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Dazu wird eine Reihe von Halbleiterschichten als zweidimensionale Quantentöpfe hergestellt, die mehrere quantisierte Energieniveaus relativ zum Material-Energieniveau haben. Durch Anlegen einer Spannung werden die absoluten quantisierten Energieniveaus angrenzender Quantentöpfe so zueinander ausgerichtet, dass Elektronen durch quantenmechanisches Tunneln von einem niedrigen Energieniveau des einen Quantentopfs in ein hohes Energieniveau eines anderen gelangen können. Dann kann der Energieunterschied zwischen hohem und niedrigem Energieniveau in Form von Photonen abgegeben werden, und die nächste gleichartige Halbleiter-Schichtfolge (Kaskade) durchlaufen werden.
Quantenkaskadenlaser sind noch weitgehend experimentell, es gibt aber bereits Exemplare, die bei Zimmertemperatur im Dauerstrichbetrieb arbeiten.