專利名稱：全光纖型光波粒二象性測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量光波粒二象性的裝置，實(shí)現(xiàn)對光波粒二象性的驗(yàn)證和觀察，屬于光 信息技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
人們對光本性的思考，應(yīng)該說是從十七世紀(jì)開始的，兩個尖銳矛盾的學(xué)說并存。 一方面 是，以牛頓為代表的一些人提出了光的微粒本質(zhì)，認(rèn)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(zhì)，認(rèn)為光是在一種特殊彈性介質(zhì)中傳播的機(jī)械波。 經(jīng)過十七、十八世紀(jì)的研究，對光本性認(rèn)識的突破發(fā)生在十九世紀(jì)六十年代，麥克斯韋在前 人的基礎(chǔ)上，建立了光的電磁理論，大量的無可辯駁的事實(shí)也證明了光是一種電磁波。對光 本性的認(rèn)識算是有了一個階段性的定論。時至1905年，愛因斯坦發(fā)展了光的量子理論并且成 功地解釋了光電效應(yīng)。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?jǐn)[在了科學(xué)家面前。近現(xiàn)代眾多的實(shí)驗(yàn)對這個問題的回答是對于光的本性，只能根據(jù)它所表現(xiàn)出來的性質(zhì)和規(guī)律來判定。某些方面的行為像經(jīng)典的波動，某些方面的行為像經(jīng)典的粒子。因此光的本性就概括為波粒二象性。與人認(rèn)識自然界其他事物的本質(zhì)相似，對光的本 性認(rèn)識也需要一個觀察測量裝置。在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備中，單光子源的研究巳日趨成熟，并且 有各種各樣的制備方法。但是，對光本性認(rèn)識的測量裝置，這方面研究的較少，目前尚無專 利涉及。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單、易于構(gòu)建、抗干擾性強(qiáng)、易于觀察測量結(jié)果的光波粒二象性的觀測裝置。裝置是由單光子源、光環(huán)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(shù)器，實(shí)現(xiàn)光波粒二象性的觀察測量。其物理基礎(chǔ)是測量粒 子性時，利用了光子經(jīng)X型光分路/合路器時的路徑隨機(jī)選擇特性，突出顯示經(jīng)典粒子運(yùn)動軌道、軌跡的特征；測量波動性時，利用了 Sagnac干涉儀，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(jīng)典波的干涉特征。廣泛用于光波粒二象性觀測、單光子源 性能檢測等領(lǐng)域。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)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(huán)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(huán)型器2的同向輸入端2a，光環(huán)型器2的同向 輸出端2b連接X型光分路/合路器3的尾纖端口 3a，光環(huán)型器2的反向輸出端2c、 X型 光分路/合路器3的尾纖端口 3b可同時懸空，也可同時分別連接單光子探測計數(shù)器A、 B; X型光分路/合路器3的尾纖端口 3c、 3d可同時分別接單光子探測計數(shù)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的尾纖端口3c、 3d直接連接而構(gòu)成環(huán)型光路，光環(huán)型器2的反向輸出端2c、 X 型光分路/合路器3的尾纖端口3b分別接單光子探測計數(shù)器A、 B;測量光子的粒子性 時，X型光分路/合路器3的尾纖端口 3c、 3d分別連接單光子探測計數(shù)器A、 B,光環(huán) 型器2的反向輸出端2c、 X型光分路/合路器3的尾纖端口 3b可懸空，此時對K B的 輸出做符合觀測，若符合計數(shù)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(fā)送方的單光子源1可以是真單光子源也可以是由衰減激光光脈沖而獲 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(fā)明的優(yōu)勢在于-1. 裝置結(jié)構(gòu)簡單、易于構(gòu)建該裝置的儀器構(gòu)成僅包括單光子源、光環(huán)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(shù)器。其中各器件都是尾纖輸入、輸出，光路的連接、 校準(zhǔn)很容易。2. 對稱結(jié)構(gòu)，抗干擾性強(qiáng)在觀測光的波動性時，所用的干涉儀是將X型光分路/合路器的同側(cè)兩根尾纖直接相 連，構(gòu)成Sagnac干涉儀，巧妙地采用了 Sagnac干涉儀的易構(gòu)建性和穩(wěn)定性，因?yàn)橄?干涉的個光脈沖走的路徑完全相同，能很容易的拚棄來自外界環(huán)境的干擾。3. 易于操作，現(xiàn)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(shù)器接到不同的尾纖端口，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(shù)器的示數(shù)，兩種情況下的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象差別大，所以很容易從實(shí)驗(yàn)現(xiàn) 象上觀察到光所表現(xiàn)出的不同性質(zhì)。


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(jié)果圖。圖面說明1— 一單光子源2——光環(huán)型器2a——光環(huán)型器的同向輸入端 2b——光環(huán)型器的同向輸出端 2c——光環(huán)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/合路器的尾纖端口 A、 B——單光子探測計數(shù)器具體實(shí)施例下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本裝置進(jìn)行詳細(xì)地說明 按照圖1制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(chǎn)生采用信號發(fā)生器Systron Donner IIOD型脈沖發(fā)生器，產(chǎn)生TTL信號， 頻率lMHz，驅(qū)動脈沖半導(dǎo)體激光器，波長850nm，脈沖寬度小于100ns，平均功率約50(aW，尾 纖輸出至可調(diào)光衰減器(機(jī)械可調(diào)及法蘭式衰減器組成，)，0C-60型，整個可調(diào)范圍15—100 dB，精度O. ldB。將衰減量調(diào)至約80dB，光脈沖經(jīng)衰減器后，達(dá)到平均每十個脈沖含有一個 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(huán)型器2的同向輸入端2a，光 環(huán)型器2的同向輸出端2b接X型光分路/合路器3的尾纖端口 3a。將單光子探測計數(shù)器A、 B分別連接到X型光分路/合路器3的尾纖端口3c、 3d，可用來 觀察測量光的粒子性，分兩步完成。第一步，對于同一時刻由3a端口耦合進(jìn)來的單光子，其 只能是選擇3c或者3d輸出，產(chǎn)生的結(jié)果是單光子探測計數(shù)器A、 B的探測是互補(bǔ)的，即或A 有計數(shù)，或B有計數(shù)，兩者不能同時有計數(shù)，進(jìn)而說明單光子特性。第二步，對于相同時間 段內(nèi)的計數(shù)積累，兩者的計數(shù)量應(yīng)是相同的，進(jìn)而說明單光子在X型光分路/合路器路徑隨機(jī) 選擇特性。第二步任務(wù)的完成相對簡單，觀察探測器的計數(shù)，可看到兩個探測器的計數(shù)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(wù)相當(dāng)于是檢驗(yàn)單光子源的品質(zhì)，即每個含有光子的脈中含有光子的個數(shù)，將單光子探測 器計數(shù)器A、 B的輸出分別接入到時幅轉(zhuǎn)換儀(EG&G 0rtec公司567型，作用是將時間差轉(zhuǎn) 化為相應(yīng)的電壓幅度)的START、 STOP端口，并在接入STOP端口的鏈路中加2. 5ps的延時， 時幅轉(zhuǎn)換儀的分析時間范圍設(shè)為5ps。時幅轉(zhuǎn)換儀的輸出接入到多道分析儀的輸入端口。時 幅轉(zhuǎn)換儀接收到START信號后，立即處于工作狀態(tài)，等待在分析范圍內(nèi)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(shù)(暗噪聲)。若在分析時間內(nèi)沒有STOP信號的到 來，就恢復(fù)原狀態(tài)，等待START信號的到來，且不輸出任何信號。若在分析時間內(nèi)有STOP信 號的到來，就輸出幅度與開始信號至結(jié)束信號時間差成正比的一個脈沖電平信號，在一個分 析時間范圍內(nèi)，輸出一個電平信號。將此信號輸入到多道分析儀(設(shè)定量程為4096道)，不 同幅度的電平顯示在不同的道址上。經(jīng)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(xiàn)了 START信號與STOP信號的符合峰。本底是由于探測器的暗計數(shù)造成的，因?yàn)榘涤嫈?shù)是 隨機(jī)出現(xiàn)的，所以均勻的組成了本底。各個峰值相當(dāng)于在相對于START信號0.5^is、 1.5ps、 3.5網(wǎng)、4.5ps的時刻光子出現(xiàn)的概率比較大。多道分析儀上每兩個峰的時間間隔應(yīng)該是脈沖 激光的周期，但是在大約2000道的道址上出現(xiàn)的峰很低，也就是相對于START信號2. 5ps 的時刻光子出現(xiàn)的概率比較小，因?yàn)樵诮尤隨TOP端口的鏈路中加了 2.5ps的延時，這個時刻 相當(dāng)于是兩個單光子探測器對同一個光脈沖中光子的響應(yīng)，因?yàn)槭菃喂庾釉?，所以這個道址 上的符合峰應(yīng)該沒有了。但是還可隱約的看到峰，是因?yàn)閷τ谒p的單光子源，在含有光子 的光脈沖中，多光子脈沖(含兩個或兩個以上光子)出現(xiàn)的概率的約是5%。若將單光子探測計數(shù)器A、 B分別連接到光環(huán)型器2的反向輸出端2c、 X型光分路/合路 器3的尾纖端口 3b，同時將X型光分路/合路器3的尾纖端口 3c、 3d直接連接而構(gòu)成環(huán)型光 路，這個環(huán)型光路就是Sagnac干涉儀，對于分光比為50: 50的X型光分路/合路器，根據(jù)光 的波動理論，光子僅出現(xiàn)在尾纖端口 3a。實(shí)驗(yàn)上觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是計數(shù)器A的計數(shù)率約104 個/秒，而計數(shù)器B幾乎沒有計數(shù)量(每秒幾十個以內(nèi)，為單光子探測器的暗計數(shù))進(jìn)而說明 了光的波動性。
權(quán)利要求
1. 全光纖型光波粒二象性測量裝置其特征在于包括依次連接的單光子源1、光環(huán)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(huán)型器2的同向輸入端2a；光環(huán)型器2的同向輸出端2b連接X型光分路/合路器3的尾纖端口3a；光環(huán)型器2的反向輸出端2c、X型光分路/合路器3的尾纖端口3b可同時懸空，也可同時分別連接單光子探測計數(shù)器A、B；X型光分路/合路器3的尾纖端口3c、3d可同時分別連接單光子探測計數(shù)器A、B，也可直接相連接。
2. 如權(quán)利要求(1)的所述的全光纖型光波粒二象性測量裝置其特征在于單光子 源1可以是真單光子源也可以是由衰減激光光脈沖而獲得的近似單光子源。
3. 如權(quán)利要求(1)的所述的全光纖型光波粒二象性測量裝置其特征在于X型光 分路/合路器3分光比是50: 50。
4. 如權(quán)利要求(1)的所述的全光纖型光波粒二象性測量裝置其特征在于測量光 的波動性時，將X型光分路/合路器3的尾纖端口 3c、 3d直接相連接，光環(huán)型器2的反向 輸出端2c、 X型光分路/合路器3的尾纖端口 3b尾纖端口同時分別連接單光子探測計數(shù)器 A、 B;觀測光的粒子性時，將X型光分路/合路器3的尾纖端口 3c、 3d分別連接單光子探 測計數(shù)器A、 B，同時將單光子探測計數(shù)器A、 B的輸出信號做符合觀測。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種測量光波粒二象性的裝置，實(shí)現(xiàn)對光波粒二象性的驗(yàn)證和觀察。提出了一種結(jié)構(gòu)簡單、易于構(gòu)建、抗干擾性強(qiáng)、易于觀察測量結(jié)果的光波粒二象性的觀測裝置。該裝置由單光子源、光環(huán)型器、X型光分路/合路器依次連接構(gòu)成，另外再配以兩個單光子探測計數(shù)器。其物理基礎(chǔ)是測量粒子性時，利用了光子經(jīng)X型光分路/合路器時的路徑隨機(jī)選擇特性，突出顯示經(jīng)典粒子運(yùn)動軌道、軌跡的特征；測量波動性時，利用了Sagnac干涉儀，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(jīng)典波的干涉特征。
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(yōu)先權(quán)日2008年6月2日
發(fā)明者麗 于, 馬海強(qiáng) 申請人:北京郵電大學(xué)