在无损检测、安全检查、显微技术、生物医学与通信方面有着重要的应用价值,是一种理想的太赫兹源。随着太赫兹应用的快速发展,对高性能、高集成度、功能多元化的THz-QCL需求日渐增加。本论文着重围绕太赫兹主控振荡-功率放大量子级联激光器（THz-MOPAQCL）展开系统的研究。由于太赫兹波的产生与辐射在主控振荡-功率放大结构中是分立的,因此MOPA结构是操控太赫兹波频率、幅度、偏振与轨道角动量的理想平台。本论文建立了描述THz-MOPA-QCL增益饱和效应的模型以分析功率放大过程,提高输出功率与光束质量。在此基础上,采用光栅耦合器代替解理腔面,设计了一种可以对自由空间太赫兹波进行功率放大的量子级联放大器。采用二维天线阵列作为耦合器,实现了偏振态可控的THz-MOPA-QCL。通过集成了周期性散射元的谐振环调控出射光的轨道角动量,实现了直接出射矢量涡旋光的THz-MOPA-QCL。代表性的创新点如下:1)基于量子级联激光器的载流子速率方程,建立了THz-MOPA-QCL模型,描述了太赫兹量子级联激光器中的增益饱和效应,预测了材料和结构参数对激光器输出功率的影响。计算与实验结果的一致性证明了模型的有效性。基于该模型,我们系统地分析了THz-MOPA-QCL中的功率放大过程,提出了MOPA结构的设计准则。所研制的THz-MOPA-QCL实现单模激射,边模抑制比达到23dB,77K脉冲模式峰值输出功率达到153m W,电光转换效率为0.22%,发散角为～6°’16°。2)提出了对自由空间太赫兹波进行功率放大的太赫兹量子级联放大器。放大器由接收器、放大区与发射器组成,接收器与发射器采用衍射光栅代替解理腔面,具备高耦合效率与低反射率,可以有效地抑制自激振荡并提高信号强度。初步的实验结果表明,尽管太赫兹量子级联放大器发生了自激,但阈值电流密度显著高于相应的法布里-珀罗（FP）腔激光器。3)实现了精确控制出射光频率与偏振态的THz-MOPA-QCL。偏振可控的MOPA器件由一级分布反馈激光器、预放大区与二维天线阵列组成。一级分布反馈激光器采用掩埋光栅结构,作为种子光源。二维天线阵列每个单元包含一个或两个磁偶极子天线,天线的指向与天线间的相位关系决定了出射光的偏振态。优化的二维天线阵列具备高辐射效率与低反射率,避免了在天线阵列中引发光场振荡或对DFB部分模式振荡产生影响。所研制的器件实现单模激射,边模抑制比达到26d B,发散角为～23°’30°,不同器件的线偏振度与圆偏振度分别达到97.5%与99.3%。器件的激光频率与偏振态都是光刻可调的。4)实现了轨道角动量可控的THz-MOPA-QCL,激光器由一级分布反馈激光器、传输波导与谐振环组成。一级分布反馈激光器提供种子光源,传输波导将太赫兹光耦合进入谐振环。谐振环采用周期性的双空气狭缝作为散射元,利用双狭缝引发反射波间的相干相消有效地降低谐振环的反射率,保证谐振环中太赫兹波的单向传播,最终将高轨道角动量模式纯度的矢量涡旋光辐射至自由空间。所研制的激光器实现单模激射,工作在一级分布反馈激光器的模式上,远场图案呈中空环状分布,出射光左旋/右旋圆偏振分量的拓扑荷数分别为+3与+1,轨道角动量模式纯度分别为61.5%与85.5%。最后,对进一步提高THz-MOPA-QCL性能,以及实现对太赫兹光的幅度、偏振与相位更精确的调控等研究方向提出了设想。