歷史沿革
20世紀50年代發明了微波激射器，量子電子學科開始建立。60年代發明雷射器後，學科的內容急劇擴大。伴隨著雷射和雷射器的研究,形成了眾多的分支學科,如雷射物理、雷射技術、非線性光學、雷射光譜學、導波光學、集成光學和全息光學等。這些分支學科也往往被包括在量子電子學之內。
基本原理
量子放大與振盪的基本原理
量子電子學的核心器件是微波激射器和雷射器。它們的工作原理都與受激發射有關。早在1917年，A.愛因斯坦就指出，在微觀量子系統與輻射電磁場的相互作用中，存在著三種量子躍遷過程。
自發發射
若某種微觀量子系統（如原子、分子和離子等粒子）有兩個分立的能級，其能量分別為E2和E1，且E2>E1。在沒有外加輻射場作用時，處於高能級的粒子有可能自發地躍遷到低能級，同時發射出能量為hv的光子,且hv=E2-E1。式中h為普朗克常數；v為頻率。這叫自發發射。大量粒子自發發射的光子形成頻率為v的非相干電磁波。傳統光源所發的光都是由自發發射產生的，因而是非相干的。
受激發射
頻率滿足hv=E2-E1關係的外加輻射電磁場能與量子系統發生共振的相互作用。微觀粒子在共振電磁場的作用下，處在高能級的粒子以一定的幾率躍遷到低能級,同時發射一個能量為hv的光子，這叫受激發射。由受激發射所產生的電磁波與入射電磁波同頻率、同方向、同相位、同偏振，因此它是相干電磁波。入射電磁波可以通過受激發射得到相干放大。
受激吸收
微觀粒子在外加共振電磁場的作用下，處在低能級的粒子以一定的幾率躍遷到高能級，同時吸收一個能量為hv的光子，這叫受激吸收。
受激發射和受激吸收是一對相反的過程，它們同時發生。單位體積和單位時間內的躍遷次數分別正比於能級的N2/g2和N1/g1值，比例係數相同。N2、N1分別為上、下能級的布居數密度（即粒子按能級分布的密度）；g2、g1分別為上、下能級的統計權重。在通常情況下，N2/g2<N1/g1,受激吸收過程占優勢。因此，雖然愛因斯坦早就提出受激發射的概念，但在很長時期內人們卻觀察不到這一現象。
要觀察到受激發射現象，必須使這一過程占優勢。這就需要N2/g2>N1/g1。這是量子系統的一種特殊的狀態,叫作粒子數反轉狀態。在g1=g2的簡單情況下，這意味著N2>N1，即高能級的布居數密度大於低能級的布居數密度。外加共振電磁場通過處於粒子數反轉狀態的介質時，就能通過受激發射而得到相干放大。這就是量子放大作用。
如果進而把放大後的電磁波的一部分以正反饋方式送回輸入端，則在一定的條件下，此系統將發生自激振盪而產生相干的電磁波。這就是量子振盪過程。在微波和光波波段，一般使用諧振腔以加強電磁場並實現正反饋，從而獲得量子振盪。
使量子系統粒子數反轉的過程叫作激勵或抽運（泵浦）。激勵方法根據具體情況有很大的差別。
實現方法
在微波波段實現量子放大或振盪的器件稱為微波激射器；在光波波段則稱為雷射器。
微波激射器
量子電子學圖2為氨分子激射器的示意圖。使氨分子形成一束，通過四極焦聚器後進入諧振腔。焦聚器由四根圓柱形電極組成，其軸線與束平行。相鄰電極上的電位正負相間。氨分子的最低振動能級由一對反演能級組成，兩者的電矩不同。當分子通過焦聚器時，受到四極靜電場的作用。處於低反演能級的分子被電場所偏轉而逸出焦聚器；處於高反演能級的分子則受到軸向的力，能通過焦聚器而進入諧振腔。因此，進入諧振腔的氨分子處於粒子數反轉狀態。在此腔中，分子在反演能級間產生受激發射、發出頻率約為23870兆赫（波長為1.25厘米）的電磁波。
氨分子激射器可工作在放大狀態或振盪狀態。氨分子振盪器發出的電磁波的頻率純而穩定，相干性很高。當時用它作為頻率標準，獲得了前所未有的精度。其後，陸續發明了順磁微波激射器、氫原子激射器等器件。其中有些器件的工作頻率可在一定範圍內調諧。
微波激射器在技術上的主要用途是：①作為極低噪聲的微波前置放大器；②作為頻率標準（見量子頻率標準）。
雷射和雷射器
微波激射器的成功給人們以啟示。科學家們研究能否套用同樣的基本原理，把頻率推向光頻，製成雷射器。由於光的頻率比微波頻率高好幾個量級，就有許多新的問題需要探索。難題之一是當時還沒有適用於光頻的諧振腔。
美國C.H.湯斯和A.L.肖洛,以及蘇聯А.М.普羅霍洛夫分別提出半開放式光頻腔的建議，對雷射器的開創工作作出了重要貢獻。1960年，美國的T.H.梅曼製成第一台雷射器。他所使用的工作物質是紅寶石，它的化學成分為Al2O3:Cr，在氧化鋁的晶格中有少量鋁離子被鉻離子Cr3+所置換。Cr3+的能級如圖3a所示，G為基態能級，E1和E2為兩個強吸收帶，M為亞穩能級。在受強光照射時，粒子能從基態吸收光子躍遷到E1或E2能級，然後迅速通過無輻射躍遷轉移到亞穩能級M上去。當光足夠強時，能得到M能級與G能級之間的粒子數反轉，從而實現受激發射。梅曼的設計是：把紅寶石做成圓柱形，兩端磨得很平，並且互相平行。在這兩端面上鍍以高反射膜,一端膜是半透明的,或者在中央開一個透光的小孔。這一對反射鏡面構成一個光頻的半開放式諧振腔（法白利－珀羅腔）。紅寶石被固定在一個螺鏇形閃光燈管的中央。在閃光燈每一次閃光之後，從半透膜或小孔中射出深紅色的雷射束。這種雷射的波長為6943埃。圖3b為這種裝置的示意圖。
雷射具有一些極其顯著的特點。它的相干性極好,單色性很高。一束連續的雷射可用一列理想的、無限長的單頻正弦波來表示，與傳統電子學中對電磁波的表述相同。在這一點上，光學與電子學的聯繫就更加緊密。雷射的方向性很強,亮度極高,能量在空間高度集中。與傳統光源相比，雷射的亮度很容易做到高出若干量級。這一特點也使雷射具有突出的用途。
雷射器的種類迅速增多。工作物質有各種晶體、玻璃半導體、氣體和液體等。從波段來說，除繼續在可見光、紫外線、紅外線區域開展研究外，長波段正向遠紅外和亞毫米波段伸展,填補著紅外與微波之間的空隙;在短波段，已經在遠紫外區域獲得若干成功，並有可能獲得X射線雷射。雷射器的激勵方式和運轉方式也在不斷發展中（見雷射）。
學科套用
量子電子學雷射在物理、化學和生物等學科的基礎研究和套用研究中有著重大的作用。例如，雷射引發核聚變是一些國家正在致力研究的一項重大課題，並已取得許多進展。雷射分離鈾同位素已進入中間試驗階段。雷射在光學、光譜學、化學和生物學等研究中所起的作用，是傳統光源所無法達到的。雷射套用於工業、農業、軍事、醫學等方面，也已取得許多成績。
中國從1958年開始微波激射器的研究，器件已具有一定水平。雷射的研究始於60年代初，以後開展了從基礎到套用範圍廣泛的研究工作，已能生產多種類型的雷射器件。在電子學的套用方面，已有十多條光纖通信現場試驗和試用線，雷射測距儀和雷射經緯儀的使用已取得成果，光碟的研製已達到一定的水平。雷射在其他學科方面的基礎研究和套用研究已較普遍地展開，在國民經濟各部門已經開始廣泛套用。
