激光全息照相景深擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)探討

肖怡安

（武漢大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢430072）

1 引 言

激光全息照相原理指出，拍攝某物體時(shí)，在記錄介質(zhì)上必須記錄下物體光波和參考光波疊加相干所形成的干涉圖樣，即全息圖.只有這樣的全息圖，物體光波的全部信息才能被記錄下來(lái).再現(xiàn)時(shí)才能重新獲得各個(gè)物點(diǎn)的光波，即清晰地看到物像.如果物體上只有局部物點(diǎn)散射的物光波和參考光波疊加相干形成全息圖，也就是只有局部物光波被記錄下來(lái).再現(xiàn)時(shí)不能重新獲得相應(yīng)的局部的物光波，即只能看到局部模糊的物像或形成暗區(qū).這是由于另外一些物點(diǎn)散射物光波雖然也和參考光波疊加，但由于未能相干形成對(duì)應(yīng)的全息圖，因此介質(zhì)上未能記錄下這些物光波的信息，致使物像上局部模糊甚至形成暗區(qū).

來(lái)自同一激光器，物點(diǎn)散射的物光波和參考光波能否疊加相干形成全息圖，取決于該點(diǎn)物光波和參考光波的光程差與激光器相干長(zhǎng)度的關(guān)系.光程差小于相干長(zhǎng)度的物光波能夠形成全息圖而記錄下來(lái)；光程差大于相干長(zhǎng)度的則物光波不能被記錄下來(lái).因此，下面簡(jiǎn)單介紹激光器的相干特性和相干長(zhǎng)度.

2 影響全息照相景深的若干因素

普通激光器容易做到橫基模輸出，因此空間相干性是很好的.但是激光器的時(shí)間相干性，由于縱模輸出模式的不同而有很大差別.單縱模輸出，相干特性很好；雙縱?；蚨嗫v模輸出，則相干特性變差.如圖1所示，縱軸表示由激光器分出的2束光疊加相干形成的干涉條紋的可見(jiàn)度，即激光器的時(shí)間相干度.橫軸表示2束光的光程差.圖1中分別給出不同的縱模模式（N＝1，2，3，4）對(duì)應(yīng)的相干條紋可見(jiàn)度Y隨著光程差X 變化的情況.

圖1 激光器縱模輸出時(shí)間相干特性

分析圖1的曲線分布，可以得出［1］：

1）多縱模輸出激光器分出的2束光的相干條紋可見(jiàn)度，即激光器的時(shí)間相干度隨著光程差產(chǎn)生周期性變化，其極大值出現(xiàn)在光程差為激光器腔長(zhǎng)偶數(shù)倍處.

2）在光程差偏離這些極大值處，其時(shí)間相干度很快下降.通常認(rèn)為時(shí)間相干度下降到以下，即認(rèn)為2束光不再相干了.對(duì)于相干度保持在以上的，即認(rèn)為2束光完全相干.激光器的相干長(zhǎng)度就是根據(jù)這一特性定義的，即相干度從1下降到時(shí)，其對(duì)應(yīng)的光程差定義為激光器的相干長(zhǎng)度LH.

3）理想單縱模輸出激光器，時(shí)間相干長(zhǎng)度保持1不變，即相干長(zhǎng)度無(wú)限長(zhǎng).但是，實(shí)際上單縱模輸出的激光器，其波長(zhǎng)總有一定帶寬，因此其相干長(zhǎng)度總是有限.較好的單縱模輸出的激光器，其相干長(zhǎng)度可達(dá)幾km，甚至是幾十km.

一般地講短腔長(zhǎng)的激光器縱模輸出較好，時(shí)間相干特性好，對(duì)應(yīng)的相干長(zhǎng)度較長(zhǎng)，但輸出功率較小.反之較長(zhǎng)腔長(zhǎng)的激光器其縱模輸出較差，時(shí)間相干特性差，對(duì)應(yīng)的相干長(zhǎng)度較短，但輸出功率較大.對(duì)于激光全息照相而言，我們既希望激光器的相干長(zhǎng)度長(zhǎng)，又希望其輸出功率大.但是實(shí)際上這2點(diǎn)要求常常相互矛盾，只能根據(jù)拍攝對(duì)象的不同來(lái)選擇激光器.較小的物體，需要激光覆蓋的面積小，對(duì)激光器功率的要求不是主要的，因此可選擇較短腔長(zhǎng)的單縱模輸出激光器.對(duì)于較大物體，雖然較長(zhǎng)腔長(zhǎng)的激光器是多縱模輸出，相干長(zhǎng)度也較短，但需要功率輸出較大的激光，因此只能選擇較長(zhǎng)腔長(zhǎng)的激光器.

本文正是針對(duì)具有較大景深的物體選擇輸出功率較大的激光器，在其相干長(zhǎng)度較短的情況下，采取光程補(bǔ)償方法，以期獲得激光器相干長(zhǎng)度較長(zhǎng)的效果.

3 改善全息照相景深的實(shí)驗(yàn)方法

下面介紹幾種光程補(bǔ)償擴(kuò)展全息照相景深的實(shí)際光路.

3.1 參考光擴(kuò)展拍大景深物體組三維的全息圖方法之一：三角形參考光程補(bǔ)償

在激光器的相干長(zhǎng)度較短的情況下，具有較大景深的物體，其各個(gè)物點(diǎn)漫射的物光波與選定的參考光波的光程差，常常不能都同時(shí)落在相干長(zhǎng)度之內(nèi).對(duì)于不能滿足相干條件的物點(diǎn)，需要選擇另一束參考光，即對(duì)原來(lái)的參考光進(jìn)行光程補(bǔ)償，使補(bǔ)償后的光程差重新落在相干長(zhǎng)度之內(nèi)［2］.如圖2，選用激光器腔長(zhǎng)為1m，相干長(zhǎng)度約為25cm，功率約為30mW的He-Ne激光器.選擇物體為約有30cm景深的3個(gè)物體O1，O2和O3，其中O1和O2二物體相距約為12cm，O2和O3二物體相距約為18cm.控制原參考光R′光程與O1物光程約相等.由BS2和M5及M6組成的三角形光路，使其中一部分參考光增大了光程.這增大了光程的參考光R″部分可與光程最長(zhǎng)的那部分物光（O3上漫射來(lái)的光）相干涉，而不通過(guò)三角形光路的參考光R′與光程較短的那一部分物光（從O1和O2上漫射來(lái)的光）相干涉（O1和O2間距離小于激光器的相干長(zhǎng)度）.選擇三角形參考光R″光程補(bǔ)償約等于25cm，使參考光R′＋R″光程略大于O1物光程而小于O2物光程，以保證參考光R′＋R″光程與O1物光程、O2物光程之間的光程差小于相干長(zhǎng)度25cm.遮擋補(bǔ)償光路，拍照第1張全息圖，再現(xiàn)時(shí)只能看到2個(gè)物體O1和O2.打開(kāi)補(bǔ)償光路，拍照第2張全息圖，再現(xiàn)時(shí)可同時(shí)看到3個(gè)物體O1，O2和O3，獲得全息照相景深擴(kuò)展的明顯效果.從圖3實(shí)驗(yàn)全息片可看出，沒(méi)有補(bǔ)償前圖像不清晰；而參考光進(jìn)行光程補(bǔ)償后，就可得到清晰的圖像.

圖2 三角形參考光程補(bǔ)償

原參考光R′與補(bǔ)償后的參考光R″容易產(chǎn)生背景干涉條紋，影響再現(xiàn)物像的視場(chǎng).克服這一有害因素的有效方法，一是補(bǔ)償光程略大于相干長(zhǎng)度，使其R′與R″相干可見(jiàn)度下降；二是使產(chǎn)生的背景干涉條紋間距增大，最好使整個(gè)亮條紋覆蓋干板.參考光強(qiáng)IR′和補(bǔ)償參考光強(qiáng)IR″的選擇應(yīng)滿足通常全息照相選定的物光強(qiáng)與參考光強(qiáng)的比例關(guān)系.即在干板處原參考光強(qiáng)IR′與物體部分光強(qiáng)（IO1＋I(xiàn)O2）的比例關(guān)系以及補(bǔ)償參考光強(qiáng)與物體另一部分光強(qiáng)的比例關(guān)系應(yīng)滿足3:1～10:1.這樣，就記錄了整個(gè)物體組的全部信息.

圖3 實(shí)驗(yàn)全息片

3.2 參考光擴(kuò)展拍大景深物體組三維的全息圖方法之二：矩形參考光程補(bǔ)償

在相干長(zhǎng)度較短的情況下，具有較大景深的物體，其各個(gè)物點(diǎn)光波與選定的參考光波的光程差，常常不能同時(shí)都落在相干長(zhǎng)度內(nèi).因此對(duì)于不能滿足相干條件的物點(diǎn)，依據(jù)三角形參考光程補(bǔ)償原理.選擇另外一束參考光，即對(duì)原來(lái)參考光進(jìn)行光程補(bǔ)償，使其補(bǔ)償后的光程差重新落在相干長(zhǎng)度內(nèi).如圖4，于是原來(lái)不滿足相干條件的物點(diǎn)，由于匹配另一束參考光R″（光程補(bǔ)償）重新滿足相干條件［3］，使未補(bǔ)償參考光R′光程與O2的物光程約相等，與O1和O2的物光程光程差應(yīng)小于相干長(zhǎng)度.使補(bǔ)償后的參考光R′＋R″光程與O4的物光程約相等，與O2和O3的物光程光程差應(yīng)小于相干長(zhǎng)度.與三角形參考光程補(bǔ)償方法比較，由于增加參考光的透射次數(shù)，因此帶來(lái)較大的光能損失，但為某些特殊物體的景深拍照的光路布局提供較大靈活性.

圖4 矩形參考光程補(bǔ)償

3.3 物光擴(kuò)展拍攝大體積物體三維的全息圖景深擴(kuò)展方法

物體三維的全息照相是以干涉條紋的形式記錄下物光波的信息，只有和參考光波干涉的物信息才能記錄下來(lái)，沒(méi)有和參考光干涉的物信息將損失掉.當(dāng)被拍攝物體的尺寸大于激光器的相干長(zhǎng)度時(shí)，從物體上各點(diǎn)漫射出的物光的光程和參考光的光程差就不會(huì)都小于激光器的相干長(zhǎng)度，即并非物體上各個(gè)物點(diǎn)漫射出的物光波都能與參考光波相干疊加，而只有局部物點(diǎn)漫射的物光波才與參考光波相干涉形成全息圖.全息圖上只記錄了這一部分物信息，再現(xiàn)時(shí)，就只能重現(xiàn)這一部分物光波，使再現(xiàn)像局部模糊甚至出現(xiàn)暗區(qū).為了盡量減少丟失物體的信息，采用物光擴(kuò)展的方法把物光分成2束或更多束，從不同方向分段照明物體［4］.如圖5的雙光束照明，由反射鏡M5反射的光波充分照明拍攝物體的左半部分，這一部分的各個(gè)物點(diǎn)漫反射的物光波的光程與參考光的光程差都小于激光器的相干長(zhǎng)度，被拍攝物體的左半部分的全部信息都以干涉的形式記錄下來(lái)了.同理由M3反射的光波充分照明被拍攝物的右半部分，右半部分的全部信息也都以干涉的形式記錄下來(lái).整個(gè)被拍攝物的全部信息完整地被記錄而沒(méi)有損失掉.再現(xiàn)時(shí)就不會(huì)出現(xiàn)局部模糊和暗區(qū)，得到清晰完整的再現(xiàn)像.

圖5 物光光程補(bǔ)償

與利用參考光光程補(bǔ)償?shù)姆椒ū容^，采用物光光程補(bǔ)償較參考光光程補(bǔ)償更有突出的優(yōu)點(diǎn)，此方法清除了參考光程補(bǔ)償時(shí)所產(chǎn)生的有害視場(chǎng)的背景干涉條紋.由于對(duì)物光程的補(bǔ)償，物光漫散射帶來(lái)更大的光能損失，因此使用功率較小的激光器進(jìn)行全息照相時(shí)，應(yīng)用這種方法比較困難.

4 結(jié) 論

綜上所述，全息照相景深擴(kuò)展采取的光程補(bǔ)償方法是靈活的.雖然光程補(bǔ)償表象上提高了激光器的相干長(zhǎng)度，但實(shí)際上光程補(bǔ)償并沒(méi)有實(shí)質(zhì)性地改善激光器的相干特性，恰恰相反光程補(bǔ)償?shù)臈l件是必須滿足激光器的相干特性.

［1］肖怡安.全息照相中的景深［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2001，14（1）：18.

［2］王路威.全息圖的拍攝［J］.成都大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，20（7）：24.

［3］林有義，高淑梅，趙志敏，等.大景深多重全息術(shù)及其應(yīng)用［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，1994，14（12）：1255.

［4］王策.大幅面大場(chǎng)景全息照相［J］.激光雜志，2000，21（4）：23.