光源位置确定原则和同时的相对性及光折变晶体中全息存储的原理和应用

建立光源位置原则，巧教相对论问题摘要：本文通过假设论证，建立光源位置确定原则，活化相对论的教学思路，简化高中阶段相对论问题的分析，提高教学的效率和学生学习近代物理的兴趣。关键词：假设光源位置确定原则我们在学习相对论时空观时，我们常常被它高深的理论，抽象的观点所难倒。师生在相对性原理、光速不变原理、同时的相对性等概念中徘徊，在教学中，一不小心就弄的前后矛盾，让学生无所适从，自己也尴尬无比。究其原因一是教材过于简洁，叙述跳跃性大，阅读理解困难；其次是本节内容是现代物理的前沿，大家在这个方向上的研究比较少，所获得的信息不足，是一个难点知识。第三，该理论本身就现代人最难理解的理论，而且该理论本身就出在不断完善的阶段，没有形成完整的理论体系，鲜有人能够真真讲清楚，出现在高中物理必修教材中，无疑就增加了高中物理师生教学和学习的难度。在高中物理教材粤教版（2010年版）必修Ⅱ第五章第二节中有这样一段教材“如图1所示，假设一列火车以速度v1匀速前进，车厢内一个乘客以速度v2走向车头，对站在站台上的观察者而言，乘客的速度是v1+v2；如果乘客的速度与火车前进方向相反，其速度则为v1-v2，这与我们的常识经验相符合。……，电磁学的研究表明：光是一种电磁波，光速是一个恒定的常数C，与光源和观察者的运动无关。这样，如图2所示，车厢后顶部的档板上有一光源，火车的速度为v1，对于站台上的观察者来说，光传播的速度仍然是C，而不是C+V1，显然，这与经典力学的速度合成法则相违背产生矛盾，但观察和实验事实表明：无论光源和观察者如何运动，光速只能是C。为了解决上述矛盾，爱因斯坦于1905年提出狭义相对论，狭义相对论理论的出发点是以下述两条基本假设为前提的：第一是相对性原理，在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的。第二是光速不变原理，不管在哪个惯性系中，测得的真空中的光速都相同。”到了这里，很多同学就已经看不下去了，觉得深奥，不可思议。老师在授课的时候，也是黔驴技穷，生活中找不到相关的、形象的、直观的事件来进行解释说明。再加上高考说明虽然有要求，但鲜有涉及，老师在此处的教学也就一带而过了，也就放弃了对此类问题的深入研究。但一些有兴趣的同学常常会提出一些有趣的问题，如“怎样理解同时的相对性”？“怎么解释网上的“双生子”问题“？弄得老师一时无话可答达，加上备考的任务紧，就一句“高考不考，以后再学”搪塞过去了。出现这种局面的关键问题就在于我们在教学中没有一个直观的分析事例，以及缺乏对不同参考系之间转换的理解。在一次与学生的讨论中，笔者无意发现，我们在学习的过程中，如果假定建立一个光源位置确定原则，上述问题就应刃而解。光源位置确定原则：在研究相对论问题时，光源的位置相对于观察者来说是静止的。设车厢后顶部档板上有一光源O，火车以速度v匀速前进，车上的观察者小明，站在站台上有观察者小芳如图3所示，当光源、小明、小芳在垂直v的同一竖直面内时，光源O闪光后，小明观察闪光是从相对于车厢参考系静止的光源O’发出的，小芳观察到闪光是从相对与站台参考系静止的光源O发出的，他们都觉察不到火车速度v的存在，这样他们测量到的光速就都是C了。当带有光源0的档板固定在站台上，火车以速度v匀速运动，车上有观察者小明，站台上有观察者小芳（如图4所示），当光源、小明、小芳在垂直v的同一竖直面内时，光源O闪光后，小明观察闪光是从相对于车厢参考系静止的光源O’发出的，小芳观察闪光是从相对于站台参考系静止的光源O发出的，他们都觉察不到火车速度V的存在，他们所测量到的光速也都是C。经过所述假设分析，结合光速不变原理，我们只要认定观察者在观察光的传播过程中，光源的位置相对于观察者所在的参考系静止原则，就能大大的对狭义相对论的难度，有利于我们分析解决问题，这就是笔者所假设建立的光源位置确定原则。为了进一步说明光源位置确定原则的实用性，我们以高中物理教材粤教版（2010年版）必修Ⅱ第119页，第3题为例，分析说明，进行检验。地面上两个同时发生的事件A、B，对于坐在航天飞机中沿这两个事件发生地点连线飞行的观察者来说，哪个事件先发生？先假设飞机运动，地面静止的情况：地面上A、B两条门都有自动装置，当接受到光信号门自动打开，在A、B的中垂面的地面上方固定一个光源O，并站有一个观察者小芳，飞机上坐着一观察者小明，飞机以速度v向左飞行，当小明也在上述中垂面中时，如图5所示位置。光源O闪光，然后由光源位置确定原则可知，如图6所示，小明观察闪光是从相对于飞机静止的光源O’发出的，小芳观察闪光是从相对地面静止的光源O发出的。对小芳因为闪光从O到A、B的距离相等，由于光速不变原理，光传播到AB两点所用的时间相等，所以小芳看到A、B门同时打开；对于小明因为光源O’随飞机向左运动，光传播到A门的距离大于传播到B门的距离，根据光速不变原理，距离长的需要的时间较多，所以小明看到B门先开，A门后开。可见，地面上同时发生的事件A、B，对于坐在航天飞机上沿两事件发生地连线飞行的观察者来说，B事件先发生，A事件后发生。当设飞机静止，地面运动：飞机、小芳、小明、光源上述均在同一垂面，如图7所示，地面以速度V向右运动，光源O闪光。根据光源位置确定原则，小芳观察闪光是从相对于地面静止的光源O’发出的，小明观察闪光是相对于飞机静止的光源O发出的。小芳看到A、B门同时打开，是因为光从光源O’传播到AB的距离相等，根据光速不变原理，所要的时间相等。由于A、B门随地面一起向右运动，坐在飞机中的小明将看到B门先打开，因为闪光从光源O发出，传播到A门的距离大于传播到B门的距离。可见地面上两个同时发生的事件A、B，对于坐在航天飞机中沿两事件发生地连线飞行的观察者来说，B事件先发生。对于高中物理教材粤教版（2010年版）必修Ⅱ第119页，第4题：一列火车以速度V相对地面运动，如果地面上的观察者测得某光源发出的闪光同时到达一节车厢的前门和后门，那么火车上的观察者是否测得闪光也同时到达前门和后门？为什么？假设光源固定在火车上：火车的一节车厢前后门以及顶部的光源O，车厢光源下站着小明，站台上站着小芳，火车以速度V匀速向右运动，如图8所示。光源O闪光后，由光源位置确定原则，我们知道小明观察闪光是相对于车厢静止的光源O’发出的，小芳观察闪光是相对于站台静止的光源O发出的（如图9）。如果小芳测得光源O相对于车厢向前向后的闪光同时传播到前门和后门的话，光源O’一定在车厢的前半部，即小明测量到闪光先到达前门，后到达后门，这是因为从光源O’传播到后门的距离大于传播到前门的距离，由于光速不变原理，距离大的要的时间就多。有兴趣的师生，不妨假设光源固定在站台上，你会发现车上的观察者仍然是测得闪光先到达前门，相信通过实践，您会发现对同时的相对性会有更深刻的认识，也会对笔者提出的光源位置确定原则有进一步的了解。由于本人的水平有限，不能在理论上对“光源位置确定原则”进行深入的研究，抛出这个假设，缓解在本章节的教学压力，拓宽学生的知识面，借此向各位请教。光折变晶体中全息存储的原理和应用摘要：介绍了光折变效应和体全息存储的基本原理,主要特点以及提高体全息存储容量的复用方法。并对光折变晶体全息存储应用进行了一些介绍和展望。关键词：光折变晶体全息存储1.引言三维体全息存储具有高容量和页面式并行存储的高数据传输速率，以及高冗余度和并行读出等优点，因而应用前景广阔。信息的全息存储由于具有独特的优点而受到人们的广泛关注,20世纪60年代末发现光折变效应后,在光折变晶体中全息存储成为研究热点。光折变晶体由于具有制备方便，成本低，无收缩,电光系数大，灵敏度高等优点受到人们的青睐,可以认为，光折变全息存储正面临着实用化的重大突破。正文光折变效应光折变效应就是光致折射率变化效应，光折变效应与1966年首先由贝尔实验室的Askin等人在用和进行倍频实验时发现，当用强光照射晶体时可使晶体折射率发生变化，产生“光损伤”。这种光致折射率的变化在暗处可保持相当长的时间。也可以用均匀光照或者或加热方法消除掉。后来人们才把这种效应称为光折变效应。而首次将光折变效应应用于多幅全息存储效应是在本世纪70年代初J.Amodei和D.Staebler等人在一块晶体中存储了500幅平面全息图。光折变效应的机理：电光晶体中的杂质,缺陷和空位,在晶体禁带隙中形成中间能级,即构成施主和受主能级。在适当波长的空间非均匀分布的光辐照下,晶体内的施主(受主)被电离放出电子(空穴),同时,电子(空穴)从中间能级受激跃迁至导带(价带),并且在导带(价带)内,或因浓度梯度扩散,或在电场作用下漂移,或由光伏效应而自由迁移。迁移的电子(空穴)可以被重新俘获,经过再激发,再迁移,再俘获,最终离开光照区而在暗光区被电子(空穴)陷阱俘获。由此导致晶体内空间电荷分布的变化,从而形成了相应于光场分布的空间电荷场,再通过线性电光效应,在晶体内形成折射率的空间调制变化,即折射率调制的位相光栅。对于厚记录介质,光栅遍布材料的整个体积,形成体全息图。这种位相光栅具有可写,可读,可擦,可固定的优良性能,使光折变材料成为体全息存储的首选材料。[1]广泛应用的光折变晶体晶体由于具有较高的电光效应、非线性光学和光折变效应及其他的许多优良的特性，如易于生长、尺寸大、物理化学性能稳定、易于掺杂改性等，在光折变效应的研究中占有重要地位，在全息存储、激光技术等领域应用广泛。[2]光折变晶体全息存储与再现原理全息存储中参考光束与物体的反射光束以不同的角度入射到记录平面，二者相互干涉产生全息图。全息图具有类似光栅的结构，当再现由记录时参考光相同的角度照射时，由于光栅的衍射，产生再现像。因此它不同于一般的照相过程，它记录的是投射到记录平面上的完整波前，即它不仅仅是记录图像的强度分布，还包括其相位信息。全息图的再现则是用适当参考光以特定角度照射存储介质使衍射光束经受空间调制,从而较精确的浮现出写入过程中与此参考光相干涉的数据光束的波面。这就是全息存储及再现的基本原理。全息图的记录和再现如图1：图1全息图记录全息图的再现4.体全息存储复用方案对体全息图进行多重存储是基于体全息图对角度和波长响应的灵敏性等原理。目前,体全息存储的复用编码技术包括空间复用,角度复用,波长复用,相位复用及其他混合复用技术。4.1空间复用将信息页的傅里叶变换全息图阵列记录在存储材料的不同空间区域的技术称为空间复用。4.2角度复用体全息图的角度选择性使不同的信息页面可以非相干的叠加在同一空间区域,存储在介质的共同体积中,相互之间用不同的参考光角度加以区别,物光的入射角度通常不变,这种复用方式称为角度复用,是大容量全息存储最常用的复用技术,角度复用常采用透射式和反射式两种光路。如图2：S为物光，R1、R2、R3为参考光，PRC为光折变晶体图24.3波长复用利用不同的记录波长在记录介质的同一体积内记录全息图，该种复用技术被称作波长复用。一般情况下，进行波长复用时每个全息图的参考光和再现光都是采用相同的角度，区别在不同的波长。虽然波长复用时体全息存储的主要复用方式之一，但由于激光器的发展还不能达到波长复用的要求，因而这种复用技术大多是从理论上进行研究探讨，纯粹实用的波长复用技术发展比较缓慢。[3]4相位复用在相位复用技术中,全息图用各自不同的位相编码的参考光束写入和读出,但都采用固定的波长和主光束角度。每幅全息图都对应一束独特的位相编码的参考光,以确保复用存储的全息图非相干叠加在介质的共同体积中。相位编码技术可以克服角度复用技术中的一些主要困难,如复杂的寻址技术,对机械设备的可靠性和重复性要求极高,难以避免的串扰噪声等,人们已经提出了一些具有应用潜力的相位复用技术。[4]光折变晶体体全息存储技术的应用光折变晶体、有机光电材料作为超大容量存储器件已被国际上公认为优质的存储材料，尤其是光折变晶体材料具有体积小、存储容量、大数据传输快、并行计算等优点，受到了各国科技界的极大重视。因此，采用掺杂铌酸锂晶体制作超大容量存储器件也就成为了各国科研机构研究的热点。美国的IBM公司、德国的拜尔公司、日本的NTT公司等都投入了大量的资金进行研制和开发，预计短时间内可实现125Gb的全息光盘，五年内实现Tb级存储容量的光学体全息存储光盘。采用掺杂铌酸锂晶体制作的存储器，信息是以页的形式直接存储与读出，比目前的光盘、磁盘存储器容量大1000多倍，读取速率比目前的计算机快几十万倍。这些优点是现今其他存储技术所难以达到的。这类存储器在军用的地形匹配、目标识别和制导方面有着很好的应用前景，在民用的大型数据库建立，三维信息存储，超高密度存储技术等方面也有着重要应用.[5]例如：1995年加州理工学院的D.psaltis等人利用体全息存储器特有的内容关联存储特性，将车载摄像机的实时输出图像