幾個簡單的光學(xué)實驗小述摘要：通過介紹同濟實驗室里幾種光學(xué)儀器，講述當(dāng)今一些簡單的光學(xué)原理及前沿的光學(xué)技術(shù)，展現(xiàn)光學(xué)在人類生活中巨大的作用。Abstract：thisarticleisintroducingsomekindsofopticalinstrumentaswellasdescribingsomesimpleopticalprinciplesandadvancedtechnology.Itshowspeoplethatopticsisplayinganimportantrollinhumans’dailylife.關(guān)鍵詞:高壓放電；全息照相；彩虹全息；偏振Keyword:highvoltagedischarge;hologram;rainbowhologram;polarize同濟大學(xué)開放的光學(xué)實驗室設(shè)在現(xiàn)代化而又幽靜的瑞安樓里。來到實驗室門口，我才發(fā)現(xiàn)這只是一個30平方左右的小教室。但小小的實驗室里，卻滿滿地放置了各種光學(xué)儀器。有些儀器在昏暗的實驗室里發(fā)出絢麗的光芒，吸引著我們上前一探究竟。電光魔球首先引起我注意的是一個散發(fā)著閃電狀絢麗弧光的玻璃球。透明的玻璃球中心是一個異常明亮的球狀物體。仿佛是從小球上拉出的無數(shù)細(xì)絲，在玻璃球內(nèi)扭動，忽明忽暗。當(dāng)我把手指輕輕放在玻璃球上時，光線在手指的周圍處變得更為明亮，最為明亮的一條順著手的觸摸移動而游動扭曲，好像是跟著我的指揮在翩翩起舞。講解員告訴我們，這美麗的魔球不只是一個裝飾品，它還蘊含了很多物理知識。密封的玻璃球體是由耐高溫的優(yōu)質(zhì)玻璃制成，填充了氪或氙和氖的混合氣體等惰性氣體。在球狀物體內(nèi)腔處由底板伸入導(dǎo)線，與填充其中的鋼絲堆連接。底板上有能夠產(chǎn)生高頻脈沖式交流電的電子器件。其電壓高達(dá)數(shù)千至一萬伏，頻率則可能高達(dá)數(shù)百千赫，但其電流很小，所以即使是用手接觸也不會有觸電感覺。通電后，球內(nèi)稀薄的氣體受到高頻電場的的作用產(chǎn)生電離而輝光四射余寧余寧電光魔球現(xiàn)象探索魔球工作時，球中心的鋼絲堆就像一個點電場。當(dāng)我將手指接觸玻璃球外殼時，內(nèi)球—手指—地面形成通路。球周圍的電場電勢便不再均勻，導(dǎo)致了明暗變化。最亮的一條弧光從內(nèi)球發(fā)出打在手指位置處，并會隨著手指的移動而移動。講解員還給我們?nèi)×艘桓展鉄魺艄茏稣故?。用手握住日光燈管的一端，將另一端靠著電光魔球，燈管竟然亮了——因為產(chǎn)生的電勢差激發(fā)了汞原子發(fā)出紫外光，使得燈管內(nèi)的螢光粉發(fā)光?；厝ブ螅也殚嗁Y料發(fā)現(xiàn)，電光魔球除了觀賞以外，還有一些妙用。比如在它照明的同時，能形成高速運動負(fù)離子。負(fù)離子易吸附細(xì)菌，是細(xì)菌病變死亡。負(fù)離子可中和帶正電荷的煙霧灰塵，凈化空氣。負(fù)離子還能中和靜電，消除煙味臭味。既美觀，又環(huán)?！@是光學(xué)在現(xiàn)代生活中的完美應(yīng)用。2．“看得見摸不著”的技術(shù)在實驗室里，我又一次見識到了全息技術(shù)的巨大魅力。墻上掛著看似普通的一個鏡框，但當(dāng)我站在某個合適位置時，鏡框中出現(xiàn)了一個微笑的女人。當(dāng)我左右跨步變換角度時，她也隨著我而轉(zhuǎn)動，就好像是真有一個人，站在鏡框后對我打招呼。無需戴眼鏡，就能觀察到3D的影像——這就是曾經(jīng)只能在美國大片里一睹風(fēng)采如今成為熱點研究項目的全息技術(shù)。在光學(xué)課上略提過全息照相的原理——利用光的干涉記錄信息，利用光的衍射再現(xiàn)立體物象。具體區(qū)別在于普通攝影中,照相機只記錄了景物的反射光的強弱，也就是振幅信息。而全息照相采用激光作為照明光源，并將光源發(fā)出的光分為兩束，一束直接射向感光片，稱為參考光；另一束經(jīng)被攝物的反射后攜帶物體的有關(guān)信息再射向感光片，稱為物光。實物與參考光線之間位置差異造成了位相，使這兩束光在感光片上疊加產(chǎn)生干涉，導(dǎo)致感光底片上各點的感光程度隨強度以及位相而不同。所以全息攝影不僅記錄了物體上的反光強度，也記錄了位相信息，保持了所拍物體的立體感。當(dāng)然人眼直接去看這種感光的底片，也只能看到像指紋一樣的干涉條紋。但用頻率與傳輸方向都和參考光束一樣的激光去照射它，我們就能透過底片看到原來與被拍攝物體完全相同的三維立體像。但也有可以用非相干光源照明再現(xiàn)的全息技術(shù)。從攝制全息圖時，物光與參考光對膠片的入射方向不同可分為透射式全息圖和反射式全息圖。當(dāng)物光與參考光在底片同一面入射時，稱為透射式全息圖，當(dāng)參考光與物光從照相底片兩側(cè)入射時，稱為反射式全息圖。反射式全息圖就可用點源白光再現(xiàn)圖像。我們在實驗室看到的是彩虹全息圖。記錄時在光路的適當(dāng)位置加狹縫，再現(xiàn)時同時再現(xiàn)狹縫像，觀察再現(xiàn)像時將受到狹縫再現(xiàn)像的限制。當(dāng)用白光照明再現(xiàn)時，對不同顏色的光，狹縫和物體的再現(xiàn)像位置都不同，在不同位置將看到不同顏色的像，顏色的排列順序與波長順序相同，猶如彩虹一樣，因此這種全息技術(shù)稱為彩虹全息彩虹。把要再現(xiàn)的物體或過程先拍攝記錄在電影膠片上。再把每一幅電影畫面用條形平面全息圖分別、連續(xù)地記錄在全息干板或軟片上。再現(xiàn)時，白光點光源位于記錄時參考光源的位置。白光被色散從而將狹縫像成在不同的垂直位置。眼睛在不同高度就看到不同顏色的像。眼睛在水平觀察范圍內(nèi)移動，由于雙眼體視效應(yīng)就可以看到物體的彩虹立體像。以上可看出彩虹全息是以犧牲垂直方向的物體信息為前提，達(dá)到降低對照明光源時間相干性的要求的。但因為人眼是水平排列的特點，成像只有在水平方向有視差效應(yīng)，因此彩虹全息的效果足以滿足人們的觀看需求，又簡化了還原影像的操作，在全息技術(shù)上有很重要的意義。全息照相的要求是非常高的。為了拍出一張滿意的全息照片，不僅需要相干性極高的激光作為拍攝光源，對系統(tǒng)穩(wěn)定性、底片、沖洗都有很高的要求。現(xiàn)在實驗中常用He-Ne激光器，用其拍攝較小的漫散物體，可獲得良好的全息圖；全息實驗臺是防震的。全息臺上的所有光學(xué)器件都用磁性材料牢固地吸在工作臺面鋼板上；另外，氣流通過光路，聲波干擾以及溫度變化都會引起周圍空氣密度的變化，可能導(dǎo)致干涉條紋的模糊。因此，在曝光時應(yīng)該禁止大聲喧嘩，不能隨意走動，保證整個實驗室絕對安靜。全息底片的分辨率至少是普通底片的50倍。全息照片沖洗時需要特定配方，嚴(yán)格的溫度和時間要求。盡管全息照相不是那么便于操作，它仍得到了廣泛的應(yīng)用。比如全息電視，全息儲存、全息防偽商標(biāo)等。在上海世博會上，采用了大量的全息立體投影技術(shù)——印度館在中央穹頂安裝了360°全息投影視聽裝置；阿聯(lián)酋的3D全息投影讓游客們欣賞到動人的歌舞。除光學(xué)全息外，還發(fā)展了紅外、微波和超聲全息技術(shù)，這些全息技術(shù)在軍事偵察和監(jiān)視上有重要意義。我們知道，一般的雷達(dá)只能探測到目標(biāo)方位、距離等，而全息照相則能給出目標(biāo)的立體形象，這對于及時識別飛機、艦艇等有很大作用。在未來，全息技術(shù)一定能得到更普及的應(yīng)用。3．水在流嗎？在光學(xué)實驗室里，我還看到一副正“飛流直下三千尺”的動態(tài)圖像。看起來類似于普通的電子掛歷。為什么它在實驗室也有一席之地呢？當(dāng)我好奇地拿起畫板時，水流停止了，只是一幅靜態(tài)的山水圖。原來，在流水處對應(yīng)的畫板后方，貼滿了一條條偏振片。畫板后面還放置了一盞燈，燈前也有一張偏振片，并在勻速旋轉(zhuǎn)著。水的流動正來自于這些簡單的裝置。因為光是橫波，在穿過偏振片的時候會有偏振的現(xiàn)象發(fā)生。轉(zhuǎn)動的偏振片使穿過偏振片的光的振動面也在不斷旋轉(zhuǎn)。而畫板背后的偏振片上下相連的兩條之間偏振化方向依次相差一個角度。根據(jù)光學(xué)中的馬呂斯定律：I’=Icosα（其中I是偏振光穿過偏振片之后的強度，I是穿過前的強度，α是光的傳播方向和偏振片偏振化方向所夾的角度），可見隨著角度的不同，光的強度（即亮度）不同。也就是說，隨著偏振片的轉(zhuǎn)動，畫板上的亮處會隨時間變化，由于亮處更容易被人眼所注意，所以看起來就好像真的是瀑布在流動了。除了上面所說三個光學(xué)有關(guān)的展示，在實驗室里還有幾種不同的光柵裝置，邁克爾遜干涉儀，反射折射的演示等等。生活中許多習(xí)以為常的現(xiàn)象或者物品中都含有豐富的光學(xué)知識。只有細(xì)