量子級聯激光器是一種能夠發射光譜在中紅外和遠紅外頻段激光的半導體激光器。是基于半導體耦合量子阱子帶(一般為導帶)間的電子躍遷所產生的一種單極性光源。量子指的是通過調整有源區量子阱的厚度可以改變子帶的能級間距，實現對波長的“裁剪”，另外也指器件的尺寸較小。級聯的意思是有源區中上一組成部分的輸出是下一部分的輸入，一級接一級串聯在一起。激光器是指產生特定波長的光源。
量子級聯激光器是一種多層的量子阱結構，每一層結構包括一個注入區和一個激發區，其中激發區為三個耦合量子阱。這種激光器的光子產生依賴于電子能級在耦合量子阱中的臺階分布。當電子從一個高能級量子阱躍遷入另一個低能級量子阱中時將產生一個光子。從發光機理上看，這是一種新型激光器，因為其并不像普通激光二極管那樣依賴電子與空穴的符合產生光子。
與傳統半導體激光器不同，量子級聯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成的注入區，到達由另一組耦合量子阱構成的有源區，導帶激發態子能級電子共振躍遷到基態釋放能量，發射光子并隧穿到下一級，成為下一級相似結構的注入電子。
量子級聯激光器具有很窄的光譜線寬，可以獲得氣體分子、原子光譜線中精細結構，因此基于量子級聯激光器的氣體檢測系統分辨率要遠高于其他光譜檢測方法，而且系統中不需要分光器件，可以通過調諧QCL的波長，就可在光電探測器中直接得到其吸收光譜。
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