全息照相的教學(xué)之我見

劉祥鵬

【摘要】全息照相是一個非常重要的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，是基于激光技術(shù)發(fā)展起來的一門現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)。全息照相實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生有足夠強(qiáng)的動手操作能力和實(shí)驗(yàn)觀察能力。但是，在實(shí)驗(yàn)操作過程中，學(xué)生往往會出現(xiàn)很多錯誤和問題。本文根據(jù)全息照相“干涉記錄，衍射再現(xiàn)”的實(shí)驗(yàn)原理，對實(shí)驗(yàn)過程中的常見問題進(jìn)行了分析，避免學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)不必要的錯誤，影響實(shí)驗(yàn)成功率

【關(guān)鍵詞】全息照相 教學(xué) 干涉

全息技術(shù)不僅在現(xiàn)代測試、現(xiàn)代存儲以及信息處理與顯示等技術(shù)領(lǐng)域中發(fā)揮著十分重要的作用，而且在許多科研和生活實(shí)踐中扮演著重要的角色，比如：生物醫(yī)學(xué)、天文觀測、遙感等領(lǐng)域。全息照相實(shí)驗(yàn)是很多高校的必做物理實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)涉及了很多知識點(diǎn)，包含內(nèi)容非常多。所以，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)對大學(xué)生的綜合素質(zhì)有著很高的要求，需要學(xué)生熟練掌握全息照相的實(shí)驗(yàn)流程，具備良好的實(shí)踐操作能力，小組成員之間默契配合，對學(xué)生來說是一個非常大的挑戰(zhàn)。全息照相實(shí)驗(yàn)的順利完成不僅有利于增強(qiáng)大學(xué)生對完成物理實(shí)驗(yàn)的自信心，激發(fā)學(xué)生對大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的興趣，還可以使學(xué)生充分了解全息技術(shù)的工作原理，拓展學(xué)生的知識面。

1全息照相的實(shí)驗(yàn)原理

其實(shí)，全息照相的實(shí)驗(yàn)原理并不復(fù)雜。全息照相與傳統(tǒng)照相的工作原理完全不同，普通照相是利用透鏡進(jìn)行光學(xué)成像，不成使物體的成像具備立體感，而全息照相是運(yùn)用光的干涉條紋將物光的相位和振幅記錄下來，進(jìn)而形成全息圖。全息圖可以作為光的衍射光柵，當(dāng)光柵被照射時(shí)就會呈現(xiàn)出物體的圖像。當(dāng)單色光源通過分束板會形成兩條一模一樣的相干光，相干光在感光板上會形成明暗相間的干涉條紋，感光板記錄下相位信息，形成全息照片。用參考光照射參考光，于是全息照片便于實(shí)物一樣變得立體了。

2全息照相實(shí)驗(yàn)應(yīng)該注意的問題

2.1學(xué)生應(yīng)在課前做好實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，實(shí)驗(yàn)前討論需注意的問題

學(xué)生應(yīng)該在課前對全息照相物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行充分的準(zhǔn)備，包括對實(shí)驗(yàn)原理的理解、對實(shí)驗(yàn)流程的熟悉、思考實(shí)驗(yàn)中需要注意的問題等。充足的課前準(zhǔn)備可以讓學(xué)生有條不紊地操作，避免學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中手忙腳亂，也不會因?yàn)椴皇煜ち鞒潭M(jìn)度緩慢。因此，充足的課前準(zhǔn)備是十分重要的。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)操作之前，老師應(yīng)該組織學(xué)生進(jìn)行討論，對實(shí)驗(yàn)過程中容易出現(xiàn)問題進(jìn)行分析，最終確定先使物光與參考光在干版上的夾角為30度到50度，然后使物光與參考光的光程差小于5厘米，最后調(diào)整物光與參考光的光強(qiáng)比為1：1-1：10。這樣可以幫助學(xué)生積極思考，減少布置光路所需的時(shí)間，提高全息照相實(shí)驗(yàn)的成功率。

2.2注意控制物光和參考光的光程差

控制好物光與參考光的光程差是非常重要的，如果物光與參考光的光程差不滿足要求，感光板上將不會出現(xiàn)干涉條紋。由此可見，為了確保感光板上出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，應(yīng)該是物光和參考光的光程相等或光程差小于光源相干長度。由于物理實(shí)驗(yàn)室用的是氦氖激光器單色性好，所以只要學(xué)生不故意拉大光程差，光程問題還是很容易控制的。

2.3使物光與參考光的光強(qiáng)比滿足條件

由于物光擴(kuò)束后經(jīng)物體再反射到感光板上后光強(qiáng)衰減非常嚴(yán)重，而參考光是直接投射到感光板上，光強(qiáng)沒有怎么衰減，所以物光和參考光的光強(qiáng)相差比較大。因此，在實(shí)驗(yàn)過程中，應(yīng)該想辦法提高物光光強(qiáng)，使物光與參考光的光強(qiáng)比大致為3：5。提高物光光強(qiáng)可以有三種方法：第一，用經(jīng)分束板后的強(qiáng)光做為物光。第二，減小物體和感光板之間的距離。第三，使參考光擴(kuò)束鏡遠(yuǎn)離感光板。

2.4使物光與參考光在干版上的夾角符合條件

當(dāng)物光與參考光的夾角越大，感光板上的干涉條紋間距就越小。如果感光板的分辨率不夠高，則分辨不出干涉條紋。但是，夾角太小的話，不利于對物像進(jìn)行觀察。因此，要調(diào)整物光與參考光的夾角既不要過大也不要太小。也一般情況下，使物光與參考光夾角保持在30度到50度。

2.5嚴(yán)格控制曝光時(shí)間

曝光時(shí)間也是保證全息記錄質(zhì)量的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。如果曝光時(shí)間太長，不容易維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，導(dǎo)致再現(xiàn)像比較模糊。如果曝光時(shí)間太短，系統(tǒng)的準(zhǔn)備時(shí)間不夠，也會造成再現(xiàn)像模糊的后果。同時(shí)，曝光時(shí)不能有太大的噪聲和激烈的震動，否則也達(dá)不到拍攝的效果。曝光時(shí)間與很多因素有關(guān)，比如：如果光源的功率比較大則要適當(dāng)減少曝光時(shí)間；如果光源的功率比較小則要適當(dāng)延長曝光時(shí)間；如果物體反光比較強(qiáng)則要適當(dāng)減少曝光時(shí)間；如果物體反光比較弱則要適當(dāng)延長曝光時(shí)間等。因此，在實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)該根據(jù)各組的實(shí)際情況，適當(dāng)調(diào)整曝光時(shí)間。一般曝光時(shí)間在幾秒到幾十秒內(nèi)。

2.6嚴(yán)格控制顯影時(shí)間

顯影時(shí)間的長短也會影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一大因素。假如顯影時(shí)間太短，則物像不容易再現(xiàn)；假如顯影時(shí)間太長，干板會太黑，物像也不容易再現(xiàn)。因此，根據(jù)實(shí)際情況合理選擇顯影時(shí)間是很重要的實(shí)驗(yàn)步驟。顯影時(shí)間與很多因素都有關(guān)聯(lián)，比如：曝光時(shí)間、顯影液濃度、實(shí)驗(yàn)室溫度等。在實(shí)驗(yàn)顯影過程中，一般通過觀察綠色安全等下的剛光板變黑程度來判斷所需的顯影時(shí)間，也可以與顯影合適的標(biāo)準(zhǔn)干板進(jìn)行比較，從而判斷顯影時(shí)間。

2.7保證實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性

在全息照相實(shí)驗(yàn)中，保證實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性是實(shí)驗(yàn)是否能順利完成的基礎(chǔ)。如果實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)沒有良好的穩(wěn)定性，那么其他的工作就不能正常進(jìn)行，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無法順利完成。在全息照相實(shí)驗(yàn)過程中，要檢查光路中的光學(xué)元件，使其滿足穩(wěn)定性的要求，并且進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，外界不能有過大的震動和噪音，以保證干涉條紋不受外界影響，干涉條紋漂移量不能大于條紋間隔的四分之一。同時(shí)，全息照相實(shí)驗(yàn)前，要將光學(xué)器件用磁性底座固定在防震臺上，鎖好光學(xué)元件，保證在實(shí)驗(yàn)過程中光學(xué)元件不會移動。曝光的時(shí)候一定要保持周圍環(huán)境的絕對安靜，不要隨意走動和交談，進(jìn)而影響曝光效果。

3總結(jié)

總而言之，老師應(yīng)該注意培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和探究能力，通過間接引導(dǎo)的方式，加深學(xué)生對全息照相實(shí)驗(yàn)原理的理解，熟練掌握實(shí)驗(yàn)的操作步驟。全息照相實(shí)驗(yàn)的成功率對學(xué)生提高自信心和激發(fā)學(xué)習(xí)興趣有著很大的幫助。順利完成全息照相實(shí)驗(yàn)可以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際操作能力和自主探究意識，推動大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)質(zhì)量的提高，達(dá)到預(yù)計(jì)的教學(xué)目標(biāo)。

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