CN112309210B - 单光子特性的展示装置以及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单光子特性展示装置以及方法，本发明技术方案可以通过激发器件，以激发所述光导介质结构件中的荧光区域发出荧光，以显示预设图案的可见光图像，作为单光子特性的展示模型，可见本发明技术方案可以直观展示单光子特性。

Description

单光子特性的展示装置以及方法

技术领域

本发明涉及光学和量子通信技术领域，更具体的说，涉及一种单光子特性的展示装置。

背景技术

众所周知，人类肉眼无法在正常环境下观测到单个光子，现有技术中大多用单光子探测器来探测单光子，比如对于可见光探测，光电倍增管有很好的响应度，暗电流也非常小，很早就用于单光子计数，现在技术已经比较成熟，市场上也有了不少类似的产品；而对于单光子性质的观测，大都借助仪器设备，如借助光谱仪分析光子波长、借助偏振分析仪测量光子的偏振状态等。而对于初接触单光子的学生或非光学专业人员，直观展示单光子自身的特性，使他们对单光子性质有一些感官认识，既可起到知识的普及作用，又可为利用单光子性质实现实用化仪器或系统的研制奠定初步的理论基础。

现有技术单光子特性的展示大多借助一些仪器设备，成本昂贵，且展示效果并不直观，无法达到一目了然的效果。

发明内容

有鉴于此，本发明技术方案提供了一种单光子特性的展示装置以及方法，可以直观展示单光子特性。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种单光子特性的展示装置，所述展示装置包括：

光导介质结构件，所述光导介质结构件内具有多个荧光区域；

激发器件，所述激发器件用于激发所述荧光区域发出荧光，以显示预设图案的可见光图像，所述可见光图像用于作为单光子特性的展示模型。

优选的，在上述展示装置中，还包括：

控制器，所述控制器用于基于设定指令驱动所述激发器件，以设定扫描顺序逐个激发所述荧光区域，以使得所述可见光图像用于作为光束和单光子的传播路径的展示模型。

优选的，在上述展示装置中，所述光导介质结构件包括第一柱体，所述第一柱体包括第一部分；

所述第一部分具有多个间隔分布的单光子展示荧光区域，所述单光子展示荧光区域受激发显示单光子模型图像。

优选的，在上述展示装置中，所述第一柱体还包括第二部分和第三部分，在第一方向上，所述第二部分、所述第三部分以及所述第一部分依次排布；

所述第二部分具有连续的条形荧光区域，所述条形荧光区域受激发显示条形图像，所述条形图像用于作为光束未衰减时沿直线传播的展示模型；

所述第三部分作为光衰减器的展示模型。

优选的，在上述展示装置中，所述单光子模型图像为球体或是椭球体。

优选的，在上述展示装置中，所述控制器驱动所述激发器件依次扫描所述第二部分和所述第一部分；

扫描所述第二部分时，同时激发整个所述条形荧光区域；

扫描所述第一部分时，同时激发所有所述单光子展示荧光区域，以作为光束衰减为多个单光子的展示模型；

或，沿着所述第一方向逐一激发所述单光子展示荧光区域，以作为光束衰减为一个沿着所述第一方向传播的单光子的展示模型。

优选的，在上述展示装置中，所述单光子模型图像包括用于表示单光子偏振方向的标识，以作为具有设定偏振方向单光子的展示模型。

优选的，在上述展示装置中，多个所述单光子模型图像的荧光颜色不完全相同，以作为设定波长单光子的展示模型。

优选的，在上述展示装置中，还包括：

分束器模型，第二柱体和第三柱体；所述第二柱体和所述第三柱体均具有多个间隔分布的所述单光子展示荧光区域；

所述第一部分的出光口模型与所述分束器模型的入光口模型相对设置，所述第二柱体的一端与所述分束器模型的一个出光口模型相对设置，所述第三柱体的一端与所述分束器模型的另一个出光口模型相对设置；

其中，所述激发器件激发所述第一部分内N个所述单光子展示荧光区域对应显示N个所述单光子模型图像后，激发所述第二柱体内a个所述单光子展示荧光区域对应显示a个所述单光子模型图像，激发所述第三柱体内b个所述单光子展示荧光区域对应显示b个所述单光子模型图像，N＝a+b，a和b为整数，以模拟展示所述分束器模型具有a：b的分束比。

优选的，在上述展示装置中，所述激发器件为紫外光源器件，用于出射紫外光，以激发所述荧光区域发光；

或，所述激发器件为电子枪，用于发射电子，以激发所述荧光区域发光。

本发明还提供了一种单光子特性展示方法，采用上述任一项所述的展示装置，激发荧光区域发光，以显示预设图案的可见光图像，所述可见光图像用于作为单光子特性的展示模型。

通过上述描述可知，本发明提供的单光子特性展示装置以及方法中，可以通过激发器件，以激发所述光导介质结构件中的荧光区域发出荧光，以显示预设图案的可见光图像，作为单光子特性的展示模型，可见本发明技术方案可以直观展示单光子特性。

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作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种单光子特性的展示装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种单光子特性的展示装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的又一种单光子特性的展示装置的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种展示装置的光导介质结构件展示光子特性的原理示意图；

图5为本发明实施例提供的另一种展示装置的光导介质结构件展示光子特性的原理示意图；

图6为本发明实施例提供的又一种展示装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参考图1，图1为本发明实施例提供的一种单光子特性的展示装置的结构示意图，该展示装置包括：光导介质结构件11，所述光导介质结构件11内具有多个荧光区域111；激发器件12，所述激发器件12用于激发所述荧光区域111发出荧光，以显示预设图案的可见光图像，所述可见光图像用于作为单光子特性的展示模型。

所述展示装置可以通过激发器件12直接激发所述光导介质结构件11中的荧光区域111发出荧光，以使得所述荧光区域显示可见光图像，所述可见光图像可以用作为单光子特性的展示模型。可以通过设置所述荧光区域111的图形结构以使得其显示需要图案的可见光图像。可见，本发明实施例所述技术方案无需借助单光子探测器、偏振分析仪等设备，可以直观展示单光子特性。

可选的，所述激发器件12为紫外光源器件，用于出射紫外光，以激发所述荧光区域111发光；或，所述激发器件12为电子枪，用于发射电子，以激发所述荧光区域111发光。

参考图2，图2为本发明实施例提供的另一种单光子特性的展示装置的结构示意图，基于图1所示方式，图2所示展示装置还包括：控制器13，所述控制器13用于基于设定指令驱动所述激发器件12，以设定扫描顺序逐个激发所述荧光区域111，以使得所述可见光图像用于作为单光子的传播路径的展示模型。

如图2所示，通过控制器13可以驱动激发器件12按照第一方向依次逐个激发所述荧光区域111，以展示单光子在第一方向上的传播路径。

图2所示方式中，所述光导介质结构件11包括第一柱体，所述第一柱体包括第一部分23；所述第一部分23具有多个间隔分布的单光子展示荧光区域111a，所述单光子展示荧光区域111a受激发显示单光子模型图像。

参考图3，图3为本发明实施例提供的又一种单光子特性的展示装置的结构示意图，基于图2所示方式，图3所示方式中，所述第一柱体还包括第二部分21和第三部分22，在第一方向上，所述第二部分21、所述第三部分22以及所述第一部分23依次排布；

如图3所示，所述第一柱体包括在第一方向上依次排布的第二部分21、第三部分22和第一部分23；所述第二部分21具有连续的条形荧光区域111b，所述条形荧光区域111b受激发显示条形图像，所述条形图像用于作为光束未衰减时沿直线传播的展示模型；所述第三部分22作为光衰减器的展示模型；所述第一部分23具有多个间隔分布的单光子展示荧光区域111a，所述单光子展示荧光区域111a受激发显示单光子模型图像。

其中，第一方向为图3中由左至右的方向。第一柱体可以为圆柱体或是棱柱体。所述单光子模型图像为球体或是椭球体，图1-图3所示方式中，以椭球体为例进行示意说明，可以通过设置荧光区域111中荧光材料的图形使得其受激发出射荧光时形成预设图形结构的可见光图像。第三部分22可以具有一图形标识用于向用户直观展示光衰减器展示模型具体位置。

所述控制器13驱动所述激发器件12依次扫描所述第二部分21和所述第一部分23。

扫描所述第二部分21时，同时激发整个所述条形荧光区域111b，以紫外光为例，紫外光连续达到整个所述条形荧光区域111b，使得其受激发形成一个条形发光区域，以形成所述条形图像，作为一沿着第一方向传播的光束模型，模拟未衰减的激光。

扫描所述第一部分23时，用于模拟光束衰减后的单光子。具体的，扫描所述第三部分23时，同时激发所有所述单光子展示荧光区域111a，以作为光束衰减为多个单光子的展示模型，该方式用于模拟连续光束输入时，通过光衰减器可以衰减为多个在第一方向上传输的单光子；或，扫描所述第一部分23时，沿着所述第一方向逐一激发所述单光子展示荧光区域111a，以作为光束衰减为一个沿着所述第一方向传播的单光子的展示模型，该方式用于模拟入射光束衰减为一个单光子，该单光子沿着第一方向传播。

图1-图3中展示的是荧光区域111受激发发出荧光的状态，故示出了具体可见光图像。在激发器件12不工作时，荧光区域111不发出荧光，荧光区域111可以是位于光导介质结构件11内不可见的，或是可见的。

参考图4，图4为本发明实施例提供的一种展示装置的光导介质结构件展示光子特性的原理示意图，图4所示方式中，光导介质结构件11中荧光区域111未受激发时，不发射荧光，不展示对应可见光图像31，当荧光区域111受激发出射荧光时，形成可见光图像31。图4中，左图为荧光区域111未受激发时的示意图，右图为荧光区域111受激发出射荧光时的示意图。

如图4所示方式，示出的荧光区域111为单光子展示荧光区域111a，受激发形成的可见光图像31为单光子模型图像31a。所述单光子模型图像31a包括用于表示单光子偏振方向的标识(图4中箭头所示)，以作为具有设定偏振方向单光子的展示模型。该方式同样可以通过设置荧光区域111中荧光材料实现，如在单光子展示荧光区域111a中加入与该单光子展示荧光区域111a不同颜色荧光材料，以使得受激发时显示所述标识，或是加入非荧光材料，受激发时，非荧光材料相对于荧光材料不发光，以显示所述标识，所述非荧光材料可以为固体材料，或是镂空间隙中的气体。

图4所示方式中，光导介质结构件11为柱体，表示将单光子束缚在柱体所在直线上传播，以模拟光的直线传播特性，受激发时，柱体中的单光子模型图像31a代表单光子，其内部标识代表单光子的偏振态。图4中示出四种不同方向的箭头，分别表示四种常见的线偏振态V、H、+和-。光导介质结构件11可以采用透明材料制备，在其内部设置有特定结构的荧光材料以构成荧光区域111。该方式可以直观的展示单光子的偏振特性。

参考图5，图5为本发明实施例提供的另一种展示装置的光导介质结构件展示光子特性的原理示意图，图5所示方式中，光导介质结构件11中荧光区域111未受激发时，不发射荧光，不展示对应可见光图像31，当荧光区域111受激发出射荧光时，形成可见光图像31。图5中，左图为荧光区域111未受激发时的示意图，右图为荧光区域111受激发出射荧光时的示意图。

图5所示方式中，示出的荧光区域111为单光子展示荧光区域111a，受激发形成的可见光图像31为单光子模型图像31a。该方式中，多个所述单光子模型图像31a的荧光颜色不完全相同，以作为设定波长单光子的展示模型。如可以设置图5中四个单光子模型图像31a颜色均不相同，分别作为波长为λ1、λ2、λ3和λ4的可见光衰减后的单光子。故该方式可以展示单光子的波长特性。

参考图6，图6为本发明实施例提供的又一种展示装置的结构示意图，基于图1所示方式，该方式还包括：分束器模型51，第二柱体52和第三柱体53；所述第二柱体52和所述第三柱体53均具有多个间隔分布的所述单光子展示荧光区域111a。

所述第一部分23的出光口模型与所述分束器模型51的入光口模型相对设置，所述第二柱体52的一端与所述分束器模型51的一个出光口模型相对设置，所述第三柱体53的一端与所述分束器模型51的另一个出光口模型相对设置；图6基于图1所示方式进行说明，也可以用于图2和图3所示方式，图6中未示出光导介质结构件11的第三部分22和第二部分21，其具体结构可以参考图2和图3所示方式，在此不再赘述。

其中，所述激发器件12激发所述第一部分31内N个所述单光子展示荧光区域111a对应显示N个所述单光子模型图像31a后，激发所述第二柱体52内a个所述单光子展示荧光区域111a对应显示a个所述单光子模型图像31a，激发所述第三柱体53内b个所述单光子展示荧光区域111a对应显示b个所述单光子模型图像31a，N＝a+b，a和b为整数，以模拟展示所述分束器模型51具有a：b的分束比。所述第二柱体52和所述第三柱体53的结构可以参考光导介质结构件11中第一部分23的实现方式，在此不再赘述。图6示出的是第一部分23、第二柱体52和第三柱体53均具有设定单光子展示荧光区域111a受激发的状态。

图6所示方式中，分束器模型51用于模拟分束器对单光子进行分束，模拟单光子由左侧进入分束器，采用图1-图3所示方式模拟单光子，模拟单光子概率性的由分束器上方或是右方出射。如第二柱体52中一个单光子展示荧光区域111a受激发展示单光子模型图像31a，则第三柱体53中对应的单光子展示荧光区域111a不激发，反之，第三柱体53中一个单光子展示荧光区域111a受激发展示单光子模型图像31a，则第二柱体52中对应的单光子展示荧光区域111a不激发。该概率特性可以通过控制器13扫描单光子展示荧光区域111a时序模拟。图6所示方式可以基于上述方式通过单光子模型图像31展示波长特性和偏振特性。

本发明实施例中所述展示装置的控制器13可以和光学通信系统(如QKD系统)通信连接，光学通信系统中，光束需要衰减为单光子，具有单光子的特性参数(偏振特性和波长特性)是已知的或是可检测的。所述控制器13可以基于特性参数生成控制指令，实时驱动激发器件扫描，以使得所述可见光图像用于作为光束和单光子的传播路径的展示模型，对所述光学通信系统中单光子特性进行实时直观展示。

本发明提供了一种直观展示单光子特性的展示装置：利用紫外光照射或是电子束轰击，以激发荧光材料，荧光材料受到激发，发出可见光；对荧光材料进行特殊定制可展现单光子的偏振特性；选择不同波长的紫外光照射荧光材料或用同种波长紫外光照射不同的荧光材料均可发射出不同波长的可见光荧光；通过控制器13控制激发器件12的功率和扫描顺序及扫描速度，可演示光的相位特性(通过偏振态展示)；该展示装置拓展后可进一步展示单光子的不可分割、不可克隆等特性。

通过上述描述可知，本发明实施例所述展示装置可以直观展示单光子的特性，无需高成本的仪器设备，成本低，而且对外界调节要求低，无需担心外界噪声干扰。

基于上述实施例所述展示装置，本发明另一实施例还提供了一种单光子特性展示方法，所述展示方法采用上述实施例所述展示装置，激发荧光区域发光，以显示预设图案的可见光图像，所述可见光图像用于作为单光子特性的展示模型。

本发明实施例所述展示方法可以通过上述展示装置对光子特性进行直观展示，无需高成本的仪器设备，成本低，而且对外界调节要求低，无需担心外界噪声干扰。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的装置相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见装置部分说明即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种单光子特性的展示装置，其特征在于，所述展示装置包括：

光导介质结构件，所述光导介质结构件内具有多个荧光区域；

激发器件，所述激发器件用于激发所述荧光区域发出荧光，以显示预设图案的可见光图像，所述可见光图像用于作为单光子特性的展示模型，以直观展示单光子特性；

控制器，所述控制器用于基于设定指令驱动所述激发器件，以设定扫描顺序逐个激发所述荧光区域，以使得所述可见光图像用于作为单光子的传播路径的展示模型；

所述光导介质结构件包括第一柱体，所述第一柱体包括第一部分；

所述第一部分具有多个间隔分布的单光子展示荧光区域，所述单光子展示荧光区域受激发显示单光子模型图像。

2.根据权利要求1所述的展示装置，其特征在于，所述第一柱体还包括第二部分和第三部分，在第一方向上，所述第二部分、所述第三部分以及所述第一部分依次排布；

所述第二部分具有连续的条形荧光区域，所述条形荧光区域受激发显示条形图像，所述条形图像用于作为光束未衰减时沿直线传播的展示模型；

所述第三部分作为光衰减器的展示模型。

3.根据权利要求1或2所述的展示装置，其特征在于，所述单光子模型图像为球体或是椭球体。

4.根据权利要求2所述的展示装置，其特征在于，所述控制器驱动所述激发器件依次扫描所述第二部分和所述第一部分；

扫描所述第二部分时，同时激发整个所述条形荧光区域；

扫描所述第一部分时，同时激发所有所述单光子展示荧光区域，以作为光束衰减为多个单光子的展示模型；

或，沿着所述第一方向逐一激发所述单光子展示荧光区域，以作为光束衰减为一个沿着所述第一方向传播的单光子的展示模型。

5.根据权利要求1或2所述的展示装置，其特征在于，所述单光子模型图像包括用于表示单光子偏振方向的标识，以作为具有设定偏振方向单光子的展示模型。

6.根据权利要求1或2所述的展示装置，其特征在于，多个所述单光子模型图像的荧光颜色不完全相同，以作为设定波长单光子的展示模型。

7.根据权利要求1或2所述的展示装置，其特征在于，还包括：

分束器模型，第二柱体和第三柱体；所述第二柱体和所述第三柱体均具有多个间隔分布的所述单光子展示荧光区域；

所述第一部分的出光口模型与所述分束器模型的入光口模型相对设置，所述第二柱体的一端与所述分束器模型的一个出光口模型相对设置，所述第三柱体的一端与所述分束器模型的另一个出光口模型相对设置；

其中，所述激发器件激发所述第一部分内N个所述单光子展示荧光区域对应显示N个所述单光子模型图像后，激发所述第二柱体内a个所述单光子展示荧光区域对应显示a个所述单光子模型图像，激发所述第三柱体内b个所述单光子展示荧光区域对应显示b个所述单光子模型图像，N＝a+b，a和b为整数，以模拟展示所述分束器模型具有a：b的分束比。

8.根据权利要求1所述的展示装置，其特征在于，所述激发器件为紫外光源器件，用于出射紫外光，以激发所述荧光区域发光；

或，所述激发器件为电子枪，用于发射电子，以激发所述荧光区域发光。

9.一种单光子特性展示方法，其特征在于，采用如权利要求1-8任一项所述的展示装置，激发荧光区域发光，以显示预设图案的可见光图像，所述可见光图像用于作为单光子特性的展示模型。

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