IYPT物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽主講人:郭紅緣

2.Hologram

Itisarguedthatahologramcanbehandmadebyscratchingapieceofplastic.Producesucha‘hologram’withtheletters‘IYPT’andinvestigatehowitworks.

2.全息攝影

有人認(rèn)為，刮擦一片塑料可以手工制作一個(gè)全息圖。制作這樣一個(gè)帶有“IYPT”字母的“全息攝影”，并研究它是如何作用的。題目回顧全息投影簡(jiǎn)述實(shí)驗(yàn)原理IYPT的制作過程全息攝影可以分為如下若干類。透射全息攝影，如利思和烏帕特尼克斯所發(fā)明的通過向全息攝影膠片照射激光，然后從另一個(gè)方向來觀察重建的圖像。另一種常見的全息攝影技術(shù)稱為反射全息攝影，或稱為丹尼蘇克全息攝影。這種技術(shù)可以通過使用白色光源從和觀察者相同的方向來照射膠片，通過反射來重建彩色的圖像，以重建圖像。鏡面全息攝影是一種通過控制鏡面在二維表面上的運(yùn)動(dòng)來制造三維圖像的相關(guān)技術(shù)。它通過控制反射光線或者折射光線來構(gòu)造全息圖像。在我們的生活中，當(dāng)然也常常能看到全息攝影技術(shù)的運(yùn)用。比如，在一些信用卡和紙幣上，就有運(yùn)用了俄國(guó)物理學(xué)家尤里·丹尼蘇克發(fā)明的全彩全息圖象技術(shù)制作出的聚酯軟膠片上的“彩虹”全息圖象。衍射光柵（diffractiongrating）是光柵的一種。它通過有規(guī)律的結(jié)構(gòu)，使入射光的振幅或相位受到周期性空間調(diào)制。實(shí)際應(yīng)用的衍射光柵通常是在表面上有溝槽或刻痕的平板。這樣的光柵可以是透射光柵或反射光柵。

設(shè)光柵共有N條刻槽,光柵常數(shù)為d,槽面在光柵平面上投影的長(zhǎng)度為a。為簡(jiǎn)單明確起見,假定刻槽的橫斷面為鋸齒形,槽面與光柵平面的夾角為γ。平行光以入射角i射到光柵上,經(jīng)光柵衍射后,考慮θ方向上的衍射光在聚光鏡焦面上的相干迭加。這里i和θ都是以光柵平面的法線n為準(zhǔn)。圖1.光柵參數(shù)把光柵平面上邊緣的A點(diǎn)作為原點(diǎn),取坐標(biāo)x軸與刻槽長(zhǎng)度垂直把刻槽分成寬度為dx的許多平行的小長(zhǎng)條,條長(zhǎng)與槽長(zhǎng)平行,即與紙面垂直。根據(jù)惠更斯一菲涅耳原理,光射到光柵上后,光柵上被光照射到的每一點(diǎn),都向外發(fā)出子波(衍射光)。圖2中dx段向θ方向發(fā)出的子波經(jīng)聚光鏡(圖中未畫出)會(huì)聚后,在聚光鏡的焦面上交于一點(diǎn)Pθ。圖2.考慮θ方向上的相干疊加設(shè)A處寬為dx的小段所發(fā)出的子波,在Pθ點(diǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)為式中c是一個(gè)常數(shù),f(θ)是傾斜因子,λ是光的波長(zhǎng),γ是A到Pθ的距離,則x處(在圖3中B處)寬為dx的小段所發(fā)出的子波到達(dá)Pθ點(diǎn)時(shí),振動(dòng)便為式中是①和②兩條光線的光程差。設(shè)B點(diǎn)在從A算起的第m條刻槽上,則代入上式,便得到第m條刻槽上x處的衍射光線②與第一條刻槽邊上A處衍射光線①的光程差為設(shè)到達(dá)Pθ點(diǎn)的子波的振動(dòng)方向都相同,則第m條刻槽上所有衍射到θ方向的光在Pθ點(diǎn)產(chǎn)生的合振動(dòng)便為把(6)代入(7),經(jīng)過積分和化簡(jiǎn),便得式中根據(jù)定義,光的強(qiáng)度與光振動(dòng)振幅的平方成正比,于是得Pθ點(diǎn)的相對(duì)強(qiáng)度為主極大(即實(shí)際上觀察到的光譜線)出現(xiàn)在sinβ=0的方向上，即出現(xiàn)在β=π(k=0，±1，±2，···)的方向上。把這個(gè)值代入(12)便得這便是平面反射光柵的光柵方程,式中k是光譜級(jí)。若規(guī)定衍射角θ恒為正,i與θ在光柵平面法線n的同側(cè)時(shí)為正,i與θ在n的異側(cè)時(shí)為負(fù),則(11)就包括了所有的情況,不必在sini前加正負(fù)號(hào)了。一個(gè)理想的衍射光柵可以認(rèn)為由一組等間距的無限長(zhǎng)無限窄狹縫組成，狹縫之間的間距為d，稱為光柵常數(shù)。當(dāng)波長(zhǎng)為λ的平面波垂直入射于光柵時(shí)，每條狹縫上的點(diǎn)都扮演了次波源的角色；從這些次波源發(fā)出的光線沿所有方向傳播（即球面波）。把狹縫簡(jiǎn)化為該平面上的一排點(diǎn)。則在該平面上沿某一特定方向的光場(chǎng)是由從每條狹縫出射的光相干疊加而成的。在發(fā)生干涉時(shí)，由于從每條狹縫出射的光的在干涉點(diǎn)的相位都不同，它們之間會(huì)部分或全部抵消。然而，當(dāng)從相鄰兩條狹縫出射的光線到達(dá)干涉點(diǎn)的光程差是光的波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，兩束光線相位相同，就會(huì)發(fā)生干涉加強(qiáng)現(xiàn)象。光波傳播的路徑不同，可能造成衍射現(xiàn)象的發(fā)生。可以用惠更斯－菲涅耳原理和波的疊加原理對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行描述。這個(gè)理論認(rèn)為，可以把波前的每一點(diǎn)考慮為次波（球面波）的點(diǎn)波源，這些次波就是后續(xù)時(shí)刻的波面。根據(jù)這一“惠更斯－菲涅耳原理”,任意后續(xù)位置的波位移等于這些次波求和。求和并非簡(jiǎn)單的代數(shù)和，而必須慮及這些波各自的相對(duì)相位以及振幅。因此，它們疊加之后的振幅范圍介于0（相互完全抵消）和所有次波振幅的代數(shù)總和之間。我們可以通過光學(xué)實(shí)驗(yàn)，觀察到光波的衍射圖樣。光的衍射圖樣通常具有一系列明暗條紋（分別對(duì)應(yīng)光波振幅的最大值和最小值）。IYPT的制作過程需要準(zhǔn)備圓規(guī)，PC板（聚碳酸酯），紙筆，膠帶1.在紙上畫好IYPT的字樣，將PC板和紙固定在適當(dāng)?shù)奈恢谩?.以紙上的IYPT字樣上各點(diǎn)為圓心，固定半徑在PC板上畫弧。參考文獻(xiàn)《物理光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)》，ISBN7-5606-0850-7/O·004JeanLouisAubert.Memoirespourl'histoiredessciencesetdesbeauxarts.Paris:Impr.deS.A.S.;ChezE.Ganeau.1760.SirDavidBrewster.ATreatiseonOptics.London:Longman,Rees,Orme,Brown&GreenandJohnTaylor.1831.Young,Thomas.TheBakerianLecture:Experimentsandcalculationsrelative