量子級(jí)聯(lián)激光器是單極器件，利用子帶躍遷，實(shí)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(cè)、醫(yī)學(xué)、紅外對(duì)抗等領(lǐng)域，是一種半導(dǎo)體光源。
量子級(jí)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(jí)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(jí)串接組成(通常大于500層)而實(shí)現(xiàn)單電子注入的多光子輸出。
激光的產(chǎn)生來(lái)源于電子從子帶的高能級(jí)向低能級(jí)的躍遷，一個(gè)電子可以產(chǎn)生N個(gè)光子，激射波長(zhǎng)是由子帶的高能級(jí)和低能級(jí)差決定的，可以通過(guò)改變有源區(qū)量子阱的寬度，從而改變子帶的高能級(jí)和低能級(jí)差，然后改變激射波長(zhǎng)，理論預(yù)測(cè)可覆蓋幾微米到幾百微米以上很寬的波長(zhǎng)范圍。
在外場(chǎng)作用下，有源區(qū)三個(gè)量子阱組成三個(gè)能級(jí)n1，n2，n3。n3和n2能級(jí)為電子受激躍遷的上激發(fā)態(tài)能級(jí)和下激發(fā)態(tài)能級(jí)，通過(guò)對(duì)各阱的寬度和間隔進(jìn)行調(diào)整，使n3和n2能級(jí)的能量差對(duì)應(yīng)于所需激光器的激射波長(zhǎng)，并使n2和n1能級(jí)的能量差E2－E1為一個(gè)光學(xué)聲子的能量；設(shè)計(jì)注入?yún)^(qū)中各阱的寬度和間隔，使在外場(chǎng)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(jí)對(duì)齊并與下一個(gè)周期有源區(qū)的n3能級(jí)對(duì)齊，使微帶隙與同一周期有源區(qū)n3能級(jí)對(duì)齊。在有源區(qū)n3能級(jí)上的電子受激躍遷到n2能級(jí)并發(fā)射光子，n2能級(jí)上的電子釋放一個(gè)光學(xué)聲子，通過(guò)共振輸運(yùn)快速弛豫到n1能級(jí)，在聲子輔助下隧穿經(jīng)過(guò)注入?yún)^(qū)的微帶注入到下一個(gè)周期有源區(qū)的上激發(fā)態(tài)。重復(fù)上一周期的輸運(yùn)物理過(guò)程，一級(jí)一級(jí)傳遞下去，通過(guò)級(jí)聯(lián)過(guò)程實(shí)現(xiàn)一個(gè)電子可發(fā)射和級(jí)數(shù)N相等的N個(gè)光子。
