全光纤型光波粒二象性测量装置

摘要

本发明涉及一种测量光波粒二象性的装置，实现对光波粒二象性的验证和观察。提出了一种结构简单、易于构建、抗干扰性强、易于观察测量结果的光波粒二象性的观测装置。该装置由单光子源、光环型器、X型光分路/合路器依次连接构成，另外再配以两个单光子探测计数器。其物理基础是：测量粒子性时，利用了光子经X型光分路/合路器时的路径随机选择特性，突出显示经典粒子运动轨道、轨迹的特征；测量波动性时，利用了Sagnac干涉仪，光子在X型光分路/合路器再次相遇时的叠加特性，突出显示经典波的干涉特征。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量光波粒二象性的装置，实现对光波粒二象性的验证和观察，属于光信息技术领域。

背景技术

人们对光本性的思考，应该说是从十七世纪开始的，两个尖锐矛盾的学说并存。一方面是，以牛顿为代表的一些人提出了光的微粒本质，认为光是按照惯性定律沿直线飞行的微粒流。另一方面，惠更斯提出了光的波动本质，认为光是在一种特殊弹性介质中传播的机械波。经过十七、十八世纪的研究，对光本性认识的突破发生在十九世纪六十年代，麦克斯韦在前人的基础上，建立了光的电磁理论，大量的无可辩驳的事实也证明了光是一种电磁波。对光本性的认识算是有了一个阶段性的定论。时至1905年，爱因斯坦发展了光的量子理论并且成功地解释了光电效应。至此，光的本性又引起了人们的重新思考，粒子性、波动性的争论又摆在了科学家面前。近现代众多的实验对这个问题的回答是：对于光的本性，只能根据它所表现出来的性质和规律来判定。某些方面的行为像经典的波动，某些方面的行为像经典的粒子。因此光的本性就概括为：波粒二象性。与人认识自然界其他事物的本质相似，对光的本性认识也需要一个观察测量装置。在现有的实验设备中，单光子源的研究已日趋成熟，并且有各种各样的制备方法。但是，对光本性认识的测量装置，这方面研究的较少，目前尚无专利涉及。

发明内容

本发明的目的在于设计一种结构简单、易于构建、抗干扰性强、易于观察测量结果的光波粒二象性的观测装置。装置是由单光子源、光环型器、X型光分路/合路器依次连接而成，另外再配以两个单光子探测计数器，实现光波粒二象性的观察测量。其物理基础是：测量粒子性时，利用了光子经X型光分路/合路器时的路径随机选择特性，突出显示经典粒子运动轨道、轨迹的特征；测量波动性时，利用了Sagnac干涉仪，光子在X型光分路/合路器再次相遇时的叠加相干特性，突出显示经典波的干涉特征。广泛用于光波粒二象性观测、单光子源性能检测等领域。

为了达到上述目的，本发明采取如下技术方案。

全光纤型光波粒二象性测量装置：包括依次连接的单光子源1、光环型器2、X型光分路/合路器3。其中单光子源1的输出端连接光环型器2的同向输入端2a，光环型器2的同向输出端2b连接X型光分路/合路器3的尾纤端口3a，光环型器2的反向输出端2c、X型光分路/合路器3的尾纤端口3b可同时悬空，也可同时分别连接单光子探测计数器A、B；X型光分路/合路器3的尾纤端口3c、3d可同时分别接单光子探测计数器A、B，也可直接相连接。

所述的全光纤型光波粒二象性测量装置，测量光子的波动性时，X型光分路/合路器3的尾纤端口3c、3d直接连接而构成环型光路，光环型器2的反向输出端2c、X型光分路/合路器3的尾纤端口3b分别接单光子探测计数器A、B；测量光子的粒子性时，X型光分路/合路器3的尾纤端口3c、3d分别连接单光子探测计数器A、B，光环型器2的反向输出端2c、X型光分路/合路器3的尾纤端口3b可悬空，此时对A、B的输出做符合观测，若符合计数为零，则输入的是单光子信号，也即说明A、B不会在同一个时刻探测到光子。

所述的发送方的单光子源1可以是真单光子源也可以是由衰减激光光脉冲而获得的近似单光子源。

所述的X型光分路/合路器3的分光比是50∶50。

本发明的优势在于：

1.装置结构简单、易于构建

该装置的仪器构成仅包括单光子源、光环型器、X型光分路/合路器依次连接而成，另外再配以两个单光子探测计数器。其中各器件都是尾纤输入、输出，光路的连接、校准很容易。

2.对称结构，抗干扰性强

在观测光的波动性时，所用的干涉仪是将X型光分路/合路器的同侧两根尾纤直接相连，构成Sagnac干涉仪，巧妙地采用了Sagnac干涉仪的易构建性和稳定性，因为相干涉的个光脉冲走的路径完全相同，能很容易的拚弃来自外界环境的干扰。

3.易于操作，现象明显

观察光的波动性和粒子性唯一不同的是将单光子探测计数器接到不同的尾纤端口，仅仅是拧拧光纤连接器，操作非常容易。在观察测量波动性和粒子性的差异时，也仅是读读单光子探测计数器的示数，两种情况下的实验现象差别大，所以很容易从实验现象上观察到光所表现出的不同性质。

附图说明：

图1全光纤型光波粒二象性测量装置基本组成示意图。

图2单光子粒子性的测量结果图。

图面说明：

1——单光子源

2——光环型器

2a——光环型器的同向输入端

2b——光环型器的同向输出端

2c——光环型器的反向输出端

3——50∶50X型光分路/合路器

3a、3b、3c、3d——X型光分路/合路器的尾纤端口

A、B——单光子探测计数器

具体实施例：

下面结合附图和具体实施例对本装置进行详细地说明：

按照图1制作一台全光纤型光波粒二象性测量装置，其部件选用如下：

单光子源的产生采用信号发生器Systron Donner 110D型脉冲发生器，产生TTL信号，频率1MHz，驱动脉冲半导体激光器，波长850nm，脉冲宽度小于100ns，平均功率约50μW，尾纤输出至可调光衰减器(机械可调及法兰式衰减器组成，)，OC-60型，整个可调范围15-100dB，精度0.1dB。将衰减量调至约80dB，光脉冲经衰减器后，达到平均每十个脉冲含有一个光子，这样可近似地看为单光子源。单光子源1的输出端接光环型器2的同向输入端2a，光环型器2的同向输出端2b接X型光分路/合路器3的尾纤端口3a。

将单光子探测计数器A、B分别连接到X型光分路/合路器3的尾纤端口3c、3d，可用来观察测量光的粒子性，分两步完成。第一步，对于同一时刻由3a端口耦合进来的单光子，其只能是选择3c或者3d输出，产生的结果是单光子探测计数器A、B的探测是互补的，即或A有计数，或B有计数，两者不能同时有计数，进而说明单光子特性。第二步，对于相同时间段内的计数积累，两者的计数量应是相同的，进而说明单光子在X型光分路/合路器路径随机选择特性。

第二步任务的完成相对简单，观察探测器的计数，可看到两个探测器的计数均为5000个/每秒，说明了光子在X型光分路/合路器3概率均等的选择了3c出口、3d出口。第一步任务相当于是检验单光子源的品质，即每个含有光子的脉中含有光子的个数，将单光子探测器计数器A、B的输出分别接入到时幅转换仪(EG&G Ortec公司567型，作用是将时间差转化为相应的电压幅度)的START、STOP端口，并在接入STOP端口的链路中加2.5μs的延时，时幅转换仪的分析时间范围设为5μs。时幅转换仪的输出接入到多道分析仪的输入端口。时幅转换仪接收到START信号后，立即处于工作状态，等待在分析范围内到来的STOP信号，STOP信号包括有效的光信号以及探测器的暗计数(暗噪声)。若在分析时间内没有STOP信号的到来，就恢复原状态，等待START信号的到来，且不输出任何信号。若在分析时间内有STOP信号的到来，就输出幅度与开始信号至结束信号时间差成正比的一个脉冲电平信号，在一个分析时间范围内，输出一个电平信号。将此信号输入到多道分析仪(设定量程为4096道)，不同幅度的电平显示在不同的道址上。经过时间积累，就可在多道分析仪的界面上看到如附图2所示的图形。

从图2上可以看出，除了本底的背景外，在大约400道、1200道、2800道、3600道，出现了START信号与STOP信号的符合峰。本底是由于探测器的暗计数造成的，因为暗计数是随机出现的，所以均匀的组成了本底。各个峰值相当于在相对于START信号0.5μs、1.5μs、3.5μs、4.5μs的时刻光子出现的概率比较大。多道分析仪上每两个峰的时间间隔应该是脉冲激光的周期，但是在大约2000道的道址上出现的峰很低，也就是相对于START信号2.5μs的时刻光子出现的概率比较小，因为在接入STOP端口的链路中加了2.5μs的延时，这个时刻相当于是两个单光子探测器对同一个光脉冲中光子的响应，因为是单光子源，所以这个道址上的符合峰应该没有了。但是还可隐约的看到峰，是因为对于衰减的单光子源，在含有光子的光脉冲中，多光子脉冲(含两个或两个以上光子)出现的概率的约是5％。

若将单光子探测计数器A、B分别连接到光环型器2的反向输出端2c、X型光分路/合路器3的尾纤端口3b，同时将X型光分路/合路器3的尾纤端口3c、3d直接连接而构成环型光路，这个环型光路就是Sagnac干涉仪，对于分光比为50∶50的X型光分路/合路器，根据光的波动理论，光子仅出现在尾纤端口3a。实验上观察到的实验现象是计数器A的计数率约104个/秒，而计数器B几乎没有计数量(每秒几十个以内，为单光子探测器的暗计数)进而说明了光的波动性。