一种实现THz波无粒子数反转光放大的方法

摘要

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。

权利要求

1.一种实现THz波无粒子数反转光放大的方法，其特征在于，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原本在基态下能级的粒子固定在基态能级上；

而上能级激发态粒子在受到入射的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。

2.根据权利要求1所述的一种实现THz波无粒子数反转光放大的方法，其特征在于，所述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具体为：根据放大的THz波频率选择或构造一个三能级系统，包括：基态能级G、激发态能级E以及观测能级O；

通过高重复频率观测三能级系统，抑制由基态能级G向上能级E的受激吸收。

3.根据权利要求2所述的一种实现THz波无粒子数反转光放大的方法，其特征在于，所述上能级E的粒子在受到入射的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光子具体为：向基态能级G和激发态能级E构成的二能级系统注入需要放大的THz信号光，利用激发态能级E上原有的束缚电子的受激辐射实现THz波放大。

4.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的一种实现THz波无粒子数反转光放大的方法，其特征在于，所述方法还包括：对信号THz波进行交错分段，相邻两段进入不同的放大系统，分别放大，再将经过各自放大系统后的THz波在耦合器中合束。

说明书

一种实现THz波无粒子数反转光放大的方法

技术领域

[0001] 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

[0002] 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。

[0003] 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。

[0004] 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。

[0005] 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。

[0006] 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[1]种光驱动的THz波放大器 ；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。

[0007] 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。

[0008] 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。

[0009] 这种手段就是基于量子观测原理和Zeno效应，用高重复频率的光脉冲“看住”基态上的粒子，把粒子“固定”在基态能级上，不让处于基态能级的粒子吸收THz光子跃迁到上能级，只允许上能级粒子在受到入射的THz光子(即需要放大的THz波)扰动的时候，通过受激辐射过程跃迁到下能级，并产生一个与入射THz光子一模一样的相干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。其实就是利用量子Zeno效应来抑制受激吸收从而实现THz波放大。

[0010] B.Misra和E.C.G.Sudarshan首先从理论上预言了量子Zeno效应的存在[2]。他们证明了：观测将抑制量子状态的演化。亦即，频繁的观测将把量子体系“冻结”在它的初态上，抑制或阻止它向其他本征态跃迁。这一现象的出现是基于量子力学的测量理论，即，量子力学的测量是初态的制备。量子力学测量理论告诉我们，在量子力学中对某一物理量的测量观测，事实上包含着三重含义：首先，测量就是用与该物理量相对应的力学算符的一系列本征态对被测量子系统的状态进行本征谱分解；其次，被测系统的状态向(分解的)某一本征态转化，这就是波包的塌缩(当然，如果被测的态本来就是被测力学量的一个本征态，这种塌缩就不会发生)；最后，对经过测量操作系统转化后的态(无论经过塌缩与否)而言，以该时刻为起始时刻再继续进行演化，这就是所谓的初态的制备[3]。

[0011] 如果两次测量的间隔很小，在前一次测量后的很短时间内，系统发生演化的概率就很小，此时立马进行第二次测量，就会有很大的概率使系统塌缩回初态，此时，系统的演化就因为频繁的观测而被抑制了。这就是Zeno效应。

[0012] 通过前文的分析可以看出，为了实现无粒子数反转的光放大，最核心的内容是要抑制由基态能级G向激发态能级E的受激吸收，Zeno效应要通过高频的观测来抑制基态能级G的演化进而限制受激吸收。本发明实施例即为一种利用Zeno效应实现无粒子数反转光放大的方法。

[0013] 由于Zeno效应的实现需要高频的观测，而以往的激光技术并不能满足这一要求，所以使这种方法一直无法实现，也没有被相关的研究人员提出。但是随着微波光子技术的发展，目前在实验室中已经可以产生重复频率极高的脉冲光源，有可能达到实现Zeno效应需要的高频测量条件，所以本发明针对这一效应提出了一种基于量子Zeno效应的无粒子数反转THz波放大方法。

发明内容

[0014] 本发明提供了一种利用量子Zeno效应实现THz波无粒子数反转光放大的方法，本发明基于量子观测原理和Zeno效应，用高重复频率的光脉冲将处于基态的粒子固定在基态能级上；而处于激发态的粒子通过受激辐射过程，由上能级跃迁到下能级，实现THz波无粒子数反转光放大，详见下文描述：

[0015] 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：

[0016] 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；

[0017] 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；

[0018] 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。

[0019] 其中，所述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具体为：

[0020] 根据放大的THz波频率选择或构造一个三能级系统，包括：基态能级G、激发态能级E以及观测能级O；

[0021] 选择高重复频率的光脉冲观测这个三能级系统，抑制处于基态G的粒子由基态能级G向上能级E的受激吸收。

[0022] 进一步地，所述处于上能级E的粒子，在受到入射的THz光子扰动时，通过受激辐射跃迁到下能级G，并产生一个与入射THz光子相同的相干THz光子具体为：

[0023] 向这个三能级系统注入需要放大的THz信号光，且THz信号光的光子能量等于基态能级G和激发态能级E的二能级间隔，利用激发态能级E上原有的束缚电子的受激辐射实现THz信号光的功率放大。

[0024] 其中，所述方法还包括：

[0025] 对信号THz信号光波进行交错分段，相邻两段进入不同的放大系统，分别放大，再将经过各自放大系统后的THz波在耦合器中合束，从而实现对所有时段的输入信号进行实时放大的作用。

[0026] 本发明提供的技术方案的有益效果是：

[0027] 1、本发明为无法采用传统的激光三能级或激光四能级的光放大方法的THz波段的电磁波提供了一种无粒子数反转放大的途径；

[0028] 2、由于本方法中激发态能级E上的电子来源于平衡态的玻尔兹曼分布效应，不需要额外的泵浦源，所以从光放大的角度看，该方法节约能耗；

[0029] 3、本方法对观测光源的光子能量大小没有更多苛刻的要求，因此可以在比较宽的波段范围内灵活地选择观测光源的波长；

[0030] 4、本方法对于信号光和观测光的相干性要求较低，容易实现；利用能级结构中的束缚电子进行放大，便于选择放大的增益介质。

附图说明

[0031] 图1为实现Zeno效应的三能级系统示意图，三能级分别指二能级结构中的能级E和能级G(分别对应上能级和下能级，分别标识为能级2和能级1)，以及观测能级O；

[0032] 图2为观测光脉冲时序的示意图；

[0033] 图3为两套放大系统的结构和时序示意图；

具体实施方式

[0034] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

[0035] 由于本发明实施例是利用束缚电子的能级结构进行放大，所以先构造一个如图1所示的三能级系统：

[0036] 其中，能级1为下能级，一般选粒子系统的基态能级G作为能级1，能级2为上能级，也是激发态能级E，这两个能级的能级间隔对应着需要放大的THz波段，接下来需要被抑制的能级跃迁就是从能级1向能级2的受激吸收跃迁。能级3是用来辅助进行观测的能级，记为能级O；能级O只能与能级1之间发生跃迁，而不能与能级2发生跃迁。

[0037] 假设从能级2向能级1的自发辐射能够被忽略。如果在初始时刻t＝0时，电子处于能级1；对能级1与能级2构成的E-G二能级系统注入一束THz信号光，即频率为 的单一谐振THz光波，那么二能级系统就会处于一个依照拉比振荡演化的叠加态，观测时会有一定的概率处于能级1或能级2，假设在t时刻，P1(t)和P2(t)为系统处于能级1和能级2的概率，那么P1、P2随时间演化的规律为：

[0038] P1(t)＝cos2(Ωt/2)

[0039] P2(t)＝sin2(Ωt/2)

[0040] 其中，Ω为拉比频率。如果在t＝0后的很短时间内进行观测，即：Ωt＜＜1时进行2 2
观测，那么：P1(t)≈1，P2(t)≈Ωt/4＜＜1。所以简单来说，如果每次观测都是在系统开始演化后，也就是上一次观测结束后很短时间内进行的，就可以使多次观测后系统依然处于初态的概率约为1。

[0041] 由于能级3只能向能级1跃迁，那么对于系统的观测就是通过利用频率为的观测光脉冲操控能级1与能级3之间的跃迁来实现的，这一脉冲可以使依概率在能级1与能级2之间弥散的波函数坍缩(由于能级3比能级2更高，那么在自然的玻尔兹曼分布情况下，电子处于能级3的概率是很低的，可以认为电子只在能级1与能级2之间弥散)，在没有进行观测时，系统依概率P1(t)、P2(t)处于能级1或能级2。如果粒子处于能级1，在外加观测光脉冲的作用下，粒子就会在能级1和能级3之间跃迁，吸收光脉冲的光子并辐射相应的光子(将这个辐射光子称为光子λ，这个光子λ的光子能量与入射于量子系统的观测光的光子能量相同，但是其他参量不同，比如角动量不同，可以用对角动量的测量来确定该光子是否是λ光子。)直到光脉冲结束。如果电子处于能级2，由于该能级并不能与能级3发生跃迁，那么就不会有光子λ发射出来。因此就可以通过对辐射光子λ的探测来实现对能级的观测，如果有辐射光子λ，那么电子就处于能级1，否则，电子处于能级2，而且这种观测是间接的测量，并没有直接观测能级1或2，同时对于辐射光子λ的探测可以不是实时的，所以这种观测也是一种无干扰测量，并不会给系统引入不确定度，导致随着观测次数的增多，观测越来越不准确。在观测的过程中，由于观测依靠对辐射光子λ的探测，那么观测脉冲持续的时间应当至少大于电子跃迁需要的时间。在观测结束后，如果电子观测时处于能级1，经过观测光的泵浦和受激辐射后还会回到能级1，如果观测时位于能级2，就会因为缺少泵浦而固定在这一能级。这一过程也就是之前说过的测量对于初态的制备，接下来系统就会继续按照上述过程演变，并不断循环这一过程，由于系统只能在两次观测的间隔内演化，所以只要两次观测的时间间隔足够小，也就是观测足够频繁，就可以使两次观测的结果趋近于一致。

[0042] 具体来说，在E-G二能级系统的一个拉比周期T＝π/Ω内进行n次观测，每次观测脉冲的持续时间远小于观测的间隔。信号光与观测光的具体时序如图2所示。

[0043] 假设在初始时刻，也就是t＝0时，电子位于能级1。在施加了信号光脉冲后，如果没有注入观测光脉冲，在t＝T时，根据拉比振荡的原理，可以知道，此时，电子位于能级2的概率为：P2(T)＝sin2(π/2)＝1。之后，考虑施加了观测光的情况，在时刻t＝kT/n＝kπ/(nΩ)(此处k＝1,…,n)分别进行n次观测，经过计算可以得到对于很大的n：

[0044]

[0045] 显然，随着观测次数的增加，在时刻t＝T，电子从能级1通过受激吸收跃迁到能级2的概率急剧减小，直到逐渐趋近于零。说明频繁地观测可以有效地抑制受激吸收过程。

[0046] 接下来考虑增益的效果，在没有粒子数反转时，当一束激光通过增益介质，增益介质中的原子有可能会发生受激吸收和受激辐射两种跃迁过程，在没有泵浦的热平衡状态下，由于两种跃迁是平衡的，不会产生光放大(这里忽略了自发辐射过程)。假设光放大介质中有100个原子，100个光子进入系统，由于受激辐射与受激吸收的平衡，系统依然输出100个光子。在存在n次观测时，一个拉比周期后，所有原子都会发生受激辐射，却只有100P2(T)个原子发生受激吸收，所以会输出100+100(1-P2(T))个光子，那么增益系数为：

[0047] g＝2-P2(T)

[0048] 随着n的增大，增益系数从1向2逐渐变大，可以看到，在经过一个拉比周期后，信号光脉冲被放大了。而如果增益介质中的原子数远远多于光子数，那么通过增益介质的光子就会在前进的过程中不断被放大，产生新的光子，这些新的光子也能在其后的介质中继续被不断地放大，从而实现更高的增益效果。

[0049] 在上文提到过的两路放大系统则如图3所示。信号光交错分段后分别进入系统1和系统2，系统1在时间t1～t2，时间t3～t4，……，进行放大，系统2在时间t2～t3，时间t4～t5，……，进行放大，之后再合束得到实时放大后的信号光。

[0050] 在利用量子Zeno效应实现THz波无粒子数反转光放大的具体操作中，最为重要的就是要确定好观测光具体的重复频率。下面以一个原子体系为例，计算相应的重复频率，假设THz波对应的基态能级G和激发态能级E的波函数分别为ψ1、ψ2，外加信号光(需要放大的THz光信号)的电场在x方向。那么，基态能级G与激发态能级E进行拉比振荡的频率Ω为：

[0051]

[0052] 其中，为普朗克常数，E0为信号光的电场强度，eX12为电偶极矩，V为体积元，X为电子之间的距离在x方向的投影，对于一束功率为p的连续波信号光来说，其功率与电场强度之间的关系为：

[0053]

[0054] 其中，r为高斯光束的束腰半径(THz信号光的光斑半径)，c为光速，ε0为真空中的介电常数，n0为大气中的折射率，设为1。

[0055] 将 带入，又因为观测光的重复频率为：

[0056] f＝nΩ/π

[0057] 所以：

[0058]

[0059] 方程中f为描述观测光重复频率的参数，p和r是描述驱动拉比振荡的信号光(需要放大的THz光信号)的参数，X12为描述三能级系统的参数，n为观测次数，将这些参数以外的常量统一后，化简上式可得：

[0060]

[0061]

[0062] 接下来对上式进行分析，首先f∝X12，其中 由于对于不同的单电子能级系统来说X的值是相同的，所以不会改变，不加以考虑，即X12只随ψ1、ψ2变化。因为在原子的能级系统中，本征能级波函数的一般表达式为：

[0063]

[0064] 根据氢原子的Rnl(r)、 函数的表达式可以发现，随着能级间隔的减小需要的拉比振荡的频率是增加的，这与本发明对位于高能级的粒子的能级寿命较短且更加不稳定的认识是相同的，所以这一项对Zeno效应的实现是不利的。但是在其他不同类型的能级系统中，波函数会有着不同的表达式，需要根据具体量子体系的情况来确定在相应的能级结构中的拉比振荡频率。同时，也还可以通过改变其他的参数来使观测频率尽量维持在百GHz左右，以便能够用现有的激光技术实现这样的脉冲光源。

[0065] 之后，是f∝n，n为一个拉比周期内的观测次数。由上述对Zeno效应的分析可知，随着n的增大，观测对能级间跃迁的抑制效果越好，当观测次数达到64次时，受激吸收能够实现的概率已经被抑制到了0.0371，即每100个原子中只有3.7个会发生受激吸收，此时，已经能够在很大程度上实现对受激吸收的抑制作用，而在一个拉比周期后，所有的电子都可以从高能级E向低能级G跃迁，而这些在跃迁到低能级G后没有通过受激吸收回到高能级E的电子都为信号光的放大做出了贡献，产生光放大作用，并且增益系数为g＝2-P2(T)。不过，在具体情况中应该考虑观测光的重复频率能否实现，以及观测光存在的时间至少应大于观测能级O的弛豫时间，所以应该具体情况具体考虑，不能刻意地追求高观测次数。

[0066] 接着，考虑 显然，信号光的能量越低，需要的观测光的重复频率也越低，由此可知，在利用Zeno效应产生的光放大中，所谓的量子观测不是观测系统的能量，是其他物理量，比如角动量，所以放大作用对信号光功率的依赖性相对较低，可以很好地节约能量，减少THz激光器的能源消耗，也能让THz激光器的发热不至于过高，甚至能够使THz激光器摆脱对低温环境的依赖。

[0067] 最后是其他项对观测光重复频率f的影响，由于其他项的具体数值是与观测光束几何参数相关的，由提供观测光的激光器决定，不容易改变，所以不加以考虑。

[0068] 参考文献

[0069] [1]Mineo M(Invited Paper)Design and Fabrication of a 1THz Backward Wave Amplifier[J].Terahertz Science&Technology,2011,4:149-163.

[0070] [2]Misra B,Sudarshan E C G.The Zeno paradox in quantum theory[J].Journal of Mathematical Physics,1977,18(4).

[0071] [3]张永德.潘建伟.量子Zeno效应新论[J].大学物理,1995(7).

[0072] [4]Itano W M,Heinzen D J，Bollinger J J,et al.Quantum Zeno effect[J].Physical Review A，1990,41:2295.

[0073] 本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

[0074] 本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

[0075] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。