怎么樣探測微波單光子 單光子探測 如何發(fā)現(xiàn)千里之外的目標(biāo)

怎樣通過微波熱效應(yīng)來證實(shí)微波的量子特性？微波探測器工作原理是什么？單光子探測 如何發(fā)現(xiàn)千里之外的目標(biāo)？那位能提供一些關(guān)于單光子探測器的知識，單光子的線寬測量。

本文導(dǎo)航

• 怎樣通過微波熱效應(yīng)來證實(shí)微波的量子特性？
• 微波探測器工作原理是什么？
• 單光子探測 如何發(fā)現(xiàn)千里之外的目標(biāo)
• 那位能提供一些關(guān)于單光子探測器的知識？
• 單光子的線寬測量

怎樣通過微波熱效應(yīng)來證實(shí)微波的量子特性？

本文中的光、光子除特別說明，均理解為一切頻率。

張篤一,傻中傻霸兩位網(wǎng)友的論證都很有力。傻中傻霸的例子中之所以杯子沒有熱效應(yīng)，而水卻產(chǎn)生熱效應(yīng)，這恐怕不是電磁理論可以定量說明的，不過我對電磁場理論只是個門外漢，我這么說，完全出于其它方面的認(rèn)識，可以說是臆測吧，歡迎網(wǎng)友指正。

張篤一網(wǎng)友說：“還是我上次說的那句，這個現(xiàn)象可以用量子理論解釋也可以用經(jīng)典理論解釋”，并且說“正如低速運(yùn)動我們無需用相對論只要用牛頓力學(xué)即適用”。言下之意，電磁場理論是量子理論的低頻下的近似（我這么理解大致是可以的吧，如果是我的錯誤理解，請見后文對該問題的論證）。既然如此，他實(shí)質(zhì)上就接受了量子理論是更正確的，那么量子化的假設(shè)就可以認(rèn)為是正確的，至少在沒有新理論出現(xiàn)前比電磁場理論更正確。

就我所知，凡是涉及電磁波與實(shí)物的相互作用時，光子說總是成立的。既然成立，就可在一定程度上表明，它的理論出發(fā)點(diǎn)光的量子化是正確的，至少沒有更好的理論（但量子化或光子究竟是物理實(shí)在，還僅是個數(shù)學(xué)工具或模型，恐怕現(xiàn)在還沒人回答。關(guān)鍵是我們是否能“看到”單個的光子，正如我們已經(jīng)可以“看到”單個原子，據(jù)稱有人還“看到”了單個電子。但量子力學(xué)又禁止我們“看到”至少是低能的光子。例如1mm波長的微波，這是微波中的能量上限，按測不準(zhǔn)原理，其位置不確定度近似為波長，1mm的不確定度對光子而言，是天文距離的吧。我們的處境非常尷尬，想徹底證明卻沒法證明，想證偽可眼下沒發(fā)現(xiàn)它有什么錯）

因此，我們目前只能在量子力學(xué)的框架下，來驗(yàn)證其假設(shè)的正確性，而不能完全證明其正確性。只有當(dāng)我們的觀測不能用量子理論說明的時候，那時才有必要考慮拋棄量子化假說。

光的量子性和物質(zhì)的能級結(jié)構(gòu)是密切關(guān)聯(lián)的，實(shí)際上是量子論的一對孿生兄弟。二者都是一種假設(shè)，并無直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)。假設(shè)的正確性只能根據(jù)它們導(dǎo)出的結(jié)論與大量實(shí)驗(yàn)很好的符合被驗(yàn)證。如前所述，我們至今未發(fā)現(xiàn)有任何明顯的反例存在，但即便如此，對相同的結(jié)論是否可能由另一套“非量子性”假設(shè)導(dǎo)出，我們不得而知，但可能性是存在的。如果哪一天發(fā)現(xiàn)了不可調(diào)和的矛盾，量子力學(xué)真走到了山窮水盡的地步，相信總會有人提出更好的理論的?，F(xiàn)在來看，還不是時候。如果沒有歷史上那幾朵烏云，很可能普朗克、愛因斯坦和玻爾是誰我們沒一個人會知道。

所以嚴(yán)格看來，我前文提出的實(shí)驗(yàn)論據(jù)核磁共振和微波爐其實(shí)也不能證明無線電波和微波的量子化，只能說明在這兩個波段量子論仍然自洽，并能成功解釋現(xiàn)象。

下面回到樓主的問題，具體討論微波和轉(zhuǎn)動能級。這里的討論仍然在量子論的框架下進(jìn)行。我主要從發(fā)射光譜的角度來闡述問題，吸收光譜是其逆過程，本質(zhì)上一樣。微波爐的微波發(fā)生器的工作細(xì)節(jié)我不清楚（但同樣屬于發(fā)射光譜），吸收過程的光譜行為我也沒有具體資料，因此無法就此深入討論。稍后再簡單進(jìn)一步討論。

但氣體分子的轉(zhuǎn)動光譜（一般處于遠(yuǎn)紅外一直可延伸到微波段，具體大小取決于特定分子轉(zhuǎn)動能級的大小）已被大量詳盡地研究，氣態(tài)分子在較低溫度下（數(shù)十K）的純轉(zhuǎn)動光譜是典型的線狀光譜，并幾乎等間距。在溫度較低時，分子平均平動能較小，相互碰撞時一般不足以引發(fā)電子能級和振動能級的躍遷（不排除個別能量大的分子可引發(fā)這兩種能級的躍遷），但溫度只要不是太低，碰撞時即可能引起轉(zhuǎn)動能級的躍遷，即平動能減小，轉(zhuǎn)動能增加。分子位于轉(zhuǎn)動高能級時，又自發(fā)輻射遠(yuǎn)紅外或微波光子。其發(fā)射的線狀光譜就表明了轉(zhuǎn)動能級的量子化，等間距就表明了分子相鄰轉(zhuǎn)動能級之間的間隔相等（該推斷雖然未必一定正確，但除此之外我們找不到更好的解釋）。

附圖中列出了HCl分子的轉(zhuǎn)動光譜數(shù)據(jù)，表中的計算值是利用對非剛性轉(zhuǎn)子模型進(jìn)行量子力學(xué)計算得出的?？梢钥闯隽孔永碚撚嬎阒岛蛯?shí)驗(yàn)值的相符程度很高。

其中實(shí)驗(yàn)測得的最小波數(shù)為83.03cm-1，波長0.12mm處于遠(yuǎn)紅外光區(qū)，已接近微波光區(qū)。如果分子量更大的氣體分子，根據(jù)理論計算，它們的輻射頻率將出現(xiàn)在微波區(qū)。如果樓主想實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證某一微波頻率的話，具體方法可參考有關(guān)文獻(xiàn),我相信有人做過類似的工作。

需要說明的是，分子更大，相應(yīng)頻率更低時，分子能級間隔更小，譜線相互靠的更近，需要使用更高分辨率的分光系統(tǒng)，將它們分得足夠遠(yuǎn)以致可辨。還有個較難避免的困難在于多普勒變寬和自吸效應(yīng)這兩個因素的存在將大大增加譜線寬度，通常比測不準(zhǔn)原理所限定的自然寬度大幾個數(shù)量級，從而造成譜線的重疊，用再好的分光系統(tǒng)也不可能分開。我懷疑附圖中123三條線沒有數(shù)據(jù)可能與此有關(guān)。另一個重要原因，可能是在試驗(yàn)溫度下實(shí)際最低能級并非基態(tài)，很可能是第二激發(fā)態(tài)，如果知道溫度的話應(yīng)該是可以計算的。還有可能與分子無規(guī)運(yùn)動時偶然的分子間作用（對大量分子而言就不是偶然了）引起平動能的顯著量子化有關(guān)（造成轉(zhuǎn)動能級躍遷的同時伴隨平動能級的躍遷，從而使譜線成為帶狀）。因未看到原圖，上述判斷僅是臆測。記憶中以前看到過純轉(zhuǎn)動光譜似乎每條線都有，寬度也較窄，一時想不起來在哪見過。

上面討論的都是氣體分子，如果是液體和固體，分子間的相互作用將使轉(zhuǎn)動能級結(jié)構(gòu)變得極為復(fù)雜（正如固體中電子能級的結(jié)構(gòu)一樣）。據(jù)我很有限的知識，目前還沒有很好的理論。至于其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)我也沒有資料，但相信能級間隔會變小，對應(yīng)的吸收發(fā)射頻率會紅移。這可以解釋微波爐對水有顯著的熱效應(yīng)。但可以預(yù)料的是，微波吸收譜會是近似連續(xù)的，而不會像氣體那樣出現(xiàn)線狀光譜，正因如此，連續(xù)的電磁場理論才可能解釋該現(xiàn)象。如果是水蒸汽，根據(jù)前面HCl的數(shù)據(jù)估計，很可能不足以引起轉(zhuǎn)動能級的躍遷，不會明顯表現(xiàn)熱效應(yīng)。

最后再補(bǔ)充一個直接驗(yàn)證微波量子性的實(shí)驗(yàn)，電子自旋共振ESR。其原理與核磁共振有類似之處，它是由微波與電子自旋在磁場中的分裂的能級之間產(chǎn)生的相互作用，當(dāng)光子能量滿足該能級差時將可能被吸收產(chǎn)生信號。由于應(yīng)用范圍較窄，故沒有核磁共振普及，本人也未用過。樓主欲知詳情可參考一些現(xiàn)代分析方法和儀器的教材和專著。百度百科上的介紹過于簡單，恐幫助不大。http://baike.baidu.com/view/818954.html?wtp=tt。樓主想親自驗(yàn)證的話可與有該儀器的高校聯(lián)系，不過個人認(rèn)為意義不大，不太可能發(fā)現(xiàn)用量子力學(xué)無法說明的現(xiàn)象，同時如前所述要嚴(yán)格證明量子性也不可能（如果你不認(rèn)可該實(shí)驗(yàn)所依據(jù)的原理，一定要尋求嚴(yán)格證明）。

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看到樓上“大作業(yè)F”朋友的解答，忍不住想再說兩句。這位朋友說的第三種方法，我沒見過，不知是否有人做過，但我想說想用任何方法“看見”微波光子恐怕是不可能的（前文已有說明，不妨再說幾句。姑且假定能做到一束微波就是一“串”光子，每個光子間隔1mm，呵呵這一串光子的確粒?？蓴?shù)，但每個光子的能量分散在1mm方圓內(nèi)，一萬年以后有沒有人能發(fā)明探測這樣小強(qiáng)度光的高靈敏裝置，我不清楚，目前是沒戲）。另外目前看來，無論采用何種光子計數(shù)器，所謂的數(shù)目都是用絕對光強(qiáng)折算出來的，而不是一個一個“數(shù)出”來的。其它的微波探測技術(shù)產(chǎn)生的信號也必是連續(xù)的（除非像剛才一樣每隔1mm一個），當(dāng)然人為調(diào)制例外。

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我查了一下中文期刊（檢索工具‘中國期刊全文數(shù)據(jù)庫’目前最全的中文科技數(shù)據(jù)庫），涉及微波譜測量的文獻(xiàn)兩篇，微波譜理論文章若干篇。測量文獻(xiàn)如下：

1.甄夢章.;反-1-氟-2-丁烯的微波譜、紅外和拉曼光譜、構(gòu)象分析、內(nèi)轉(zhuǎn)動位壘以及振動分析[J].;化學(xué)推進(jìn)劑與高分子材料,;1987,(02)

2.王關(guān)忠,;陸中貞.;上海天文臺銫鐘改進(jìn)束光學(xué)系統(tǒng)后的微波譜[J].;中國科學(xué)院上海天文臺年刊,;1991,(00)

樓主想要全文（其中有測量數(shù)據(jù)，和譜圖，屬于明顯的線狀光譜）可向我索取。

國外該方面的觀測數(shù)據(jù)我猜想應(yīng)較多。樓主想要驗(yàn)證可補(bǔ)充問題，我將給出檢索結(jié)果。

ESR研究中文文獻(xiàn)較多，簡單檢索有2000余篇。例如：

1.煤及其液化產(chǎn)物的~(13)C;CP/MAS/TOSS;NMR和ESR研究。波譜學(xué)雜志,;Chinese;Journal;of;Magnetic;Resonance,;;2010年;02期

2.王廣清,;杜立波,;張冬艷,;徐元超,;賀曾,;田秋,;賈宏瑛,;劉揚(yáng).;鏈接琥珀酰亞胺的線性硝酮的合成與ESR研究[J].;波譜學(xué)雜志,;2010,(01)

NMR測量那就不計其數(shù)了全球至少100萬篇以上。核磁共振應(yīng)用太廣泛了，基本已屬于研究中的常規(guī)武器。

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呵呵，我開頭也誤解為樓主一定要尋求嚴(yán)格的證明（至少是不遜于黑體輻射的證明），屬于“固執(zhí)”一派，于是就盡我所知列出了幾個堪比黑體輻射的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，試圖打消樓主“懷疑一切”的想法。看了樓主的上文說明，看來我等都狹隘了。不過在具體的測試細(xì)節(jié)上，我猜想樓主當(dāng)是目前參與本帖討論的網(wǎng)友中最具權(quán)威的人士，我本人對樓主的專業(yè)問題就幫不上任何忙了，畢竟測試涉及的電學(xué)、光學(xué)的細(xì)節(jié)問題的復(fù)雜程度不是非行內(nèi)人士所能想象的。

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針對“一個微波量子的熱效應(yīng)變化難道就能使電偶的輸出有相應(yīng)的變化？”我們來做個非常粗略的計算。以能量最高的300GHz微波量子為例，一個量子的能量為-22次方J量級。假定熱電偶的接觸點(diǎn)質(zhì)量為1mg，比熱為1J/gK，吸收一個量子后接觸點(diǎn)的溫升為-19次方K量級（溫度是個宏觀概念這么算其實(shí)是有問題的，不過只關(guān)心數(shù)量級的話，估計數(shù)量級不會差太多），熱電偶的溫差電動率通常為數(shù)十微伏每開，不妨假定采用性能優(yōu)異的熱電偶可達(dá)1mV/K.這樣算來，一個微波量子產(chǎn)生的電動勢大約在-22次方V的量級。

且不說這個電動勢能否被相對準(zhǔn)確測量（其難度樓主應(yīng)比我清楚），先說環(huán)境溫度的影響，很明顯任何原因造成的溫度波動必須小于-19次方K，測量結(jié)果才有意義，這個溫度控制恐怕太困難了。換句話說，要想測定一個微波量子的溫差電效應(yīng)的前提是：在現(xiàn)有儀器可以分辨的時段內(nèi)，熱電偶的一端保證只吸收一個量子，另一端必須保證絕無凈吸收或凈發(fā)射一個量子的可能性（不吸收或發(fā)射是決不可能的）。這個可能性目前看來是不存在的。所以我傾向于認(rèn)為試圖利用微波熱效應(yīng)進(jìn)而轉(zhuǎn)換為電效應(yīng)加以測量的方法證實(shí)微波的量子性是不太現(xiàn)實(shí)的。

現(xiàn)實(shí)的方法還是光譜、波譜法。光譜波譜法的驗(yàn)證不依賴于輻射強(qiáng)度，無論用多大的強(qiáng)度譜線的位置不變，正如光電效應(yīng)那樣。樓主有興趣的話可以參考前人是如何在儀器上實(shí)現(xiàn)測量的。對它們的工作細(xì)節(jié)我也不清楚，無法更多討論。

另外單光子技術(shù)以前沒太留意過，我前文中關(guān)于光子計數(shù)的觀點(diǎn)可能落伍了（我一直認(rèn)為是累積效應(yīng)）?？戳艘幌戮W(wǎng)上有《紅外單光子探測器的研制》中科大07年的博士論文，摘要中說“成功的探測到了1550nm單光子脈沖”應(yīng)視為能探測到的最小頻率的光子（離可見區(qū)的末端很有限）。從理論上說，微波可以借鑒這一方法，但實(shí)現(xiàn)的前提還是尋找到逸出功極小的光電材料。

微波探測器工作原理是什么？

微波探測器的工作原理：跟雷達(dá)一樣，雷達(dá)的學(xué)名叫“電磁波探測器”，雷達(dá)就是通過放出間歇型的電磁波，接收返回的電磁波，根據(jù)時間差就可以求出物體運(yùn)動的速度與其距離本基地的位移。微波探測器也就是發(fā)射微波（遠(yuǎn)比電磁波的波長長），可以沿地面發(fā)射，讓微波在地面附近傳播，（電磁波不可能做到，這與波長的長度有關(guān)），也就是說“雷達(dá)是探測天空的不明物體的探測器，微波探測器則是用來探測地面的不明物體（如坦克，裝甲車等）”。

但是微波的能量遠(yuǎn)小于電磁波，所以微波能探測的距離較近。

微波探測器的原理：放射出間歇型的微波，再接收返回的微波，根據(jù)時間差就可以求出物體的運(yùn)動速度與神奇距離本基地的位移。

單光子探測 如何發(fā)現(xiàn)千里之外的目標(biāo)

單光子探測器（SPD）是一種超低噪聲器件，增強(qiáng)的靈敏度使其能夠探測到光的最小能量量子——光子。單光子探測器可以對單個光子進(jìn)行探測和計數(shù)，在許多可獲得的信號強(qiáng)度僅為幾個光子能量級的新興應(yīng)用中，單光子探測器可以一展身手。利用類似于人眼桿狀細(xì)胞的光探測機(jī)理，美國西北大學(xué)和伊利諾斯州大學(xué)的研究小組已經(jīng)開發(fā)出了紅外單光子聚焦載流子增強(qiáng)傳感器（FOCUS）。該裝置有望在生物光子學(xué)、醫(yī)學(xué)影像、非破壞性材料檢查、國土安全與監(jiān)視、軍事視覺與導(dǎo)航、量子成像以及加密系統(tǒng)等方面取得廣泛應(yīng)用。

詳情請看參考資料?；卮鹜戤?/p>

那位能提供一些關(guān)于單光子探測器的知識？

單光子探測是一種極微弱光探測法，它所探測的光的光電流強(qiáng)度比光電檢測器本身在室溫下的熱噪聲水平還要低，用通常的直流檢測方法不能把這種湮沒在噪聲中的信號提取出來。單光子計數(shù)方法利用弱光照射下光子探測器輸出電信號自然離散的特點(diǎn)，采用脈沖甄別技術(shù)和數(shù)字計數(shù)技術(shù)把極其弱的信號識別并提取出來。這種技術(shù)與模擬檢測相比，有受外界因素影響小、信噪比高、線性動態(tài)區(qū)范圍大、可實(shí)現(xiàn)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理等優(yōu)點(diǎn)[1]。

入射的光子信號打到光電倍增器件上產(chǎn)生光電子，然后經(jīng)過倍增系統(tǒng)倍增產(chǎn)生電脈沖信號，稱為單光子脈沖。脈沖幅度較小的脈沖是探測器噪聲；脈沖幅度較大的是單光電子峰。 為鑒別電平，用它來把高于 的脈沖鑒別輸出，從而實(shí)現(xiàn)單光子計數(shù)。

單光子探測技術(shù)普遍用于通信，量子信息，熒光和拉曼光譜學(xué)等領(lǐng)域，特別是量子信息技術(shù)和微光探測技術(shù)最關(guān)鍵的器件之一。

單光子的線寬測量

光子源特性測試

隨著量子物理技術(shù)、非線性技術(shù)和量子點(diǎn)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，單光子源和光子糾纏源的開發(fā)需求日益增多。在這些設(shè)備的開發(fā)過程中，需要高靈敏度的檢測手段來對其進(jìn)行特性分析和測試，單光子計數(shù)器就是一種有效的手段。單光子探測是一種探測超低噪聲的技術(shù)，增強(qiáng)的靈敏度使其能夠探測到光的最小能量量子——光子。單光子探測器可以對單個光子進(jìn)行計數(shù)，實(shí)現(xiàn)對極微弱目標(biāo)信號的探測，因此也活躍在許多可獲得的信號強(qiáng)度僅為幾個光子能量級的新興應(yīng)用領(lǐng)域中。

人眼安全激光雷達(dá)

激光雷達(dá)是一種基于光學(xué)探測與測距的光學(xué)遙感技術(shù)，實(shí)用窄線寬短脈沖激光在大氣中進(jìn)行光子激射從而產(chǎn)生背向散射。接收這些微弱的背向散射信號需要用到單光子計數(shù)器等高靈敏度的光學(xué)探測設(shè)備。今天，激光雷達(dá)活躍在污染監(jiān)測，空氣質(zhì)量分析，氣候?qū)W等很多領(lǐng)域。量子密碼學(xué)/量子密鑰分配是一種非常前沿的技術(shù)，它利用量子物理特性獲得傳統(tǒng)技術(shù)無法企及的安全傳輸保證。這種技術(shù)基于量子原理將秘鑰安全保密的分配給通信雙方。同光纖通信技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)量子密鑰分配需要將光信號能量降低至光子水平，因此，高精度的光子探測設(shè)備是必須的。在此類應(yīng)用里，單光子源／雙光子糾纏源，單光子計數(shù)器都需要用到。特別是單光子計數(shù)器，它不僅能夠接收極低水平的量子密鑰信號，還能夠探測不明侵入，從而保障系統(tǒng)安全。