Der Versuch HOL soll einen Überblick über eine moderne Anwendung der Lasertechnologie vermitteln: die Holographie. Das Prinzip der Holographie besteht darin, daß ein dreidimensionales Objekt so in einer Ebene abgebildet wird, daß die Information der Tiefe erhalten bleibt. Physikalisch ausgedrückt heißt das, daß Amplitude und Phase jedes Objektpunktes in eine Schwärzung des Films umgesetzt werden. Im Versuch werden zwei verschiedene Formen der Aufnahmemöglichkeit für Hologramme, ihre spezifischen Probleme und Rekonstruktionsmethoden behandelt.
Eine luftgefederte Granitplatte, dein Laser (Laser mit Wellenlänge von ca. 600 nm), der bereits auf eine größere Abstrahlfläche aufgeweitet ist, diverse Linsen (150, 40 mm), Strahlteilerwürfel, ein Abbildungsschirm und eine Graukeil.
Zuerst wurde eine Michelson - Interferometer aufgebaut, um mit den Eigenschaften des interferierenden Lichts vertraut zu werden, insbesondere mit den Auswirkungen äußerer Störungen auf die Versuchsanordnung. Die Interferenz muß beim Belichten des Filmes stabil sein, da durch sie die Schwärzungen auf dem Film erzeugt wird. Ist sie es nicht, verschwimmt das Interferenzmuster, und das Hologramm wird geschwächt oder verschwindet.
Der Versuch wurde wie in der nebenstehenden Skizze aufgebaut. Zuerst justierten wir alle Spiegel und den Strahlteiler auf gleiche Höhe, so daß der ausfallende Strahl genau auf den einfallenden Strahl zurückgestrahlt wurde. Danach stellten wir die Spiegel so ein, daß auf dem Schirm die beiden Strahlen deckungsgleich waren. Es mußte hierbei beachtet werden, daß der optische Weg der beiden Strahlen sich nur im Bereich der Kohärenzlänge (einige Zentimeter) unterscheidet.
Es wurde mit viel Mühe eine Interferenz mit vielen waagrechten Streifen sichtbar. Wir konnten die Anzahl der Streifen nicht auf wenige verringern, wie in der Versuchanleitung gefordert. Dies führen wir auf einen defekten (Sprünge im Kristall) Strahlteilerwürfel zurück. Einige unserer Beobachtungen beziehen sich daher auf die funktionierenden Michelson - Interferometer der Nachbarn.
Diesen Aufbau haben wir daraufhin auf verschiedene Einflüsse getestet:
· Klopfen auf Tischplatte:
Es war eine leichte Bewegung der Interferenzstreifen zu erkennen. Durch das Klopfen auf die Granitplatte wurde sie leicht verformt. Da die Interferenz im Nanometer Bereich abläuft, genügt diese leichte Verformung um das Muster zu verändern. Wenn sich die Interferenzlinien um ungefähr eine Linie verschieben, so hat sich der Gangunterschied im Bereich von einer Wellenlänge geändert.
· Hand unter dem Strahlengang, Hauchen in den Strahlengang (Nachbarversuch):
Es wurde ein deutliches Flimmern der Interferenzstreifen sichtbar. Dies beruht auf der Erwärmung der Luft im Strahlengang, welches ihre Brechzahl ändert und damit auch ihre optische Weglänge. Die Veränderung der Streifen beim Hauchen ist auch auf die erhöhte Luftfeuchtigkeit zurückzuführen, da diese ebenfalls den Brechungsindex beeinflußt.
· Aufstampfen:
Dies beeinflußte das Interferenzbild nicht. Die Lagerung der schweren d.h. sehr trägen Granitplatte auf den luftgefüllten Gummireifen verhinderte eine Lageänderung der Platte durch äußere Erschütterungen.
Versuchsaufbau erfolgte wie in der nebenstehenden Skizze. Zu beachten war, daß die Differenz der Weglängen des geteilten Strahles wieder unter der Kohärenzlänge des Lasers blieb.
Zur optimalen Ausleuchtung mußte der Strahl von hinter dem Schirm kommen und das Objekt ganz ausleuchten (Aufweitung durch Linse), damit vom Objekt (Space - Shuttle) genügend Licht auf den Schirm projiziert wurde. Deshalb wurde das Objekt auch möglichst nahe an den Schirm gestellt, ohne jedoch den Referenzstrahl zu stören.
Die Strahlintensitäten des Objekt- und des Referenzstrahles mußten jetzt noch durch einen Belichtungsmesser auf vorgegebene Werte (Objekt >6/20, Referenz: >5/40) und vorgegebenes Verhältnis von 1/3 zwischen Objekt- und Referenzstrahl möglichst genau eingestellt werden. Um den Referenzstrahl abzuschwächen benutzen wir den Graukeil, der in den Brennpunkt der 150 mm-Linse gestellt wurde.
Zuerst wurde die Zeitschaltuhr auf 33 Sekunden (wegen 3 Sekunden Anlaufzeit) eingestellt. Dann wurde das Licht, bis auf eine gegen die Wand gerichtete Grünlichtlampe ausgeschaltet und der Raum verriegelt. Danach legten wir den Film zwischen die Glasplatten des Belichtungsschirmes ein und warteten 2 Minuten. Dies war notwendig, um dem durch die Hand erwärmten Film genügend Zeit zum Akklimatisieren zu lassen. Danach wurde der Laser durch die Zeitschaltuhr gestartet. Nach der Belichtung nahmen wir den Film aus der Glasplatte heraus und legten ihn für 3 Minuten ins Entwicklerbad, wobei er sich schwarz färbte. Und anschließend hielten wir ihn unter fließendes Leitungswasser, wobei wir beachteten, daß der Film überall umspült wurde. Danach wurde der Film für etwa 1,5 Minuten ins Bleichbad gegeben. Anschließend legten wir ihn ca. 1 Minute in ein Klärbad, wobei wir das Licht wieder anschalteten. Danach legten wir ihn noch in destilliertes Wasser und fönten den Film (kalt) bis er trocken war. Während der Film in den Bädern war, wurden die Behälter leicht geschwenkt, um eine bessere Umspülung des Films zu erreichen.
Wir behielten den Aufbau bei und deckten nur den Objektstrahl ab. Wir legten den entwickelten Film zwischen die Glasplatte und beleuchteten ihn mit dem Referenzstrahl.
Zuerst blickten wir von hinter der Glasscheibe. Das Objekt war einwandfrei. Weitere Beugungsordnungen waren nicht zu sehen.
Dann drehten wir den Film um, das Shuttle war wesentlich größer, seitenverkehrt und unschärfer zu sehen.
Mit normalen Weißlicht konnten wir aus allen Richtungen kein Hologramm erkennen. Dies war ja aber auch zu erwarten.
Diese Aufnahmemethode zeichnet sich durch eine sehr einfachen Versuchsaufbau aus, da der Strahl nicht mehr geteilt werden muß. Es ist zu beachten, daß das Objekt möglichst nahe am Schirm ist, da die Intensität des aufgeweiteten Lichts quadratisch mit dem Abstand abnimmt. Da es nicht möglich ist, eine Intensitätsmessung des Objektstrahles durchzuführen, muß für die Einstellung der Intensität und der Belichtungszeit auf Erfahrungswerte zurückgriffen werden. Dazu stellt man den Referenzstrahl so ein, daß er den ganzen Schirm ausfüllt. Nun kommt dieselbe Prozedur der Belichtung wie oben, nur diesmal mit 2 Sekunden Belichtungszeit. Danach führten wir wieder die Entwicklungsprozedur wie oben durch.
Im Lichte der Halogenlampe konnte man das Hologramm erkennen. Allerdings sieht man es nur, wenn man den Film von der Gegenstandsseite aus betrachtet. Es schillerte in Grün mit leichtem Blauton, war aber weniger scharf als das Transmissionshologramm.
Bei der Photographie wird nur die Amplitude (Helligkeit) und die Wellenlänge (Farbe) des einfallenden Lichtes festgehalten, allerdings geht die Information über die Phase verloren. Das Bildobjekt erscheint flach.
Bei einem Hologramm ist (auch) diese Information gespeichert, so daß von ihm genau dieselben Wellen wieder ausgehen, wie ursprünglich vom Objekt selbst. Hierdurch entsteht der räumliche Effekt.
Lichtstrahlen geben den Weg des Lichts vor und machen keine Aussage über ihren Charakter. Lichtwelle beinhaltet den Begriff Welle, welches eine Aussage über den Charakter des Lichtes macht.
Das Licht in der Materie breitet sich langsamer aus als das Licht im Vakuum (cMaterie = cVakuum/n, n=Brechungsindex). Die optische Dicke ist somit der Weg den das Licht im Vakuum in der selben Zeit zurücklegen würde wie in der Materie mit der Dicke dGeometrisch und dem Brechungsindex n. Daraus folgt:
Man müßte eine weitere Sammellinse in den Strahlengang hineinstellen, um die aufgefächerten Strahlen Parallel zu machen.
Beim Zerschneiden geht ein Teil der Information im Hologramm verloren, man sieht dennoch die gesamte Figur in ihrer gesamten Tiefe. Damit ist der Winkel unter dem die Figur sichtbar ist kleiner geworden.
Man sieht gar nichts. Nur Licht mit der selben Wellenlänge wird ein Hologramm erzeugen. Dies ist auf die einseitige Belichtung zurückzuführen.
I = EGEG* + EGER* + EREG* + ERER* = EG2 + ER2 + EE(ei(wt - kGr - wt + kRr)) + EE(ei(wt - kGr - wt - kRr)) =EG2 + ER2 + 2EGER(cos (kGr - kRr))
EDµI(x,y) EB(x,y,t) = EB ( EG2 + ER2 )ei(wt - kRr) + EB EG ER ei( wt - kRr - kGr + kRr) + EB EG ER ei(wt - kRr + kGr - kRr) = EB ( EG2 + ER2 ) ei(wt - kRr) + EB EG ER ei( wt - kGr) + EB EG ER ei(wt + (kG-2kR)r)
Der erste Term stellt die Rekonstruktionswelle dar, nur die Amplitude hat sich geändert. Er beschreibt nur die nullte Beugungsordnung der Beugungsfigur.
Der zweite Term beschreibt die Welle, welche das virtuelle Bild beschreibt. Nur die Amplitude der Welle, also ihre Intensität hat sich im Vergleich zur ursprünglichen Gegenstandswelle verändert.
Der dritte Term beschreibt das reelle Bild, denn das Vorzeichen des Phasenwinkels ist gegenüber der Gegenstandswelle vertauscht. Das reelle Bild befindet sich auf der objektabgewandten Seite des Filmes.