[发明专利]全光纤型光波粒二象性测量装置

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