《光学》精品课程教改探索之一

陶科玉

摘 要：《光学》是光学类相关专业的一门重要基础课。在《光学》精品课程建设和教学改革中，适当引入科技前沿成果，往往能激发学生的学习热情。本文介绍了在《全息成像》授课过程中，怎样用本科生能够掌握的知识去理解最新的彩色全息成像实验，达到巩固基础知识、了解前沿动态的目的。

关键词：《光学》；精品课程建设；彩色全息成像；白光光源

中图分类号O438.1文献标识码 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

《光学》是最古老的学科之一，有着丰富的内容，作为一门专业基础课，其地位的重要性不言而喻。然而，相当多的学生反映该门功课难学，原因如下：1、光学课理论性较强，知识点较多；2、理工科大二学生的课程任务本身很重，多门功课的压力下，若没有动力和兴趣，难免会有畏难情绪。如何激发学生的学习热情，从而达到较好的教学效果？笔者认为，经常补充些光学的前沿动向是个不错的方法。本文以讲授全息成像为例，介绍一下笔者的教学心得。

首先，课件的PPT上出现同学们都很熟悉的“3D”电影《阿凡达》和《功夫熊猫2》的海报。对于目前“3D”电影的原理，我们在讲解光的偏振态时已经介绍过，大家都知道其是利用两套具有一定视差的图像重叠在一起，当观众带上偏振眼镜后，就会产生一定的景深，从而有立体的效果。然后话锋一转，说明这并不是真正意义的三维成像，而是利用人的视觉错觉。那么是否可以期待真正的3 D影像，即不用戴眼镜，也可以360度地观看到事物图像的细节呢？

接下来的PPT演示为美国麻省理工大学博物馆中的一张全息成像的照片[1]，如图1所示。告知学生图片上的字母和几何图形其实是光束形成的，舞台上并没有真实的事物。

1 传统全息成像术[2, 3]

在学生注意力被调动起来后，按拍摄、冲洗和再现等几个专题讲解传统的全息成像过程。注意把其与干涉和衍射的基本概念联系起来，讲清楚全息成像是真正意义上的三维立体成像。

1.1 全息照片的拍摄

全息成像的拍摄过程，其实是用底片来记录物光和参考光的干涉过程。

如图2所示，激光器发出的光经过快门后，被分束器一分为二，一束光用于照射物体，反射形成物光波，另一束则为参考光。在照相底片上，这两束光干涉形成的条纹被记录下来。该干涉图案相比于我们第二章[2]介绍的平面波和球面波等简单波源模型间的干涉条纹，显然要复杂得多，但原理却是相同的，底片上的条纹同样包含了两束光的振幅和相位差信息，“全息”这个概念就源于此。上述过程可用数学表达式分析如下：

假设在底片的场点Q上，O光和R光的复振幅分别为

则由O光和R光干涉产生的光强为

由上式右边可知，曝光光强中含有关于振幅和位相的信息。

1.2 线性冲洗

接下来对底片需采用线性冲洗，即洗好的全息照片的透过率函数是干涉强度分布的线性函数，这样可避免照片上记录的信息因冲洗而发生畸变。数学表达式为：

经过这样处理后的照片从光学角度上说是一个光栅。

1.3 全息像的再现

把一束参考光照射到全息照片上，根据光栅的知识，我们知道，透射光呈衍射场分布。不考虑高阶衍射项，其0级背景光， 级虚、实像可表示如下：

2. 最新彩色全息成像术

讲解完全息拍摄和再现的原理后，再次显示图1的全息图，并启发学生：虽然其显示的是立体的图像，但离真实再现事物还有何差距？很快学生就发现了传统全息术的缺点，即所有物体都是单色的。这是由于获得全息成像必须要求相干性很好的激光光源的缘故。

那么是否可以获得能反应真实事物的彩色全息图呢？最近一期的《科学》杂志[4]上，报道了全息彩色成像的进展：日本一家实验室成功拍摄了带绿叶的红苹果。其拍摄过程与传统的不同之处在于，采用三种基本原色：红、绿、蓝激光光源分别以120度方位角先后进行曝光。记录介质（底片）为一块涂有感光树脂的玻璃板，三种原色同时或分别曝光后，感光树脂上记录了每种颜色（不同波长）独立的、互不相干的干涉条纹，是一个复杂的凹凸光栅。下一步处理是在曝光后的底片表面上覆盖银金属薄膜，如图3所示。

在再现过程中，参考光束采用的是普通卤素灯发出的白光，经过三棱镜分光提取出红、蓝、绿光，分别从三个不同方向上照射到全息图上，如图4所示。注意入射角大过全反射的临界角，因此在界面产生衰逝波场，激发了全息光栅金属表面的等离子体波[5]。由于三种颜色的光波长不同，由此耦合激发的表面等离子体波波长也不相同，最终转化成不同的光波波前，代表了真实物体散射光的波前，所以我们就看到了栩栩如生的绿叶红苹果。

利用表面等离子体波的彩色全息成像术具有很多特点和优点。首先，不同于常见（如信用卡）的彩虹全息图[6]，尽管也是利用普通白光来再现全息图像，但不同的颜色是出现在不同角度上的，而不像图4中所描述的彩色全息，一幅图像在同一角度上可以生动地出现物体原有的不同颜色[4]。另外，由于充分利用了全反射机制[7]，上述成像没有通常全息图再现时的0级衍射条纹（即重构背景光），也没有常见的鬼影现象（外界光的衍射及高阶衍射），因为这些成分与表面等离子体不能进行有效的耦合。

3 结论

在本科教学过程中，通过引入前沿的进展，并把其与基本概念联系起来，以本科生能够理解的方式和知识水平加以介绍，能够激发学生的兴趣：原来最简单、枯燥的知识和最前沿的高新科技距离并不遥远！相信这种方式能够给理性的教学注入清新的活力，对本科生科学素养的熏陶很有现实意义的。

参考文献

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

[2] 赵凯华，钟锡华. 光学[M]. 北京: 北京大学出版社, 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