由于太赫兹频段的光子能量小，因此需要设计较小的子带间能量差，各类散射作用增强，使得粒子数反转更加难以实现。同时，在太赫兹波段，自由载流子的吸收增强，波导损耗也大大增加。2002年，世界上第一个太赫兹量子级联激光器（terahertz quantum cascade laser，THz QCL）由意大利和英国剑桥大学的科学家合作研制成功。器件基于砷化镓/砷镓铝材料体系，激射频率为4.4太赫兹。

QCL是一种基于量子阱子带间辐射跃迁实现光量子放大的单极激光器。通过一种载流子（电子或空穴）在同一能带（导带或价带）的不同子带间受激辐射跃迁实现发光。发光频率由量子阱子带间的能量差决定。QCL的特点主要有：①采用周期级联结构，电子从前一个周期注入有源区，通过受激辐射发出特定频率的光子，然后经一定的弛豫过程注入下一个周期。这一过程在周期间不断循环，实现电子注入的倍增，即输入一个电子可以激射N（重复的周期数目）个光子。QCL通过多个相同周期结构的级联有效地提高激光器的功率。②通过调节势阱、势垒的材料厚度或组分进而调节导带或价带的子带间能量差，从而在不改变材料体系的条件下能够获得不同频率的激光。③电子或空穴处于同一能带的各子带，各个子带有相似的抛物线形能量色散关系，激光增益谱较窄。QCL采用的材料体系主要有砷化镓/砷镓铝、砷铟镓/砷铟铝、砷化铟/锑化铝、砷镓铟/锑砷铝、砷镓铟/锑砷镓铝等。这些材料体系通过分子束外延（molecular beam epitaxy，MBE）和金属有机化合物化学气相沉淀（metal-organic chemical vapor deposition，MOCVD）等技术进行生长。

THz QCL的有源区结构设计主要有束缚态到连续态跃迁结构、共振声子结构以及散射辅助注入结构等。波导结构设计主要有半绝缘等离子波导和双面金属波导等。在激射频率方面，THz QCL已经实现了从1.2～5.2THz频率的激射。在有磁场辅助的情况下，激射频率可以更低。采用铜-铜双面金属波导，THz QCL的最高工作温度可达199.5K。在功率方面，采用大尺寸谐振腔的THz QCL在脉冲模式下峰值功率大于1瓦。THz QCL是一种重要的相干太赫兹辐射源。THz QCL具有能量转换效率高、体积小、轻便和易集成等优点。在生物指纹谱测量、无损检测、保密通信以及天文观测等方面有重要的应用价值。