CN111721193A - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

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。

Description

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
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。
本发明所述量子真空场测量和相干光的量子噪声测量的具体光路如下：所述折叠反射镜竖起，所述相干光源发出的入射激光依次经过所述折叠反射镜、所述第一反射镜、所述第一分束器后分束，分别注入所述第一光电探测器和所述第二光电探测器，光电探测器的输出经所述减法器处理后由所述频谱仪记录。
本发明所述激光干涉仪精度测量的具体光路如下：所述折叠反射镜放下，所述相干光源发出的入射激光经所述第二分束器分束，一束由所述第三反射镜反射注入合束器，另一束由所述第四反射镜反射注入合束器；在所述合束器干涉的光经过所述第一分束器后分束，分别注入所述第一光电探测器和所述第二光电探测器，光电探测器的输出经所述减法器处理后由所述频谱仪记录。
具体地，结合附图1，当所述折叠反射镜竖起时，光经第一反射镜进入平衡零拍探测模块，完成量子真空场测量和相干光的量子噪声测量，具体光路如下：
Path1:1-2-3-7-11-13-15；
Path2:1-2-3-7-4-12-13-15。
具体地，结合附图1，当所述折叠反射镜放下时，光注入所述M-Z干涉模块，具体光路如下：
Path3:1-8-6-9；
Path4:1-8-5-9；
在合束器干涉的光经过第一分束器进入平衡零拍探测模块，进行激光干涉仪精度测量。具体光路同Path 1和Path 2。
基于以上装置，本发明还提出了一种测量激光干涉仪中量子噪声的教学演示方法，具体步骤如下：
步骤1：信号发射模块发出的单色的频率稳定的入射激光；
步骤2：将折叠反射镜竖起，所述入射激光通过折叠反射镜和第一反射镜注入平衡零拍探测模块；
步骤3：调整光路，保证第一光电探测器和第二光电探测器的直流输出电压一致，并利用频谱仪记录输出的功率谱；
步骤4：改变所述入射激光的能量，测量并记录一系列功率谱；
步骤5：遮蔽注入光，利用频谱仪记录输出的噪声谱，即为光电探测器的电子学噪声；
步骤6：将所述步骤4中记录的一系列功率谱分别与步骤5中记录的电子学噪声相减，即为不同入射光功率情况下，真空的能量起伏曲线；
步骤7：将以上能量起伏曲线积分，将得到的结果与入射光功率拟合，即可获得入射光功率与真空场之间的关系；
步骤8：利用频谱仪记录光电探测器单臂输出的噪声谱，即为激光器输出的相干光源的强度噪声谱；
步骤9：将折叠反射镜放下，所述入射激光注入M-Z干涉模块，调整光路，使Path 3和Path 4光程一致，从而使M-Z干涉模块对比度大于90％；
步骤10：改变相位调制器的相位，通过平衡零拍探测，记录不同相位下频谱仪输出的功率谱，即为激光干涉仪的量子噪声。
本发明提供的测量激光干涉仪中量子噪声的教学演示装置及方法，可以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，填补了大学物理实验课程中量子力学实验的空白。同时，本发明提出的教学演示装置及方法，造价低廉，结构简单，便于操作及维护，适用于大学物理实验教学，也为量子测量技术的普及提供了可能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提出的测量激光干涉仪中量子噪声的教学演示装置的示意图。
图2是本发明提出的测量激光干涉仪中量子噪声的教学演示方法的流程图。
具体实施方式
结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。
本发明第一方面提供了一种测量激光干涉仪中量子噪声的教学演示装置。具体如下：
1-相干光源，2-折叠反射镜，3-第一反射镜，4-第二反射镜，5-第三反射镜，6-第四反射镜，7-第一分束器，8-第二分束器，9-合束器，10-相位调制器，11-第一光电探测器，12-第二光电探测器，13-减法器，14-信号发生器，15-频谱仪。其中，
相干光源1构成信号发射模块，用于产生单色的频率稳定的入射激光；
第一分束器7、第二反射镜4、第一光电探测器11、第二光电探测器12、减法器13以及频谱仪15构成平衡零拍探测模块，用于量子真空场测量和相干光的量子噪声测量；
第二分束器8、第三反射镜5、第四反射镜6以及合束器9构成M-Z干涉模块，结合平衡零拍探测模块，用于激光干涉仪量子噪声测量；
折叠反射镜2将平衡零拍探测模块和M-Z干涉模块连接。当折叠反射镜2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2和第一反射镜3，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2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，进行激光干涉仪量子噪声测量。
本发明第二方面提供了一种测量激光干涉仪中量子噪声的教学演示方法，具体步骤如下：
步骤1：信号发射模块发出的单色的频率稳定的入射激光；
步骤2：将折叠反射镜竖起，所述入射激光通过折叠反射镜和第一反射镜，注入由第一分束器、第一光电探测器、第二光电探测器、减法器以及频谱仪构成的平衡零拍探测模块；
步骤3：调整光路，保证两个光电探测器的直流输出电压一致，并利用频谱仪记录输出的功率谱；
步骤4：改变所述入射激光的能量，测量并记录一系列功率谱；
步骤5：遮蔽注入光，利用频谱仪记录输出的噪声谱，即为光电探测器的电子学噪声；
步骤6：将所述步骤4中记录的一系列功率谱分别与步骤5中记录的电子学噪声相减，即为不同入射光功率情况下，真空的能量起伏曲线；
步骤7：将以上曲线积分，将得到的结果与入射光功率拟合，即可获得入射光功率与真空场之间的关系；
步骤8：利用频谱仪记录光电探测器单臂输出的噪声谱，即为激光器输出的相干光源的强度噪声谱；
步骤9：将折叠反射镜放下，所述入射激光注入M-Z干涉模块，调整光路，使Path 3和Path 4光程一致，从而使M-Z干涉模块对比度大于90％；
步骤10：改变相位调制器的相位，通过平衡零拍探测，记录不同相位下频谱仪输出的功率谱，即为激光干涉仪的量子噪声。
本发明通过量子测量教学演示装置及方法，将量子力学通过大学物理实验的方式引入本科生教学课堂，装置简单，操作方便，有利于学生通过实验的方式对量子力学的理解。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。
本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

Claims (7)

1.一种测量激光干涉仪中量子噪声的教学演示装置，其特征在于，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(1)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(7)、第二反射镜(4)、第一光电探测器(11)、第二光电探测器(12)、减法器(13)以及频谱仪(15)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(8)、第三反射镜(5)、第四反射镜(6)以及合束器(9)构成，结合所述平衡零拍探测模块，用于待测光场量子态的测量；
所述平衡零拍探测模块和所述M-Z干涉模块通过折叠反射镜(2)连接；
当所述折叠反射镜(2)竖起时，所述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(2)和第一反射镜(3)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；
当所述折叠反射镜(2)放下时，所述信号发射模块发出的单色的频率稳定的入射激光，注入所述M-Z干涉模块，改变相位调制器(10)的相位，通过所述平衡零拍探测模块，进行激光干涉仪精度测量。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，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。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述M-Z干涉模块还包括信号发生器(14)，其与所述相位调制器(10)连接。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述量子真空场测量和相干光的量子噪声测量的具体光路如下：
所述折叠反射镜(2)竖起，所述相干光源(1)发出的入射激光依次经过所述折叠反射镜(2)、所述第一反射镜(3)、所述第一分束器(7)后分束，分别注入所述第一光电探测器(11)和所述第二光电探测器(12)，光电探测器的输出经所述减法器(13)处理后由所述频谱仪(15)记录。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光干涉仪精度测量的具体光路如下：
所述折叠反射镜(2)放下，所述相干光源(1)发出的入射激光经所述第二分束器(8)分束，一束由所述第三反射镜(5)反射注入合束器(9)，另一束由所述第四反射镜(6)反射注入合束器(9)；在所述合束器(9)干涉的光经过所述第一分束器(7)后分束，分别注入所述第一光电探测器(11)和所述第二光电探测器(12)，光电探测器的输出经所述减法器(13)处理后由所述频谱仪(15)记录。
6.一种测量激光干涉仪中量子噪声的教学演示方法，其特征在于，采用如权利要求1-5之任一项所述的测量激光干涉仪中量子噪声的教学演示装置，包括以下步骤：
步骤1：信号发射模块发出单色的频率稳定的入射激光；
步骤2：将折叠反射镜竖起，所述入射激光通过折叠反射镜和第一反射镜(3)注入平衡零拍探测模块；
步骤3：调整光路，保证第一光电探测器和第二光电探测器的直流输出电压一致，并利用频谱仪记录输出的功率谱；
步骤4：改变所述入射激光的能量，测量并记录一系列功率谱；
步骤5：遮蔽注入光，利用频谱仪记录输出的噪声谱，即为光电探测器的电子学噪声；
步骤6：将所述步骤4中记录的一系列功率谱分别与步骤5中记录的电子学噪声相减，即为不同入射光功率情况下，真空的能量起伏曲线；
步骤7：将能量起伏曲线积分，得到的结果与入射光功率拟合，即获得入射光功率与真空场之间的关系；
步骤8：利用频谱仪记录光电探测器单臂输出的噪声谱，即为激光器输出的相干光源的强度噪声谱；
步骤9：将折叠反射镜放下，所述入射激光注入M-Z干涉模块，调整M-Z干涉模块对比度大于90％；
步骤10：改变相位调制器的相位，通过平衡零拍探测，记录不同相位下频谱仪输出的功率谱，即为激光干涉仪的量子噪声。
7.如权利要求6所述的测量激光干涉仪中量子噪声的教学演示方法，其特征在于，步骤9中，通过调整光路，使Path 3和Path 4光程一致，从而使M-Z干涉模块对比度大于90％；其中，
Path3:相干光源-第二分束器-第四反射镜-合束器-第一分束器-第一光电探测器-减法器-频谱仪；
Path4:相干光源-第二分束器-第三反射镜-合束器-第一分束器-第二反射镜-第二光电探测器-减法器-频谱仪。
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