隨著量子級聯激光器技術的日趨成熟，它開始被較多地應用于科學和工程研究。由于其顯著優勢，在氣體檢測領域得到了迅速推廣。基于量子級聯激光器的紅外光譜氣體檢測技術具有靈敏度高、檢測速度快等優點，特別是在高精度光譜檢測方面所具有的顯著優勢，使其成為目前研究和應用的熱點。
1、環境監控：隨著經濟的發展，人類對于大自然的干擾和對環境的破壞愈發嚴重，無論是酸雨等氣候災害、亦或是氣候變暖、還是霧霾現象頻發，都嚴重的影響著人們的生存環境。各國科學家對環境監控都十分重視。2008年，正值北京奧運會舉辦之際，美國普林斯頓科研小組利用量子級聯激光器搭建了開路式氣體檢測系統，對北京進行了空氣質量評估。“HIPPO”項目（由美國國家科學基金會（NSF）和美國國家海洋和大氣局（NOAA）支持）和“CalNEX”項目正在開展溫室氣體的相關研究工作。
2、醫學應用：有的疾病會造成人類呼出氣體成分的異常升高，通過對呼出氣體的種類和濃度進行準確的分析，可以對臨床診斷和治療提供有價值的參考，而且不必因為使用CT等儀器而引入過多的輻射。例如，患有糖尿病、肝臟和腎臟疾病的患者呼出的氣體中NH3濃度會出現異常，患有哮喘、心腦血管疾病的患者呼出氣體中CO濃度會增高，因而采用連續工作的10.3μm的量子級聯激光器對人體呼出的氨氣濃度進行檢測。
3、工業監控：在石油化工、金屬冶煉、礦山開采等行業生產過程中，通過檢測產生的相應氣體的濃度可以進行進程監控，也可以監控泄露危險氣體的濃度，以保障生產安全，已有技術采用5.2μmQCL對工業燃燒排氣系統中產生的NO氣體進行實時檢測，并使用7.8μm的脈沖QCL對爆炸物產生的氣體進行光學檢測。
4、分子光譜研究：已有技術采用直接吸收量子級聯激光光譜法對同位素氣體14N15N16O，15N14N16O和14N216O進行高精度的分析，能夠同步測定其混合比例。
