朱江轉(zhuǎn)，羅鍛斌

(華東理工大學，上海 200237)

全息照相實驗是大學物理實驗中的一個重要實驗。這個實驗的內(nèi)容包括實驗光路的自行搭建、調(diào)節(jié)，底片的曝光、顯影和定影，以及全息底片的再現(xiàn)觀察。所以這個實驗對于學生動手能力、觀察能力以及協(xié)作能力的鍛煉和提高是非常有幫助的。同時，為了得到理想的全息底片和成功觀察到自己拍攝的物體，切身體驗全息照相相對于普通照相的獨特性質(zhì)(如立體感強)，學生對這個實驗充滿興趣。這也使全息照相實驗成為非常受學生喜歡的實驗之一。

全息拍攝是在合適的全息干版上記錄物光和參考光在其上的干涉條紋。高質(zhì)量的全息圖對拍攝系統(tǒng)有一定的要求。如何指導學生順利完成全息實驗，以及如何讓學生在有限的教學實驗時間內(nèi)拍攝出質(zhì)量較好的全息底片，很多物理實驗教師結(jié)合各自的教學經(jīng)歷，在實驗教學的不同環(huán)節(jié)，如全息拍攝光學系統(tǒng)的機械穩(wěn)定性要求［1-2］(防震性能好的平臺，以及曝光時的走動和說話對拍攝效果的影響)、光路布局［3-5］(物光和參考光的光程差、物光和參考光投射到干版的夾角、物光和參考光的強度等)、曝光時間、顯影時間等方面進行了分析研究［6-8］，總結(jié)了不少讓大家受益的方法和經(jīng)驗［9-13］。

在實驗教學過程中發(fā)現(xiàn)，由于不同的學生有不同的實驗條件(如光路、光強、曝光時間、顯影液濃度、顯影時間、顯影溫度、干版沖洗質(zhì)量等)，最后得到的底片質(zhì)量也各不相同。這些顯影后的干版，灰度不一，清晰度也各不相同。這些對于全息照相實驗的最后一個“再現(xiàn)”環(huán)節(jié)將有不同的影響?！霸佻F(xiàn)”環(huán)節(jié)是學生最有成功感的一個環(huán)節(jié)，而往往由于學生拍攝光路(物光和參考光位置)、顯影或者對“再現(xiàn)”過程的理解等原因，看不到底片“再現(xiàn)”所形成的三維虛像。如何讓學生比較快地觀察到再現(xiàn)虛像，針對“再現(xiàn)”環(huán)節(jié)出現(xiàn)的問題，在實驗中做了一個改進，引入CCD等圖像觀測和采集輔助數(shù)碼裝置對再現(xiàn)虛像進行觀察。

圖1 “再現(xiàn)”過程觀察光路

人之所以能看到物體，是因為從物體發(fā)出或反射的光波被人眼所接收。所以如果要想從全息圖上看原來物體的像，直接觀察是看不到的，而只能看到復雜的干涉條紋。要看到原來物體的像，必須使全息圖再現(xiàn)原來物體發(fā)出的光波，這個過程就稱為全息圖的再現(xiàn)過程，它所利用的是光柵衍射原理。再現(xiàn)過程的觀察光路如圖1所示。一束從特定方向或與原來參考光方向相同的激光束(通常稱為再現(xiàn)光)照射全息圖。全息圖上每一組干涉條紋相當于一個復雜的光柵，它使再現(xiàn)光發(fā)生衍射，沿著衍射方向透過全息圖朝原來被攝物體的方位觀察時，就可以看到一個完全逼真的三維立體圖像［14］。

但在實驗中由于學生全息底片質(zhì)量、觀察方向等問題，有不少學生并不能直接看到虛像。在實驗室演示時，用CCD取代人眼的位置，如圖1所示，學生只要通過轉(zhuǎn)動CCD，改變其相對于底片的夾角，便可比較方便地看到被攝物體的虛像，而且還避免了被激光束直接照射眼睛的危險。而在具體的“再現(xiàn)”實驗操作過程中，對于每一個學生，可以利用手機攝像頭的拍攝功能，非常方便地觀察和記錄自己所拍攝的物體的虛像，如圖2所示。而拍攝的全息圖中的虛像，教師可以要求學生打印出來附在實驗報告中，從而可以作為評判學生全息照相實驗成績的一個比較可靠的判據(jù)。

圖2 全息再現(xiàn)過程中用手機攝像頭拍攝的兩個物體虛像

在全息照相實驗教學過程中，在“再現(xiàn)”過程中引入CCD等圖像觀測和采集輔助裝置對再現(xiàn)虛像進行觀察。實驗教學表明，利用CCD輔助裝置演示“再現(xiàn)”過程，非常方便和直觀，有助于學生理解。而在學生具體的實驗過程中，利用具有拍攝功能的數(shù)碼裝置(如手機)，可以比較方便地觀察到被拍攝物體的虛像。同時，利用這些數(shù)碼裝置，可以避免學生被激光束直射眼睛的危險，而這些數(shù)碼裝置記錄的物體，也可用于教師對學生實驗成績的評判。

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