퀀텀 캐스케이드 레이저(Quantum Cascade Laser, QCL)는 반도체 레이저의 한 종류로, 전통적인 반도체 레이저와 달리 전도대 내의 부띠(subband) 간 전자 전이(inter-subband transition)를 이용하여 빛을 방출하는 것이 특징이다.
QCL은 나노미터 수준으로 정밀하게 성장시킨 얇은 반도체 층들의 주기적인 배열(초격자 구조)로 이루어져 있다. 이러한 구조는 양자 우물(quantum well)을 형성하여 전자의 에너지 준위를 이산적인 부띠로 나눈다. 외부에서 전압을 인가하면 전자는 이 부띠들 사이를 '캐스케이드(cascade)' 방식으로 이동하며 연속적으로 광자를 방출한다. 즉, 하나의 전자가 여러 개의 광자를 생성할 수 있어 효율이 매우 높다.
기존의 다이오드 레이저가 전도대의 전자와 가전자대(valence band)의 정공(hole) 간의 재결합(inter-band transition)을 통해 빛을 방출하는 것과 달리, QCL은 전도대 내에서만 전이가 일어나므로 방출되는 빛의 파장이 주로 중적외선(mid-infrared) 및 테라헤르츠(terahertz) 영역에 걸쳐 있으며, 이는 분자 고유의 진동 및 회전 흡수선이 존재하는 영역이어서 가스 감지 및 분광학 분야에서 특히 유용하다.
QCL은 넓은 파장 가변성, 높은 출력, 그리고 비교적 소형이라는 장점을 가지고 있다. 이러한 특성 덕분에 가스 분석 및 환경 모니터링, 의료 진단(예: 호흡 분석), 보안(폭발물 탐지), 자유 공간 통신, 국방 기술 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 최초의 QCL은 1994년 벨 연구소(Bell Labs)의 페데리코 카파소(Federico Capasso) 연구팀에 의해 시연되었다.