[发明专利]一种测量激光干涉仪中量子噪声的教学演示装置及演示方法

说明书

本发明提出一种测量激光干涉仪中量子噪声的教学演示装置，包含信号发射模块、平衡零拍探测模块和M‑Z干涉模块，用来进行量子真空场测量、相干光的量子噪声测量以及激光干涉仪量子噪声测量。当折叠反射镜竖起时，信号发射模块发出的单色的频率稳定的入射激光，经过折叠反射镜和反射镜，注入平衡零拍探测模块，进行量子真空场和相干光的量子噪声测量。当折叠反射镜放下时，信号发射模块发出的单色的频率稳定的入射激光，注入M‑Z干涉模块，改变相位调制器的相位，通过平衡零拍探测系统，进行激光干涉仪量子噪声测量。基于装置，本发明还提出一种用于量子测量的教学演示方法。本发明装置及方法使用方便，实验效果直观，为量子测量技术的普及提供了可能。

技术领域

本发明涉及光学及测量技术领域，尤其涉及一种测量激光干涉仪中量子噪声的教学演示装置及方法。

背景技术

在大学物理教学中，力学、热学、电磁学、光学、原子物理以及量子力学是就基本理论课程，相配套的成熟的大学物理实验有力学、热学、电磁学和光学以及部分的以原子物理基础的近代物理实验，然而配套成熟的量子力学本科实验基本没有。近十年随着国际物理领域在量子力学方面的多个重大进展，如量子光源、量子测量、量子通信、量子计算机、引力波测量等等都是基于量子力学基本原理实现的。此外，量子磁力计、量子重力仪、引力波测量等都是采用量子测量技术，其测量精度已经超越了经典的测量技术，而高精度测量技术的发展一直都是推动社会发展的基石。由于量子力学在未来科技创新和社会发展中所起的作用越来越大，因此设计一些量子力学实验来充实大学物理实验体系对于提升大学物理专业本科学生培养的素质很重要。

然而，量子力学实验因为涉及微观现象，对实验设备和采集探测装置要求非常高，造成大多数实验所需要的实验设备昂贵，且操作和调试都非常复杂。而大学物理实验的特点却是物理清晰、实验现象直观、仪器易操作且易于维护，价格能为大多数大学物理教学实验室所能接受。这两者之间的矛盾也是到目前为止大学物理实验课程中没有量子力学实验的根本原因。因此，本发明旨在提过一种教学演示装置和方法，将量子力学通过实验方式进行演示，为量子测量技术的普及提供了可能。

发明内容

本发明提供了一种测量激光干涉仪中量子噪声的教学演示装置及方法，旨在将量子力学通过实验的方式进行演示，使得本科生了解并掌握量子力学的原理及方法。

为了实现上述目的，本发明提出了一种测量激光干涉仪中量子噪声的教学演示装置，包括：信号发射模块、平衡零拍探测模块以及M-Z干涉模块，分别用来进行量子真空场测量、相干光的量子噪声测量以及激光干涉仪量子噪声测量。其中，

所述信号发射模块由相干光源构成，用于产生单色的频率稳定的入射激光；

所述平衡零拍探测模块由第一分束器、第二反射镜、第一光电探测器、第二光电探测器、减法器以及频谱仪构成，其用于量子真空场测量和相干光的量子噪声测量；

所述M-Z干涉模块由第二分束器、第三反射镜、第四反射镜以及合束器构成，结合平衡零拍探测模块，用于待测光场量子态的测量；

所述平衡零拍探测模块和M-Z干涉模块通过折叠反射镜连接。当折叠反射镜竖起时，信号发射模块发出的单色的频率稳定的入射激光，经过折叠反射镜和第一反射镜，注入平衡零拍探测模块，进行量子真空场测量和相干光的量子噪声测量。当折叠反射镜放下时，信号发射模块发出的单色的频率稳定的入射激光，注入M-Z干涉模块，改变相位调制器的相位，通过平衡零拍探测模块，进行激光干涉仪精度测量。

本发明通过折叠反射镜的切换，控制光束走向，可以分别完成实现量子真空场测量、相干光的量子噪声测量以及激光干涉仪量子噪声测量。

本发明M-Z干涉模块还包括信号发生器，其与所述相位调制器连接。