[发明专利]一种实现THz波无粒子数反转光放大的方法

说明书

本发明公开了一种实现THz波无粒子数反转光放大的方法，所述方法基于量子Zeno效应，该方法包括以下步骤：基于量子观测原理和Zeno效应，用高重复频率的光脉冲将粒子固定在基态能级上；上能级粒子在受到入射的THz光子扰动时，通过受激辐射跃迁到下能级，并产生一个与入射THz光子相同的相干THz光子；从而实现THz光子的复制和光子数的倍增，进而实现放大THz波功率的目的。本发明为无法采用传统的三能级或四能级激光放大方法的THz频率激光提供了一种无粒子数反转放大的途径。

技术领域

本发明涉及高频(2～3THz)连续电磁波功率放大技术领域，尤其涉及一种实现THz波无粒子数反转光放大的方法。

背景技术

THz波的频率在0.1THz到10THz之间(波长在0.03mm到3mm之间)在光谱上位于微波与红外波之间，虽然微波技术与红外波技术的研究已经十分成熟，但位于二者之间的THz波的研究尚在起步阶段，可是因为THz波优越的物理性质和相应的光电技术的进展使THz波的研究在近年来成为热门，人们不断地将很多在微波和红外波段发展成熟的技术移植到THz波段。

例如，在近红外波段的光通信的发展历史中，光纤放大器的发明起着至关重要的作用，可以实现无中继光电转换的直接光信号放大，突破了电子瓶颈，导致光通信改变了人们的生活、工作，甚至思维方式。因此在THz波段实现THz通信就成为了人们追逐的下一个目标，但是由于缺少有效的THz波放大器，使得THz通信无法实现无中继放大，严重限制了THz波通信的距离和应用范围。

由于THz波所处频段的特殊性质，目前有两种途径可以实现THz波放大：一种是从电学的微波技术出发，利用半导体全固态器件中的导带电子或真空波纹管中的自由电子实现THz波的功率放大；另一种是从激光技术出发，利用固体材料中的束缚电子从激发态向基态跃迁释放光子的受激辐射过程，实现THz波的功率放大。但是现实情况是，利用第一种技术方案，人们只实现了频率小于1THz的THz波的放大；而第二种技术方案，虽然是光域中是最常见的光放大机制，但是在THz波段却无法实现。所以虽然人们成功地研制出了很多产生THz波的方法和器件，但是THz波放大器却是凤毛麟角。现在THz放大技术已经成为阻碍THz通信的瓶颈，必须另辟蹊径，开展对THz波放大技术和器件的研究，重点针对第二种放大机理——用束缚电子实现THz波放大的方法和技术。

但是由于THz波对应的能级间隔很窄，相应的激发态能级E的能级寿命很短，因此电子在两个能级之间的跃迁十分频繁，难以控制，所以无法应用常规的“激光三能级系统”或“激光四能级系统”理论，在产生激光跃迁的上、下能级之间实现粒子数反转，从而实现光放大的必要条件。所以至今也没有见到通过束缚电子在不同能级之间的受激辐射实现THz波放大的成功报道。

目前关于THz波放大的公开报道非常少，2011年，欧洲学者在碳纳米管中发明了一种光驱动的THz波放大器^[1]；2016年，美国DARPA公布了一种行波管THz波放大器。但是上述两种放大器都是利用波导中的自由电子对THz波进行放大，要求器件有很高的电子迁移率，对器件的增益介质要求也十分苛刻，故没有得到进一步的推广。

因此，现在仍然没有一种有效的利用束缚电子的THz波放大器。

利用能级结构中的束缚电子进行光放大的关键之处是必须通过某种方法使受激辐射大于受激吸收，使增益大于损耗，从而实现电磁波的能量放大。由于在能级间隔很小的二能级结构中通过粒子数反转(即使上能级粒子数大于下能级粒子数)、使受激辐射大于受激吸收的条件难以实现，所以本发明实施例从另一种角度出发，通过某种手段，抑制受激吸收过程，同样可以使受激辐射大于受激吸收，使增益大于损耗来实现电磁波的能量放大。