59
Ôèçè÷åñêîå îáðàçîâàíèå â âóçàõ, Ò. 7, ¹ 1, 2001
Ýëåìåíòû ýêñïåðèìåíòàëüíîé ãîëîãðàôèè â êóðñå îáùåé ôèçèêè Ñ.À. Ïîãîæèõ Íîâîñèáèðñêèé ãîñóäàðñòâåííûé ïåäàãîãè÷åñêèé óíèâåðñèòåò 630126 Íîâîñèáèðñê, Âèëþéñêàÿ 28, E-mail:
[email protected] Ðàññìîòðåíû âîïðîñû ïðåïîäàâàíèÿ îñíîâ ãîëîãðàôèè â êóðñå îáùåé ôèçèêè. Îïèñàíà ëàáîðàòîðíàÿ ðàáîòà. Ïðèâåäåíû ïðèíöèïû ïîñòðîåíèÿ ñïåöêóðñà «Ãîëîãðàôèÿ è åå ïðèìåíåíèÿ». Ïåðå÷èñëåíû îñíîâíûå âîïðîñû, âõîäÿùèå â ñïåöêóðñ. Äàíû ïðèíöèïèàëüíûå ñõåìû íåêîòîðûõ ýêñïåðèìåíòîâ.
Òðàäèöèîííî ãîëîãðàôèè â âóçîâñêîì êóðñå îáùåé ôèçèêè óäåëÿåòñÿ íåìíîãî âíèìàíèÿ – ëèøü â îçíàêîìèòåëüíîì ïëàíå. Ìåæäó òåì ãîëîãðàôèÿ è ãîëîãðàììû óæå äàâíî ïðî÷íî âîøëè â íàó÷íóþ è áûòîâóþ æèçíü. Ïðàêòèêà ïîêàçûâàåò, ÷òî â ñîçíàíèè ëþäåé, äàæå èìåþùèõ ôèçè÷åñêîå îáðàçîâàíèå, ãîëîãðàôèÿ îáðîñëà çíà÷èòåëüíûì êîëè÷åñòâîì ìèôîâ. Ïîýòîìó ïðåäñòàâëÿåòñÿ íåîáõîäèìûì ðàñøèðèòü ñîäåðæàíèå äàííîãî ïîíÿòèÿ êàê ñ òåîðåòè÷åñêîé ñòîðîíû, òàê è ýêñïåðèìåíòàëüíîé. Òåîðåòè÷åñêèé àñïåêò ãîëîãðàôèè íåâîçìîæíî ïðèåìëåìî ðåøèòü â êóðñå îïòèêè. Åäèíñòâåííûé ïóòü – ïðîâåäåíèå ñïåöêóðñà, êîòîðûé è ÷èòàåòñÿ íà êàôåäðå îáùåé ôèçèêè ÍÃÏÓ ïîä íàçâàíèåì “Ãîëîãðàôèÿ è åå ïðèìåíåíèå”.  êà÷åñòâå æå ïîääåðæêè òðàäèöèîííîãî êóðñà îïòèêè ñòóäåíòàìè âûïîëíÿåòñÿ ëàáîðàòîðíàÿ ðàáîòà ïî ïîëó÷åíèþ è íàáëþäåíèþ ãîëîãðàììû. Ïðèíöèïû ãîëîãðàôèè îáùåèçâåñòíû è îïèñàíû âî âñåõ ó÷åáíèêàõ ïî îïòèêå (íàïðèìåð, â [1]). Õîòÿ ïðèâîäèìàÿ òðàäèöèîííî ñõåìà âåñüìà óñëîâíà è ïðèìåíèìà ëèøü äëÿ îäíîãî òèïà ãîëîãðàìì. 1
ËÀÇÅÐ
3
5
1 - ìèêðîîáúåêòèâ 2 - çåðêàëî 3 - ôîòîïëàñòèíêà
2 4
4 - îáúåêò 5 - îñíîâàíèå
Ðèñóíîê 1.
 õîäå âûïîëíåíèÿ ðàáîò ñòàíäàðòíîãî ëàáîðàòîðíîãî ïðàêòèêóìà ñòóäåíòû ïîëó÷àþò ãîëîãðàììó ïî ìåòîäó Äåíèñþêà (âî âñòðå÷íûõ ïó÷êàõ). Âûáîð äàííîé ñõåìû (íà Ðèñóíêå 1 ïðèâåäåíà óïðîùåííàÿ ñõåìà) îïðåäåëÿåòñÿ ïðîñòîòîé îïòè÷åñêîãî òðàêòà, âêëþ÷àþùåé íåñêîëüêî ýëåìåíòîâ ñ ìàëûì êîëè÷åñòâîì îòðàæàþùèõ ïëîñêîñòåé. Âñëåäñòâèå ýòîãî ñõåìà
60
Ñ.À. Ïîãîæèõ
ïðîñòà â þñòèðîâêå, èíòåíñèâíîñòü èçëó÷åíèÿ ëàçåðà îñëàáëÿåòñÿ íåçíà÷èòåëüíî, ÷òî ïîçâîëÿåò ñäåëàòü ýêñïîíèðîâàíèå êðàòêîâðåìåííûì (îáû÷íî 2-5 ìèí). Òàêæå îòñóòñòâèå íåîáõîäèìîñòè êðåïèòü ôîòîïëàñòèíêó è îáúåêò (îáû÷íî ýòî ìîíåòà) ñîêðàùàåò âðåìÿ ýêñïåðèìåíòà, ÷òî ñóùåñòâåííî äëÿ ëàáîðàòîðíîé ðàáîòû. Õèìè÷åñêàÿ îáðàáîòêà òàêæå íåñëîæíà è âêëþ÷àåò ïðîÿâëåíèå, ïðîìûâêó è ñïèðòîâóþ âàííó, óñêîðÿþùóþ ñóøêó ôîòîïëàñòèíêè. Âåñü ýêñïåðèìåíò (âìåñòå ñ ñóøêîé) çàíèìàåò ∼ 30 ìèí. Ìíîãî÷èñëåííûå îïûòû ïîêàçûâàþò, ÷òî äàííàÿ ñõåìà íåîáû÷àéíî ïîìåõîóñòîé÷èâà, è îáû÷íîãî ó÷åáíîãî îïòè÷åñêîãî ñòîëà äîñòàòî÷íî äëÿ óâåðåííîãî ïîëó÷åíèÿ ãîëîãðàììû. Êðîìå òîãî, ïîëó÷åííàÿ äàííûì ìåòîäîì ãîëîãðàììà âîññòàíàâëèâàåòñÿ â áåëîì ñâåòå, ÷òî ïîçâîëÿåò áåç òðóäà èñïîëüçîâàòü å¸ â øêîëå â êà÷åñòâå èëëþñòðàòèâíîãî ìàòåðèàëà. Ïðîãðàììà ñïåöêóðñà âêëþ÷àåò ñëåäóþùèå âîïðîñû: Ðàííèå ýòàïû ðàçâèòèÿ ãîëîãðàôèè. Âêëàä â ñòàíîâëåíèå è ðàçâèòèå ãîëîãðàôèè Ä. Ãàáîðà, Ý. Ëåéòà, Þ. Óïàòíèåêñà, Þ. Äåíèñþêà. Ìàòåìàòè÷åñêèé àíàëèç ãîëîãðàììû: ãîëîãðàììà òî÷êè è îáùèé ñëó÷àé ãîëîãðàììû. Êëàññèôèêàöèÿ ãîëîãðàìì: ïî ó÷àñòêó ôèêñèðóåìîé èíòåðôåðåíöèîííîé êàðòèíû, ïî òîëùèíå ðåãèñòðèðóþùåãî ñëîÿ, ïî ñïîñîáó âîññòàíîâëåíèÿ èçîáðàæåíèÿ, ïî ñïîñîáó çàïèñè èíôîðìàöèè. Õàðàêòåðèñòèêè è ñâîéñòâà ãîëîãðàìì. Äåéñòâèòåëüíîå è ìíèìîå èçîáðàæåíèå. Òåõíèêà ãîëîãðàôèè: èñòî÷íèêè èçëó÷åíèÿ, îïòè÷åñêèå ýëåìåíòû, îïòè÷åñêèå ñõåìû, ïîìåõîçàùèùåííîñòü. Ðåãèñòðèðóþùèå ñðåäû, èõ ñâîéñòâà. Õèìè÷åñêàÿ îáðàáîòêà ðåãèñòðèðóþùèõ ñðåä. Ïðèìåíåíèÿ ãîëîãðàôèè: ãîëîãðàôè÷åñêàÿ èíòåðôåðîìåòðèÿ, õðàíåíèå èíôîðìàöèè, õóäîæåñòâåííàÿ ãîëîãðàôèÿ, öâåòíàÿ ãîëîãðàôèÿ, ðàñïîçíàâàíèå îáðàçîâ. Ýêñïåðèìåíòàëüíûå ðàáîòû: ïîëó÷åíèå ãîëîãðàìì ðàçëè÷íûõ òèïîâ, ïîëó÷åíèå è ðàñ÷åò èíòåðôåðîãðàìì. Âñå ýòè âîïðîñû õîðîøî èçëîæåíû â êëàññè÷åñêèõ òðóäàõ [2,3]. Ãîëîãðàôèÿ – íàóêà ýêñïåðèìåíòàëüíàÿ. Ïîýòîìó ïðåïîäàâàíèå êóðñà áåç ýêñïåðèìåíòà ìàëîïðîäóêòèâíî.  îáñóæäàåìîì ñïåöêóðñå óïîð äåëàåòñÿ íà ïðîâåäåíèå “ýëåìåíòàðíûõ” äåìîíñòðàöèîííûõ ýêñïåðèìåíòîâ, èëëþñòðèðóþùèõ òî èëè èíîå ñâîéñòâî êàêîãî-ëèáî âèäà ãîëîãðàììû, ïî âîçìîæíîñòè â ÷èñòîì âèäå. Òàêîé ïîäõîä ïîçâîëÿåò ñîêðàòèòü âðåìÿ íà âûïîëíåíèå ýêñïåðèìåíòà, ïðåæäå âñåãî çà ñ÷åò óâåëè÷åíèÿ èíòåíñèâíîñòåé îïîðíîãî è ïðåäìåòíîãî ïó÷êîâ è ñíèæåíèÿ âðåìåíè ýêñïîçèöèè, ÷òî â ñâîþ î÷åðåäü ïîçâîëÿåò ñòóäåíòàì íàáëþäàòü âåñü åãî õîä.  ïðîöåññå ïðàêòè÷åñêîé ðàáîòû áûëè îòîáðàíû ñëåäóþùèå “ýëåìåíòàðíûå” ýêñïåðèìåíòû: – Ïîëó÷åíèå ãîëîãðàììû ñâåòÿùåéñÿ òî÷êè (å¸ ðîëü âûïîëíÿåò ïîëîæèòåëüíàÿ ëèíçî÷êà, ïîìåùåííàÿ â ñåðåäèíó øèðîêîãî ïàðàëëåëüíîãî îïîðíîãî ïó÷êà (Ðèñóíîê 2)). Äàííûé ýêñïåðèìåíò ÿâëÿåòñÿ âèäîèçìåíåííûì îïûòîì Ä. Ãàáîðà. Ïîëó÷åííàÿ ãîëîãðàììà ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ñèñòåìó êîíöåíòðè÷åñêèõ êîëåö òèïà çîí Ôðåíåëÿ, ñâîåãî ðîäà ñèíóñîèäàëüíóþ çîííóþ ïëàñòèíêó, äàåò èçîáðàæåíèå òî÷êè (ìíèìîå è äåéñòâèòåëüíîå), ëåãêî ïîääàåòñÿ ìàòåìàòè÷åñêîìó ðàñ÷åòó. Íåáîëüøàÿ ïðîñòðàíñòâåííàÿ ÷àñòîòà
61
Ýëåìåíòû ýêñïåðèìåíòàëüíîé ãîëîãðàôèè â êóðñå îáùåé ôèçèêè
èíòåðôåðåíöèîííîé êàðòèíû ïîçâîëÿåò íàáëþäàòü å¸ â ìèêðîñêîï. Íà ýòîé ãîëîãðàììå óäîáíî äåìîíñòðèðîâàòü îòíîñèòåëüíîñòü ïîíÿòèé “ïðåäìåòíûé” è “îïîðíûé” ïó÷êè – ïðåäìåòíûé ïó÷îê âîññòàíàâëèâàåòñÿ îïîðíûì, à îïîðíûé – ïðåäìåòíûì.
ËÀÇÅÐ 3
1 1,2 - ëèíçû êîëëèìàòîðà 3 - ëèíçà 4 - ôîòîïëàñòèíêà
2
4
Ðèñóíîê 2.
– Ãîëîãðàììû ïðîçðà÷íûõ è äèôôóçíî îòðàæàþùèõ îáúåêòîâ â ñõîäÿùèõñÿ è âñòðå÷íûõ ïó÷êàõ. – Ôèêñèðîâàíèå è íàáëþäåíèå ãîëîãðàììû ñôîêóñèðîâàííîãî èçîáðàæåíèÿ. – Âîññòàíîâëåíèå ìíèìîãî “ïðÿìîãî” è äåéñòâèòåëüíîãî “ïñåâäîñêîïè÷åñêîãî” èçîáðàæåíèÿ ñ îäíîé ãîëîãðàììû. – Çàïèñü íà îäíó ôîòîïëàñòèíêó íåñêîëüêèõ ãîëîãðàìì. – Íàáëþäåíèå èçîáðàæåíèÿ, âîññòàíîâëåííîãî ñ öåëîé ãîëîãðàììû è ñ å¸ ÷àñòåé. – Ïðîâåäåíèå ïðîñòåéøèõ ýêñïåðèìåíòîâ ïî ãîëîãðàôè÷åñêîé èíòåðôåðîìåòðèè: ïîëó÷åíèå èíòåðôåðîãðàììû ïëîñêîé ìåìáðàíû (ïóòåì äâîéíîé ýêñïîçèöèè â èñõîäíîì è äåôîðìèðîâàííîì ñîñòîÿíèè) è ðàñ÷¸ò ñìåùåíèÿ êîíòðîëüíîé òî÷êè ïî ïîëó÷åííîé ãîëîãðàììå.
1 3
4 6
ËÀÇÅÐ 5 2 7
8
Ðèñóíîê 3.
9
1 - ïðåäìåòíûé ïó÷îê 2 - îïîðíûé ïó÷îê 3 - ñâåòîäåëèòåëü 4,5 - ëèíçû êîëëèìàòîðà 6 - ëàìïà íàêàëèâàíèÿ 7 - çåðêàëî 8 - ðàñøèðèòåëü 9 - ôîòîïëàñòèíêà
62
Ñ.À. Ïîãîæèõ
– Ïîëó÷åíèå èíòåðôåðîãðàììû êîëáû ëàìïû íàêàëèâàíèÿ (ýêñïîíèðîâàíèå â íàãðåòîì è õîëîäíîì ñîñòîÿíèè) êàê ïðèìåð èññëåäîâàíèÿ ôàçîâîãî îáúåêòà (Ðèñóíîê 3). – Ïîëó÷åíèå èíòåðôåðîãðàììû ìåìáðàíû òåëåôîíà ïî ìåòîäó óñðåäíåíèÿ ýêñïîçèöèè êàê ïðèìåð èññëåäîâàíèÿ êîëåáàíèé ìåòîäîì ãîëîãðàôè÷åñêîé èíòåðôåðîìåòðèè. Âûïîëíÿþòñÿ ýêñïåðèìåíòû ïî ïîëó÷åíèþ âñåõ îñíîâíûõ âèäîâ ãîëîãðàìì: ïî ìåòîäàì Ãàáîðà, Ëåéòà è Óïàòíèåêñà, Äåíèñþêà. Ïðåäñòàâëÿåòñÿ âàæíûì, ÷òîáû èçó÷åííûé òåîðåòè÷åñêè ìàòåðèàë ïîäêðåïëÿëñÿ ýêñïåðèìåíòîì íà îäíîì è òîì æå çàíÿòèè. Òàêàÿ ñõåìà ïîñòðîåíèÿ çàíÿòèÿ âîçìîæíà òîëüêî â ñëó÷àå ñïåöêóðñà. Íàáëþäåíèå ñàìîñòîÿòåëüíî ïîëó÷åííûõ ãîëîãðàìì ïðîèçâîäèò íà ñòóäåíòîâ íåèçãëàäèìîå âïå÷àòëåíèå è ñòèìóëèðóåò èçó÷åíèå òåîðåòè÷åñêèõ è ýêñïåðèìåíòàëüíûõ îñíîâ ãîëîãðàôèè. Òàê æå ñòèìóëÿöèè ñëóæèò îáñóæäåíèå ãîëîãðàìì, âñòðå÷àþùèõñÿ â ðåàëüíîé æèçíè. Ðå÷ü èäåò î ðàäóæíîé ãîëîãðàììå èëè ãîëîãðàììå Áåíòîíà, ïðî÷íî âîøåäøåé â íàøó æèçíü êàê ñðåäñòâî çàùèòû îò ïîääåëîê. Ýòà ãîëîãðàììà, îáðàçîâàííàÿ ìèêðîðåëüåôîì, íåäîñòóïíà äëÿ ïîâòîðåíèÿ â ñòåíàõ ó÷åáíîé ëàáîðàòîðèè.  ñèëó ñâîåé îñîáåííîñòè (ñîçäàíèå èçîáðàæåíèÿ ìèêðîðåëüåôîì, à íå âàðèàöèåé êîýôôèöèåíòîâ ïðîïóñêàíèÿ èëè ïðåëîìëåíèÿ) îíà ÷ðåçâû÷àéíî òåõíîëîãè÷íà è äîñòóïíà äëÿ äåøåâîãî ìàññîâîãî òèðàæèðîâàíèÿ. Òåì íå ìåíåå, å¸ ìèêðîðåëüåô ïðåêðàñíî íàáëþäàåòñÿ â ìèêðîñêîï. Òàê æå ëåãêî íàáëþäàòü ìèêðîðåëüåôíóþ ñòðóêòóðó íàñàäîê ëàçåðíûõ óêàçîê, êîòîðûå ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ãîëîãðàììû Ôóðüå.  êà÷åñòâå ñàìîñòîÿòåëüíûõ çàäàíèé ñòóäåíòû âûïîëíÿþò íåñêîëüêî ýêñïåðèìåíòîâ. Ýòî ìîæåò áûòü ïîëó÷åíèå ãîëîãðàììû ðàçëè÷íûõ âèäîâ òðåõìåðíûõ äèôôóçíûõ îáúåêòîâ, ïîëó÷åíèå è îáñ÷åò ïðîñòåéøèõ èíòåðôåðîãðàìì. ×òî êàñàåòñÿ ìàòåðèàëüíîãî îáåñïå÷åíèÿ ñïåöêóðñà, òî îñíîâíàÿ ïðîáëåìà ñîñòîèò â ïðèîáðåòåíèè ñïåöèàëüíûõ ãîëîãðàôè÷åñêèõ ïëàñòèíîê. Íà íàøåì ôàêóëüòåòå èñïîëüçóþòñÿ ãîëîãðàôè÷åñêèå ïëàñòèíêè ðîññèéñêîãî ïðîèçâîäñòâà ÏÔÃ-03 (ï/î “Ñëàâè÷”), ñïîñîáíûå îáåñïå÷èòü ëþáûå ïîòðåáíîñòè â ãîëîãðàôè÷åñêèõ ðåãèñòðèðóþùèõ ñðåäàõ.  êà÷åñòâå ýêñïåðèìåíòàëüíîé óñòàíîâêè èñïîëüçóåòñÿ ìàëîãàáàðèòíàÿ ãîëîãðàôè÷åñêàÿ óñòàíîâêà ÓÃÌ ñ âåðòèêàëüíûì ðàñïîëîæåíèåì ðàáî÷åé ïîâåðõíîñòè. Ëàçåð – ëþáîé ãåëèé-íåîíîâûé (ïîä íåãî îïòèìèçèðîâàíû ïëàñòèíêè) ñ ìîùíîñòüþ èçëó÷åíèÿ ïîðÿäêà 20 ìÂò. Äëÿ ïîëó÷åíèÿ ïðîñòûõ ãîëîãðàìì íåáîëüøèõ îáúåêòîâ (íàïðèìåð, ìîíåòà) ïî ñõåìå Äåíèñþêà (Ðèñóíîê 1) ðåàëüíî èñïîëüçîâàòü ëàçåðíóþ ïîëóïðîâîäíèêîâóþ óêàçêó, äëèíà êîãåðåíòíîñòè è ìîùíîñòü êîòîðîé [4] âïîëíå ïîäõîäÿò äëÿ òàêîãî ýêñïåðèìåíòà, õîòÿ ëàçåðíûé ëó÷ äîâîëüíî íåîäíîðîäåí.  êà÷åñòâå ñòàáèëèçèðóþùåãî ñòîëà ìîæíî èñïîëüçîâàòü òÿæåëóþ îïòè÷åñêóþ ñêàìüþ, ïðîëîæèâ ïîðèñòûå ðåçèíîâûå ïðîêëàäêè ìåæäó íîæêàìè ñòîëà è ïîëîì.
Ýëåìåíòû ýêñïåðèìåíòàëüíîé ãîëîãðàôèè â êóðñå îáùåé ôèçèêè
63
Ëèòåðàòóðà 1.
Ãîäæàåâ Í.Ì. Îïòèêà //Ì., 1973.
2. Êîëüåð Ð. Îïòè÷åñêàÿ ãîëîãðàôèÿ // Ì., “Ìèð”, 1975. 3.
Îñòðîâñêèé Þ.È., Áóòóñîâ Ì.Ì., Îñòðîâñêàÿ Ã.Â., Ãîëîãðàôè÷åñêàÿ èíòåðôåðîìåòðèÿ // Ì., “Íàóêà”, 1977.
4.
Êîñòþíèí À. Â. Ïîëóïðîâîäíèêîâûå ëàçåðû â ôèçè÷åñêîé ëàáîðàòîðèè, â ñá. “Íîâûå òåõíîëîãèè â ïðåïîäàâàíèè ôèçèêè: øêîëà è ÂÓÇ” // Ì., 2000.
