《光學(xué)》精品課程教改探索之一

陶科玉

摘 要：《光學(xué)》是光學(xué)類相關(guān)專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)課。在《光學(xué)》精品課程建設(shè)和教學(xué)改革中，適當(dāng)引入科技前沿成果，往往能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。本文介紹了在《全息成像》授課過程中，怎樣用本科生能夠掌握的知識(shí)去理解最新的彩色全息成像實(shí)驗(yàn)，達(dá)到鞏固基礎(chǔ)知識(shí)、了解前沿動(dòng)態(tài)的目的。

關(guān)鍵詞：《光學(xué)》；精品課程建設(shè)；彩色全息成像；白光光源

中圖分類號O438.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 B

Holography in True Color

Keyu TAO

College of Electronic Science and Technology, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China

Abstract: Optics is one of the most important courses for students whose majors are optics-related. In the establishment of quality curriculum and educational reformation, it has been proved to be a good method to attract interests by introducing the up-to-date achievements of the scientific frontier. In this article, we would like to share our teaching experience of demonstrating the newest color holography with concepts which are understandable for undergraduate students. We find the basic concepts can also be reinforced in this way.

Keywords: optics, establishment of quality curriculum, color holography, white-light illumination

引言

《光學(xué)》是最古老的學(xué)科之一，有著豐富的內(nèi)容，作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課，其地位的重要性不言而喻。然而，相當(dāng)多的學(xué)生反映該門功課難學(xué)，原因如下：1、光學(xué)課理論性較強(qiáng)，知識(shí)點(diǎn)較多；2、理工科大二學(xué)生的課程任務(wù)本身很重，多門功課的壓力下，若沒有動(dòng)力和興趣，難免會(huì)有畏難情緒。如何激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，從而達(dá)到較好的教學(xué)效果？筆者認(rèn)為，經(jīng)常補(bǔ)充些光學(xué)的前沿動(dòng)向是個(gè)不錯(cuò)的方法。本文以講授全息成像為例，介紹一下筆者的教學(xué)心得。

首先，課件的PPT上出現(xiàn)同學(xué)們都很熟悉的“3D”電影《阿凡達(dá)》和《功夫熊貓2》的海報(bào)。對于目前“3D”電影的原理，我們在講解光的偏振態(tài)時(shí)已經(jīng)介紹過，大家都知道其是利用兩套具有一定視差的圖像重疊在一起，當(dāng)觀眾帶上偏振眼鏡后，就會(huì)產(chǎn)生一定的景深，從而有立體的效果。然后話鋒一轉(zhuǎn)，說明這并不是真正意義的三維成像，而是利用人的視覺錯(cuò)覺。那么是否可以期待真正的3 D影像，即不用戴眼鏡，也可以360度地觀看到事物圖像的細(xì)節(jié)呢？

接下來的PPT演示為美國麻省理工大學(xué)博物館中的一張全息成像的照片[1]，如圖1所示。告知學(xué)生圖片上的字母和幾何圖形其實(shí)是光束形成的，舞臺(tái)上并沒有真實(shí)的事物。

1 傳統(tǒng)全息成像術(shù)[2, 3]

在學(xué)生注意力被調(diào)動(dòng)起來后，按拍攝、沖洗和再現(xiàn)等幾個(gè)專題講解傳統(tǒng)的全息成像過程。注意把其與干涉和衍射的基本概念聯(lián)系起來，講清楚全息成像是真正意義上的三維立體成像。

1.1 全息照片的拍攝

全息成像的拍攝過程，其實(shí)是用底片來記錄物光和參考光的干涉過程。

如圖2所示，激光器發(fā)出的光經(jīng)過快門后，被分束器一分為二，一束光用于照射物體，反射形成物光波，另一束則為參考光。在照相底片上，這兩束光干涉形成的條紋被記錄下來。該干涉圖案相比于我們第二章[2]介紹的平面波和球面波等簡單波源模型間的干涉條紋，顯然要復(fù)雜得多，但原理卻是相同的，底片上的條紋同樣包含了兩束光的振幅和相位差信息，“全息”這個(gè)概念就源于此。上述過程可用數(shù)學(xué)表達(dá)式分析如下：

假設(shè)在底片的場點(diǎn)Q上，O光和R光的復(fù)振幅分別為

則由O光和R光干涉產(chǎn)生的光強(qiáng)為

由上式右邊可知，曝光光強(qiáng)中含有關(guān)于振幅和位相的信息。

1.2 線性沖洗

接下來對底片需采用線性沖洗，即洗好的全息照片的透過率函數(shù)是干涉強(qiáng)度分布的線性函數(shù)，這樣可避免照片上記錄的信息因沖洗而發(fā)生畸變。數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

經(jīng)過這樣處理后的照片從光學(xué)角度上說是一個(gè)光柵。

1.3 全息像的再現(xiàn)

把一束參考光照射到全息照片上，根據(jù)光柵的知識(shí)，我們知道，透射光呈衍射場分布。不考慮高階衍射項(xiàng)，其0級背景光， 級虛、實(shí)像可表示如下：

2. 最新彩色全息成像術(shù)

講解完全息拍攝和再現(xiàn)的原理后，再次顯示圖1的全息圖，并啟發(fā)學(xué)生：雖然其顯示的是立體的圖像，但離真實(shí)再現(xiàn)事物還有何差距？很快學(xué)生就發(fā)現(xiàn)了傳統(tǒng)全息術(shù)的缺點(diǎn)，即所有物體都是單色的。這是由于獲得全息成像必須要求相干性很好的激光光源的緣故。

那么是否可以獲得能反應(yīng)真實(shí)事物的彩色全息圖呢？最近一期的《科學(xué)》雜志[4]上，報(bào)道了全息彩色成像的進(jìn)展：日本一家實(shí)驗(yàn)室成功拍攝了帶綠葉的紅蘋果。其拍攝過程與傳統(tǒng)的不同之處在于，采用三種基本原色：紅、綠、藍(lán)激光光源分別以120度方位角先后進(jìn)行曝光。記錄介質(zhì)（底片）為一塊涂有感光樹脂的玻璃板，三種原色同時(shí)或分別曝光后，感光樹脂上記錄了每種顏色（不同波長）獨(dú)立的、互不相干的干涉條紋，是一個(gè)復(fù)雜的凹凸光柵。下一步處理是在曝光后的底片表面上覆蓋銀金屬薄膜，如圖3所示。

在再現(xiàn)過程中，參考光束采用的是普通鹵素?zé)舭l(fā)出的白光，經(jīng)過三棱鏡分光提取出紅、藍(lán)、綠光，分別從三個(gè)不同方向上照射到全息圖上，如圖4所示。注意入射角大過全反射的臨界角，因此在界面產(chǎn)生衰逝波場，激發(fā)了全息光柵金屬表面的等離子體波[5]。由于三種顏色的光波長不同，由此耦合激發(fā)的表面等離子體波波長也不相同，最終轉(zhuǎn)化成不同的光波波前，代表了真實(shí)物體散射光的波前，所以我們就看到了栩栩如生的綠葉紅蘋果。

利用表面等離子體波的彩色全息成像術(shù)具有很多特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。首先，不同于常見（如信用卡）的彩虹全息圖[6]，盡管也是利用普通白光來再現(xiàn)全息圖像，但不同的顏色是出現(xiàn)在不同角度上的，而不像圖4中所描述的彩色全息，一幅圖像在同一角度上可以生動(dòng)地出現(xiàn)物體原有的不同顏色[4]。另外，由于充分利用了全反射機(jī)制[7]，上述成像沒有通常全息圖再現(xiàn)時(shí)的0級衍射條紋（即重構(gòu)背景光），也沒有常見的鬼影現(xiàn)象（外界光的衍射及高階衍射），因?yàn)檫@些成分與表面等離子體不能進(jìn)行有效的耦合。

3 結(jié)論

在本科教學(xué)過程中，通過引入前沿的進(jìn)展，并把其與基本概念聯(lián)系起來，以本科生能夠理解的方式和知識(shí)水平加以介紹，能夠激發(fā)學(xué)生的興趣：原來最簡單、枯燥的知識(shí)和最前沿的高新科技距離并不遙遠(yuǎn)！相信這種方式能夠給理性的教學(xué)注入清新的活力，對本科生科學(xué)素養(yǎng)的熏陶很有現(xiàn)實(shí)意義的。

參考文獻(xiàn)

[1]Life Magazine Hologram, http://webmuseum.mit.edu/detail.php?t=exhibitions&type=exh&f=&s=7&record=12[Z].

[2] 趙凱華，鐘錫華. 光學(xué)[M]. 北京: 北京大學(xué)出版社, 2009.

Zhao Kaihua, Zhong Xihua Optics, Beijing: Beijing University Press,2009

[3] Born M, Wolf E. Principles of Optics[M]. Combridge, 1999.

[4] Ozaki M, Kato J, Kawata S. Surface-Plasmon Holography with White-Light Illumination [J]. Science. 2011, 332(6026): 218-220.

[5] Raether H. Surface Plasmons on Smooth and Rough Surfaces and on Gratings[M]. Berlin: Springer, 1988.

[6]Yu F T S, Chen H. Rainbow Holographic Interferometry[J]. Optics Communications. 1978, 25(2): 173-175.

[7] Bryngdahl O. Holography with Evanescent Waves[J]. J. Opt. Soc. Am. 1969, 59: 1645-1650