퀀텀 캐스케이드 레이저(Quantum-cascade laser, QCL)는 전자기 스펙트럼의 중적외선에서 원적외선 영역의 빛을 방출하는 반도체 레이저이다. 일반적인 반도체 레이저 다이오드가 전자-정공 쌍의 재결합을 통해 빛을 방출하는 것과 달리, 퀀텀 캐스케이드 레이저는 단극성(unipolar) 소자로서 전자만을 이용하여 작동하며, 반도체 다중 양자 우물(multiple quantum well) 이종 구조가 반복 적층된 초격자(superlattice) 내에서 하위 대역 간 전이(intersubband transition)를 통해 레이저를 방출한다.
이 개념은 1971년 R. F. 카자리노프(Kazarinov)와 R. A. 수리스(Suris)가 "초격자를 갖는 반도체에서 전자파 증폭 가능성"이라는 논문에서 처음 제안하였고, 1994년 미국 벨 연구소(Bell Laboratories)의 제롬 파이스트(Jérôme Faist), 페데리코 카파소(Federico Capasso), 데보라 시브코(Deborah Sivco), 카를로 시르토리(Carlo Sirtori), 앨버트 허친슨(Albert Hutchinson), 알프레드 초(Alfred Cho)에 의해 최초로 실험적으로 시연되었다.
퀀텀 캐스케이드 레이저의 핵심 원리는 양자 우물 내에서 전자가 한 하위 대역에서 다른 하위 대역으로 이동할 때 광자를 방출하고, 이 전자가 다음 주기 구조로 터널링하여 또 다른 광자를 방출하는 과정을 반복한다는 데 있다. 하나의 전자가 소자를 통과하면서 여러 개의 광자를 생성할 수 있기 때문에 '캐스케이드(cascade, 연쇄)'라는 명칭이 붙었으며, 이론적으로 1보다 큰 양자 효율이 가능하여 높은 출력을 얻을 수 있다. 일반적인 반도체 레이저가 재료의 밴드갭에 의해 방출 파장이 결정되는 반면, QCL은 양자 우물 층의 두께 설계를 통해 방출 파장을 자유롭게 조절할 수 있어 넓은 파장 대역에서 동작이 가능하다.
현재 QCL은 2.63μm에서 250μm(자기장 인가 시 355μm까지 확장)에 이르는 파장 범위를 커버하며, InP 기반 GaInAs/AlInAs, GaAs/AlGaAs, InAs/AlSb 등 다양한 재료 시스템으로 제작된다. 1998년 Fabry-Perot(FP) 타입이 처음 상용화되었고, 2004년 분포 귀환형(DFB, Distributed Feedback) QCL, 2006년 외부 공진기(External Cavity) 방식의 광대역 가변형 QCL이 차례로 상용화되었다.
주요 응용 분야로는 대기 중 환경 가스 및 오염 물질의 원격 감지, 보안, 차량 충돌 방지 레이더, 산업 공정 제어, 호흡 분석기를 통한 의료 진단, 플라즈마 화학 연구 등이 있다. 또한 테라헤르츠(THz) 주파수 대역에서도 활용되어 투명 물체의 위상 이미징 등에 사용된다.
한국어로는 '양자 캐스케이드 레이저', '양자 폭포 레이저', '양자 연쇄 반응 레이저' 등으로도 번역된다.
