挖掘課程實驗潛力 提高信息光學課程教學效果

胡正良+馬麗娜+徐攀+吳艷群+趙學謙+胡永明

摘要：信息光學課程是光學工程專業的一門核心課程，課程實驗是提高該課程教學效果，促進學生深入掌握信息光學物理本質的重要途徑。選擇具有拓展性和典型性的信息光學實驗，覆蓋信息光學課程大部分知識點；進一步采用啟發性的實驗教學模式，深入拓展試驗內容，剖析課程內涵，使實驗從書本理論到實驗現象，再到復雜的物理本質，知識由點到面，促進了學生對各知識點關系的理解和課程內涵的掌握。

關鍵詞：信息光學；光學工程；課堂實驗

中圖分類號：G642.3 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）51-0258-02

一、前言

信息光學是一門理論與實踐相結合的課程，單純地依靠課程教學，學生難以領會掌握其理論和應用的本質。實驗是檢驗物理理論的標準，是物理推導過程的可視化和具體化。在學生建立完整的物理概念和導出正確物理規律的課堂教學中，實驗能化抽象為具體，能引導學生觀察和思考，激發他們求知和探索物理規律的欲望。信息光學課程理論推導較多，物理過程比較復雜，同時可操作的物理實驗相對較多，因此從眾多的實驗中挑選合適的實驗，精心設計實驗過程，合理拓展實驗內容，是信息光學課程實驗需要重點思考的一個方面。它對課程教學具有積極的促進作用，能夠更為有效地提高學生對知識的理解，提高學生對信息光學課程學習的興趣。

二、結合課程教學，合理設計實驗

信息光學課程內容比較多，從光的衍射傳播、光的相干干涉、光的空間濾波到光的相干處理和非相干處理，但是課程實驗開設數目非常有限，因此合理設計信息光學課程實驗，讓實驗涵蓋信息光學課程教學內容是非常有必要的。根據課程教學內容，設計了全息光柵、彩虹全息、空間濾波和白光光學處理四個實驗，它們涵蓋了信息光學課程的基本知識點，且相互關聯。（1）全息光柵。全息光柵實驗利用兩路平面波相干疊加獲得全息光柵干涉條紋和干板的記錄，并對記錄的全息干板進行再現和光柵參數測試。空間頻率是學生難以掌握的一個基本概念，通過實驗與理論相結合，結合數學表達式和幾何圖形，使學生理解一定空間頻率的平面波所代表的物理內涵。同時利用兩路平面波相交產生干涉條紋和全息光柵的再現，使學生掌握光的干涉和光的衍射。如果把二維的平面全息擴展到三維，可以進一步了解到體全息圖，分析透射全息圖和反射全息圖的內涵和區別。（2）彩虹全息。彩虹全息是激光記錄白光再現的全息圖，它突破了激光記錄激光再現全息圖的局限性，采用自然光就可以觀察到三維圖像。該實驗在制作全息圖時增加狹縫，再現時由于色散效應，不同波長下狹縫的位置不同，從而在不同的觀察角度就可以透過狹縫看到不同顏色的全息像。該實驗可以完成一步彩虹全息和二步彩虹全息的實驗內容，不僅涵蓋了全息制作的原理和彩虹全息圖的基本原理，同時深入了解了全息圖的色模糊。（3）空間濾波。空間濾波實驗利用4f系統，把物體放置在物平面，在頻譜面插入不同類型的濾波器，在輸出面可以觀察到經過濾波后的輸出圖像，是光信息處理的典型光路和典型應用。通過該實驗，讓學生在空間頻率、光的衍射基礎上進一步掌握阿貝二次成像的基本理論、物體空間頻譜和空間濾波等基本原理。（4）θ調制假彩色編碼。θ調制假彩色編碼是白光光學處理的典型應用，它是在相干光處理和非相干光處理的基礎上，通過采用點光源降低白光的空間相干性，引入光柵提高白光的時間相干性的一種處理方法。θ調制假彩色編碼實驗表明4f空間濾波系統同樣能靈活進行非相干處理，同時抑制了相干光處理的一些弊端，能清晰地體現光的空間相干性和時間相干性在相干處理的重要性。θ調制圖像頻譜的觀察，能更淺顯地理解空間頻率的概念。

三、課程實驗內容的拓展

在實驗講義中，實驗過程比較明確，但實驗內容相對有限，學生往往僅僅參照實驗講義，按照實驗步驟完成試驗，記錄實驗數據。實際上，實驗內容方面的局限性可以通過正確引導，在實驗過程中不斷拓展試驗內容，從不同角度、不同層次理解各個知識點，并掌握各知識點之間的關聯。在全息光柵實驗中，通過在光路中增加簡單的透鏡，使一路或者兩路都變成球面波，從而讓學生掌握球面波、基元全息圖、菲涅耳全息圖等的基本概念。進一步拓展到全息照相，把物體看成是無窮多個平面波的線性組合，因而全息照相干板上記錄的是無窮多個不同角度、不同條紋間隔的干涉條紋的集合。讓學生了解全息光柵與全息照相的聯系。或者把物體看成是無窮多個點源的集合，記錄的是無窮多個菲涅耳全息圖的集合，讓學生了解菲涅耳全息圖與全息照相的聯系。在彩虹全息試驗中，在掌握依靠增加狹縫使得全息圖能白光再現的基礎上，拓展到像全息圖，利用菲涅爾全息圖的表達式上，從理論上明確只需物距趨近于零的條件下，同樣可以獲得白光再現全息圖。利用本實驗光路，還可以進行傅立葉變換全息圖實驗，分析菲涅耳全息圖與傅立葉變換全息圖的區別和特點。空間濾波試驗可以在4f雙透鏡濾波光路的基礎上，進行單透鏡空間濾波實驗，分析物平面距離透鏡距離不同導致的頻譜面放大和縮小的實現現象，同時分析單透鏡空間濾波系統的特點。在4f空間濾波光路中，可進一步進行圖像相減和聯合變換相關識別兩種相干光處理的實驗，利用全息光柵實驗保留下來的全息光柵或者制作特定圖片的復數濾波器，實現圖像的相減或識別，理論分析實驗現象，數學推導圖像相減和聯合變換相關識別的物理過程。θ調制假彩色編碼利用已經制作好的天安門θ調制光柵進行假彩色編碼，同樣可以結合全面全息光柵實驗內容，進行其他θ調制光柵的制作，拓展全息光柵實驗內容的同時，掌握了θ調制光柵的特點。利用4f空間濾波系統，還可以進行相位調制假彩色編碼，將具有透過率函數的圖像進行光柵抽樣、漂白處理和空間濾波，獲得等密度或者等空間頻率假彩色編碼，加深了對白光光學處理的理解。通過以上實驗的拓展，從基礎到前沿、從經典到普通，四個實驗可以涵蓋信息光學的大部分知識點。作為拓展實驗內容，老師提要求，學生自己獨立完成，并對實驗現象給出合理的分析和解釋。拓展內容的安排，不僅加深了對信息光學知識的認識，同時鍛煉了自主學習、分析問題、解決問題的能力。

四、啟發性實驗教學

信息光學的四個課程實驗所蘊含的知識非常豐富，只要去挖掘，通過不斷的提問和引導，可以使學生通過實驗內容和觀察的現象啟發學生掌握更多的知識，提高學生對信息光學的興趣，啟發學生對信息光學更為廣泛應用的思考。通過提問和思考全息干涉板上如何觀察到干涉條紋，獲得肉眼能觀察到的干涉條紋需要的條件，實驗中如何實現這一條件等問題，可進一步加深干涉的理解和全息光柵的認識，從而保證實驗能順利進行。全息光柵再現時，思考近場和遠場觀察的圖像的區別，分析產生這兩種圖像的原因，理解菲涅耳衍射和夫瑯禾費衍射的基本特征和差別。分光鏡透射反射比、狹縫的位置、狹縫的大小和拍照物體的選擇的思考能幫助更好地理解彩虹全息的原理。分析像全息圖時，思考如何實現全息照相的物距為零，結合透鏡成實像，理解全息再現成實像的基本原理。正交光柵空間濾波在不加濾波器條件下獲得明暗相間的條紋，但由于人眼分辨率不夠難以觀察。引導學生思考利用透鏡放大和夫瑯禾費衍射放大獲得條紋間距更大的明暗相間條紋的方法，可理解透鏡的傅里葉變換和夫朗禾費衍射的相同作用。或者在4f系統中，去掉傅立葉逆變換透鏡，在遠處觀察圖像，提問為什么能在該條件下觀察到條紋，同樣能起到理解夫瑯禾費衍射的作用。在單透鏡空間濾波系統中，通過物體離透鏡的距離，可以觀察到物體頻譜的圖像得到放大或者縮小，提問產生這種想象的原因、特點和應用，充分認識透鏡的準傅里葉變換特性。θ調制假彩色編碼實驗提問光柵衍射的方向，顏色分布特點，可以引伸出衍射的一些基本特性。從光的相干性出發，思考如何提高白光的空間相干性和時間相干性、同種顏色和不同顏色光在信號處理方法上的差異，透徹理解光的相干性問題和相干非相干光處理的本質區別。通過θ調制假彩色編碼，啟發采用其他原理的假彩色編碼以及應用，有利于拓展學生知識面。

五、總結

課程實驗是信息光學的重要組成部分，利用有限的實驗課時，充分挖掘課程實驗的潛力，在實驗講義的基礎上，拓展實驗內容，以點帶面，增加實驗內涵，即使不能通過實驗驗證，也能通過完成的實驗內容進行推斷和理解。采用啟發式的實驗教學，同樣能幫助學生加強思考，分析各知識點之間的聯系，系統理解課程的脈路，從而根本上掌握信息光學課程，提高信息光學課程教學效果。

參考文獻：

[1]光纖技術實驗課程的優化探索[J].教育教學論壇，2012，（2）：235-236.

Promotion of Teaching Effectiveness of Information Optics by Developing the Potential of Experiments

HU Zheng-liang，MA Li-na，XU Pan，WU Yan-qun，ZHAO Xue-qian，HU Yong-ming

（Academy of Ocean Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha，Hunan 410073，China）

Abstract：Information Optics is a core curriculum of Optical Engineering. The course-related experiments are the key approach to improve the teaching effectiveness and make the students gasp the physical essence of the light better. The experiments of Information Optics should be expandable and typical，and include most of the based knowledge of the course. The heuristic education model will be applied and the content of the experiments will be fatherly expanded and analyzed. The experiments should be designed to convert the theory to experimental phenomenon，which helps the students understand the complex physical essence better and grasp the knowledge more comprehensively.

Key words：information optics，optical engineering，course-related experiment