量子級聯(lián)激光器是一種能夠發(fā)射光譜在中紅外和遠(yuǎn)紅外頻段激光的半導(dǎo)體激光器。是基于半導(dǎo)體耦合量子阱子帶(一般為導(dǎo)帶)間的電子躍遷所產(chǎn)生的一種單極性光源。量子指的是通過調(diào)整有源區(qū)量子阱的厚度可以改變子帶的能級間距，實(shí)現(xiàn)對波長的“裁剪”，另外也指器件的尺寸較小。級聯(lián)的意思是有源區(qū)中上一組成部分的輸出是下一部分的輸入，一級接一級串聯(lián)在一起。激光器是指產(chǎn)生特定波長的光源。
量子級聯(lián)激光器是一種多層的量子阱結(jié)構(gòu)，每一層結(jié)構(gòu)包括一個(gè)注入?yún)^(qū)和一個(gè)激發(fā)區(qū)，其中激發(fā)區(qū)為三個(gè)耦合量子阱。這種激光器的光子產(chǎn)生依賴于電子能級在耦合量子阱中的臺階分布。當(dāng)電子從一個(gè)高能級量子阱躍遷入另一個(gè)低能級量子阱中時(shí)將產(chǎn)生一個(gè)光子。從發(fā)光機(jī)理上看，這是一種新型激光器，因?yàn)槠洳⒉幌衿胀す舛O管那樣依賴電子與空穴的符合產(chǎn)生光子。
與傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器不同，量子級聯(lián)激光器是一種單極型激光器，只依賴一種載流子。在有外加電場的情況下，利用電子量子隧穿通過由一組耦合量子阱構(gòu)成的注入?yún)^(qū)，到達(dá)由另一組耦合量子阱構(gòu)成的有源區(qū)，導(dǎo)帶激發(fā)態(tài)子能級電子共振躍遷到基態(tài)釋放能量，發(fā)射光子并隧穿到下一級，成為下一級相似結(jié)構(gòu)的注入電子。
量子級聯(lián)激光器具有很窄的光譜線寬，可以獲得氣體分子、原子光譜線中精細(xì)結(jié)構(gòu)，因此基于量子級聯(lián)激光器的氣體檢測系統(tǒng)分辨率要遠(yuǎn)高于其他光譜檢測方法，而且系統(tǒng)中不需要分光器件，可以通過調(diào)諧QCL的波長，就可在光電探測器中直接得到其吸收光譜。
