量子級聯激光器是單極器件，利用子帶躍遷，實現中紅外激光的激發，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），主要應用于氣體檢測、醫學、紅外對抗等領域，是一種半導體光源。
量子級聯激光器的工作原理與通常的半導體激光器截然不同，其激射方案是利用垂直于納米級厚度的半導體異質結薄層內由量子限制效應引起的分離電子態，在這些激發態之間產生粒子數反轉，該激光器的有源區是由耦合量子阱的多級串接組成(通常大于500層)而實現單電子注入的多光子輸出。
激光的產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態能級和下激發態能級，通過對各阱的寬度和間隔進行調整，使n3和n2能級的能量差對應于所需激光器的激射波長，并使n2和n1能級的能量差E2－E1為一個光學聲子的能量；設計注入區中各阱的寬度和間隔，使在外場作用下注入區形成微帶和微帶隙，使微帶與同一周期有源區中的n2和n1能級對齊并與下一個周期有源區的n3能級對齊，使微帶隙與同一周期有源區n3能級對齊。在有源區n3能級上的電子受激躍遷到n2能級并發射光子，n2能級上的電子釋放一個光學聲子，通過共振輸運快速弛豫到n1能級，在聲子輔助下隧穿經過注入區的微帶注入到下一個周期有源區的上激發態。重復上一周期的輸運物理過程，一級一級傳遞下去，通過級聯過程實現一個電子可發射和級數N相等的N個光子。
