本发明涉及光学及测量技术领域，尤其涉及一种量子真空光谱仪及其演示方法。
背景技术：
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。因此，量子力学对未来科技创新和社会发展十分重要。然而，在大学物理教学中，相比于经典物理，量子力学的理论概念晦涩难懂，相关实验现象不易在生活中观察到，导致量子力学仍停留在理论讲解阶段，缺乏配套成熟的实验验证帮助学生理解相关理论。例如，经典物理认为没有任何能量入射，真空能量为零，比如光学分束器，如果四面都没有任何光场能量入射，经典物理认为在分束器的任意一端测量，能量均为零。与之相反，量子物理认为，真空场并不空，能量无处不在，哪怕没有任何外界光场入射，分束器周边也能够测量到能量，且这个能量有一定的分布。可是即使量子力学认为真空场不空，但是能量大小也是非常小的，普通的探测器是无法直接测量到的，真空场能量会淹没在探测器以及采集系统电子学噪声里。因此，本发明旨在提出一种教学演示装置和方法，通过演示真空的光谱特性，填补量子实验技术在本科实验教学中的空白，帮助学生直观认识量子物理学与经典物理学的不同，实现了量子力学实验技术的普及，提高学生动手能力的同时，拓展了学生的思路，为量子力学在科技创新和社会发展等方面的应用储备了人才。
技术实现要素：
本发明提供了一种量子真空光谱仪及其演示方法，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，本发明提出了一种量子真空光谱仪，其特征在于，包括：光源、滤光片、衰减器、分束器、遮光罩、反射镜、探测器以及数据采集分析系统；其中，
光源(1)，用于产生入射光场，通常是多色的宽带光源；
滤光片(2)，用于控制光源的波长；
衰减器(3)，用于控制光源的光强；
分束器(4)，用于实现真空场及光场的分束与合束；
遮光罩(5)，用于屏蔽外界杂散光，实现真空场注入；
反射镜(6)，用于实现光场反射；
第一光电探测器(7)和第二光电探测器(8)，用于实现光信号转换为电信号；
减法器(9)，用于实现电信号相减；
数据采集分析系统(10)，用于实现电信号采集及数据分析。
本发明通过滤波片(2)控制光源的波长，可以实现不同波长下，真空起伏测量。通过衰减器(3)控制光源的光强，可以实现不同光强下，真空起伏测量。通过遮光罩(5)的使用，屏蔽外界杂散光，实现真空场的注入。
本发明所述量子真空光谱仪的具体光路如下：所述光源(1)发出的入射光场依次经过所述滤波片(2)和所述衰减器(3)，在所述分束器(4)与真空场合束的同时被分为均两路，分别被所述第一光电探测器(7)和第二光电探测器(8)探测后转换为电信号并由所述减法器(9)相减，最终进入数据采集系统(10)进行频谱分析。
基于以上装置，本发明还提出了一种量子真空光谱仪的演示方法，具体步骤如下：
步骤1：将滤波片(2)和衰减器(3)调整至正确位置，使光源(1)发出的光波顺利入射到分束器(4)；
步骤2：分束器(4)用遮光罩(5)保护好，使光源(1)发出的光波水平(或垂直)通过分束器(4)的同时，分束器(4)垂直方向(或水平方向)无任何光注入，即满足真空注入；
步骤3：调整光路，使入射到系统内的光全部入射到第一光电探测器(7)和第二光电探测器(8)；
步骤4：调整光路，通过观察数据采集分析系统(10)，保证第一光电探测器(7)和第二光电探测器(8)的直流输出电压一致；
步骤5：关闭光源(1)，利用数据采集分析系统(10)记录输出的噪声谱，即为光电探测器的电子学噪声；
步骤6：打开光源(1)，通过滤光片(2)选定光源的波段。通过衰减器(3)改变所述入射激光的能量，测量并记录一系列功率谱；
步骤7：将所述步骤6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，即为在特定波长下，不同入射光功率时，真空的功率谱；
步骤8：将所述步骤(7)获得的一系列功率谱信号取均值，获得入射光功率与真空的功率谱之间的关系；
步骤9：改变滤光片(2)，重复所述步骤(7)和步骤(8)，获得不同波长下，入射光功率与真空的功率谱之间的关系；
步骤10：对比通过不同注入波长和不同注入光功率时，真空场的功率谱变化，实现真空场的光谱特性测量。
本发明提供一种量子真空光谱仪及其演示方法，实现真空起伏测量和真空光谱特性测量，可以帮助学生直观认识量子物理学与经典物理学的不同，提高学生动手能力的同时，拓展了学生的思路，为量子力学在科技创新和社会发展等方面的应用储备了人才。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，适合大学物理实验教学，为量子实验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是本发明提出的量子真空光谱仪的示意图。
图2是本发明提出的量子真空光谱仪演示方法的流程图。
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。
本发明提出了一种量子真空光谱仪及其演示方法，可以实现真空场光谱特性的研究。本真空谱仪包含光源、滤光片、衰减器、分束器、遮光罩、反射镜、探测器、减法器以及数据采集分析系统。其中，光源发出的光波，经过滤波片和衰减器到达分束器。分束器在遮光罩的保护下，实现真空场与光场合束的同时被分为均两路，分别被探测器探测后转换为电信号并相减，最终进入数据采集系统进行频谱分析。基于该装置，本发明还提出了量子真空光谱仪的演示方法。通过滤光片控制光源的波长，通过衰减器控制光源的光强，探测并记录不同波长和光强条件下，真空场的光谱特性。本发明装置及方法使用方便，实验效果直观，为量子实验技术在大学物理教学的普及提供了可能。
本发明第一方面提供了一种量子真空光谱仪。具体如下：
1-光源，2-滤波片，3-衰减器，4-分束器，5-遮光罩，6-反射镜，7-第一探测器，8-第二探测器，9-减法器，10-数据采集及分析系统。其中，
光源发出的光波，经过滤波片和衰减器到达分束器。分束器在遮光罩的保护下，实现真空场与光场合束的同时被分为均两路，分别被探测器探测后转换为电信号并相减，最终进入数据采集系统进行频谱分析。
所述光源1发出的入射光场依次经过所述滤波片2和所述衰减器3达到分束器4。分束器4在遮光罩5的保护下，实现真空场与光场合束的同时被分为均两路，分别被所述第一光电探测器7和第二光电探测器8探测后转换为电信号并由所述减法器9相减，最终进入数据采集系统10进行频谱分析。
所述滤波片2控制光源的波长，可以实现不同波长下，真空场的光谱特性测量。所述衰减器3控制光源的光强，可以实现不同光强下，真空起伏测量。所述遮光罩5，可以实现真空场的注入。
本发明第二方面提供了一种量子真空光谱仪的演示方法，具体步骤如下：
步骤1：将滤波片2和衰减器3调整至正确位置，使光源1发出的光波顺利入射到分束器4；
步骤2：分束器4用遮光罩5保护好，使光源1发出的光波水平或垂直通过分束器4的同时，分束器4垂直方向或水平方向无任何光注入，即满足真空注入；
步骤3：调整光路，使入射到系统内的光全部入射到第一光电探测器7和第二光电探测器8；
步骤4：调整光路，通过观察数据采集分析系统10，保证第一光电探测器7和第二光电探测器8的直流输出电压一致；
步骤5：关闭光源1，利用数据采集分析系统10记录输出的噪声谱，即为光电探测器的电子学噪声；
步骤6：打开光源1，通过滤光片2选定光源的波段。通过衰减器3改变所述入射激光的能量，测量并记录一系列功率谱；
步骤7：将所述步骤6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，即为在特定波长下，不同入射光功率时，真空的功率谱；
步骤8：将所述步骤7获得的一系列功率谱信号取均值，获得入射光功率与真空的功率谱之间的关系；
步骤9：改变滤光片2，重复所述步骤7和步骤8，获得不同波长下，入射光功率与真空的功率谱之间的关系；
步骤10：对比通过不同注入波长和不同注入光功率时，真空场的功率谱变化，实现真空场的光谱特性测量。
本发明通过量子真空光谱仪及其演示方法，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。
1.一种量子真空光谱仪，其特征在于，包括：光源、滤光片、衰减器、分束器、遮光罩、反射镜、探测器以及数据采集分析系统；其中，
光源(1)，用于产生入射光场，通常是多色的宽带光源；
滤光片(2)，用于控制光源的波长；
衰减器(3)，用于控制光源的光强；
分束器(4)，用于实现真空场及光场的分束与合束；
遮光罩(5)，用于屏蔽外界杂散光，实现真空场注入；
反射镜(6)，用于实现光场反射；
第一光电探测器(7)和第二光电探测器(8)，用于实现光信号转换为电信号；
减法器(9)，用于实现电信号相减；
数据采集分析系统(10)，用于实现电信号采集及数据分析；
所述光源(1)发出的入射光场依次经过所述滤波片(2)和所述衰减器(3)，在所述分束器(4)与真空场合束的同时被均分为两路，分别被所述第一光电探测器(7)和第二光电探测器(8)探测后转换为电信号并由所述减法器(9)相减，最终进入数据采集系统(10)进行频谱分析。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，通过滤波片(2)控制光源的波长，实现不同波长下，真空起伏测量。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，通过衰减器(3)控制光源的光强，实现不同光强下，真空起伏测量。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，通过遮光罩(5)的使用，屏蔽外界杂散光，实现真空场的注入。
5.一种量子真空光谱仪的演示方法，其特征在于，采用如权利要求1-4之任一项所述的量子真空谱仪，包括以下步骤：
步骤1：将滤波片(2)和衰减器(3)调整至正确位置，使光源(1)发出的光波顺利入射到分束器(4)；
步骤2：分束器(4)用遮光罩(5)保护好，使光源(1)发出的光波水平或垂直通过分束器(4)的同时，分束器(4)垂直方向或水平方向无任何光注入，即满足真空注入；
步骤3：调整光路，使入射到系统内的光全部入射到第一光电探测器(7)和第二光电探测器(8)；
步骤4：调整光路，通过观察数据采集分析系统(10)，保证第一光电探测器(7)和第二光电探测器(8)的直流输出电压一致；
步骤5：关闭光源(1)，利用数据采集分析系统(10)记录输出的噪声谱，即为光电探测器的电子学噪声；
步骤6：打开光源(1)，通过滤光片(2)选定光源的波段。通过衰减器(3)改变所述入射激光的能量，测量并记录一系列功率谱；
步骤7：将所述步骤6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，即为在特定波长下，不同入射光功率时，真空的功率谱；
步骤8：将所述步骤(7)获得的一系列功率谱信号取均值，获得入射光功率与真空的功率谱之间的关系；
步骤9：改变滤光片(2)，重复所述步骤(7)和步骤(8)，获得不同波长下，入射光功率与真空的功率谱之间的关系；
步骤10：对比通过不同注入波长和不同注入光功率时，真空场的功率谱变化，实现真空场的光谱特性测量。
6.如权利要求5所述的量子真空光谱仪的演示方法，其特征在于，步骤9中，通过改变滤光片(2)和衰减器(3)，实现不同波长下，真空场光谱特性的测量。
技术总结