太赫兹波在生物学和危爆物检测等领域有广泛的应用前景，但其在成像上会受到探测器灵敏度的限制。搭建一套基于太赫兹量子级联激光器的自混合相干成像系统，将全息成像技术与自混合干涉测量相结合，实现太赫兹波段的大景深成像。利用自混合收发一体的特性，在不同偏焦程度下，对分辨率板上每毫米2个线对的区域进行二维成像，在偏焦56倍波长条件下得到与焦平面处相同的图像对比度。

解析大气中HONO和N₂O₄的光化学循环及其来源，需要对其质量分数进行准确测量，而质量分数测量的前提是吸收线参数的准确度量。采用7.8 μm室温连续量子级联激光器和长光程多次反射吸收池对实验产生的HONO和N₂O₄气体进行了同时测量，确定了两种气体的吸收线频率。根据已知的1280.4 cm^-1处trans-HONO的吸收线强，计算得到trans-HONO的质量分数为（0.72±0.04）×10^-6，相应的系统最低检测限为（11.15±0.50）×10^-9。利用中红外量子级联光谱技术同时对HONO和N₂O₄进行分析研究，所得到的谱线参数也为HONO和N₂O₄质量分数的实时监测、化学反应过程的分析等提供了重要的依据。

设计了一种基于双增益芯片合束的超宽带可调谐中红外激光器，该激光器以Littrow结构为基础，采用中心波长分别为4.0 μm和4.6 μm的两个量子级联增益芯片提供光增益，通过4.2 μm低通高反分束片合束后，将增益光入射到300 lines/mm的闪耀光栅形成光反馈，两个量子级联增益芯片通过交替互补的工作方式实现了3~5 μm的超宽谱调谐。在25 ℃温控和303 mA注入电流下，该激光器在34.54°~46.50°的闪耀光栅旋转角度下工作，波长调谐范围为3779~4836 nm（包括179 nm波长调谐空白区间），最大输出光功率为14.12 mW，边模抑制比为20 dB。该激光器具有结构紧凑、调谐范围超宽的优点，可为研制便携式模块化的中红外激光器提供参考。

3~5 μm中红外波段激光在气体分子传感、空间光通信、差频太赫兹产生等领域中有广阔的应用前景。研究了一种4 μm波段宽谱可调谐外腔量子级联激光器，设计了一种以Littrow结构为基础的紧凑便携可调谐激光器模块。在激光器模块中采用同一个量子级联增益芯片，分别使用刻线密度为450 line/mm和300 line/mm的闪耀光栅组建了不同的外腔。当采用刻线密度为450 line/mm的闪耀光栅时，注入电流303 mA下的输出光功率为7.30 mW，具有380 nm的调谐范围（3774~4154 nm），边模抑制比为20 dB，出现高阶模式激射现象；当采用刻线密度为300 line/mm的闪耀光栅时，303 mA注入电流下的输出功率为5.24 mW，调谐范围为297 nm（3779~4076 nm），边模抑制比为20 dB，出现基模激射现象。由此可见，采用不同的外腔配置，可以分别获得满足高精度波长调谐和高光束质量要求的激光器性能。

针对太赫兹量子级联激光器光频梳射频信号提取与传输存在的阻抗不匹配问题，设计并提出了一种输入阻抗为20 Ω、输出阻抗为50 Ω的渐变微带线结构，研究了该结构的准TEM模电场分布，并根据S参数建立了相应的LC等效电路模型分析其物理机理。实验中，将渐变微带线结构应用于太赫兹量子级联激光器光频梳射频信号提取与测试，以验证渐变微带线传输射频信号效果，成功测量得到太赫兹量子级联激光器重复频率，其线宽为3.7 kHz，信噪比达到60 dB，在注入电流为700~900 mA范围内重复频率表现为稳定的单模信号，测量得到的最大保持和幅度艾伦方差结果同样表现出重复频率的稳定性。实验结果表明，所设计的渐变微带线具有良好的阻抗匹配效果，能够实现对太赫兹量子级联激光器光频梳射频信号稳定的提取和传输。

太赫兹量子级联激光器（THz QCL）双光梳在光谱检测、测距、成像等领域具有重要应用。双光梳信号严重依赖THz耦合光功率。利用THz QCL激射光为线偏振光的特性，在双光梳光路上插入线偏振片，通过旋转偏振片以达到对THz光强进行调节的作用。系统研究了THz QCL双光梳谱和功率与偏振角度的依赖关系，为实现高稳定THz双光梳光源与应用奠定基础。