中文摘要：

本项目以中红外量子级联激光材料为研究基础，提出新型非圆环形光学微谐振腔量子级联激光器的设计构想，以探索非圆环形微腔激光模式及能量耦合输出的核心科学问题为目标；深入研究量子级联激光材料与微腔理论结合下的非圆环形微腔的定向光输出效应的实际应用技术问题。采用时域有限差分法和光线理论研究非圆环形微腔光场模式分布及辐射光能量分布形式；采用分子束外延生长技术和半导体器件微加工技术，研制波长10微米中红外电泵浦非圆环形微腔量子级联激光器，对器件的定向光输出激射模式、光功率及电光转化效率等进行实验分析研究；在此基础上，发挥激光器定向光输出的优势，提出非圆环形微腔量子级联激光器单片集成阵列的设计新理念及研究方法，进一步提高激光器整体光功率输出；推动微腔量子级联激光器向着痕量气体检验、生物组织检测以及大气污染监测等实际应用方面上快速发展。

结论摘要：

中远红外激光技术在环境空气质量监测、医学诊断、国防安全的传感应用等方面有着巨大的应用潜力,也得到了世界范围内的广泛关注和研究。量子级联激光器(QCL)是工作在这一波段的理想的激光光源, 微腔激光器以其低阈值、高腔品质因子及易于光子集成的优势一直备受研究人员的关注，QCL激光理论和微腔理论的发展与巧妙的结合形成量子级联微腔激光器。然而其光输出方向差以及功率低也是制约器件应用发展的关键问题。本项目重点开展了非圆环形腔量子级联激光器的腔体结构设计、材料工艺制备技术以及阵列技术等方面的研究；器件制备工艺中克服了传统单一刻蚀工艺技术中腔体边墙粗糙与倾斜等技术难点，并采用高导热AlN热沉技术解决器件散热问题，制备了中远红外量子级联微腔激光器件；获得单管及阵列激光器件，完成了研究工作计划；验证了量子级联微腔激光器定向光输出机理，为量子级联微腔激光器进一步向应用转化提供了设计方法、技术能力及可行性参考依据。理论计算和实验结果显现了非圆环形腔量子级联微腔激光器的定向光输出特性,克服了传统微腔激光器光输出方向性差的问题,与此同时阵列激光器件获得了较高的光输出功率。实验中以InGaAs/InAlAs量子级联激光材料为基础获得了这种微腔激光器,器件的发射波长在10微米波长范围,单管器件峰值光功率达到13mW；与此同时,对器件的远场发散角与同材料的边发射激光器进行了特性比较分析,获得了与边发射激光器基本一致的远场发射图样, 水平方向光束发散角32°、垂直方向光束发散角67°左右；在实现单管器件定向光输出的同时，还制备获得了量子级联微腔激光器阵列器件。非圆环形微腔激光器的定向光输出可以通过对器件工艺制备中的腔体方向预先设定的方式来实现对激光器输出方向的可控性制备,与此同时,器件制备技术的平面工艺化特点在光子集成器件应用方面也具有非常重要应用价值。