Regenbogenholographie

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Unter Holografie (griech. holos; ganz, vollständig, graphein; schreiben, aufzeichnen) fasst man Verfahren zusammen, die den Wellencharakter des Lichts ausnutzen, um anschauliche Darstellungen zu erzielen, die über die Möglichkeiten der klassischen Fotografie hinaus gehen. Neben räumlichen Darstellungen werden holografische Verfahren zunehmend auch in der Messtechnik eingesetzt.

Raumdarstellung

Bekannt sind vor allem Verfahren, die neben den bildlichen auch räumliche Eigenschaften eines abgelichteten Objekts in der Reproduktion sichtbar machen. Mittels Laserlicht wird dabei das gesamte Wellenfeld auf eine geeignete Fotoplatte abgebildet. Da das direkte Laserlicht mit dem vom Objekt reflektierten Laserlicht (auch) auf der Bildplatte überlagert wird und interferiert, enthält die holografische Bildplatte Informationen über Amplitude und Phase des vom Objekt kommenden Wellenfeldes und damit die Rauminformation über das Objekt - ein Hologramm ist entstanden.

Im Gegensatz zur Stereografie, welche nur Amplitudeninformationen speichert, (Aufzeichnung von räumlichen Bildern mit konventioneller Fotografie) wird dabei kohärentes Laserlicht verwendet, um die Interferenzmuster, die ein Objekt im Strahlengang erzeugt, auf einem fotografischen Film abzubilden.

Durchleuchtet man diese Bildplatte wieder mit monochromatischem Laserlicht der gleichen Wellenlänge, die bei der Aufnahme gewählt wurde, wird die ursprüngliche Wellenfront rekonstruiert. So erscheint nicht ein perspektivisches, sondern ein echtes dreidimensionales Bild des aufgezeichneten Objektes, da die gespeicherte Phaseninformation an einem jedem Bildpunkt Rückschlüsse auf die Laufzeit des Lichtes auf dem Weg vom Objekt zur Fotoplatte und damit die Oberflächenstruktur des Objekts ermöglicht. Verändert also ein Betrachter den Blickwinkel auf das Hologramm, so kann er weitere, zuvor verdeckte Teile des Objekts erkennen, was bei einer perspektivischen Zeichnung oder einem Bild nicht der Fall ist. Ein so entstandenes Abbild, manchmal aber auch die Fotoplatte selbst, wird als Hologramm bezeichnet.

Während bei einem herkömmlichen Bild ein einzelner Punkt auf dem Bild einen Punkt des abgelichteten Objekts wiedergibt, ist es bei der holografischen Platte so, dass jeder Punkt der holografischen Platte Informationen über das Objekt enthält. Schneidet man eine holografische Platte in zwei Stücke, so kann man in jeder der beiden Hälften (je nach Blickwinkel) noch das gesamte Objekt betrachten, lediglich der Winkelbereich, unter dem das Objekt betrachtet werden kann, nimmt ab. (Vergleich: Durch eine Hälfte eines doppelflügligen Fensters kann man immer noch die gesamte Außenansicht betrachten.)

Das Prinzip der Holografie wurde 1948 von dem ungarisch-britischen Physiker Dennis Gábor (1900-1979) entdeckt, der dafür 1971 den Nobelpreis für Physik erhielt.

Eine Variante von Hologrammen sind so genannte Weißlichthologramme, die auch ohne Laser betrachtet werden können. Da das Interferenzbild nicht mit Fotokopierern dupliziert werden kann, werden solche Hologramme oft als Fälschungssicherung auf Druckerzeugnissen verwendet (z. B. bei Banknoten).

Blick ins Holografiemuseum in Esens

Die historische Entwicklung

Die bekannteste Person in Verbindung mit der Holografie ist wohl der Physiker Dennis Gábor als „Erfinder“ der Holografie. Doch seine Entdeckung im Jahre 1947, die den Höhepunkt einer langen Entwicklung darstellte, sollte nicht dazu dienen, Objekte dreidimensional abzubilden, sondern das Auflösungsvermögen von Mikroskopen zu verbessern.

Bereits 1920 wollte der polnische Physiker Mieczysław Wolfke die mikroskopische Abbildung in zwei Stufen unterteilen, indem man zuerst ein Zwischenbild mit Strahlen kurzer Wellenlänge (z. B. Röntgenstrahlen) erzeugt. In der zweiten Stufe sollte man das Zwischenbild mit normalem Licht betrachten können. Doch scheiterte diese Realisierung damals an experimentellen Schwierigkeiten. Erst Dennis Gábor konnte 28 Jahre später mit einem Modellversuch zur Realisierung des zweistufigen Abbildungsverfahrens unbewusst den Grundstein zur Holografie legen. Sein besonderes Verdienst bestand darin, gezeigt zu haben, wie die Information über die Phasen des Zwischenbilds durch Überlagerung der vom Objekt ausgehenden Welle und einer Referenzwelle auf direktem Weg gewonnen und fotografisch festgehalten werden konnte.

Gábor unternahm den Versuch, das Hologramm eines kleinen 2mm² großen Dias aufzunehmen. Darauf standen die Namen dreier Physiker: Christiaan Huygens, Thomas Young und Augustin Jean Fresnel. Jedoch waren seine damaligen Möglichkeiten beschränkt, denn er musste beispielsweise eine Quecksilberdampflampe als Lichtquelle verwenden. Dafür musste er jedoch mit Hilfe eines Farbfilters und einer Lochblende arbeiten, um die Kohärenz zu steigern, was wiederum einen enormen Intensitätsverlust zur Folge hatte. Seinen Aufnahme-Aufbau bezeichnet man als „In-line-Methode“, da sämtliche Elemente in einer Reihe aufgebaut werden. Dabei verwendete er auch nur einen einzigen Lichtstrahl. Er arbeitete noch ohne Referenz- und Objektwellen. Das von ihm verwendete Dia war mit Ausnahme der schwarzen Buchstaben transparent. Das Licht wird aber an den Buchstabenrändern gebeugt, der kohärente Hintergrund, der Interferenzen erst ermöglicht, stammt von den transparenten Bereichen.

Das Ergebnis war weniger befriedigend, da die drei Namen des Originals nur noch schlecht zu erkennen waren, und das Hologramm durch viele dunkle Flecken gestört wurde. Was ihn aber überraschte, war das Zustandekommen eines zweiten Bildes, das sich störend auf die Betrachtung auswirkte, da es sich mit dem eigentlichen Bild überlagerte. Dieses zweite Bild wird auch pseudoskopisches oder reelles Bild genannt, da es alle konkaven Wölbungen des Objekts konvex wiedergibt und umgekehrt alle konvexen Wölbungen konkav.

Nach dem Erscheinen seiner Forschungsarbeit 1949 und 1951 kehrte er diesem Gebiet der Forschung enttäuscht den Rücken, weil er selbst mit seinen Ergebnissen unzufrieden war.

Im Jahr 1959 erfuhr er überraschend, dass es den beiden Amerikanischen Wissenschaftlern Emmett Leith und Juris Upatnieks gelungen war, gute dreidimensionale Abbildungen von Objekten zu erzeugen, deren Herstellung zum größten Teil auf Gábors theoretischen Grundlagen beruhte. Sie führten das Zwei-Strahl-Verfahren ein, um das Problem des doppelten Bildes zu vermeiden. Nun konnte man das virtuelle Bild hinter dem Film getrennt vom reellen Bild vor dem Film begutachten. Als dann ein Jahr später der erste Laser von Theodore H. Maiman erfunden wurde (ein Rubinkristalllaser) und 1963 der He-Ne-Laser, begann die Renaissance der Holografie. 1963 wurden von E. Leith und J. Upatnjeks erfolgreich holografische Versuche durchgeführt. Schlagartig kam die Erfindung Gábors, für die zuvor keine Zukunft gesehen wurde, zu neuem Ansehen und zog die Interessen vor allem in den sechziger und siebziger Jahren auf sich.

1971 wurde Gábor für seine Entdeckungen mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet, 23 Jahre nach der Erfindung der Holografie. Und auch wenn Gábor selbst an einen Freund schrieb, er schäme sich fast, für eine so einfache Erfindung den Nobelpreis zu erhalten, ist das theoretische Prinzip doch ungewöhnlich und genial. In den Anwendungen der Forschung einerseits und auf dem Gebiet der Unterhaltung andererseits, stellt die Holografie auf jeden Fall eine große Bereicherung dar.

Chronologie

• 1947 entwickelte Dennis Gábor das Prinzip der Holografie, ursprünglich mit der Intention, das Auflösungsvermögen von Elektronenmikroskopen zu verbessern. Zunächst war er auf die Verwendung gefilterter Lichtquellen angewiesen und arbeitete mit dem Prinzip der In-line-Holografie.
• 1960 Erfindung des Lasers durch Theodore Maiman.
• 1963 Verbesserung der Aufnahmetechniken durch Emmeth Leith und Juris Upatnieks durch Teilung der Aufnahmeanordnung in getrennten Objekt- und Referenzstrahl.
• 1964 Produktion des ersten Hologramms durch Leith und Upatnieks ("Train and Bird").
• 1965 Erfindung der Weißlichtholografie durch Juri Nikolajewitsch Denisjuk.
• 1967 Durch einen Rubin-Laser wird das erste Hologramm einer Person möglich.
• 1968 Stephen A. Benton erfindet die Regenbogen-Transmissionsholografie.
• 1971 Verleihung des Nobelpreises für Physik an Dennis Gábor für die Erfindung der Holografie.

Physikalische Details

Aufnahme und Rekonstruktion

Bei der normalen Fotografie wird lediglich die Intensität des einfallenden Lichtes auf dem Film gespeichert. Bei der Farbfotografie nimmt man zusätzlich noch die Farbe, also die Frequenz des Lichtes auf.

Bei der Holografie wird nun die Phase und die Intensität gespeichert. Dies geschieht mit Hilfe der Interferenz. Um präzise Interferenzmuster zu erzeugen, verwendet man kohärentes Licht, in der Regel einen Laserstrahl, der mittels Streulinsen aufgeweitet wurde.

Beleuchtet man mit kohärentem Licht ein beliebiges Objekt, wird dieses reflektiert und gestreut. Es entsteht ein Wellenfeld, das wir mit unseren Augen wahrnehmen. Dieses Wellenfeld wird Objektwelle genannt. Die Objektwelle überlagert sich mit dem einfallenden, ungestreuten Licht (der so genannten Referenzwelle) desselben Lasers, d. h. die Wellenfronten interferieren miteinander. Die entstehenden Interferenzmuster treffen auf eine Glasplatte oder einen Film, auf der sich eine lichtempfindliche Schicht befindet. Die Schicht reagiert nur auf die Intensität des Lichtes, durch die Interferenz der Wellenfronten wird aber die relative Phase (zwischen Objekt- und Referenzwelle) aufgezeichnet.

Entwickelt man nun den Film, so werden die belichteten Stellen schwarz, es gibt also ein Interferenzmuster von schwarzen Linien, dazwischen ist nichts aufgezeichnet, es ist also nur der durchsichtige Film zu sehen. Die Linien sind sehr nahe beieinander, ein normaler Fotofilm wäre nicht in der Lage, solch feine Strukturen aufzuzeichnen. Vom Auge sind sie nicht zu erkennen.

Bei der Rekonstruktion beleuchtet man die holografische Fotoplatte mit einer Welle, die mit der Referenzwelle identisch ist. Dabei wird das Licht am Interferenzmuster gebeugt und es entsteht die exakte Wellenfront der Objektwelle. Hinter dem Hologramm sieht man also den abgebildeten Gegenstand wie durch ein Fenster. Daher nennt man solche Hologramme auch Transmissions- oder Durchlichthologramme, weil Laser und Betrachter auf verschiedenen Seiten stehen.

Da auch das ganze Wellenfeld vor und hinter dem aufgezeichneten Objekt rekonstruiert wird, können unsere Augen das Abbild jeweils aus leicht verschiedenen Richtungen (Augenabstand) sehen. Das Gehirn ist dadurch in der Lage, einen räumlichen Eindruck herzustellen. Dieser wird dadurch weiter verstärkt, dass man sich sogar im Wellenfeld hin- und herbewegen und so den Gegenstand aus verschiedenen Richtungen und, in begrenztem Ausmaß, auch um ihn herum sehen kann.

Als Weiterführung der Aufnahmetechnologie kann die sogenannte „digitale Holografie“ (engl.: digital holography) bezeichnet werden. Hier wird der fotochemische Aufnahmeprozess durch eine hochauflösende elektro-optische Kamera ersetzt. Die Rekonstruktion des Bildes erfolgt danach digital, also durch numerische Rekonstruktion gemäß der Ausbreitungsgesetze des Lichts (Beugungstheorie). Unterschiedliche Vereinfachungen zur Beschleunigung des Berechnungsprozesses und Nachverarbeitungsschritte erlauben eine vollständige, dreidimensionale Rekonstruktion des Objekts. Dieses Verfahren wird häufig in der holografischen Mikroskopie eingesetzt.

Weißlichtholografie

Grundsätzlich werden alle Hologramme, die mit einer weißen Lichtquelle rekonstruiert werden können, „Weißlichthologramme“ genannt. Hierunter fällt das Denisjuk-Hologramm und das Regenbogenhologramm.

Weißlichthologramme fallen immer unter den Begriff der Reflexionsholografie, da nur durch dieses Prinzip ein Hologramm durch weißes Licht rekonstruiert werden kann. Dabei treffen Objekt- und Referenzstrahl von unterschiedlichen Seiten auf die Hologrammplatte. Das Objekt steht im Strahlengang nach der Hologrammplatte und reflektiert das Licht zurück auf die durchstrahlte Hologrammplatte. Dabei bilden sich stehende Wellen aus, an deren Knotenpunkten die Feldstärke der oszillierenden elektromagnetischen Wellen gleich null ist. Durch die Aufzeichnung dieser stehenden Wellen nicht nur als zweidimensionale Intensitätsverteilung auf der Fläche der Hologrammplatte, sondern auch als dreidimensionale Abfolge von Gittern, bildet sich eine laminare Struktur mit einem „Lamellenabstand“ von einer halben Wellenlänge aus.

Die Betrachtung von Reflexionshologrammen erfolgt genau aus der umgekehrten Richtung wie beispielsweise einem Seitenbandhologramm. Der Blick wird von der Seite auf das Hologramm gerichtet, von der zuvor die Referenzwelle auftraf. Dabei wirken die einzelnen Schichten bzw. Ebenen in der Tiefe der entwickelten Schicht, die hier ähnlich wie ein Kristallgitter funktionieren, wie ein Interferenzfilter in Reflexion. Das bedeutet in weiterer Folge, dass, entsprechend der Bragg-Bedingung $n \lambda = 2d \, \sin(\theta)$, von der Hologrammplatte näherungsweise monochromatisches Licht zurückgeworfen wird. Betrachtet man nun das Hologramm unter weißem Licht, so wird genau die Wellenlänge zurückgeworfen, bzw. das Hologramm erscheint in der Farbe, deren Wellenlänge bei dem Abstand der einzelnen Lamellen konstruktiv interferiert.

Denisjuk-Holografie

Denisjuk-Holografie nach der Rekonstruktion

Bei der Denisjuk-Holografie (nach dem Erfinder Juri Nikolajewitsch Denisjuk) wird der Laserstrahl nicht vorher aufgeteilt, sondern trifft auf das Objekt (Referenzstrahl) und wird dann am Objekt reflektiert. Dadurch wird der Referenzstrahl zum Objektstrahl. Der reflektierte Strahl und der Referenzstrahl können somit interferieren. Die Interferenz ist eine stehende Welle, die im Inneren der Hologramm-Platte aufgenommen wird. Die Besonderheit dieser Holografieart ist, dass das Hologramm mit einer weißen Lichtquelle rekonstruiert werden kann.

Denisjuk-Holografie Aufbau/​Aufnahme

Regenbogenholografie

Kopieraufbau für die Regenbogenholografie

Bei der Regenbogenholografie von Stephen A. Benton wird im ersten Schritt eine Kopie eines bereits vorhanden Hologramms erstellt. Vor das Masterhologramm wird ein Spalt aufgestellt, der die Rekonstruktion durch eine weiße Lichtquelle ermöglicht. Der Laserstrahl geht also zuerst durch den Spalt und trifft dann auf das Masterhologramm. Das rekonstruierte Hologramm interferiert nun mit einem zweiten Referenzstrahl, welcher dann auf einer neuen Holoplatte aufgenommen wird. Rekonstruiert man nun das Hologramm mit einer Lichtquelle so kann man unterschiedliche Farben erkennen, allerdings nur in einer bestimmten Richtung zum Hologramm, schaut man zu weit links oder rechts auf das Hologramm, so ist kein Objekt mehr sichtbar

Rekonstruktion Regenbogenholografie

Anwendungen

Holografie wird zunehmend in der Messtechnik eingesetzt. Dabei wird die fotografische Platte häufig durch elektronische Sensoren ersetzt und die Signale durch Computer verarbeitet:

Röntgenholografie

Am Berliner Synchrotron BESSY ist es Wissenschaftlern erstmals gelungen, Hologramme von Nanostrukturen aufzunehmen. Dazu wurde intensive Röntgenstrahlung verwendet. So konnten die magnetischen Domänen in einem Cobalt-Platin-Film mit einer Auflösung von 50 Nanometern abgebildet werden. Die Methode der Holografie kommt ohne optische Linsen aus. Mit optischen Mikroskopen lassen sich dagegen nur Strukturen mit einer Größe von 200 Nanometern auflösen.

Konoskopische Holografie

Die konoskopische Holografie ist ein optisches Messprinzip für die berührungslose Messung von Form- und Gestaltabweichungen.

Time-Average-Holografie

Eine weiteres Anwendungsfeld der Holografie ist die Time-Average-Holografie (oder „Zeitmittelungsholografie“). Man kann damit Schwingungen sichtbar machen, z. B. eine Lautsprechermembran, indem man sich zunutze macht, dass ein schwingendes Objekt sich in seinen Umkehrpunkten länger aufhält als an den übrigen Punkten (vgl. Sinusschwingung). Das Verfahren wird zur Optimierung von Klangkörpern bei Musikinstrumenten, zur Geräuschminimierung bei der Motorenherstellung sowie zur Beseitigung von Vibrationen in Präzisionsfertigungsmaschinen verwendet.

Verformungsmessung

Beim holografischen Echtzeitverfahren nimmt man zuerst ein Hologramm des Objektes im Ausgangszustand auf. Dann wird das Objekt einer Belastung ausgesetzt, z. B. einer Erwärmung oder mechanischem Druck. Durch die Überlagerung des Originalhologramms mit dem Bild des veränderten Objektes entstehen Interferenzstreifen. Diese lassen sich auch quantitativ auswerten und geben somit Aufschluss über geringste Deformationen, in der Größenordnung der verwendeten Lichtwellenlänge (beim Laser meistens 633 nm oder 532 nm). So lassen sich zum Beispiel geringste thermische Ausdehnungen oder Vibrationen in mechanischen Systemen genauestens ausmessen. Anwendungen sind beispielsweise die Geräuschreduzierung bei PKW-Motoren.

Datenspeicherung

Holografische Speicher gibt es für analoge Bilddaten oder digitale Daten. Digitale Informationen werden als zweidimensionale Bitmuster aufgenommen.

Weblinks

• Holographie-Online.de - Wissenswertes und Anleitungen zum Selbermachen
• Mathematischer bzw. Informatikhintergrund