[發明專利]一種量子真空光譜儀及其演示方法

有效

• 申請號: 202011266099.1
• 申請日: 2020-11-13
• 公開（公告）號: CN112485207B
• 公開（公告）日: 2021-11-19
• 發明（設計）人: 吳媛;陳麗清;郭進先
• 申請（專利權）人: 華東師范大學
• 主分類號: G01N21/27
• 分類號: G01N21/27;G01N21/31;G01J3/28
• 代理公司: 上海德禾翰通律師事務所 31319
• 代理人: 夏思秋

本發明提出了一種量子真空光譜儀，可以實現真空場光譜特性的研究。本量子真空光譜儀包含光源、濾光片、衰減器、分束器、遮光罩、反射鏡、探測器、減法器以及數據采集分析系統。其中，光源發出的光波，經過濾光片和衰減器到達分束器。分束器在遮光罩的保護下，實現真空場與光場合束的同時被分為均兩路，分別被探測器探測后轉換為電信號并相減，最終進入數據采集分析系統進行頻譜分析。基于該裝置，本發明還提出了量子真空光譜儀的演示方法。通過濾光片控制光源的波長，通過衰減器控制光源的光強，探測并記錄不同波長和光強條件下，真空場的光譜特性。本發明裝置及方法使用方便，實驗效果直觀，為量子實驗技術在大學物理教學的普及提供了可能。

技術領域

本發明涉及光學及測量技術領域，尤其涉及一種量子真空光譜儀及其演示方法。

背景技術

近十年隨著國際物理領域在量子力學方面的多個重大進展，如量子光源、量子測量、量子通信、量子計算機、引力波測量等等都是基于量子力學基本原理實現的。因此，量子力學對未來科技創新和社會發展十分重要。然而，在大學物理教學中，相比于經典物理，量子力學的理論概念晦澀難懂，相關實驗現象不易在生活中觀察到，導致量子力學仍停留在理論講解階段，缺乏配套成熟的實驗驗證幫助學生理解相關理論。例如，經典物理認為沒有任何能量入射，真空能量為零，比如光學分束器，如果四面都沒有任何光場能量入射，經典物理認為在分束器的任意一端測量，能量均為零。與之相反，量子物理認為，真空場并不空，能量無處不在，哪怕沒有任何外界光場入射，分束器周邊也能夠測量到能量，且這個能量有一定的分布。可是即使量子力學認為真空場不空，但是能量大小也是非常小的，普通的探測器是無法直接測量到的，真空場能量會淹沒在探測器以及采集系統電子學噪聲里。因此，本發明旨在提出一種教學演示裝置和方法，通過演示真空的光譜特性，填補量子實驗技術在本科實驗教學中的空白，幫助學生直觀認識量子物理學與經典物理學的不同，實現了量子力學實驗技術的普及，提高學生動手能力的同時，拓展了學生的思路，為量子力學在科技創新和社會發展等方面的應用儲備了人才。

發明內容

本發明提供了一種量子真空光譜儀及其演示方法，旨在將量子力學通過實驗的方式進行演示，使得本科生了解并掌握量子力學的原理及方法。

為了實現上述目的，本發明提出了一種量子真空光譜儀，其特征在于，包括：光源、濾光片、衰減器、分束器、遮光罩、反射鏡、探測器以及數據采集分析系統；其中，

光源(1)，用于產生入射光場，通常是多色的寬帶光源；

濾光片(2)，用于控制光源的波長；

衰減器(3)，用于控制光源的光強；

分束器(4)，用于實現真空場及光場的分束與合束；

遮光罩(5)，用于屏蔽外界雜散光，實現真空場注入；

反射鏡(6)，用于實現光場反射；

第一光電探測器(7)和第二光電探測器(8)，用于實現光信號轉換為電信號；

減法器(9)，用于實現電信號相減；

數據采集分析系統(10)，用于實現電信號采集及數據分析。

本發明通過濾光片(2)控制光源的波長，可以實現不同波長下，真空起伏測量。通過衰減器(3)控制光源的光強，可以實現不同光強下，真空起伏測量。通過遮光罩(5)的使用，屏蔽外界雜散光，實現真空場的注入。

本發明所述量子真空光譜儀的具體光路如下：所述光源(1)發出的入射光場依次經過所述濾光片(2)和所述衰減器(3)，在所述分束器(4)與真空場合束的同時被分為均兩路，分別被所述第一光電探測器(7)和第二光電探測器(8)探測后轉換為電信號并由所述減法器(9)相減，最終進入數據采集分析系統(10)進行頻譜分析。

基于以上量子真空光譜儀，本發明還提出了一種量子真空光譜儀的演示方法，具體步驟如下：