[發明專利]一種實現THz波無粒子數反轉光放大的方法

有效

• 申請號: 201910540767.6
• 申請日: 2019-06-21
• 公開（公告）號: CN110212395B
• 公開（公告）日: 2020-09-08
• 發明（設計）人: 董海浩;楊天新;葛春風
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H01S1/02
• 分類號: H01S1/02
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 李林娟

本發明公開了一種實現THz波無粒子數反轉光放大的方法，所述方法基于量子Zeno效應，該方法包括以下步驟：基于量子觀測原理和Zeno效應，用高重復頻率的光脈沖將粒子固定在基態能級上；上能級粒子在受到入射的THz光子擾動時，通過受激輻射躍遷到下能級，并產生一個與入射THz光子相同的相干THz光子；從而實現THz光子的復制和光子數的倍增，進而實現放大THz波功率的目的。本發明為無法采用傳統的三能級或四能級激光放大方法的THz頻率激光提供了一種無粒子數反轉放大的途徑。

技術領域

本發明涉及高頻(2～3THz)連續電磁波功率放大技術領域，尤其涉及一種實現THz波無粒子數反轉光放大的方法。

背景技術

THz波的頻率在0.1THz到10THz之間(波長在0.03mm到3mm之間)在光譜上位于微波與紅外波之間，雖然微波技術與紅外波技術的研究已經十分成熟，但位于二者之間的THz波的研究尚在起步階段，可是因為THz波優越的物理性質和相應的光電技術的進展使THz波的研究在近年來成為熱門，人們不斷地將很多在微波和紅外波段發展成熟的技術移植到THz波段。

例如，在近紅外波段的光通信的發展歷史中，光纖放大器的發明起著至關重要的作用，可以實現無中繼光電轉換的直接光信號放大，突破了電子瓶頸，導致光通信改變了人們的生活、工作，甚至思維方式。因此在THz波段實現THz通信就成為了人們追逐的下一個目標，但是由于缺少有效的THz波放大器，使得THz通信無法實現無中繼放大，嚴重限制了THz波通信的距離和應用范圍。

由于THz波所處頻段的特殊性質，目前有兩種途徑可以實現THz波放大：一種是從電學的微波技術出發，利用半導體全固態器件中的導帶電子或真空波紋管中的自由電子實現THz波的功率放大；另一種是從激光技術出發，利用固體材料中的束縛電子從激發態向基態躍遷釋放光子的受激輻射過程，實現THz波的功率放大。但是現實情況是，利用第一種技術方案，人們只實現了頻率小于1THz的THz波的放大；而第二種技術方案，雖然是光域中是最常見的光放大機制，但是在THz波段卻無法實現。所以雖然人們成功地研制出了很多產生THz波的方法和器件，但是THz波放大器卻是鳳毛麟角。現在THz放大技術已經成為阻礙THz通信的瓶頸，必須另辟蹊徑，開展對THz波放大技術和器件的研究，重點針對第二種放大機理——用束縛電子實現THz波放大的方法和技術。

但是由于THz波對應的能級間隔很窄，相應的激發態能級E的能級壽命很短，因此電子在兩個能級之間的躍遷十分頻繁，難以控制，所以無法應用常規的“激光三能級系統”或“激光四能級系統”理論，在產生激光躍遷的上、下能級之間實現粒子數反轉，從而實現光放大的必要條件。所以至今也沒有見到通過束縛電子在不同能級之間的受激輻射實現THz波放大的成功報道。

目前關于THz波放大的公開報道非常少，2011年，歐洲學者在碳納米管中發明了一種光驅動的THz波放大器^[1]；2016年，美國DARPA公布了一種行波管THz波放大器。但是上述兩種放大器都是利用波導中的自由電子對THz波進行放大，要求器件有很高的電子遷移率，對器件的增益介質要求也十分苛刻，故沒有得到進一步的推廣。

因此，現在仍然沒有一種有效的利用束縛電子的THz波放大器。

利用能級結構中的束縛電子進行光放大的關鍵之處是必須通過某種方法使受激輻射大于受激吸收，使增益大于損耗，從而實現電磁波的能量放大。由于在能級間隔很小的二能級結構中通過粒子數反轉(即使上能級粒子數大于下能級粒子數)、使受激輻射大于受激吸收的條件難以實現，所以本發明實施例從另一種角度出發，通過某種手段，抑制受激吸收過程，同樣可以使受激輻射大于受激吸收，使增益大于損耗來實現電磁波的能量放大。