《光學》精品課程教改探索之一

陶科玉

摘 要：《光學》是光學類相關專業的一門重要基礎課。在《光學》精品課程建設和教學改革中，適當引入科技前沿成果，往往能激發學生的學習熱情。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去理解最新的彩色全息成像實驗，達到鞏固基礎知識、了解前沿動態的目的。

關鍵詞：《光學》；精品課程建設；彩色全息成像；白光光源

中圖分類號O438.1文獻標識碼 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》是最古老的學科之一，有著豐富的內容，作為一門專業基礎課，其地位的重要性不言而喻。然而，相當多的學生反映該門功課難學，原因如下：1、光學課理論性較強，知識點較多；2、理工科大二學生的課程任務本身很重，多門功課的壓力下，若沒有動力和興趣，難免會有畏難情緒。如何激發學生的學習熱情，從而達到較好的教學效果？筆者認為，經常補充些光學的前沿動向是個不錯的方法。本文以講授全息成像為例，介紹一下筆者的教學心得。

首先，課件的PPT上出現同學們都很熟悉的“3D”電影《阿凡達》和《功夫熊貓2》的海報。對于目前“3D”電影的原理，我們在講解光的偏振態時已經介紹過，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，當觀眾帶上偏振眼鏡后，就會產生一定的景深，從而有立體的效果。然后話鋒一轉，說明這并不是真正意義的三維成像，而是利用人的視覺錯覺。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節呢？

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

1 傳統全息成像術[2, 3]

在學生注意力被調動起來后，按拍攝、沖洗和再現等幾個專題講解傳統的全息成像過程。注意把其與干涉和衍射的基本概念聯系起來，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，激光器發出的光經過快門后，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”這個概念就源于此。上述過程可用數學表達式分析如下：

假設在底片的場點Q上，O光和R光的復振幅分別為

則由O光和R光干涉產生的光強為

由上式右邊可知，曝光光強中含有關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是干涉強度分布的線性函數，這樣可避免照片上記錄的信息因沖洗而發生畸變。數學表達式為：

經過這樣處理后的照片從光學角度上說是一個光柵。

1.3 全息像的再現

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

2. 最新彩色全息成像術

講解完全息拍攝和再現的原理后，再次顯示圖1的全息圖，并啟發學生：雖然其顯示的是立體的圖像，但離真實再現事物還有何差距？很快學生就發現了傳統全息術的缺點，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真實事物的彩色全息圖呢？最近一期的《科學》雜志[4]上，報道了全息彩色成像的進展：日本一家實驗室成功拍攝了帶綠葉的紅蘋果。其拍攝過程與傳統的不同之處在于，采用三種基本原色：紅、綠、藍激光光源分別以120度方位角先后進行曝光。記錄介質（底片）為一塊涂有感光樹脂的玻璃板，三種原色同時或分別曝光后，感光樹脂上記錄了每種顏色（不同波長）獨立的、互不相干的干涉條紋，是一個復雜的凹凸光柵。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。

在再現過程中，參考光束采用的是普通鹵素燈發出的白光，經過三棱鏡分光提取出紅、藍、綠光，分別從三個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，因此在界面產生衰逝波場，激發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，由此耦合激發的表面等離子體波波長也不相同，最終轉化成不同的光波波前，代表了真實物體散射光的波前，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具有很多特點和優點。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全息圖像，但不同的顏色是出現在不同角度上的，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地出現物體原有的不同顏色[4]。另外，由于充分利用了全反射機制[7]，上述成像沒有通常全息圖再現時的0級衍射條紋（即重構背景光），也沒有常見的鬼影現象（外界光的衍射及高階衍射），因為這些成分與表面等離子體不能進行有效的耦合。

3 結論

在本科教學過程中，通過引入前沿的進展，并把其與基本概念聯系起來，以本科生能夠理解的方式和知識水平加以介紹，能夠激發學生的興趣：原來最簡單、枯燥的知識和最前沿的高新科技距離并不遙遠！相信這種方式能夠給理性的教學注入清新的活力，對本科生科學素養的熏陶很有現實意義的。

參考文獻

[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[M]. 北京: 北京大學出版社, 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