學(xué)生視角下細(xì)節(jié)教學(xué)在全息照相實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用*

吳悅嘉 萬(wàn) 佳 王 浩 汪海賓

(江蘇科技大學(xué)理學(xué)院 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

全息照相實(shí)驗(yàn)是面向所有理工科大學(xué)生的必修課，是一個(gè)考查學(xué)生動(dòng)手能力、觀察能力的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)．在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生要理解、掌握全息照相的原理，進(jìn)行光路搭建、曝光、顯影定影，最終得到全息照片，再現(xiàn)出物體的三維立體像[1～3]．該實(shí)驗(yàn)有助于培養(yǎng)和激發(fā)學(xué)生的物理實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)興趣，更加形象地幫助學(xué)生對(duì)光的波動(dòng)及衍射特性知識(shí)的理解，對(duì)于光學(xué)相關(guān)專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)具有重要作用．然而，由于較高的實(shí)驗(yàn)操作要求，該實(shí)驗(yàn)成功率卻不是很高，因此如何幫助初次學(xué)習(xí)的學(xué)生在有限的課時(shí)內(nèi)提高實(shí)驗(yàn)的成功率，成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)中必須考慮的問(wèn)題．本文從學(xué)生的視角出發(fā)，從實(shí)驗(yàn)原理、拍攝操作要點(diǎn)以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)展示的細(xì)節(jié)事項(xiàng)，并結(jié)合課程思政進(jìn)行了探討，有利于提高實(shí)驗(yàn)成功率,完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的．

1 從學(xué)生視角全息照相實(shí)驗(yàn)原理上的細(xì)節(jié)教學(xué)

1.1 強(qiáng)調(diào)普通照相和全息照相兩者的對(duì)比 加深對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解

光是電磁波，它具有振幅和相位兩個(gè)主要信息，物體上各點(diǎn)發(fā)出的光作為信息被人的眼睛接收引起感知，物光波的光場(chǎng)分布可以通過(guò)方程式O(x,y)=A0(x,y)exp[-jφ(x,y)]表示，A0(x,y)為物光波振幅，φ(x,y)為物光波相位，由于物體上各點(diǎn)發(fā)出的電磁波信息不同，因而人們就能區(qū)別物體的顏色、形狀和遠(yuǎn)近[4]．

目前，不管是傳統(tǒng)膠片感光材料還是CCD感光模塊，都只能對(duì)光波的強(qiáng)度信息產(chǎn)生響應(yīng)．普通照相技術(shù)是利用透鏡匯聚光線，將被拍攝物體在某個(gè)瞬間漫反射的光波所反映的物體亮度成像于底片上，它丟失了物光波的相位信息，所以普通照片上的物像沒(méi)有立體感，而且每個(gè)物點(diǎn)轉(zhuǎn)換成一個(gè)對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)，如果照片被截?cái)唷⑵茐?，那么原?lái)照片上完整的信息也會(huì)被破壞．

全息照相技術(shù)利用光的干涉原理，通過(guò)物光和參考光的相互干涉，將相位信息轉(zhuǎn)化為干涉條紋的明暗強(qiáng)度信息記錄在底片上來(lái)進(jìn)行拍攝，不僅僅記錄下物光的強(qiáng)度信息，同時(shí)還能記錄相位信息，最終以干涉圖樣的形式記錄在全息干板上．底片上的每個(gè)點(diǎn)都記錄下了所有物點(diǎn)發(fā)出的光波信息，因此能重現(xiàn)出原始物光波，從而形成與原物體逼真的三維圖像，而且所獲得的全息照片即使被截?cái)嗥茐闹皇Ｏ乱恍∑?，依然可以再現(xiàn)完整的物像．

1.2 對(duì)比生活中常見的“全息投影”/立體成像技術(shù) 加強(qiáng)對(duì)全息技術(shù)的理解

佩珀?duì)柣孟笤硎莻稳⒓夹g(shù)經(jīng)常使用的原理[5]，其主要利用了光的反射來(lái)產(chǎn)生物體的立體感，如圖1所示，裝置主要由投影源和投影平臺(tái)構(gòu)成(圖2)．因?yàn)橛?個(gè)不同角度的投影源，顯影時(shí)投影源將物像射向投影平臺(tái)上的透明介質(zhì)，隨后發(fā)生發(fā)射，反射后的像與投影源呈90°，所以在觀察時(shí)，可以看到不同角度物體的像，因此有很強(qiáng)的立體感，這是目前利用智能手機(jī)進(jìn)行的一種“偽全息成像技術(shù)”．

圖1 佩珀?duì)柣孟蟪上裨?/p>

圖2 佩珀?duì)柣孟髮?shí)物展示

3D電影成像技術(shù)(圖3)就是利用像差，來(lái)制造立體感[6]．光波擁有x，y兩個(gè)相互垂直的偏振方向．3D眼鏡就主要由兩個(gè)偏振方向相互垂直的偏振片構(gòu)成，其一允許擁有x軸偏振分量的光通過(guò)，另一個(gè)允許擁有y軸偏振分量的光通過(guò)．在3D電影院中由兩臺(tái)放映機(jī)同時(shí)將圖像放映到同一銀幕上，一臺(tái)放映機(jī)放映出來(lái)的光只有x軸偏振分量，另一臺(tái)放映機(jī)則只放映出y軸偏振分量的光．因此人在戴上3D眼鏡后，兩只眼睛分別看到兩臺(tái)放映機(jī)放映出來(lái)的圖像，這兩個(gè)圖像并非完全重合，而是具有一定的像差，于是人也就看到了像差，大腦自動(dòng)將其生成立體的圖像．

圖3 3D電影成像原理

由此可見，能夠成立體的像并不是全息照相技術(shù)的專利，全息照相技術(shù)的關(guān)鍵在于利用光的干涉原理所實(shí)現(xiàn)的光波全部信息的記錄，這一點(diǎn)是區(qū)分全息照相技術(shù)和其他立體成像技術(shù)的根本．

2 從學(xué)生視角全息照相實(shí)驗(yàn)操作的細(xì)節(jié)教學(xué)

2.1 對(duì)比邁克爾孫干涉實(shí)驗(yàn)對(duì)相干長(zhǎng)度的要求 闡明光程差控制的關(guān)鍵

全息照相實(shí)驗(yàn)和邁克爾孫干涉實(shí)驗(yàn)，都是利用光的干涉原理，在邁克爾孫干涉實(shí)驗(yàn)中，強(qiáng)調(diào)了相干長(zhǎng)度的概念[7]，如圖4(a)所示，光源先后發(fā)出兩個(gè)波列a和b，每個(gè)波列都被分光板分成1,2兩波列．當(dāng)兩路光程差不太大時(shí)，由同一波列分解出來(lái)的兩波列如a1和a2、b1和b2可能重疊，這時(shí)能夠發(fā)生干涉；如若兩路的光程差太大，則無(wú)法相遇，也就不產(chǎn)生干涉，如圖4(b)所示，這個(gè)產(chǎn)生干涉的臨界值稱為該光源的相干長(zhǎng)度．對(duì)于不同的光源，存在不同的相干長(zhǎng)度．普通光源發(fā)光為自發(fā)輻射，光源上每一點(diǎn)，甚至同一點(diǎn)上不同時(shí)刻產(chǎn)生的光子都具有不同的頻率、振動(dòng)方向和相位差，因此在邁克爾孫實(shí)驗(yàn)中需要強(qiáng)調(diào)相干長(zhǎng)度．

圖4 邁克爾孫干涉儀中光路

而全息照相拍攝時(shí)使用的光源為激光．激光是由受激輻射發(fā)出，所發(fā)出的每一個(gè)光子的頻率、振動(dòng)方向和相位差都相同，具有極高的相干性．例如波長(zhǎng)為632.8 nm的氦氖激光器相干長(zhǎng)度可達(dá)100 m，理論上無(wú)需考慮光程差的問(wèn)題，但是為保證足夠的亮度和對(duì)比度，通常不會(huì)刻意加大光程差，因此，無(wú)需使用刻度尺精確測(cè)量光程，由于本實(shí)驗(yàn)中無(wú)刻度長(zhǎng)繩的誤差主要由手指寬度決定，范圍為±2 cm，因此多數(shù)教材中才指出物光與參考光的光程差需保證在2 cm以內(nèi)[3,8]，所以，在搭建光路時(shí)可以使用無(wú)刻度導(dǎo)線通過(guò)手指掐量光路即可滿足實(shí)驗(yàn)要求．

2.2 闡明物光與參考光的光強(qiáng)調(diào)節(jié)要求和相關(guān)操作要領(lǐng)

暗室環(huán)境下確定物光和參考光的光強(qiáng)比．理論上來(lái)說(shuō)讓分束的兩路光在干板上干涉，光強(qiáng)的最佳比值是1∶1，但是由于物光是物體在全息干板上的散射光，和參考光相比，物光會(huì)弱很多．因此搭建光路時(shí)，我們使用光強(qiáng)比為3∶7的分束鏡將入射光束分成反射與透射兩束光，并在物光路上采用大孔擴(kuò)束鏡，參考光路上用小孔擴(kuò)束鏡來(lái)擴(kuò)束光束，都是為了提高物光的光強(qiáng)．另外可以利用光強(qiáng)計(jì)測(cè)量二者光強(qiáng)，使在干板位置的物光與參考光的光強(qiáng)比控制在1∶4～1∶10的范圍內(nèi)，這個(gè)光強(qiáng)比是影響實(shí)驗(yàn)成功率的關(guān)鍵因素，能有效提高實(shí)驗(yàn)的成像效果．

2.3 闡明物光和參考光夾角的控制的原理要領(lǐng)

當(dāng)激光全息記錄時(shí)，物光和參考光在全息干板處干涉產(chǎn)生光柵，其光柵常數(shù)為[3]

(1)

其中，λ為光源波長(zhǎng)，θ為物光與參考光的夾角．相應(yīng)的光柵密度為

(2)

由公式可知，夾角θ越小，光柵密度η越小，光柵越稀疏，產(chǎn)生的全息干涉光柵越稀疏，對(duì)形成的全息干板條紋的邊界也越清晰，成像效果也就越好．而夾角θ越大，光柵密度η越大，光柵越密集，特別是當(dāng)干涉光柵密度越接近全息干板的極限分辨率時(shí)，成像效果越不理想．綜合以上分析，物光與參考光的夾角會(huì)影響到干涉條紋的疏密，根據(jù)干涉條紋疏密與全息干板條紋分辨率的匹配關(guān)系，就給出了15°～30°的夾角范圍，搭建光路時(shí)在保證物體不會(huì)遮擋參考光的前提下，夾角還是小一點(diǎn)好．

2.4 防震

照相系統(tǒng)要具有穩(wěn)定性，由式(1)估計(jì)下條紋的寬度．當(dāng)物光與參考光之間的夾角θ=30°，λ=632.8 nm，則d=10-6m左右，干涉圖樣非常精細(xì)致密，可見在拍攝記錄時(shí)，條紋移動(dòng)不能大于10-7m，所以曝光時(shí)任何微小的移動(dòng)或振動(dòng)，哪怕是氣流的流通、聲波的干擾及溫度的變化，都可能導(dǎo)致對(duì)底板曝光過(guò)程中全息圖記錄的破壞．因此本實(shí)驗(yàn)需要在暗室中防震良好的光學(xué)平臺(tái)上進(jìn)行，以減少雜光、振動(dòng)等影響．另外，保持室內(nèi)環(huán)境密閉、安靜有利于干板記錄干涉圖樣．

3 從學(xué)生視角設(shè)計(jì)全息照相教學(xué)展示的細(xì)節(jié)

3.1 通過(guò)圖像對(duì)比 展示采用投影法判斷物光均勻照射的要求

物光為物體表面的漫反射投射到底片上而成，物體需要被均勻照射才能被完整地記錄下來(lái)，檢驗(yàn)物光是否擴(kuò)束恰當(dāng)物體是否被均勻照射時(shí)可以采用投影法，即在物體后放置一個(gè)白色光屏，觀察光斑的大小以及物體的影子是否處于光斑的中心即可．光斑不能太小，否則物體各部分被照射不均勻，最后的成像可能只能呈現(xiàn)一個(gè)局部；光斑也不能太大，這樣對(duì)光的耗散太大，會(huì)導(dǎo)致物體反射到全息干板的光太弱，影響實(shí)驗(yàn)效果；物體的影子正好處于光斑亮度較為均勻的中心位置是最佳的．在教學(xué)展示時(shí)，通過(guò)圖5展示光斑較小、光斑較大、光斑大小適中的實(shí)例，非常有助于學(xué)生直觀了解調(diào)節(jié)的要求和要領(lǐng)．

圖5 投影法判斷物光均勻照射

3.2 通過(guò)圖片或者影像展示顯影程度 提高實(shí)驗(yàn)成功率

全息干板的片基為玻璃板，采用超微粒鹵化銀懸浮于明膠作為感光材料，在曝光過(guò)程中，干板上Ag+離子將被中和為Ag原子．依據(jù)感光量的多少，全息干板上Ag原子的濃度分布不同，感光量多的位置，Ag原子濃度高；反之濃度低．完成曝光后的全息干板，由于被還原的Ag原子較少，人眼不可見，因此看上去全息干板的顏色并無(wú)變化．要使它變?yōu)榭梢姷膱D樣，就需要通過(guò)顯影過(guò)程來(lái)完成．

顯影的目的是將感光片乳膠層感光處的Ag+離子繼續(xù)還原成Ag原子．在操作時(shí)，感光多的部位顯影快，生成的Ag原子多，顏色深；感光少的部位顯影慢，生成的Ag原子少，顏色淺．如果顯影時(shí)間過(guò)短，干涉圖樣將不明顯，可能導(dǎo)致成像模糊甚至失敗，而如果顯影時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，顯影中心處的鹵素銀全部被還原后，非顯影中心處的鹵素銀也開始被還原，這就會(huì)造成過(guò)度顯影，使整個(gè)干板不透光，且這一反應(yīng)不可逆轉(zhuǎn)無(wú)法復(fù)原，最終將導(dǎo)致成像的失?。?/p>

通常顯影時(shí)間與全息干板的特性、顯影藥水濃度、顯影藥水放置時(shí)間、pH值、溫度等多種因素有關(guān)，因此沒(méi)有一個(gè)確定的顯影時(shí)間，需要全程追蹤觀察全息干板的顯影程度．當(dāng)干涉花紋清晰，全息干板呈現(xiàn)深灰色半透狀態(tài)時(shí)需立即停止顯影，并用清水沖洗掉殘留的顯影液，以免過(guò)度顯影．這一過(guò)程的顯影程度初學(xué)者不太容易掌握，通過(guò)圖片或者影像進(jìn)行教學(xué)展示其顯影程度(圖6)，對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)較有幫助．

圖6 定影完成后的全息干板

4 課程思政在教學(xué)里的應(yīng)用

4.1 結(jié)合實(shí)驗(yàn)本身“細(xì)致嚴(yán)謹(jǐn)”的操作要求 開展精益求精工匠精神的思政教育

本實(shí)驗(yàn)從光路搭建、曝光、顯影定影，到最后的再現(xiàn)，每一個(gè)過(guò)程都需要細(xì)致耐心的操作，才能保證最終的成功，因此，可以結(jié)合實(shí)驗(yàn)本身“細(xì)致嚴(yán)謹(jǐn)”的操作要求，開展精益求精工匠精神的思政教育．把知識(shí)模糊的地方弄懂這是精益求精；在這過(guò)程中遇到困難了，去想各種辦法解決，也是精益求精，讓學(xué)生體會(huì)到追求精益求精的過(guò)程其實(shí)也就是創(chuàng)造力萌發(fā)的過(guò)程．

4.2 結(jié)合疫情中的高新防控技術(shù) 開展課程思政

2020年3月2日，基于全息照相技術(shù)的全球首臺(tái)空氣成像無(wú)接觸電梯按鈕終端在合肥高新區(qū)正式投入使用，這是繼“無(wú)接觸自助機(jī)”在醫(yī)院投入使用后，全息投影技術(shù)又一次成功運(yùn)用于生活場(chǎng)景，該技術(shù)完全不用實(shí)體屏幕，安全穩(wěn)定，交互靈敏，全部操作均在空氣中完成，完全切斷接觸式污染源，也完全解決公共設(shè)施病菌附著殘留的問(wèn)題，為新冠疫情防控給出了技術(shù)支持，同時(shí)它標(biāo)志著我國(guó)在全息投影領(lǐng)域的全球領(lǐng)先地位[9]．

5 結(jié)論

本文通過(guò)學(xué)生的視角，彌補(bǔ)了因教師“習(xí)以為?！钡乃季S慣性而對(duì)教學(xué)細(xì)節(jié)的疏忽，對(duì)影響全息照相實(shí)驗(yàn)成功與否的各重要因素和教學(xué)方式方法進(jìn)行了分析討論，有助于學(xué)生更深入地掌握激光全息照相實(shí)驗(yàn)的原理，提升學(xué)生的物理實(shí)驗(yàn)技能．

學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的組織和教學(xué)，充分發(fā)揮學(xué)生視角在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的創(chuàng)新能力，有利于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性和高效性，對(duì)激發(fā)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)體驗(yàn)的深度和廣度，提高學(xué)生創(chuàng)新能力等方面都有很好的幫助．通過(guò)采納學(xué)生視角制定更為有效的實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)，提高包括全息照相實(shí)驗(yàn)在內(nèi)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的成功率，對(duì)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，能夠培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作能力和自主探究意識(shí)，從而推動(dòng)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)質(zhì)量的提高．