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
怎樣通過微波熱效應來證實微波的量子特性？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？那位能提供一些關于單光子探測器的知識，單光子的線寬測量。
本文導航
怎樣通過微波熱效應來證實微波的量子特性？
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，而水卻產生熱效應，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識，可以說是臆測吧，歡迎網友指正。
張篤一網友說：“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典理論解釋”，并且說“正如低速運動我們無需用相對論只要用牛頓力學即適用”。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，他實質上就接受了量子理論是更正確的，那么量子化的假設就可以認為是正確的，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在，還僅是個數(shù)學工具或模型，恐怕現(xiàn)在還沒人回答。關鍵是我們是否能“看到”單個的光子，正如我們已經可以“看到”單個原子，據稱有人還“看到”了單個電子。但量子力學又禁止我們“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的框架下，來驗證其假設的正確性，而不能完全證明其正確性。只有當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。
光的量子性和物質的能級結構是密切關聯(lián)的，實際上是量子論的一對孿生兄弟。二者都是一種假設，并無直接實驗證據。假設的正確性只能根據它們導出的結論與大量實驗很好的符合被驗證。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，對相同的結論是否可能由另一套“非量子性”假設導出，我們不得而知，但可能性是存在的。如果哪一天發(fā)現(xiàn)了不可調和的矛盾，量子力學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。現(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。
所以嚴格看來，我前文提出的實驗論據核磁共振和微波爐其實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，具體討論微波和轉動能級。這里的討論仍然在量子論的框架下進行。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，本質上一樣。微波爐的微波發(fā)生器的工作細節(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。稍后再簡單進一步討論。
但氣體分子的轉動光譜（一般處于遠紅外一直可延伸到微波段，具體大小取決于特定分子轉動能級的大小）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動能級的躍遷，即平動能減小，轉動能增加。分子位于轉動高能級時，又自發(fā)輻射遠紅外或微波光子。其發(fā)射的線狀光譜就表明了轉動能級的量子化，等間距就表明了分子相鄰轉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分子的轉動光譜數(shù)據，表中的計算值是利用對非剛性轉子模型進行量子力學計算得出的。可以看出量子理論計算值和實驗值的相符程度很高。
其中實驗測得的最小波數(shù)為83.03cm-1，波長0.12mm處于遠紅外光區(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)。如果樓主想實驗驗證某一微波頻率的話，具體方法可參考有關文獻,我相信有人做過類似的工作。
需要說明的是，分子更大，相應頻率更低時，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這兩個因素的存在將大大增加譜線寬度，通常比測不準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)據可能與此有關。另一個重要原因，可能是在試驗溫度下實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該是可以計算的。還有可能與分子無規(guī)運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（造成轉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動能級結構變得極為復雜（正如固體中電子能級的結構一樣）。據我很有限的知識，目前還沒有很好的理論。至于其實驗數(shù)據我也沒有資料，但相信能級間隔會變小，對應的吸收發(fā)射頻率會紅移。這可以解釋微波爐對水有顯著的熱效應。但可以預料的是，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，根據前面HCl的數(shù)據估計，很可能不足以引起轉動能級的躍遷，不會明顯表現(xiàn)熱效應。
最后再補充一個直接驗證微波量子性的實驗，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生的相互作用，當光子能量滿足該能級差時將可能被吸收產生信號。由于應用范圍較窄，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。樓主想親自驗證的話可與有該儀器的高校聯(lián)系，不過個人認為意義不大，不太可能發(fā)現(xiàn)用量子力學無法說明的現(xiàn)象，同時如前所述要嚴格證明量子性也不可能（如果你不認可該實驗所依據的原理，一定要尋求嚴格證明）。
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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，一萬年以后有沒有人能發(fā)明探測這樣小強度光的高靈敏裝置，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產生的信號也必是連續(xù)的（除非像剛才一樣每隔1mm一個），當然人為調制例外。
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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)據庫’目前最全的中文科技數(shù)據庫），涉及微波譜測量的文獻兩篇，微波譜理論文章若干篇。測量文獻如下：
1.甄夢章.;反-1-氟-2-丁烯的微波譜、紅外和拉曼光譜、構象分析、內轉動位壘以及振動分析[J].;化學推進劑與高分子材料,;1987,(02)
2.王關忠,;陸中貞.;上海天文臺銫鐘改進束光學系統(tǒng)后的微波譜[J].;中國科學院上海天文臺年刊,;1991,(00)
樓主想要全文（其中有測量數(shù)據，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)據我猜想應較多。樓主想要驗證可補充問題，我將給出檢索結果。
ESR研究中文文獻較多，簡單檢索有2000余篇。例如：
1.煤及其液化產物的~(13)C;CP/MAS/TOSS;NMR和ESR研究。波譜學雜志,;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.;鏈接琥珀酰亞胺的線性硝酮的合成與ESR研究[J].;波譜學雜志,;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證實驗，試圖打消樓主“懷疑一切”的想法?？戳藰侵鞯纳衔恼f明，看來我等都狹隘了。不過在具體的測試細節(jié)上，我猜想樓主當是目前參與本帖討論的網友中最具權威的人士，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、光學的細節(jié)問題的復雜程度不是非行內人士所能想象的。
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針對“一個微波量子的熱效應變化難道就能使電偶的輸出有相應的變化？”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質量為1mg，比熱為1J/gK，吸收一個量子后接觸點的溫升為-19次方K量級（溫度是個宏觀概念這么算其實是有問題的，不過只關心數(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1mV/K.這樣算來，一個微波量子產生的電動勢大約在-22次方V的量級。
且不說這個電動勢能否被相對準確測量（其難度樓主應比我清楚），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的前提是：在現(xiàn)有儀器可以分辨的時段內，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。所以我傾向于認為試圖利用微波熱效應進而轉換為電效應加以測量的方法證實微波的量子性是不太現(xiàn)實的。
現(xiàn)實的方法還是光譜、波譜法。光譜波譜法的驗證不依賴于輻射強度，無論用多大的強度譜線的位置不變，正如光電效應那樣。樓主有興趣的話可以參考前人是如何在儀器上實現(xiàn)測量的。對它們的工作細節(jié)我也不清楚，無法更多討論。
另外單光子技術以前沒太留意過，我前文中關于光子計數(shù)的觀點可能落伍了（我一直認為是累積效應）?？戳艘幌戮W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：跟雷達一樣，雷達的學名叫“電磁波探測器”，雷達就是通過放出間歇型的電磁波，接收返回的電磁波，根據時間差就可以求出物體運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），也就是說“雷達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，根據時間差就可以求出物體的運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
單光子探測器（SPD）是一種超低噪聲器件，增強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行探測和計數(shù)，在許多可獲得的信號強度僅為幾個光子能量級的新興應用中，單光子探測器可以一展身手。利用類似于人眼桿狀細胞的光探測機理，美國西北大學和伊利諾斯州大學的研究小組已經開發(fā)出了紅外單光子聚焦載流子增強傳感器（FOCUS）。該裝置有望在生物光子學、醫(yī)學影像、非破壞性材料檢查、國土安全與監(jiān)視、軍事視覺與導航、量子成像以及加密系統(tǒng)等方面取得廣泛應用。
詳情請看參考資料。回答完畢
那位能提供一些關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，采用脈沖甄別技術和數(shù)字計數(shù)技術把極其弱的信號識別并提取出來。這種技術與模擬檢測相比，有受外界因素影響小、信噪比高、線性動態(tài)區(qū)范圍大、可實現(xiàn)數(shù)字數(shù)據處理等優(yōu)點[1]。
入射的光子信號打到光電倍增器件上產生光電子，然后經過倍增系統(tǒng)倍增產生電脈沖信號，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，從而實現(xiàn)單光子計數(shù)。
單光子探測技術普遍用于通信，量子信息，熒光和拉曼光譜學等領域，特別是量子信息技術和微光探測技術最關鍵的器件之一。
單光子的線寬測量
光子源特性測試
隨著量子物理技術、非線性技術和量子點技術的進步和發(fā)展，單光子源和光子糾纏源的開發(fā)需求日益增多。在這些設備的開發(fā)過程中，需要高靈敏度的檢測手段來對其進行特性分析和測試，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，增強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行計數(shù)，實現(xiàn)對極微弱目標信號的探測，因此也活躍在許多可獲得的信號強度僅為幾個光子能量級的新興應用領域中。
人眼安全激光雷達
激光雷達是一種基于光學探測與測距的光學遙感技術，實用窄線寬短脈沖激光在大氣中進行光子激射從而產生背向散射。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探測設備。今天，激光雷達活躍在污染監(jiān)測，空氣質量分析，氣候學等很多領域。量子密碼學/量子密鑰分配是一種非常前沿的技術，它利用量子物理特性獲得傳統(tǒng)技術無法企及的安全傳輸保證。這種技術基于量子原理將秘鑰安全保密的分配給通信雙方。同光纖通信技術相結合，實現(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備是必須的。在此類應用里，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。
