肖怡安

（武漢大學 物理科學與技術學院，湖北 武漢430072）

1 引 言

激光全息照相原理指出，拍攝某物體時，在記錄介質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.再現(xiàn)時才能重新獲得各個物點的光波，即清晰地看到物像.如果物體上只有局部物點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.再現(xiàn)時不能重新獲得相應的局部的物光波，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應的全息圖，因此介質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).

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

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度，即激光器的時間相干度.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）對應的相干條紋可見度Y隨著光程差X 變化的情況.

圖1 激光器縱模輸出時間相干特性

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度，即激光器的時間相干度隨著光程差產生周期性變化，其極大值出現(xiàn)在光程差為激光器腔長偶數(shù)倍處.

2）在光程差偏離這些極大值處，其時間相干度很快下降.通常認為時間相干度下降到以下，即認為2束光不再相干了.對于相干度保持在以上的，即認為2束光完全相干.激光器的相干長度就是根據這一特性定義的，即相干度從1下降到時，其對應的光程差定義為激光器的相干長度LH.

3）理想單縱模輸出激光器，時間相干長度保持1不變，即相干長度無限長.但是，實際上單縱模輸出的激光器，其波長總有一定帶寬，因此其相干長度總是有限.較好的單縱模輸出的激光器，其相干長度可達幾km，甚至是幾十km.

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

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

3 改善全息照相景深的實驗方法

下面介紹幾種光程補償擴展全息照相景深的實際光路.

3.1 參考光擴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償

在激光器的相干長度較短的情況下，具有較大景深的物體，其各個物點漫射的物光波與選定的參考光波的光程差，常常不能都同時落在相干長度之內.對于不能滿足相干條件的物點，需要選擇另一束參考光，即對原來的參考光進行光程補償，使補償后的光程差重新落在相干長度之內［2］.如圖2，選用激光器腔長為1m，相干長度約為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″部分可與光程最長的那部分物光（O3上漫射來的光）相干涉，而不通過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上漫射來的光）相干涉（O1和O2間距離小于激光器的相干長度）.選擇三角形參考光R″光程補償約等于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度25cm.遮擋補償光路，拍照第1張全息圖，再現(xiàn)時只能看到2個物體O1和O2.打開補償光路，拍照第2張全息圖，再現(xiàn)時可同時看到3個物體O1，O2和O3，獲得全息照相景深擴展的明顯效果.從圖3實驗全息片可看出，沒有補償前圖像不清晰；而參考光進行光程補償后，就可得到清晰的圖像.

圖2 三角形參考光程補償

原參考光R′與補償后的參考光R″容易產生背景干涉條紋，影響再現(xiàn)物像的視場.克服這一有害因素的有效方法，一是補償光程略大于相干長度，使其R′與R″相干可見度下降；二是使產生的背景干涉條紋間距增大，最好使整個亮條紋覆蓋干板.參考光強IR′和補償參考光強IR″的選擇應滿足通常全息照相選定的物光強與參考光強的比例關系.即在干板處原參考光強IR′與物體部分光強（IO1＋IO2）的比例關系以及補償參考光強與物體另一部分光強的比例關系應滿足3:1～10:1.這樣，就記錄了整個物體組的全部信息.

圖3 實驗全息片

3.2 參考光擴展拍大景深物體組三維的全息圖方法之二：矩形參考光程補償

在相干長度較短的情況下，具有較大景深的物體，其各個物點光波與選定的參考光波的光程差，常常不能同時都落在相干長度內.因此對于不能滿足相干條件的物點，依據三角形參考光程補償原理.選擇另外一束參考光，即對原來參考光進行光程補償，使其補償后的光程差重新落在相干長度內.如圖4，于是原來不滿足相干條件的物點，由于匹配另一束參考光R″（光程補償）重新滿足相干條件［3］，使未補償參考光R′光程與O2的物光程約相等，與O1和O2的物光程光程差應小于相干長度.使補償后的參考光R′＋R″光程與O4的物光程約相等，與O2和O3的物光程光程差應小于相干長度.與三角形參考光程補償方法比較，由于增加參考光的透射次數(shù)，因此帶來較大的光能損失，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 矩形參考光程補償

3.3 物光擴展拍攝大體積物體三維的全息圖景深擴展方法

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，沒有和參考光干涉的物信息將損失掉.當被拍攝物體的尺寸大于激光器的相干長度時，從物體上各點漫射出的物光的光程和參考光的光程差就不會都小于激光器的相干長度，即并非物體上各個物點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，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，這一部分的各個物點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.整個被拍攝物的全部信息完整地被記錄而沒有損失掉.再現(xiàn)時就不會出現(xiàn)局部模糊和暗區(qū)，得到清晰完整的再現(xiàn)像.

圖5 物光光程補償

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

4 結 論

綜上所述，全息照相景深擴展采取的光程補償方法是靈活的.雖然光程補償表象上提高了激光器的相干長度，但實際上光程補償并沒有實質性地改善激光器的相干特性，恰恰相反光程補償?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］.大學物理實驗，2001，14（1）：18.

［2］王路威.全息圖的拍攝［J］.成都大學學報，2001，20（7）：24.

［3］林有義，高淑梅，趙志敏，等.大景深多重全息術及其應用［J］.光學學報，1994，14（12）：1255.

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