量子級聯(lián)激光器是單極器件，利用子帶躍遷，實現(xiàn)中紅外激光的激發(fā)，主要提供可覆蓋中紅外波段從4～14um范圍以及常用的THz波段（如有特殊波段均可定制），主要應(yīng)用于氣體檢測、醫(yī)學(xué)、紅外對抗等領(lǐng)域，是一種半導(dǎo)體光源。
量子級聯(lián)激光器的工作原理與通常的半導(dǎo)體激光器截然不同，其激射方案是利用垂直于納米級厚度的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)薄層內(nèi)由量子限制效應(yīng)引起的分離電子態(tài)，在這些激發(fā)態(tài)之間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，該激光器的有源區(qū)是由耦合量子阱的多級串接組成(通常大于500層)而實現(xiàn)單電子注入的多光子輸出。
激光的產(chǎn)生來源于電子從子帶的高能級向低能級的躍遷，一個電子可以產(chǎn)生N個光子，激射波長是由子帶的高能級和低能級差決定的，可以通過改變有源區(qū)量子阱的寬度，從而改變子帶的高能級和低能級差，然后改變激射波長，理論預(yù)測可覆蓋幾微米到幾百微米以上很寬的波長范圍。
在外場作用下，有源區(qū)三個量子阱組成三個能級n1，n2，n3。n3和n2能級為電子受激躍遷的上激發(fā)態(tài)能級和下激發(fā)態(tài)能級，通過對各阱的寬度和間隔進(jìn)行調(diào)整，使n3和n2能級的能量差對應(yīng)于所需激光器的激射波長，并使n2和n1能級的能量差E2－E1為一個光學(xué)聲子的能量；設(shè)計注入?yún)^(qū)中各阱的寬度和間隔，使在外場作用下注入?yún)^(qū)形成微帶和微帶隙，使微帶與同一周期有源區(qū)中的n2和n1能級對齊并與下一個周期有源區(qū)的n3能級對齊，使微帶隙與同一周期有源區(qū)n3能級對齊。在有源區(qū)n3能級上的電子受激躍遷到n2能級并發(fā)射光子，n2能級上的電子釋放一個光學(xué)聲子，通過共振輸運快速弛豫到n1能級，在聲子輔助下隧穿經(jīng)過注入?yún)^(qū)的微帶注入到下一個周期有源區(qū)的上激發(fā)態(tài)。重復(fù)上一周期的輸運物理過程，一級一級傳遞下去，通過級聯(lián)過程實現(xiàn)一個電子可發(fā)射和級數(shù)N相等的N個光子。
