吳悅嘉 萬 佳 王 浩 汪海賓

(江蘇科技大學理學院 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

全息照相實驗是面向所有理工科大學生的必修課，是一個考查學生動手能力、觀察能力的基礎實驗．在實驗中，學生要理解、掌握全息照相的原理，進行光路搭建、曝光、顯影定影，最終得到全息照片，再現出物體的三維立體像[1～3]．該實驗有助于培養(yǎng)和激發(fā)學生的物理實驗學習興趣，更加形象地幫助學生對光的波動及衍射特性知識的理解，對于光學相關專業(yè)學生的培養(yǎng)具有重要作用．然而，由于較高的實驗操作要求，該實驗成功率卻不是很高，因此如何幫助初次學習的學生在有限的課時內提高實驗的成功率，成為實驗教學中必須考慮的問題．本文從學生的視角出發(fā)，從實驗原理、拍攝操作要點以及實驗教學展示的細節(jié)事項，并結合課程思政進行了探討，有利于提高實驗成功率,完成實驗教學目的．

1 從學生視角全息照相實驗原理上的細節(jié)教學

1.1 強調普通照相和全息照相兩者的對比 加深對實驗原理的理解

光是電磁波，它具有振幅和相位兩個主要信息，物體上各點發(fā)出的光作為信息被人的眼睛接收引起感知，物光波的光場分布可以通過方程式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，都只能對光波的強度信息產生響應．普通照相技術是利用透鏡匯聚光線，將被拍攝物體在某個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有立體感，而且每個物點轉換成一個對應的像點，如果照片被截斷、破壞，那么原來照片上完整的信息也會被破壞．

全息照相技術利用光的干涉原理，通過物光和參考光的相互干涉，將相位信息轉化為干涉條紋的明暗強度信息記錄在底片上來進行拍攝，不僅僅記錄下物光的強度信息，同時還能記錄相位信息，最終以干涉圖樣的形式記錄在全息干板上．底片上的每個點都記錄下了所有物點發(fā)出的光波信息，因此能重現出原始物光波，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斷破壞只剩下一小片，依然可以再現完整的物像．

1.2 對比生活中常見的“全息投影”/立體成像技術 加強對全息技術的理解

佩珀爾幻象原理是偽全息技術經常使用的原理[5]，其主要利用了光的反射來產生物體的立體感，如圖1所示，裝置主要由投影源和投影平臺構成(圖2)．因為有4個不同角度的投影源，顯影時投影源將物像射向投影平臺上的透明介質，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，可以看到不同角度物體的像，因此有很強的立體感，這是目前利用智能手機進行的一種“偽全息成像技術”．

圖1 佩珀爾幻象成像原理

圖2 佩珀爾幻象實物展示

3D電影成像技術(圖3)就是利用像差，來制造立體感[6]．光波擁有x，y兩個相互垂直的偏振方向．3D眼鏡就主要由兩個偏振方向相互垂直的偏振片構成，其一允許擁有x軸偏振分量的光通過，另一個允許擁有y軸偏振分量的光通過．在3D電影院中由兩臺放映機同時將圖像放映到同一銀幕上，一臺放映機放映出來的光只有x軸偏振分量，另一臺放映機則只放映出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放映機放映出來的圖像，這兩個圖像并非完全重合，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的專利，全息照相技術的關鍵在于利用光的干涉原理所實現的光波全部信息的記錄，這一點是區(qū)分全息照相技術和其他立體成像技術的根本．

2 從學生視角全息照相實驗操作的細節(jié)教學

2.1 對比邁克爾孫干涉實驗對相干長度的要求 闡明光程差控制的關鍵

全息照相實驗和邁克爾孫干涉實驗，都是利用光的干涉原理，在邁克爾孫干涉實驗中，強調了相干長度的概念[7]，如圖4(a)所示，光源先后發(fā)出兩個波列a和b，每個波列都被分光板分成1,2兩波列．當兩路光程差不太大時，由同一波列分解出來的兩波列如a1和a2、b1和b2可能重疊，這時能夠發(fā)生干涉；如若兩路的光程差太大，則無法相遇，也就不產生干涉，如圖4(b)所示，這個產生干涉的臨界值稱為該光源的相干長度．對于不同的光源，存在不同的相干長度．普通光源發(fā)光為自發(fā)輻射，光源上每一點，甚至同一點上不同時刻產生的光子都具有不同的頻率、振動方向和相位差，因此在邁克爾孫實驗中需要強調相干長度．

圖4 邁克爾孫干涉儀中光路

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

2.2 闡明物光與參考光的光強調節(jié)要求和相關操作要領

暗室環(huán)境下確定物光和參考光的光強比．理論上來說讓分束的兩路光在干板上干涉，光強的最佳比值是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，物光會弱很多．因此搭建光路時，我們使用光強比為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束鏡，參考光路上用小孔擴束鏡來擴束光束，都是為了提高物光的光強．另外可以利用光強計測量二者光強，使在干板位置的物光與參考光的光強比控制在1∶4～1∶10的范圍內，這個光強比是影響實驗成功率的關鍵因素，能有效提高實驗的成像效果．

2.3 闡明物光和參考光夾角的控制的原理要領

當激光全息記錄時，物光和參考光在全息干板處干涉產生光柵，其光柵常數為[3]

(1)

其中，λ為光源波長，θ為物光與參考光的夾角．相應的光柵密度為

(2)

由公式可知，夾角θ越小，光柵密度η越小，光柵越稀疏，產生的全息干涉光柵越稀疏，對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，特別是當干涉光柵密度越接近全息干板的極限分辨率時，成像效果越不理想．綜合以上分析，物光與參考光的夾角會影響到干涉條紋的疏密，根據干涉條紋疏密與全息干板條紋分辨率的匹配關系，就給出了15°～30°的夾角范圍，搭建光路時在保證物體不會遮擋參考光的前提下，夾角還是小一點好．

2.4 防震

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

3 從學生視角設計全息照相教學展示的細節(jié)

3.1 通過圖像對比 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，檢驗物光是否擴束恰當物體是否被均勻照射時可以采用投影法，即在物體后放置一個白色光屏，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一個局部；光斑也不能太大，這樣對光的耗散太大，會導致物體反射到全息干板的光太弱，影響實驗效果；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．在教學展示時，通過圖5展示光斑較小、光斑較大、光斑大小適中的實例，非常有助于學生直觀了解調節(jié)的要求和要領．

圖5 投影法判斷物光均勻照射

3.2 通過圖片或者影像展示顯影程度 提高實驗成功率

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，在曝光過程中，干板上Ag+離子將被中和為Ag原子．依據感光量的多少，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變化．要使它變?yōu)榭梢姷膱D樣，就需要通過顯影過程來完成．

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，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．如果顯影時間過短，干涉圖樣將不明顯，可能導致成像模糊甚至失敗，而如果顯影時間過長，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，這就會造成過度顯影，使整個干板不透光，且這一反應不可逆轉無法復原，最終將導致成像的失?。?/p>

通常顯影時間與全息干板的特性、顯影藥水濃度、顯影藥水放置時間、pH值、溫度等多種因素有關，因此沒有一個確定的顯影時間，需要全程追蹤觀察全息干板的顯影程度．當干涉花紋清晰，全息干板呈現深灰色半透狀態(tài)時需立即停止顯影，并用清水沖洗掉殘留的顯影液，以免過度顯影．這一過程的顯影程度初學者不太容易掌握，通過圖片或者影像進行教學展示其顯影程度(圖6)，對學生的實驗指導較有幫助．

圖6 定影完成后的全息干板

4 課程思政在教學里的應用

4.1 結合實驗本身“細致嚴謹”的操作要求 開展精益求精工匠精神的思政教育

本實驗從光路搭建、曝光、顯影定影，到最后的再現，每一個過程都需要細致耐心的操作，才能保證最終的成功，因此，可以結合實驗本身“細致嚴謹”的操作要求，開展精益求精工匠精神的思政教育．把知識模糊的地方弄懂這是精益求精；在這過程中遇到困難了，去想各種辦法解決，也是精益求精，讓學生體會到追求精益求精的過程其實也就是創(chuàng)造力萌發(fā)的過程．

4.2 結合疫情中的高新防控技術 開展課程思政

2020年3月2日，基于全息照相技術的全球首臺空氣成像無接觸電梯按鈕終端在合肥高新區(qū)正式投入使用，這是繼“無接觸自助機”在醫(yī)院投入使用后，全息投影技術又一次成功運用于生活場景，該技術完全不用實體屏幕，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，也完全解決公共設施病菌附著殘留的問題，為新冠疫情防控給出了技術支持，同時它標志著我國在全息投影領域的全球領先地位[9]．

5 結論

本文通過學生的視角，彌補了因教師“習以為?！钡乃季S慣性而對教學細節(jié)的疏忽，對影響全息照相實驗成功與否的各重要因素和教學方式方法進行了分析討論，有助于學生更深入地掌握激光全息照相實驗的原理，提升學生的物理實驗技能．

學生參與實驗教學內容的組織和教學，充分發(fā)揮學生視角在實驗教學中的創(chuàng)新能力，有利于提高實驗教學的有效性和高效性，對激發(fā)學生參與實驗學習體驗的深度和廣度，提高學生創(chuàng)新能力等方面都有很好的幫助．通過采納學生視角制定更為有效的實驗引導，提高包括全息照相實驗在內的大學物理實驗的成功率，對學生提高自信心和激發(fā)學習興趣有著很大的幫助，能夠培養(yǎng)學生的實際操作能力和自主探究意識，從而推動大學物理實驗課程教學質量的提高．