虚拟仿真实验

虚拟仿真实验

相干原子的极化特性分析虚拟仿真实验

2023-08-21

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       相干原子的极化特性分析虚拟仿真实验是我校科研成果转化为本科实践教学的背景下建设而成，为国家级一流课程。随着激光器技术及量子理论的快速发展，量子光学及量子通讯已成为当前研究热点之一，并逐步向实际应用转化。然而，高昂的设备成本，复杂繁琐的光路系统，很难使该领域的研究成果向本科生普及，经费紧张的高校更是望而却步。项目基于3D虚拟仿真技术，真实还原实验场景，是使用者不受时空限制，无损伤地重复进行光路搭建、信号调试等方面的训练，激发学生的学习热情创新思维。

       相干原子的极化特性分析实验是山西大学国家级物理实验教学示范中心为物理学、光电信息科学与工程等专业的本科生开设的国家级精品课程《近代物理实验》中的教学项目，属研究性实验项目。该项目是依托我校国家重点学科——光学和量子光学与光量子器件国家重点实验室等优势学科资源建立并逐步发展起来的，是光学和原子物理等理论课程相融合的实验体现。

       持续将最新科研成果和科技前沿转化为本科实践教学，是我中心一直以来不断更新和丰富研究性实验内容的主要途径和特色展现。然而在实际教学过程中，由于实验学时有限，所用到的专业光学实验仪器及光学器件等耗材昂贵，实验室面积不足，这些因素导致无法保证每位学生都能亲自搭建光路和测试信号，重复操作训练更无从谈起。而学生进入研究性实验室参与研究项目时，由于受光学平台和项目组本身研究任务的限制，也无法对一些重要的成熟的光路和物理现象进行实地操练，不能使学生更深入地掌握相关知识。

      虚拟仿真实验则依托虚拟现实、人机交互及网络通讯等手段，将现代信息技术与专业知识高度融合，构建高逼真的虚拟实验环境，使学生通过虚拟实验室来开展实验，如临现场，声临其境。学生在虚拟实验室，不但可以通过图文并茂的形式学习实验原理、仪器说明等知识，甚至可以通过虚拟3D及AR、VR等技术模拟操作，这不但极大地激发学生的学习热情和探索欲，同时也增强和加深了学生对专业知识的掌握程度，进一步丰富了课堂教学的形式；而在虚拟环境无损耗的重复操作和训练，则打破了传统实验的时空限制，不但增强了学生的实际动手能力和自主思维意识，同时又是对真实实验操作的有力补充。该项目就是基于上述特点而开发的，通过虚拟仿真，虚实结合，以虚补实。

      原子的光学非线性主要体现在相干光场驱动下的原子对弱探针光的极化特性上，具体表现为相干原子对弱探针光的色散特性和吸收特性。原子相干的实质就是利用相干光场使原子的不同能级之中有一个是叠加态时，叠加态中的不同成分在吸收（或发射）光子过程中通过不同的通道跃迁；如果该叠加态中的不同成分之间存在相干，那么就会导致上述不同通道跃迁之间产生干涉，即量子干涉。原子相干是光与原子相互作用中非常重要的物理效应之一，然而对于本科生来说，如果没有亲自搭建光路，亲自实地测量和观察物理现象，单纯靠理论学习，则很难理解和掌握相关专业知识。而该虚拟仿真实验项目就是通过虚拟实验环境，在学习和了解了饱和吸收光谱（saturated absorption spectrum，SAS）电磁诱导透明（electromagnetically induced transparency, EIT）原理的基础上：掌握并能自主模拟搭建光路；自行测量在EIT条件下原子对探针光的色散和吸收曲线，从而了解并掌握原子的光学非线性效应及各实验参量对其的影响；为学生下一步开展光与原子相互作用及腔量子电动力学方面的科学研究奠定基础。