基于自混合干涉效应的太赫兹量子级联激光器(THz-QCL)相干测量系统是一种极其灵敏的传感系统。相比于传统的激光测速技术, 自混合干涉具有光路自准直、无需额外光电探测器和混频器等优势, 使系统的结构更加紧凑；而且, 使用太赫兹波进行相干测量, 有望提升测速上限。本文采用 THz-QCL的自混合干涉技术, 研究了系统对于两独立运动目标物的非线性动力学响应特性, 给出了自混合信号的多普勒频谱, 并通过频谱分析, 获得了两目标物的运动速率及方向。研究结果证实了利用 THz-QCL自混合干涉系统对目标物进行运动传感的可行性, 为高速运动的多目标物测速提供了新的技术手段。

基于传输矩阵理论及多模速率方程，研究了宽谱太赫兹量子级联激光器在不同光反馈强度下的自混合动力学特性。研究发现，在弱反馈下光场自混合对激光器光谱特性影响很小；反射物位置移动时的自混合信号呈正弦规律变化，同时自混合信号幅度随反射物位置的变化表现出周期性调制现象。宽谱量子级联激光器在弱反馈下可以应用于测距、成像及光谱测量。在强反馈下，宽谱激光器光谱受自混合影响显著，并有新的模式在原自由运行模式附近出现；但随着反射物移动，自混合信号波峰个数同弱反馈条件下一致，可正确描述反射物的移动规律。因此，强反馈下宽谱量子级联激光器仍可在一定条件下实现微米级的测距和成像技术。这一研究将有助于发展基于宽谱太赫兹量子级联激光器自混合现象的传感器应用。

基于三能级速率方程，研究了独立运行、主从注入和相互注入太赫兹量子级联激光器(THz-QCLs)的相对强度噪声和调制特性。在自由运行情况下， THz-QCL的自发辐射噪声在低频时表现出白噪声特性。与传统的半导体激光器不同，在低频区没有对应于弛豫振荡的共振峰。主从注入可以有效降低 THz-QCLs噪声20 dB，提高 THz-QCLs低噪声工作的效率。对于互注入 THz-QCLs，即使在锁相区，噪声也明显高于自由运行情况。通过应用注入锁定方案，与直接调制方案相比，可以大大增加调制带宽。

太赫兹( THz)量子级联激光器( QCL)是理想的固态 THz源，其出射光束的远场特性是 THz QCL研究中重要的一部分。实验上， THz QCL的远场光斑常呈多瓣或环形结构，用一般的衍射理论难以解释，为此把激光器看成辐射天线，利用电磁场理论，推导了单面金属波导 THz QCL辐射远场场分布和光强分布基本公式。对具有典型参数的 THz QCL的远场分布进行了计算。数值结果表明: 辐射远场光强分布是不对称的环形结构，且随着激光器的腔长变长，环逐渐变密。可见， THz QCL的天线模型给出了与实验观察一致的结果，说明天线模型更适合于 THz QCL远场光束的分析。

为了获得低阈值连续波工作太赫兹源，采用固源分子束外延技术生长了GaAs/AlGaAs束缚态向连续态跃迁的太赫兹量子级联激光器(QCL)有源区，基于半绝缘-等离子体波导工艺制作了太赫兹量子级联激光器。获得了激光器(腔面未镀高反射膜)的发射光谱和相应的输出特性等性能，其中器件在10 K 工作温度、350 mA 激励电流下的中心频率为2.93 THz，连续波工作模式的阈值电流密度为156 A/cm²，器件的最大光输出功率为7.84 mW，最高工作温度为62 K。