几个简单的光学实验小述

几个简单的光学实验小述

摘要：通过介绍同济实验室里几种光学仪器，讲述当今一些简单的光学原理及前沿的光学技术，展现光学在人类生活中巨大的作用。

Abstract：this article is introducing some kinds of optical instrument as well as describing some simple optical principles and advanced technology. It shows people that optics is playing an important roll in humans’daily life.

关键词: 高压放电；全息照相；彩虹全息；偏振

Keyword: high voltage discharge; hologram; rainbow hologram; polarize

同济大学开放的光学实验室设在现代化而又幽静的瑞安楼里。来到实验室门口，我才发现这只是一个30平方左右的小教室。但小小的实验室里，却满满地放置了各种光学仪器。有些仪器在昏暗的实验室里发出绚丽的光芒，吸引着我们上前一探究竟。

1．电光魔球

首先引起我注意的是一个散发著闪电状绚丽弧光的玻

璃球。透明的玻璃球中心是一个异常明亮的球状物体。仿

佛是从小球上拉出的无数细丝，在玻璃球内扭动，忽明忽

暗。当我把手指轻轻放在玻璃球上时，光线在手指的周围

处变得更为明亮，最为明亮的一条顺着手的触摸移动而游

动扭曲，好像是跟着我的指挥在翩翩起舞。

讲解员告诉我们，这美丽的魔球不只是一个装饰品，它还蕴含了很多物理知识。密封的玻璃球体是由耐高温的优质玻璃制成，填充了氪或氙和氖的混合气体等惰性气体。在球状物体内腔处由底板伸入导线，与填充其中的钢丝堆连接。底板上有能够产生高频脉冲式交流电的电子器件。其电压高达数千至一万伏，频率则可能高达数百千赫，但其电流很小，所以即使是用手接触也不会有触电感觉。通电后，球内稀薄的气体受到高频电场的的作用产生电离而辉光四射1。它的原理类似于日常所见的霓虹灯。因为魔球发出光的颜色实为稀有气体原子的特征光谱，霓虹灯正是填充了不同种类的稀有气体，加之高频电压，才有七彩斑斓的效果。

魔球工作时，球中心的钢丝堆就像一个点电场。当我将手指接触玻璃球外壳时，内球—手指—地面形成通路。球周围的电场电势便不再均匀，导致了明暗变化。最亮的一条弧光从内球发出打在手指位置处，并会随著手指的移动而移动。

讲解员还给我们取了一根日光灯灯管做展示。用手握住日光灯管的一端，将另一端靠著电光魔球，灯管竟然亮了——因为产生的电势差激发了汞原子发出紫外光，使得灯管内的萤光粉发光。

回去之后，我查阅资料发现，电光魔球除了观赏以外，还有一些妙用。比如在它照明的同时，能形成高速运动负离子。负离子易吸附细菌，是细菌病变死亡。负离子可中和带正电荷的烟雾灰尘，净化空气。负离子还能中和静电，消除烟味臭味。既美观，又环保——这是光学在现代生活中的完美应用。

2．“看得见摸不着”的技术

在实验室里，我又一次见识到了全息技术的巨大魅力。墙上挂着看似普通的一个镜框，但当我站在某个合适位置时，镜框中出现了一个微笑的女人。当我左右跨步变换角度时，她也随着我而转动，就好像是真有一个人，站在镜框后对我打招呼。无需戴眼镜，就能观察到3D的影像——这就是曾经只能在美国大片里一睹风采如今成为热点研究项目的全息技术。

在光学课上略提过全息照相的原理——利用光的干涉记录信息，利用光的衍射再现立体物象。具体区别在于普通摄影中,照相机

只记录了景物的反射光的强弱，也就是

振幅信息。而全息照相采用激光作为照

明光源，并将光源发出的光分为两束，

一束直接射向感光片，称为参考光；另

一束经被摄物的反射后携带物体的有关

信息再射向感光片，称为物光。实物与参考光线之间位置差异造成了位相，使这两束光在感光片上叠加产生干涉，导致感光底片上各点的感光程度随强度以及位相而不同。所以全息摄影不仅记录了物体上的反光强度，也记录了位相信息，保持了所拍物体的立体感。

当然人眼直接去看这种感光的底片，也只能看到像指纹一样的干涉条纹。但用频率与传输方向都和参考光束一样的激光去照射它，我们就能透过底片看到原来与被拍摄物体完全相同的三维立体像。

但也有可以用非相干光源照明再现的全息技术。从摄制全息图时，物光与参考光对胶片的入射方向不同可分为透射式全息图和反射式全息图。当物光与参考光在底片同一面入射时，称为透射式全息图，当参考光与物光从照相底片两侧入射时，称为反

射式全息图。反射式全息图就可用点源白光再现图像。

我们在实验室看到的是彩虹全息图。记录时在光路的适当位置加狭缝，再现时同时再现狭缝像，观察再现像时将受到狭缝再现像的限制。当用白光照明再现时，对不同颜色的光，狭缝和物体的再现像位置都不同，在不同位置将看到不同颜色的像，颜色的排列顺序与波长顺序相同，犹如彩虹一样，因此这种全息技术称为彩虹全息彩虹。

把要再现的物体或过程先拍摄记录在电影胶片上。再把每一幅电影画面用条形平面全息图分别、连续地记录在全息干板或软片上。再现时，白光点光源位于记录时参考光源的位置。白光被色散从而将狭缝像成在不同的垂直位置。眼睛在不同高度就看到不同颜色的像。眼睛在水平观察范围内移动，由于双眼体视效应就可以看到物体的彩虹立体像。

以上可看出彩虹全息是以牺牲垂直方向的物体信息为前提，达到降低对照明光源时间相干性的要求的。但因为人眼是水平排列的特点，成像只有在水平方向有视差效应，因此彩虹全息的效果足以满足人们的观看需求，又简化了还原影像的操作，在全息技术上有很重要的意义。

全息照相的要求是非常高的。为了拍出一张满意的全息照片，不仅需要相干性极高的激光作为拍摄光源，对系统稳定性、底片、冲洗都有很高的要求。现在实验中常用He-Ne激光器，用其拍摄较小的漫散物体，可获得良好的全息图；全息实验台是防震的。全息台上的所有光学器件都用磁性材料牢固地吸在工作台面钢板上；另外，气流通过光路，声波干扰以及温度变化都会引起周围空气密度的变化，可能导致干涉条纹的模糊。因此，在曝光时应该禁止大声喧哗，不能随意走动，保证整个实验室绝对安静。全息底片的分辨率至少是普通底片的50倍。全息照片冲洗时需要特定配方，严格的温度和时间要求。