全光纖型光波粒二象性測量裝置的製作方法

2023-05-27 02:09:56

專利名稱：全光纖型光波粒二象性測量裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種測量光波粒二象性的裝置，實現對光波粒二象性的驗證和觀察，屬於光 信息技術領域。
背景技術：
人們對光本性的思考，應該說是從十七世紀開始的，兩個尖銳矛盾的學說並存。 一方面 是，以牛頓為代表的一些人提出了光的微粒本質，認為光是按照慣性定律沿直線飛行的微粒 流。另一方面，惠更斯提出了光的波動本質，認為光是在一種特殊彈性介質中傳播的機械波。 經過十七、十八世紀的研究，對光本性認識的突破發生在十九世紀六十年代，麥克斯韋在前 人的基礎上，建立了光的電磁理論，大量的無可辯駁的事實也證明了光是一種電磁波。對光 本性的認識算是有了一個階段性的定論。時至1905年，愛因斯坦發展了光的量子理論並且成 功地解釋了光電效應。至此，光的本性又引起了人們的重新思考，粒子性、波動性的爭論又擺在了科學家面前。近現代眾多的實驗對這個問題的回答是對於光的本性，只能根據它所表現出來的性質和規律來判定。某些方面的行為像經典的波動，某些方面的行為像經典的粒子。因此光的本性就概括為波粒二象性。與人認識自然界其他事物的本質相似，對光的本 性認識也需要一個觀察測量裝置。在現有的實驗設備中，單光子源的研究巳日趨成熟，並且 有各種各樣的製備方法。但是，對光本性認識的測量裝置，這方面研究的較少，目前尚無專 利涉及。發明內容本發明的目的在於設計一種結構簡單、易於構建、抗幹擾性強、易於觀察測量結果的光波粒二象性的觀測裝置。裝置是由單光子源、光環型器、X型光分路/合路器依次連接而成，另外再配以兩個單光子探測計數器，實現光波粒二象性的觀察測量。其物理基礎是測量粒 子性時，利用了光子經X型光分路/合路器時的路徑隨機選擇特性，突出顯示經典粒子運動軌道、軌跡的特徵；測量波動性時，利用了 Sagnac幹涉儀，光子在X型光分路/合路器再次相 遇時的疊加相干特性，突出顯示經典波的幹涉特徵。廣泛用於光波粒二象性觀測、單光子源 性能檢測等領域。為了達到上述目的，本發明採取如下技術方案。全光纖型光波粒二象性測量裝置包括依次連接的單光子源1、光環型器2、 X型光分路/合路器3。其中單光子源1的輸出端連接光環型器2的同向輸入端2a，光環型器2的同向 輸出端2b連接X型光分路/合路器3的尾纖埠 3a，光環型器2的反向輸出端2c、 X型 光分路/合路器3的尾纖埠 3b可同時懸空，也可同時分別連接單光子探測計數器A、 B; X型光分路/合路器3的尾纖埠 3c、 3d可同時分別接單光子探測計數器A、 B，也可直接 相連接。所述的全光纖型光波粒二象性測量裝置，測量光子的波動性時，X型光分路/合 路器3的尾纖埠3c、 3d直接連接而構成環型光路，光環型器2的反向輸出端2c、 X 型光分路/合路器3的尾纖埠3b分別接單光子探測計數器A、 B;測量光子的粒子性 時，X型光分路/合路器3的尾纖埠 3c、 3d分別連接單光子探測計數器A、 B,光環 型器2的反向輸出端2c、 X型光分路/合路器3的尾纖埠 3b可懸空，此時對K B的 輸出做符合觀測，若符合計數為零，則輸入的是單光子信號，也即說明A、 B不會在同 一個時刻探測到光子。所述的發送方的單光子源1可以是真單光子源也可以是由衰減雷射光脈衝而獲 得的近似單光子源。所述的X型光分路/合路器3的分光比是50: 50。本發明的優勢在於-1. 裝置結構簡單、易於構建該裝置的儀器構成僅包括單光子源、光環型器、X型光分路/合路器依次連接而成， 另外再配以兩個單光子探測計數器。其中各器件都是尾纖輸入、輸出，光路的連接、 校準很容易。2. 對稱結構，抗幹擾性強在觀測光的波動性時，所用的幹涉儀是將X型光分路/合路器的同側兩根尾纖直接相 連，構成Sagnac幹涉儀，巧妙地採用了 Sagnac幹涉儀的易構建性和穩定性，因為相 幹涉的個光脈衝走的路徑完全相同，能很容易的拚棄來自外界環境的幹擾。3. 易於操作，現象明顯 觀察光的波動性和粒子性唯一不同的是將單光子探測計數器接到不同的尾纖埠，僅 僅是擰擰光纖連接器，操作非常容易。在觀察測量波動性和粒子性的差異時，也僅是 讀讀單光子探測計數器的示數，兩種情況下的實驗現象差別大，所以很容易從實驗現 象上觀察到光所表現出的不同性質。


圖l全光纖型光波粒二象性測量裝置基本組成示意圖。圖2單光子粒子性的測量結果圖。圖面說明1— 一單光子源2——光環型器2a——光環型器的同向輸入端 2b——光環型器的同向輸出端 2c——光環型器的反向輸出端3——50: 50X型光分路/合路器3a、 3b、 3c、 3d——X型光分路/合路器的尾纖埠 A、 B——單光子探測計數器具體實施例下面結合附圖和具體實施例對本裝置進行詳細地說明 按照圖1製作一臺全光纖型光波粒二象性測量裝置，其部件選用如下單光子源的產生採用信號發生器Systron Donner IIOD型脈衝發生器，產生TTL信號， 頻率lMHz，驅動脈衝半導體雷射器，波長850nm，脈衝寬度小於100ns，平均功率約50(aW，尾 纖輸出至可調光衰減器(機械可調及法蘭式衰減器組成，)，0C-60型，整個可調範圍15—100 dB，精度O. ldB。將衰減量調至約80dB，光脈衝經衰減器後，達到平均每十個脈衝含有一個 光子，這樣可近似地看為單光子源。單光子源l的輸出端接光環型器2的同向輸入端2a，光 環型器2的同向輸出端2b接X型光分路/合路器3的尾纖埠 3a。將單光子探測計數器A、 B分別連接到X型光分路/合路器3的尾纖埠3c、 3d，可用來 觀察測量光的粒子性，分兩步完成。第一步，對於同一時刻由3a埠耦合進來的單光子，其 只能是選擇3c或者3d輸出，產生的結果是單光子探測計數器A、 B的探測是互補的，即或A 有計數，或B有計數，兩者不能同時有計數，進而說明單光子特性。第二步，對於相同時間 段內的計數積累，兩者的計數量應是相同的，進而說明單光子在X型光分路/合路器路徑隨機 選擇特性。第二步任務的完成相對簡單，觀察探測器的計數，可看到兩個探測器的計數均為5000 個/每秒，說明了光子在X型光分路/合路器3概率均等的選擇了 3c出口、 3d任務相當於是檢驗單光子源的品質，即每個含有光子的脈中含有光子的個數，將單光子探測 器計數器A、 B的輸出分別接入到時幅轉換儀(EG&G 0rtec公司567型，作用是將時間差轉 化為相應的電壓幅度)的START、 STOP埠，並在接入STOP埠的鏈路中加2. 5ps的延時， 時幅轉換儀的分析時間範圍設為5ps。時幅轉換儀的輸出接入到多道分析儀的輸入埠。時 幅轉換儀接收到START信號後，立即處於工作狀態，等待在分析範圍內到來的STOP信號，STOP 信號包括有效的光信號以及探測器的暗計數(暗噪聲)。若在分析時間內沒有STOP信號的到 來，就恢復原狀態，等待START信號的到來，且不輸出任何信號。若在分析時間內有STOP信 號的到來，就輸出幅度與開始信號至結束信號時間差成正比的一個脈衝電平信號，在一個分 析時間範圍內，輸出一個電平信號。將此信號輸入到多道分析儀(設定量程為4096道)，不 同幅度的電平顯示在不同的道址上。經過時間積累，就可在多道分析儀的界面上看到如附圖 2所示的圖形。從圖2上可以看出，除了本底的背景外，在大約400道、1200道、2800道、3600道， 出現了 START信號與STOP信號的符合峰。本底是由於探測器的暗計數造成的，因為暗計數是 隨機出現的，所以均勻的組成了本底。各個峰值相當於在相對於START信號0.5^is、 1.5ps、 3.5網、4.5ps的時刻光子出現的概率比較大。多道分析儀上每兩個峰的時間間隔應該是脈衝 雷射的周期，但是在大約2000道的道址上出現的峰很低，也就是相對於START信號2. 5ps 的時刻光子出現的概率比較小，因為在接入STOP埠的鏈路中加了 2.5ps的延時，這個時刻 相當於是兩個單光子探測器對同一個光脈衝中光子的響應，因為是單光子源，所以這個道址 上的符合峰應該沒有了。但是還可隱約的看到峰，是因為對於衰減的單光子源，在含有光子 的光脈衝中，多光子脈衝(含兩個或兩個以上光子)出現的概率的約是5%。若將單光子探測計數器A、 B分別連接到光環型器2的反向輸出端2c、 X型光分路/合路 器3的尾纖埠 3b，同時將X型光分路/合路器3的尾纖埠 3c、 3d直接連接而構成環型光 路，這個環型光路就是Sagnac幹涉儀，對於分光比為50: 50的X型光分路/合路器，根據光 的波動理論，光子僅出現在尾纖埠 3a。實驗上觀察到的實驗現象是計數器A的計數率約104 個/秒，而計數器B幾乎沒有計數量(每秒幾十個以內，為單光子探測器的暗計數)進而說明 了光的波動性。
權利要求
1. 全光纖型光波粒二象性測量裝置其特徵在於包括依次連接的單光子源1、光環型器2、X型光分路/合路器3。其中單光子源1的輸出端連接光環型器2的同向輸入端2a；光環型器2的同向輸出端2b連接X型光分路/合路器3的尾纖埠3a；光環型器2的反向輸出端2c、X型光分路/合路器3的尾纖埠3b可同時懸空，也可同時分別連接單光子探測計數器A、B；X型光分路/合路器3的尾纖埠3c、3d可同時分別連接單光子探測計數器A、B，也可直接相連接。
2. 如權利要求(1)的所述的全光纖型光波粒二象性測量裝置其特徵在於單光子 源1可以是真單光子源也可以是由衰減雷射光脈衝而獲得的近似單光子源。
3. 如權利要求(1)的所述的全光纖型光波粒二象性測量裝置其特徵在於X型光 分路/合路器3分光比是50: 50。
4. 如權利要求(1)的所述的全光纖型光波粒二象性測量裝置其特徵在於測量光 的波動性時，將X型光分路/合路器3的尾纖埠 3c、 3d直接相連接，光環型器2的反向 輸出端2c、 X型光分路/合路器3的尾纖埠 3b尾纖埠同時分別連接單光子探測計數器 A、 B;觀測光的粒子性時，將X型光分路/合路器3的尾纖埠 3c、 3d分別連接單光子探 測計數器A、 B，同時將單光子探測計數器A、 B的輸出信號做符合觀測。
全文摘要
本發明涉及一種測量光波粒二象性的裝置，實現對光波粒二象性的驗證和觀察。提出了一種結構簡單、易於構建、抗幹擾性強、易於觀察測量結果的光波粒二象性的觀測裝置。該裝置由單光子源、光環型器、X型光分路/合路器依次連接構成，另外再配以兩個單光子探測計數器。其物理基礎是測量粒子性時，利用了光子經X型光分路/合路器時的路徑隨機選擇特性，突出顯示經典粒子運動軌道、軌跡的特徵；測量波動性時，利用了Sagnac幹涉儀，光子在X型光分路/合路器再次相遇時的疊加特性，突出顯示經典波的幹涉特徵。
文檔編號G01J11/00GK101281064SQ20081011420
公開日2008年10月8日 申請日期2008年6月2日 優先權日2008年6月2日
發明者麗 於, 馬海強 申請人:北京郵電大學