胡正良+马丽娜+徐攀+吴艳群+赵学谦+胡永明

摘要：信息光学课程是光学工程专业的一门核心课程，课程实验是提高该课程教学效果，促进学生深入掌握信息光学物理本质的重要途径。选择具有拓展性和典型性的信息光学实验，覆盖信息光学课程大部分知识点；进一步采用启发性的实验教学模式，深入拓展试驗内容，剖析课程内涵，使实验从书本理论到实验现象，再到复杂的物理本质，知识由点到面，促进了学生对各知识点关系的理解和课程内涵的掌握。

关键词：信息光学；光学工程；课堂实验

中图分类号：G642.3 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）51-0258-02

一、前言

信息光学是一门理论与实践相结合的课程，单纯地依靠课程教学，学生难以领会掌握其理论和应用的本质。实验是检验物理理论的标准，是物理推导过程的可视化和具体化。在学生建立完整的物理概念和导出正确物理规律的课堂教学中，实验能化抽象为具体，能引导学生观察和思考，激发他们求知和探索物理规律的欲望。信息光学课程理论推导较多，物理过程比较复杂，同时可操作的物理实验相对较多，因此从众多的实验中挑选合适的实验，精心设计实验过程，合理拓展实验内容，是信息光学课程实验需要重点思考的一个方面。它对课程教学具有积极的促进作用，能够更为有效地提高学生对知识的理解，提高学生对信息光学课程学习的兴趣。

二、结合课程教学，合理设计实验

信息光学课程内容比较多，从光的衍射传播、光的相干干涉、光的空间滤波到光的相干处理和非相干处理，但是课程实验开设数目非常有限，因此合理设计信息光学课程实验，让实验涵盖信息光学课程教学内容是非常有必要的。根据课程教学内容，设计了全息光栅、彩虹全息、空间滤波和白光光学处理四个实验，它们涵盖了信息光学课程的基本知识点，且相互关联。（1）全息光栅。全息光栅实验利用两路平面波相干叠加获得全息光栅干涉条纹和干板的记录，并对记录的全息干板进行再现和光栅参数测试。空间频率是学生难以掌握的一个基本概念，通过实验与理论相结合，结合数学表达式和几何图形，使学生理解一定空间频率的平面波所代表的物理内涵。同时利用两路平面波相交产生干涉条纹和全息光栅的再现，使学生掌握光的干涉和光的衍射。如果把二维的平面全息扩展到三维，可以进一步了解到体全息图，分析透射全息图和反射全息图的内涵和区别。（2）彩虹全息。彩虹全息是激光记录白光再现的全息图，它突破了激光记录激光再现全息图的局限性，采用自然光就可以观察到三维图像。该实验在制作全息图时增加狭缝，再现时由于色散效应，不同波长下狭缝的位置不同，从而在不同的观察角度就可以透过狭缝看到不同颜色的全息像。该实验可以完成一步彩虹全息和二步彩虹全息的实验内容，不仅涵盖了全息制作的原理和彩虹全息图的基本原理，同时深入了解了全息图的色模糊。（3）空间滤波。空间滤波实验利用4f系统，把物体放置在物平面，在频谱面插入不同类型的滤波器，在输出面可以观察到经过滤波后的输出图像，是光信息处理的典型光路和典型应用。通过该实验，让学生在空间频率、光的衍射基础上进一步掌握阿贝二次成像的基本理论、物体空间频谱和空间滤波等基本原理。（4）θ调制假彩色编码。θ调制假彩色编码是白光光学处理的典型应用，它是在相干光处理和非相干光处理的基础上，通过采用点光源降低白光的空间相干性，引入光栅提高白光的时间相干性的一种处理方法。θ调制假彩色编码实验表明4f空间滤波系统同样能灵活进行非相干处理，同时抑制了相干光处理的一些弊端，能清晰地体现光的空间相干性和时间相干性在相干处理的重要性。θ调制图像频谱的观察，能更浅显地理解空间频率的概念。

三、课程实验内容的拓展

在实验讲义中，实验过程比较明确，但实验内容相对有限，学生往往仅仅参照实验讲义，按照实验步骤完成试验，记录实验数据。实际上，实验内容方面的局限性可以通过正确引导，在实验过程中不断拓展试验内容，从不同角度、不同层次理解各个知识点，并掌握各知识点之间的关联。在全息光栅实验中，通过在光路中增加简单的透镜，使一路或者两路都变成球面波，从而让学生掌握球面波、基元全息图、菲涅耳全息图等的基本概念。进一步拓展到全息照相，把物体看成是无穷多个平面波的线性组合，因而全息照相干板上记录的是无穷多个不同角度、不同条纹间隔的干涉条纹的集合。让学生了解全息光栅与全息照相的联系。或者把物体看成是无穷多个点源的集合，记录的是无穷多个菲涅耳全息图的集合，让学生了解菲涅耳全息图与全息照相的联系。在彩虹全息试验中，在掌握依靠增加狭缝使得全息图能白光再现的基础上，拓展到像全息图，利用菲涅尔全息图的表达式上，从理论上明确只需物距趋近于零的条件下，同样可以获得白光再现全息图。利用本实验光路，还可以进行傅立叶变换全息图实验，分析菲涅耳全息图与傅立叶变换全息图的区别和特点。空间滤波试验可以在4f双透镜滤波光路的基础上，进行单透镜空间滤波实验，分析物平面距离透镜距离不同导致的频谱面放大和缩小的实现现象，同时分析单透镜空间滤波系统的特点。在4f空间滤波光路中，可进一步进行图像相减和联合变换相关识别两种相干光处理的实验，利用全息光栅实验保留下来的全息光栅或者制作特定图片的复数滤波器，实现图像的相减或识别，理论分析实验现象，数学推导图像相减和联合变换相关识别的物理过程。θ调制假彩色编码利用已经制作好的天安门θ调制光栅进行假彩色编码，同样可以结合全面全息光栅实验内容，进行其他θ调制光栅的制作，拓展全息光栅实验内容的同时，掌握了θ调制光栅的特点。利用4f空间滤波系统，还可以进行相位调制假彩色编码，将具有透过率函数的图像进行光栅抽样、漂白处理和空间滤波，获得等密度或者等空间频率假彩色编码，加深了对白光光学处理的理解。通过以上实验的拓展，从基础到前沿、从经典到普通，四个实验可以涵盖信息光学的大部分知识点。作为拓展实验内容，老师提要求，学生自己独立完成，并对实验现象给出合理的分析和解释。拓展内容的安排，不仅加深了对信息光学知识的认识，同时锻炼了自主学习、分析问题、解决问题的能力。

四、启发性实验教学

信息光学的四个课程实验所蕴含的知识非常丰富，只要去挖掘，通过不断的提问和引导，可以使学生通过实验内容和观察的现象启发学生掌握更多的知识，提高学生对信息光学的興趣，启发学生对信息光学更为广泛应用的思考。通过提问和思考全息干涉板上如何观察到干涉条纹，获得肉眼能观察到的干涉条纹需要的条件，实验中如何实现这一条件等问题，可进一步加深干涉的理解和全息光栅的认识，从而保证实验能顺利进行。全息光栅再现时，思考近场和远场观察的图像的区别，分析产生这两种图像的原因，理解菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射的基本特征和差别。分光镜透射反射比、狭缝的位置、狭缝的大小和拍照物体的选择的思考能帮助更好地理解彩虹全息的原理。分析像全息图时，思考如何实现全息照相的物距为零，结合透镜成实像，理解全息再现成实像的基本原理。正交光栅空间滤波在不加滤波器条件下获得明暗相间的条纹，但由于人眼分辨率不够难以观察。引导学生思考利用透镜放大和夫琅禾费衍射放大获得条纹间距更大的明暗相间条纹的方法，可理解透镜的傅里叶变换和夫朗禾费衍射的相同作用。或者在4f系统中，去掉傅立叶逆变换透镜，在远处观察图像，提问为什么能在该条件下观察到条纹，同样能起到理解夫琅禾费衍射的作用。在单透镜空间滤波系统中，通过物体离透镜的距离，可以观察到物体频谱的图像得到放大或者缩小，提问产生这种想象的原因、特点和应用，充分认识透镜的准傅里叶变换特性。θ调制假彩色编码实验提问光栅衍射的方向，颜色分布特点，可以引伸出衍射的一些基本特性。从光的相干性出发，思考如何提高白光的空间相干性和时间相干性、同种颜色和不同颜色光在信号处理方法上的差异，透彻理解光的相干性问题和相干非相干光处理的本质区别。通过θ调制假彩色编码，启发采用其他原理的假彩色编码以及应用，有利于拓展学生知识面。

五、总结

课程实验是信息光学的重要组成部分，利用有限的实验课时，充分挖掘课程实验的潜力，在实验讲义的基础上，拓展实验内容，以点带面，增加实验内涵，即使不能通过实验验证，也能通过完成的实验内容进行推断和理解。采用启发式的实验教学，同样能帮助学生加强思考，分析各知识点之间的联系，系统理解课程的脉路，从而根本上掌握信息光学课程，提高信息光学课程教学效果。

参考文献：

[1]光纤技术实验课程的优化探索[J].教育教学论坛，2012，（2）：235-236.

Promotion of Teaching Effectiveness of Information Optics by Developing the Potential of Experiments

HU Zheng-liang，MA Li-na，XU Pan，WU Yan-qun，ZHAO Xue-qian，HU Yong-ming

（Academy of Ocean Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha，Hunan 410073，China）

Abstract：Information Optics is a core curriculum of Optical Engineering. The course-related experiments are the key approach to improve the teaching effectiveness and make the students gasp the physical essence of the light better. The experiments of Information Optics should be expandable and typical，and include most of the based knowledge of the course. The heuristic education model will be applied and the content of the experiments will be fatherly expanded and analyzed. The experiments should be designed to convert the theory to experimental phenomenon，which helps the students understand the complex physical essence better and grasp the knowledge more comprehensively.

Key words：information optics，optical engineering，course-related experiment