量子级联激光器是一种能够发射光谱在中红外和远红外频段激光的半导体激光器。是基于半导体耦合量子阱子带(一般为导带)间的电子跃迁所产生的一种单极性光源。量子指的是通过调整有源区量子阱的厚度可以改变子带的能级间距，实现对波长的“裁剪”，另外也指器件的尺寸较小。级联的意思是有源区中上一组成部分的输出是下一部分的输入，一级接一级串联在一起。激光器是指产生特定波长的光源。
量子级联激光器是一种多层的量子阱结构，每一层结构包括一个注入区和一个激发区，其中激发区为三个耦合量子阱。这种激光器的光子产生依赖于电子能级在耦合量子阱中的台阶分布。当电子从一个高能级量子阱跃迁入另一个低能级量子阱中时将产生一个光子。从发光机理上看，这是一种新型激光器，因为其并不像普通激光二极管那样依赖电子与空穴的符合产生光子。
与传统半导体激光器不同，量子级联激光器是一种单极型激光器，只依赖一种载流子。在有外加电场的情况下，利用电子量子隧穿通过由一组耦合量子阱构成的注入区，到达由另一组耦合量子阱构成的有源区，导带激发态子能级电子共振跃迁到基态释放能量，发射光子并隧穿到下一级，成为下一级相似结构的注入电子。
量子级联激光器具有很窄的光谱线宽，可以获得气体分子、原子光谱线中精细结构，因此基于量子级联激光器的气体检测系统分辨率要远高于其他光谱检测方法，而且系统中不需要分光器件，可以通过调谐QCL的波长，就可在光电探测器中直接得到其吸收光谱。
