一種全光纖型觀測光波粒二象性的方法＊

馬海強 李林霞 王素梅 吳張斌 焦榮珍

1)(北京郵電大學理學院,北京 100876)

2)(北京理工大學機械與車輛工程學院,北京 100081)

一種全光纖型觀測光波粒二象性的方法＊

馬海強1)?李林霞1)王素梅2)吳張斌1)焦榮珍1)

1)(北京郵電大學理學院,北京 100876)

2)(北京理工大學機械與車輛工程學院,北京 100081)

(2008年12月7日收到;2009年4月2日收到修改稿)

提出一種結構簡單、實驗現象明顯的光波粒二象性觀測方案,本方案以波的相干疊加突出顯示光的波動性,以粒子在50/50分束器的路徑隨機選擇特性突出顯示光的粒子性.以衰減強激光脈沖為光子源,在實驗室獲得的干涉對比度超過99%,單粒子特性超過90%.實驗結果表明此方案有望在實際得到廣泛應用.

單光子源,Sagnac干涉儀,波粒二象性,符合測量

PACC:0365,4230,4250

1.引言

人們對光本性的思考大約是從17世紀開始的,當時有兩個矛盾尖銳的學說并存.其中之一是以牛頓為代表的一些人提出了光的微粒本質,認為光是按照慣性定律沿直線飛行的微粒流;而以惠更斯為首的另一部分人提出了光的波動本質,認為光是在一種特殊彈性介質中傳播的機械波.經過兩個世紀左右的探討后,在19世紀60年代對光的本質有了突破性的認識:麥克斯韋在前人的基礎上,建立了光的電磁理論,大量的無可辯駁的事實也證明了光是一種電磁波.對光本性的認識算是有了一個階段性的定論.時至1905年,愛因斯坦發展了光的量子理論并且成功地解釋了光電效應.至此,光的本性又引起了人們的重新思考,粒子性、波動性的爭論又擺在了科學家面前.近現代眾多的實驗對這個問題的回答是:對于光的本性,只能根據它所表現出來的性質和規律來判定.光在某些方面的行為像經典的波動,某些方面的行為像經典的粒子,因此光的本性就概括為:波粒二象性.與人認識自然界其他事物的本質相似,對光的本性認識也需要一個測量裝置.在現有的實驗設備中,單光子源的研究已日趨成熟,并且有各種各樣的制備方法,但是對光本性認識的實驗測量方面研究的較少.雖然目前已有對波粒二象性的實驗測量裝置,但它們結構較復雜[1—4],實現起來較繁瑣.

本文提出一種觀測光波粒二象性的實驗方案,實現對光波粒二象性的驗證和觀察.其物理基礎是:觀察光的粒子性時,利用光子經50∶50 X型光分路/合路器時的路徑隨機選擇特性,突出顯示經典粒子運動軌道、軌跡的特征;觀察光的波動性時,利用了Sagnac干涉儀[5],光在50∶50 X型光分路/合路器再次相遇時的疊加特性,突出顯示經典波的干涉特征.該方案的實現由單光子源[6—9]、光環型器、X型光分路/合路器依次連接構成,另外再配以兩個單光子探測計數器,具有結構簡單、易于構建、抗干擾性強、結果直觀易于觀察等特點.

2.觀測方案原理圖

觀測方案光路部分的原理如圖1所示.

全光纖型光波粒二象性測量裝置包括依次連接的單光子源S,光環型器C,X型光分路/合路器.其中S的輸出端連接C的同向輸入端Ca,光環型器C的同向輸出端Cb連接X型光分路/合路器的尾纖端口Xa,光環型器C的反向輸出端Cc,X型光分路/合路器的尾纖端口Xb連接單光子探測計數器,X型光分路/合路器的尾纖端口Xc,Xd可接入單光子探測計數器D2,D1,也可兩者直接相連接.

圖1 全光纖型光波粒二象性測量原理圖(S為單光子源;C為光環型器;Ca,Cb,Cc分別為光環型器的同向輸入端、同向輸出端、反向輸出端;X為50/50X型光分路/合路器; Xa,Xb,Xc,Xd分別為X型光分路/合路器的尾纖端口;D2,D1為單光子探測計數器)

單光子脈沖經Xa端口耦合進X后,分下面兩種情況進行討論.

一種情況是使X型光分路/合路器的尾纖端口Xc,Xd直接連接,如此就構成了一個Sagnac干涉儀,可以觀察波的干涉特征,這種干涉儀為環狀結構,它可以保證順時針方向和逆時針方向兩路傳播光的零光程差.因環形對稱的緣故,對于來自外界的物理因素的影響,順時針和逆時針的光均受到相同的相位改變,而在Xc,Xd端口的干涉結果僅取決于兩個方向傳播光的相位差,因此該干涉儀自動的補償了來自光程、外界引起的相位差,保證了其穩定性,具有抗干擾性強的特征,同時也保證了D2,D1的穩定計數.

另一種情況是使X型光分路/合路器的尾纖端口Xc,Xd分別接單光子探測器D2,D1,由Xa端口耦合進來的單光子等概率的選擇Xc或者Xd輸出,產生的結果是D2,D1的探測結果是互補的,即或D2有計數,或D1有計數,兩者不能同時有計數,這樣就可以說明光的單光子特性.經過一段相同時間的累積,兩者的計數量應是相同的,進而說明單光子在50/50X型光分路/合路器隨機選擇特性.

3.實驗結果和討論

3.1.單光子源和數據采集裝置

本方案使用的單光子源采用高度衰減激光脈沖式的近似單光子源,激光脈沖中的光子數分布屬于泊松分布

上式表示光脈沖中含m個光子的概率,其中μ表示每個脈沖中的平均光子數.當μ?1時,含有兩個光子或兩個以上光子(簡稱為多光子)的脈沖出現的概率Pm>1占含有光子脈沖的概率為

其中P0,P1分別為沒有光子的脈沖及含有一個光子的脈沖.對于平均光子數為μ=0.1的光脈沖串來說,多光子脈沖在全部含有光子的脈沖中出現的概率約為5%,人們常把符合這種條件的光源稱為單光子源.

實驗裝置中的數據采集和分析部分如圖2所示.

圖2 數據采集和分析

實驗中使用的單光子源為衰減激光光脈沖,激光器為(Advanced Laser Diode Systems PIL131DFBSM),其中心波長為1310 nm,線寬為0.1 nm,光脈沖寬度約為20 ps,重復頻率1 MHz,平均功率約為980 nW,1310 nm單光子的能量是1.5×10-19J,經衰減約81.8 dB,達到平均每脈沖光子數μ=0.1.

3.2.光的波動性實驗結果和數據分析

若將單光子探測計數器D2,D1分別連接到光環型器C的反向輸出端Cc,X型光分路/合路器的尾纖端口Xb,同時將X型光分路/合路器的尾纖端口Xc,Xd直接連接而構成環型光路,這個環型光路就是Sagnac干涉儀,干涉后的光子就會在X型光分路/合路器的尾纖端口Xa,Xb的某一個口出來.對于分光比為50∶50的X型光分路/合路器,光子都會出現在尾纖端口Xa.觀察到的實驗現象是計數器D2的計數率約104s-1,而計數器D1幾乎沒有計數量(每秒幾十個以內,單光子探測器的暗計數),定義干涉對比度為兩計數器的計數之差除以計數之和,得到干涉對比度超過99%,對該現象只能作如下解釋.

輸入光,以瓊斯矩陣[10]表示為

經X型光分路/合路器(假設耦合器是偏振無關的,同時忽略損耗)分束后,尾纖端口Xc,Xd中的光表示為

其中,C是一個與光的波長有關的量,lc表示合路器的耦合長度,i表示透射光和反射光之間有π/2的相位差.

將X型光分路/合路器的尾纖端口Xc,Xd直接連接而構成環型光路的傳輸矩陣(順時針方向)描述為(忽略光纖的損耗和雙折射效應)

其中σ表示光纖環引起的相位延遲.

當ψXd,ψXc繞行一周,再次到達X型光分路/合路器時,

其中M′表示光纖環的逆時針方向傳輸矩陣.忽略光纖的雙折射效應時,

因此,ψXd,ψXc反向通過X型光分路/合路器后, ψXa,ψXb可描述為

從Xa端口輸出的光強占輸入光強的比例則為

對于對于分光比為50∶50的X型光分路/合路器,

所以R=1,也即此時的干涉儀相當于一個全反鏡.

3.3.光的粒子性實驗結果和數據分析

觀測光的粒子性時,也就是檢驗單光子源的品質,即觀察每個脈沖中含有的光子個數.將單光子探測器D1,D2的輸出分別接入到時幅轉換儀[11](EG&GOrtec公司567型,其作用是將時間差轉化為相應的電壓幅度)的開始信號(START)、結束信號(STOP)端口,并在接入結束信號端口的一路加入2.5μs的延時,時幅轉換儀的分析時間范圍設為5μs.時幅轉換儀的輸出接入到多道分析儀.時幅轉換儀接收到開始信號后,立即處于工作狀態,等待在分析范圍內到來的結束信號,結束信號包括有效的光信號以及探測器的暗噪聲信號.若在分析時間內沒有結束信號的到來,就恢復原狀態,等待開始信號的到來,且不輸出任何信號.若在分析時間內有結束信號的到來,就輸出幅度與開始信號至結束信號時間差成正比的一個直流電壓信號.將此信號輸入到多道分析儀(設定量程為4096道),不同幅度的電壓信號顯示在不同的道址上.經過一段時間的積累,就可在多道分析儀的界面上看到如圖3所示的圖形.

圖3 單光子粒子性的測量結果圖

從圖3上可以看出,除了本底的背景外,在大約400道、1200道、2800道、3600道,出現了開始信號與結束信號的符合峰.本底是由于探測器的暗計數造成的,因為暗計數是隨機出現的,所以組成了均勻的本底.各個峰值分別相應于在相對開始信號延時為0.5μs,1.5μs,3.5μs,4.5μs時的光子出現的概率比較大.多道分析儀上每兩個峰的時間間隔對應于脈沖激光相鄰兩個脈沖的間隔.在大約2000道的道址上出現的符合峰很低,也就是相對于START信號2.5μs的時刻光子出現的概率比較小,這是因為在接入結束信號端口的一路中加了2.5μs的延時,這個時刻相當于是兩個單光子探測器對同一個光脈沖中光子的響應,因為是單光子源,所以這個道址上的符合峰原理上應該是不存在的.但是還可隱約的觀察到峰,原因是由衰減激光脈沖獲得的單光子源,其光脈沖中多光子脈沖(含兩個或兩個以上光子)出現的概率約是5%.2000道的道址上的計數量占所有峰的總計數量的8%,也即多光子出現的概率約為8%,單光子脈沖出現的概率約為92%.

4.結論

本文提出一種全光纖型光波粒二象性測量方案,其中涉及的各光學器件都是尾纖輸入、輸出,使得光路的連接、校準非常容易.在觀測光的波動性時,所用的干涉儀是將X型光分路/合路器的同側兩根尾纖直接相連構成的Sagnac干涉儀,因為相干涉的兩個光脈沖走的路徑完全相同,能很容易的拚棄來自外界環境的干擾,這樣巧妙地利用了Sagnac干涉儀的易構建性和穩定性.觀察光的粒子性時和波動性唯一不同的是將單光子探測計數器接到不同的尾纖端口,操作也非常簡單.該測量系統在觀察測量波動性和粒子性的差異時,因為兩種情況下的實驗現象差別很大,僅是通過觀測單光子探測計數器的示數就能夠很容易的觀察到光所表現出的不同性質.

[1]Foster GT,Orozco L A,Castro-Beltran HM,Carmichael HJ 2000 Phys.Rev.Lett.85 3149

[2]Zhao K H,Luo W Y 2001New Concept Physics-Quantum Physics (Beijing:Higher Education Press)p13(in Chinese)[趙凱華、羅蔚茵2001新概念物理-量子物理(北京:高等教育出版社)第13頁]

[3]Buks E,Schuster R,Heiblum M,Mahalu D,Umansky V 1998 Nature391 871

[4]Dimitrova TL,Weis A 2008Am.J.Phys.76 137

[5]Marlan O,Scully M,Zubairy S 1997Quantum Optics(Cambridge University Press)p101

[6]T ownsend P D,Rarity J G,Tapster P R 1993Electron.Lett.29 634

[7]Liao J,Liang C,Wei YJ,WuL A,Pan S H,Yao D C 2001Acta Phys.Sin.50 467(in Chinese)[廖 靜、梁 創、魏亞軍、吳令安、潘少華、姚德成2001物理學報50 467]

[8]Wu E,Rabeau J R,Roger G,Treussart F,Zeng H,Grangier P, Prawer S,Roch J F 2007New J.of Phys.9 434

[9]Ma H Q,Wang S M,Wu L A 2009Acta Phys.Sin.58 717(in Chinese)[馬海強、王素梅、吳令安2009物理學報58 717]

[10]Birks T A,Morkel P 1988Appl.Opt.27 3107

[11]Hou Y X,Ma H Q,Wu L A 2005Acta Phys.Sin.54 574(in Chinese)[侯巖雪、馬海強、吳令安2005物理學報54 574]

PACC:0365,4230,4250

An all-fiber method to measure the wave-particle duality of light＊

Ma Hai-Qiang1)?Li Lin-Xia1)Wang Su-Mei2)Wu Zhang-Bin1)Jiao Rong-Zhen1)

1)(School of Sciences,Beijing University of Posts and Telecommunications,Beijing 100876,China)
2)(Department of Mechanical and Automation Engineering,3rd School,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)

7 December 2008;revised manuscript

2 April 2009)

A new scheme with very simple implementations giving obvious experimental results has been demonstrated to reveal the particle and wave duality of light.The scheme demonspates the wave property of light by coherent superposition and the particle property of light by random path selection though a 50/50 beam splitter.Preliminary experiments showed high interference visibility of 99%and the particle nature of light as high as 90%by using a highly attenuated pulsed laser as a single photon source.This scheme displays both the wave and particle nature of light though a simple experimental setup,which makes it a quite promising schemfor revealing the property of light.

single photon source,Sagnac interferometer,wave-particle duality,coincidence measurement

＊國家自然科學基金(批準號:10805006),中國博士后科學基金(批準號:20080440307)和北京市教委共建項目(批準號:XK100130837)資助的課題.

?E-mail:hqma@bupt.edu.cn

＊Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.10805006),China Postdoctoral Science Foundation(Grant No. 20080440307)and the Beijing Municipal Commission of Education(Grant No.XK100130837).

?E-mail:hqma@bupt.edu.cn