信息光学：动态全息干涉术

二次曝光全息干涉术应以假定在每次曝光过程中物体不发生变化或运动（静态），以及光学系统不受扰动为前提。如果在每次曝光期间内，物体已发生了变化或运动，或者光学系统受到了扰动，哪怕这种运动（或扰动）只有激光波长的几分之一，物光波和参考光波在曝光期间也不可能保持某个确定的位相差。在此情况下要想拍摄出高质量的全息图是不可能的，全息干涉图自然也就记录不下来。

发生位相差随时间的变化，除了上述原因外，还有另一种原因，就是激光光源发出的光波波长随时间变化引起构成全息图的条纹移动，因此，为了拍摄高质量的全息图，首先要求激光光源具有优良的相干性和光学系统稳定性。在此基础上，提高激光束的输出功率，相应地缩短各次曝光时间，可以部分减轻在曝光期间因物体运动或实验台抖动等带来的不良影响。在极限情况下，如果能极大地提高激光器的输出功率，则曝光时间还可大大缩短。例如，缩短到数十纳秒，在这样短的曝光时间内，物体的有限运动或实验台的低频率抖动对于拍摄全息图的影响不会太大。在这种情况下，甚至也无须再用防震工作台，可以直接到靶场拍摄枪弹飞行的流场全息图，拍摄风洞实验中的喷射微粒全息图，还可以直接显示应力波在材料中的传播、生物的生长、人体器官的病变……这些就是动态全息所要研究的范围。前面提到的全息振动分析也是动态全息问题，只不过它研究的是一种周期运动，具有特殊性。

动态全息与前面介绍的“静态”全息在干涉原理上没有任何本质的区别，不同之处在于它采用了相干性优良的高功率脉冲激光器（理想情况，这种激光器应该是单横模和单纵模的），使得在充分短的曝光时间（脉冲宽度）内，被拍摄的物体相对地可被看作不动，从而使全息图仍具有很好的条纹分辨率，因此能重现出清晰的实物三维形象并反映瞬变状态的干涉条纹图样。

假设物体运动速度为v，脉冲激光器的脉宽为Δτ，获得清晰全息图的条件一般是在曝光期间由运动所引起的光程变化小于，即

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以红宝石脉冲激光器为例，其λ=0.694 3μm，若v=1 m/s（步行速度），则要求其脉宽Δτ≤6.9×10-8s=69 ns；对于v=10 m/s的高速运动物体（汽车），则要求Δτ≈7 ns。对于更高速运动的物体（如枪弹），Δτ必须取更小的值。曝光时间缩短后，为了维持全息干板所需要的曝光量，就必须极大地提高激光器的单脉冲能量。因此，动态全息术常采用调Q单脉冲激光器，例如，调Q红宝石脉冲激光器，当脉宽Δτ=20 ns时，单脉冲能量可达数百毫焦耳甚至数焦耳，即相当于功率达到几十兆瓦至几百兆瓦。对于拍摄动态全息干涉图来说，就需要双脉冲调Q激光器，或序列脉冲激光器，这在全息高速摄影中具有很大的应用潜力。如图9.1.5所示为应用脉冲激光器拍摄的爆炸瞬间含激波的动态全息干涉图，可用于研究国防和工程领域的爆炸流场。

图9.1.5　爆炸瞬间的含激波的动态全息干涉图

随着脉冲激光器的发展，高速全息摄影技术获得了很大的发展。高速全息摄影能更真实、更完全地反映客观世界中迅变过程的本来面目。皮秒和飞秒脉冲激光器的出现，使高速摄影发生革命，并可对相对论效应做出补偿。1983年瑞典皇家工业大学的N.Abramson教授用Δτ=80 ps的激光脉冲全息记录了光被反射镜反射的动态过程，并用Δτ=30 ps的激光脉冲全息记录了光被透镜聚焦的动态过程。这种技术是研究微观过程的有力工具，是近年来全息技术的一项重大应用成果，给全息照相术的应用开辟了新的领域。