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面发射量子级联激光器（SEQCL）是一种利用二级布拉格光栅实现光垂直发射的新型量子级联激光器。相比常规的边发射量子级联激光器，SEQCL具备更稳定的单模特性、更简便的封装形式以及更好的远场光束质量。因此，SEQCL有望成为最具潜力的实用化中远红外光源。基于前期本组SEQCL的研究工作，本文提出实现室温连续工作SEQCL的解决方案，并在此基础上致力于改善该型激光器垂直于激光腔方向的光束质量。研究取得了一些成果，列举如下: 一、围绕Helmholtz方程，对激光器波导结构进行了系统深入的研究。采用耦合波理论分析了SEQCL二级光栅波导结构，提出通过控制光栅形貌来提高面发射功率的方法。 二、通过大量实验和工艺摸索解决了量子级联激光器MOCVD光栅波导二次外延和半绝缘InP选区外延工艺难题。合作搭建了激光器一维和二维远场测试平台，研究了激光器远场特性中涉及的远场发散角，光束质量因子M2及系统测试精度等。 三、设计并研制成功掩埋二级光栅SEQCL 1.采用有限元模型对掩埋二级光栅器件的光栅波导结构相关参数进行了系统性的计算，并建立相应模型求解热传导方程，比较了倒焊和正焊工艺对有源区核温的影响。借助低损耗的掩埋光栅结构，配套倒焊工艺，国际上首次制备出室温及高温连续工作条形腔结构SEQCL。器件（腔长:3mm，脊宽:10.6μm）室温激射波长4.55μm，面出射光束远场发散角仅为0.17°×18.7°。10℃时后腔面镀高反膜器件面连续输出功率达到105mW，功率斜率效率为462mW/A，面功率电光转化效率为1.5％，总电光转化效率为4.6％，其中阈值电流密度仅为0.85kA/cm2，远低于常规的表面金属光栅面发射器件，为该型器件最好水平。 2.同批次工艺制备出宽脊高温工作SEQCL。器件（腔长:2mm，脊宽:60μm）室温激射波长4.56μm，输出功率突破1.8W，最高工作温度达到115℃，远场发散角为0.61°×7.9°。当脊宽增加至100μm，输出功率达到2.4W，与60μm脊宽器件相比功率基本呈现线性增加趋势。 四、研制成功宽面光子晶体SEQCL。基于平面波展开方法分析了三种典型光子晶体结构的耦合机制，包括耦合系数的计算、中心点阵光子晶体结构中夹角对于耦合系数的影响等，据此设计并研制出国际上最高峰值功率输出的SEQCL。器件（腔长:4mm，脊宽:390μm）利用中心点阵光子晶体结构实现宽面波导内部二维有效光调制，室温下激射波长4.74μm，峰值输出功率达到10W，最高工作温度实测至65℃，远场光束主瓣发散角仅为0.31°×0.65°。 五、与波前工程结合，研制出两种类型的外调制自准直SEQCL 1.创新性的将表面等离子体结构同SEQCL结合，设计并研制成功低发散角亚波长金属光栅SEQCL。该型器件利用位于衬底的周期性金属光栅提供的补偿波矢实现光激发横向传播的表面等离子体波，从而扩展SEQCL垂直于激光腔方向的近场分布，达到降低远场发散角的目的。亚波长金属光栅器件（腔长:2.5mm，脊宽:9μm，金属光栅宽度:300μm）垂直于激光腔方向的远场发散角由常规器件的33.4°改善至3.9°，降低幅度达到8.5倍。器件室温激射波长为4.6μm，脉冲峰值功率为40mW，通过改变工作温度可以实现光束质量的调控，290K下光束质量因子M2为1.6，升温至315K时，M2降低至1.3。 2.研制成功多孔光栅SEQCL。利用位于衬底的准周期InP多孔微结构提供的高阶模式光调控，同样实现了垂直于激光腔方向的远场质量改善。多孔光栅器件（腔长:2mm，脊宽:13μm，多孔区域宽度:150μm）垂直于激光腔方向的远场发散角由常规器件的18.2°改善至2.9°，降低幅度达到6.3倍。器件室温激射波长4.71μm，10℃时连续波输出功率达到55mW，30℃时输出功率仍有23mW。