基于光学影像分析技术的光吸收、光偏振和光散射实验
摘要：光学实验的重难点在于对光学量进行精确测量。随着科技进步，在光学实验中测量光学量的手段越来越丰富。近些年来，国内外学者通过研究发现，光学影像分析技术为光学实验探究提供了新的思路，并克服了传统实验方案中存在的诸多不足，具有广阔的应用前景。因此，本论文着眼于在光吸收、光偏振和光散射这一类典型的光传输及光与其他物质相互作用的实验中更方便、更精确地测定光强度及其变化过程。笔者将使用一套利用3D打印技术制作而成的集光吸收、光散射和光偏振实验于一身的演示仪来验证比尔-朗伯定律、马吕斯定律和散射定律。在该过程中，光学影像分析技术将被作为一种新的实验数据处理和分析手段。本方案将有利于教师进行课堂演示和学生动手实验，并在一定程度上提高教学效果。
关键词：影像分析；实验探究；光吸收；光偏振；光散射
一、背景介绍
光学是研究光的行为和性质的学科，是物理学的重要分支。光学历史悠久，其发展可追溯到两千多年前。在我国古代，墨翟及其弟子对光影关系、小孔成像、面镜成像等进行了研究。并在此基础上制造了可用于生产生活的透镜。西方也很早便有关于光学知识的记载，古希腊数学家欧几里得在其著作《光学》中具体地描述了光的有关性质，对眼睛能看到物体的这一现象进行了解释。另一位希腊学者托勒密在其著作中详细地记录和讨论了光的折射现象及其原理。由于这一时期科学与哲学协同演化，许多光学理论难免存在错误，但不可否认的是这些理论蕴含着近现代光学的萌芽和基本方法。公元十世纪，“光学之父”—伊本·海赛姆对希腊光学理论进行了批判[1]，并发现了光线形成影像的原理。同期，阿拉伯学者阿尔·哈增制作了抛物面镜，正确地解释了透镜的原理，阿尔·哈增对折射的研究也成为了W·斯涅耳等人对折射定律进行实验设计的先导。
早期对光学现象的研究依赖肉眼和简单的光学器件，观测者借助数学工具对实验数据进行总结归纳，进而得出光学规律。法国数学家费马受“大自然以最短捷的可能途径行动”观点的影响，提出了“费马原理”（又称平稳时间原理）。费马原理作为几何光学的基本定理，利用微分法或变分法可推导出光的直线传播定律、光的反射定律和折射定律[2]。由此，几何光学的基础理论正式建立。
随着社会发展和科技进步，出现了更加精密和先进的光学仪器。人类观察光学世界的视野得到了拓展，人们能够“看”得更远，将视线投向天空之外的繁星；“看”得更小，跨入微观世界，从另一种视角观察日常生活的环境。十七世纪下半叶，牛顿通过著名的三棱镜色散实验，提出了光的“微粒说”，以此解释了光的反射与折射现象。但该理论无法解释同时期发现的“牛顿圈”和光的衍射现象。此后，惠更斯等人提出了光的“波动说”理论，该理论圆满地解释了干涉、衍射和偏振等现象。到了20世纪初，物理学家一方面通过光的干涉、衍射和偏振等实验证明了光是一种电磁波，具有波动性。另一方面又通过热辐射、光电效应等现象证实了光具有粒子性，最终得出了光和一切微观粒子都具有波粒二象性的结论[3]。
光学是一门既经典又前沿的学科。随着现代科学技术的不断发展，光学领域涌现出了许多新的研究方向。但大部分学生在中学或大学本科阶段仍以学习经典的光学理论为主，并在物理实验室通过动手实验对已有的一些经典光学理论进行验证和简单应用。例如在光的反射实验中，学生借助量角器、平面镜和激光等工具定性或定量地验证反射定律[4]；在双缝干涉实验中，学生借助双缝干涉仪和光具座等实验仪器探究光波产生稳定干涉的条件，并利用已有公式计算单色光的波长。除此之外，笔者通过查阅文献和实地调查发现：大部分光学实验需要测量和记录相应的光学量。涉及的光学量包括光强、相位、偏振状态以及频率等。其中，光的干涉、光的衍射、光吸收、光偏振和光散射等实验需要测定光强度及其变化过程。（在此进行说明，后续综述内容及笔者的研究工作主要围绕测量光强度而展开）。
在十九世纪中期之前，对光强度进行定量测定是一项很困难的工作。但是，光电效应的发现使得在实验上测量光强度成为了可能。光电效应是指在高于某特定频率的电磁波的照射下，某些物质内部的电子吸收能量后逸出而形成电流的现象[5]。光电池（光敏电阻）是能在光的照射下产生电动势的半导体元件。根据光电池的输出电流大小与入射光强大小成正比的这一关系 ,可根据光电池输出电流的大小计算出光强度。廖炎昌和罗文慧[6]以纳光灯为光源，使用光电池接收入射的偏振光，接着利用转换电路和放大电路将光电流转换成电压并对电压信号进行放大。廖炎昌在对实验数据进行计算后发现，电压与两个偏振片夹角之间成余弦平方关系，即遵循所谓的马吕斯定律。
随着科技进步，虚拟仿真和模拟现实技术在光学实验领域逐渐流行了起来。刘志成等人[7]基于Matlab软件对部分光学现象进行了仿真。刘志成根据光栅光强分布公式编写了相应的计算程序，并将程序集成于用户图形界面（GUI）。使用时，用户只需输入缝总数、缝间距与缝宽比值以及缝宽与波长比值等参数，即可观察到相应的衍射图像，从而实现光栅衍射的可视化。在仿真实验中，数据处理程序的自动化程度高，数据的可操作性强，能够极大减小实验仪器和实验环境的限制并提高实验效率。但由于仿真实验和模拟实验没有真正的实验环节，因此不利于培养操作者的实验操作能力。此外，仿真实验和模拟实验依托于计算机硬件和软件，其在技术层面上的要求和开发成本都较高。
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