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光现象资源箱 型号：QWG1208   实验清单： 光在空气中直线传播实验 面镜成像观察实验         透镜成像观察实验 影子观察实验

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原理介绍： 光在与微粒的相互作用中，会将自身携带的动量传递给微粒，对微粒施加力的作用。在光镊中，处在激光中的粒子所受的力有两种：一部分是电磁场分布不均匀导致的梯度力，梯度力将微粒吸引向光阱的中心；一部分是光子与粒子相互作用导致的散射。针对不同大小的粒子，大致可以分为三类： 一、微粒的尺度远大于激光波长，可以采用几何光学近似模型，光线在微粒经过折射反射，将动量传递至微粒上； 二、微粒尺度跟激光波长相近，这种情况下可以通过电磁场麦克斯韦方程组求解； 三、微粒尺度远小于激光波长，微粒在光场中被激发为偶极子，受到偶极子与强聚焦光场的相互作用力； 相关内容： 动手调节光路，利用光镊捕捉并操控小球； 基于空间光调制器的光镊系统，通过研究不同算法从而得到加载在空间光调制器上的全息图、更加深入地研究特殊模式光束在光学微操纵中的应用、拓展光镊与其他学科交叉的应用前景以及对光场偏振态、相位、振幅的联合调制等等。 应用领域： 作为非侵入型的力学操控系统，光镊可以应用于细胞生物学、气溶胶科学、物理化学等交叉学科的基础研究，包括细胞微环境的改变、形变拉伸、微粒力学参数的测量等等。将全息光镊与图像识别结合，可以做到自动捕获粒子和分拣， 将全息光镊与光学显微镜相结合，可以量化细胞、分子的动力学特性，在细胞生物学中有巨大的研究空间； 方案介绍： 光路图：   上图为本方案全息光镊装置的光路示意图。首先激光经过扩束后，直径与空间光调制器有效区域的短边直径相等，扩束后的激光依次通过线偏振片、半波片和非偏振分光棱镜。用半波片旋转线偏光角度，使之工作在相位模式下，空间光调制器的入射角控制在在 5°以内。 经过空间光调制器反射的光经过由两个傅里叶透镜组成的缩束系统，该系统能改变光斑尺寸确保光束直径与显微物镜的入瞳直径匹配。对于外围光强较弱的高斯光束，利用此缩束系统将激光直径稍大于显微物镜入瞳直径。 经过缩束系统的激光经过 45°直角反射镜，二向色镜将激光透射进入显微物镜，同时让照明光源透过，从而使 CMOS 相机采集到样品像。空间光调制器位于第一个傅里叶透镜的焦距处，全息图与物镜入瞳是共轭像面，所以全息图经过显微物镜做傅里叶变换后在显微物镜焦平面即样品面上再现期望的光场分布。   特点： 此方案采用的开普勒式缩束系统透镜间的焦平面与样品面是共轭的，在透镜焦平面加入高通滤波器或在空间光调制器上叠加闪耀光栅后，后续光学元件按照一级像排列，从而移去零级光的影响。 加载全息图后 X-Y 位置可实时调整，快速叠加不同焦距菲涅尔相位图、闪耀光栅相位图等； 空间光调制器可供多种语言调用（labview、C、Python 等）；可编程实现不同数目、不同排列的光阱阵列；   配置标准：   序号 配置 规格 序号 配置 规格 1 激光光源 637nm 激光最大功率1w 4 显微物镜 PLN100× 油浸   NA 1.25 2 空间光调制器 1920*1080   2π 5 照明光源 波长470nm 功率760mw 3 CMOS相机 1280*1024 60FPS 6 相机筒镜 f=200mm 等系列其他配置

首次使用炔烃作为卡宾前体完成了一例不对称Si-H键插入反应，高效构筑了一类新型手性有机硅化合物。该反应使用手性羧酸双铑催化剂，首先促进羰基-烯-炔底物发生分子内环化现场生成双芳基金属卡宾，该金属卡宾中间体进而对硅烷的Si-H键发生高对映选择性的插入反应，给出相应的手性有机硅化合物。该反应的条件温和，底物适用范围广，大部分产物的ee值都能达到90%以上。所得的手性烯丙基硅产物能够进一步转化，例如发生烯丙基乙酰化反应，对映选择性能够得到很好的保持，因此在有机合成中具有一定的应用潜力。动力学实验表明，反应对双铑催化剂、硅烷展现出一级动力学效应，对底物则表现出零级动力学特征，说明铑卡宾对Si-H键的插入步骤是反应的决速步，这与动力学同位素实验的结果（KIE=1.5）相一致。本研究表明炔烃作为卡宾前体同样可以发生高对映选择性的Si-H键插入反应，结合炔烃化学在从简单原料构筑复杂产物上的优势，为结构多样性有机硅化合物的合成提供了新的方向。

传统的CCD、CMOS硅基成像器件都不能响应紫外波段的光信号，这是因为紫外波段的光波在多晶硅中穿透深度很小（<2nm）。但是近年来随着紫外探测技术的日趋发展，人们越来越需要对紫外波段进行更深的探测分析与认识。紫外探测技术是继激光探测技术和红外探测技术之后发展起来的又一军民两用光电探测技术。几十年来，紫外探测技术已经逐渐应用于光谱分析、军事、空间天文、环境监测、工业生产、医用生物学等诸多领域，对现代科研、国防和人民生活都产生了深远的影响。特别是在先进光谱仪器方面，国内急迫需要响应波段拓展到紫外的硅基成像器件。硅基成像器件如CCD、CMOS是应用最广泛的光电探测器件。当前最先进的光谱仪器大都采用了CCD或CMOS作为探测器件，这是因为CCD、CMOS具有灵敏度强、噪声低、成像质量好等优点。但由于紫外波段的光波在多晶硅中穿透深度很小（<2nm），CCD、CMOS等在紫外波段响应都很弱。成像器件的这种紫外弱响应限制了其在先进光谱仪器及其他领域紫外波段探测的使用。 在技术发达国家,宽光谱响应范围、高分辨率、高灵敏度探测器CCD已经广泛应用于高档光谱仪器中。上世纪中叶美国Varian公司开发的Varian700 ICP-AES所使用的宽光谱CCD检测器分辨率达0.01nm,光波长在600nm和300nm时QE分别达到了84%和50%；美国热电公司开发的CAP600 系列ICP所用探测器光谱响应范围更是达到165～1000nm，在200nm时的分辨率达到0.005nm.法国Johinyvon的全谱直读ICP，其所用的CCD探测器像素分辨率达0.0035nm,紫外响应拓展到120nm的远紫外波段。德国斯派克分析仪器公司的全谱直读电感耦合等离子体发射光谱仪一维色散和22个CCD检测器设计，其光谱响应范围为120－800nm。德国耶拿JENA 连续光源原子吸收光谱仪contrAA采用高分辨率的中阶梯光栅和紫外高灵敏度的一维CCD探测器，分辨率达0.002nm,光谱响应范围为189—900 nm。总而言之，发达国家在宽光谱响应和高分辨率高灵敏度探测器件的研制领域已取得相当的成就。主要技术指标和创新点（1）  我们在国内首次提出紫外增强的硅基成像器件，并在不改变传统硅基成像探测器件的结构的基础上，利用镀膜的方法增强成像探测器件CCD、CMOS的紫外响应，使其光谱响应范围拓宽到190—1100nm，实现对190nm以上紫外光的探测。（2）  提高成像探测器的紫外波段灵敏度，达到0.1V/lex.s。（3）  增强成像探测器件的紫外响应的同时，尽量不削弱探测器件对可见波段的响应。（4）  选用适合的无机材料，克服有机材料使用寿命短的缺陷。 紫外探测技术已经逐渐应用于光谱分析、军事、空间天文、环境监测、工业生产、医用生物学等诸多领域，对现代科研、国防和人民生活都产生了深远的影响。特别是在先进光谱仪器方面，国内急迫需要响应波段拓展到紫外的硅基成像器件，该设计与传统CCD、CMOS结合，能满足宽光谱光谱仪器所需的紫外响应探测器的需要。能提高光谱仪器光谱响应范围，在科学实验和物质分析和检测中具有很广的市场前景。 该设计样品能取代传统CCD、CMOS，应用于大型宽光谱光谱仪器上，作为光谱仪的探测器件。将传统光谱仪器的光谱检测范围拓宽到190—1100nm. 实现紫外探测和紫外分析。具有较强的市场推广应用价值。

北京大学物理学院“极端光学创新研究团队”王剑威研究员和龚旗煌院士领导的课题组，与英国、丹麦、奥地利和澳大利亚的学者合作，实现了硅基集成光量子芯片上的多体量子纠缠和芯片-芯片间的量子隐形传态功能，为芯片上光量子信息处理和计算模拟的应用，奠定了坚实的基础。相关研究成果于近日发表在国际顶级物理期刊Nature Physics(https://www.nature.com/articles/s41567-019-0727-x)。 集成光量子芯片技术，结合了量子物理、量子信息和集成光子学等前沿学科，通过半导体微纳加工制造高性能且大规模集成的光量子器件，实现对光量子信息的高效处理、计算和传输等功能。其中，利用硅基平面光波导集成技术的光量子芯片具有诸多独特优势，包括集成度高、稳定性好、编程操控性优越和可单片集成核心光量子器件等，因此被认为是一种实现光量子信息应用的重要手段之一。 A. 硅基量子隐形传态和多光子量子纠缠芯片的示意图，左上角为集成量子光源的电子显微镜图；B. 量子隐形传态的量子线路图；C. 量子纠缠互换的量子线路图；D. GHZ纠缠制备的量子线路图 北京大学研究团队与布里斯托尔大学、丹麦科技大学、奥地利科学院、赫瑞-瓦特大学和西澳大利亚大学科研人员密切合作，在硅基光量子芯片技术和应用方面取得了突破性进展。研究团队发展了一种基于微环谐振腔的高性能集成量子光源，通过硅波导的强四波混频非线性效应，实现了光子全同性优于90%、无需滤波后处理的50%触发效率的单光子对源，达到了对4组微腔量子光源阵列的相干操控，片上双光子量子纠缠源的保真度达到了92%。团队实现了关键的可编程片上双比特量子纠缠门，可以按照功能需要切换贝尔投影测量和量子比特焊接操作，通过量子态层析实验确认了高保真的双比特纠缠操作。 研究团队在单一硅芯片上实现了高性能量子纠缠光源、可编程双比特量子纠缠门，以及可编程单量子比特测量的全功能集成，进而实现了三种核心量子功能模块——芯片上四光子真纠缠、量子纠缠互换、芯片-芯片间的高保真量子隐形传态。通过对两对纠缠光子对进行量子比特焊接操作，团队实现并判定了四比特Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) 真量子纠缠的存在；通过对两对纠缠光子中各一个光子进行贝尔投影操作，实现了量子纠缠互换功能，使来自不同光子源的光子间产生了量子纠缠；利用两个芯片间的量子态传输和量子纠缠分布技术，实现了两个芯片间任意单量子比特的量子隐形传态，达到了近90%的隐形传态保真度。 团队研制的硅基多光子量子芯片尺寸仅占几平方毫米，比传统实现方法小了约5-6个数量级，不仅达到了器件的微型化，同时具备了单片全功能集成、器件编程可控、系统性能优越等特点，其中量子隐形传态保真度优于已报道的其它物理实现方法。多体量子纠缠体系的片上制备与量子调控技术，为片上量子物理基础研究和片上光量子信息处理传输、量子计算模拟的应用提供了重要基础。