Junge Wissenschaft

Ausgabe Nr. 85 // 25. Jahrgang // 2010

Jugend forscht in Natur und Technik

Young Researcher

The European Journal of Science and Technology

Medienpartner des Wissenschaftsjahres 2010

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Außerdem im Heft: Kleben lernen von der Taupflanze // JufoBase// Inspiriert vom Prinzip Natur // Bionikkompetenz im Saarland und in Bremen // Studienführer Bionik und Biologie

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Themen: Edelsteine aus dem Reagenzglas – Synthese von Opalen // Schräg um die Kurve // Auomatic Guitar Tuner – ein Helfer in der Musik // Nützliche Hologramme // Ordnung und Chaos

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Experimente, e v w a ti

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Bionik: Technik nach dem Vorbild der Natur

Inhalt

Junge Wissenschaft 85 // 2010

4

64 Bionik – Impulse für die effiziente Automation der Zukunft

3

Inhalt

Neues

Prämierte Wettbewerbsarbeiten stehen in der JufoBase Die Volltext-Datenbank JufoBase von FIZ Karlsruhe dokumentiert erfolgreiche Arbeiten der Wettbewerbe „Jugend forscht” und „Schüler experimentieren”.

Wie das Unternehmen Festo von Fischen und Pinguinen lernt

Editorial

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4–5 6 –9

Magazin I

10 – 17

Jugend forscht

18 – 63

Licht streut Licht

6

Inspiriert vom Prinzip Natur

10

Edelsteine aus dem Reagenzglas Synthese von Opalen

18

Spinne oder Ameise?

7

Prämierte Wettbewerbsarbeiten stehen in der JufoBase

12

Afrikanischer Fisch soll Herzkranken helfen

7

Zukunft der Energie im Blick

14

Schräg um die Kurve Konstruktion und Bau einer Neige-Rodel

24

Kleben lernen von Taupflanze

8

Interview mit Frau Dr. Walther-Klaus

15

Korallenriffe als Evolutionszentren

8

Wie aus Jungforschern junge Wissenschaftler werden

Automatic Guitar Tuner – ein Helfer in der Musik Entwicklung eines automatischen Gitarrenstimmgeräts

33

17

Nützliche Hologramme Einfache Erstellung HolografischOptischer-Elemente und Nachweis ihrer Vielseitigkeit

43

Ordnung und Chaos Generierung von selbstähnlichen Strukturen mit Hilfe von iterierten Funktionensystemen

56

Der Klettverschluss für die besondere Anwendung

9

Magazin II

64 – 74

Bionik - Impulse für die effiziente Automation der Zukunft

64

Studium & Beruf: Bionik, Biologie und Co.

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Bionikkompetenz aus dem Saarland - das bionic engineering network (BEN) stellt sich vor.

71

Der internationale Studiengang Bionik

72

Buchrezensionen

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Edelsteine aus dem Reagenzglas – Synthese von Opalen

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Opal ist ein natürliches Mineral und wegen seines Farbenspiels ein beliebter Schmuckstein. Mit einem neuen Verfahren ist die Herstellung im Labor gelungen.

Wer Schlittenfahren sportlich betreibt rodelt. Damit dies auf Naturbahnen ohne Kurvenüberhöhung auch schön schnell ist, wurde eine Neigerodel entwickelt und erprobt.

24

Herausgeber: Prof. Dr. Manfred Euler Dr. Dr. Jens Simon Dr.-Ing. Sabine Walter Quelle: PUNCTUM/Kober

Ohne eine gute Stimmung geht das Gitarre Spielen nicht. Damit dies in Zukunft schnell und reproduzierbar funktioniert, wurde ein flexibles Gitarrenstimmgerät mit vielfältigen Zusatzfunktionen entwickelt.

33

Autoren: Rasmus Rothe, Jan Hillebrand

Nützliche Hologramme Holografien sind nicht nur ein beeindruckendes Medium der Kunst, sondern eröffnen als optische Elemente wie als Linse, Spiegel oder Gitter einzigartige physikalische Möglichkeiten.

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Selbstähnliche Strukturen werden am besten mit dem Computer berechnet und visualisiert. Um die Strukturen dann gezielt am Bildschirm zu verändern, wurde eine leistungsfähige Software entwickelt. Autoren: Felix Herbst, Ulrich Zorn

Beirat: Dr. J. Georg Bednorz Nobelpreisträger IBM Research Division Forschungslaboratorium Zürich Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c. Manfred Eigen Nobelpreisträger, Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie, Göttingen Prof. Dr. Gerhard Ertl Nobelpreisträger Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Berlin Prof. Dr. Ernst O. Göbel Präsident der PhysikalischTechnischen Bundesanstalt, Braunschweig und Berlin Dr. Uwe Groth Dr. Groth und Partner Unternehmensberatung VDI Projektleitung „Jugend entdeckt Technik“

Autor: Tobias Wenzel

Ordnung und Chaos

Junge Wissenschaft veröffentlicht Originalbeiträge junger Autoren bis zum Alter von 23 Jahren mit anspruchsvollen Themen aus allen Bereichen der Naturwissenschaften und Technik. Gründungsherausgeber: Prof. Dr. rer. nat. Paul Dobrinski †

Autor: Tobias Niederwieser

Automatic Guitar Tuner – ein Helfer in der Musik

5 Junge WissenschaftJugend forscht in Natur und Technik

Autoren: Felix Brunner, Raphaela Baumann, Johanna Kaltenbach

Schräg um die Kurve

Inhalt

56

Prof. Dr. Elke Hartmann Universität Halle VDI Bereichsvorstand „Technik und Bildung“ Dr. Jörg F. Maas Geschäftsführer der Stiftung „Jugend forscht“ e. V., Hamburg Prof. Dr. Bernd Ralle Schriftführer der Zeitschrift MNU, Fachbereich Chemie, Universität Dortmund Wolfgang Scheunemann Geschäftsführer der dokeo GmbH, Stuttgart

Jugend forscht

Tobias Wenzel* 1988 Berlin Schule: Kant-Gymnasium Spandau, Berlin Eingang der Arbeit: Oktober 2008 Zur Veröffentlichung angenommen: Januar 2009

Nützliche Hologramme Einfache Erstellung Holografisch-Optischer-Elemente und Nachweis ihrer Vielseitigkeit Optische Lichtlenkung kann man fast vollständig mit holografischen Methoden bewältigen. Diese neuen holografischen optischen Elemente (HOE) sind flach, leicht, preiswert und eröffnen völlig neue Einsatzbereiche. In der Arbeit werden verbesserte, einfachere Herstellungsmethoden erläutert, deren Ergebnisse präsentiert und ein neues holografisches Bauteil vorgestellt.

1 Einführung

Die Holografie (Griechisch: ganz aufzeichnen) ist die erste dreidimensionale Abbildungsmethode, die Lichtwellen genau so rekonstruiert, wie sie von einem Gegenstand reflektiert werden. Holografie ist jedoch nicht nur ein beeindruckendes Medium der Kunst, sondern eröffnet einzigartige physikalische Möglichkeiten. Nachdem die Herstellung einfacher darstellender Hologramme keine unüberwindbare Hürde mehr darstellt, gewinnen Holografisch-Optische-Elemente (HOE) als Bestandteile optischer Produkte der Zukunft an Bedeutung. Darstellende Hologramme stellen Gegenstände wie durch ein Fenster betrachtet dar. Bei guten Hologrammen meint man den Originalgegenstand zu sehen. Oft scheint dieser sogar vor dem Film in der Luft oder an anderen unrealistischen

Orten zu schweben. HOE nutzen die Eigenschaften von Hologrammen und sind Gegenstand aktueller Forschung. In dieser Arbeit werden wichtige Hologrammtypen vorgestellt und die Wirkung und Herstellung von Hologrammen und verschiedenen HOE beschrieben. Die Arbeit zeigt, wie auch komplexe Hologramme, zu denen die HOE gehören, unter einfacheren (Labor-) Bedingungen erfolgreich hergestellt werden können. Aus hochauflösenden Filmen werden dabei mit Hilfe von Licht und Chemie darstellende Hologramme und optische Elemente erzeugt, die das Licht bündeln, teilen, spiegeln, etc.. Einige schwer umzusetzende Verfahren wurden dabei vereinfacht und gleichzeitig die Ergebnisse verbessert. Mit dieser Arbeit wird gezeigt, dass HOE auch für einfache Hobbylabore ein lohnenswertes Thema sind.

Um die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten der holografischen Elemente und die gute Qualität der selbst hergestellten HOE nachzuweisen, wird nur mittels eigener Hologramme, einiger Metallspiegel und einem Laser ein neues Hologramm erzeugt. In dem Versuchsaufbau mit selbst hergestellten holografischen Elementen werden eine Muschel, eine Glaslinse und ein Doppelprisma durch spezielle Hologramme ersetzt. Im neuen Hologramm schwebt der dargestellte Gegenstand, die Muschel, in und nicht nur hinter der Filmebene. Dafür muss die holografische Muschel während der Aufnahme den festen Aufnahmefilm durchdringen. Dies ist nur mit Hologrammen möglich. 2 Die Grundprinzipien

Holografie beruht vor allem auf dem Huygens’schen Prinzip. Dieses Prinzip besagt, dass von jedem Punkt einer

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Wellenfront Elementarwellen ausgehen. Die „Einhüllende“(-Linie) dieser Elementarwellen bildet die neue Wellenfront. Hiermit kann unter anderem das Phänomen der Beugung/ Diffraktion, also der Ausbreitung von Wellen in Schattenräume hinein, erklärt werden. Bei der Hologrammaufnahme nutzt man Interferenz: Befinden sich zwei Wellen am gleichen Ort, so überlagern sie sich dort, indem sich ihre Phasenvektoren addieren. Im Extremfall löschen sich zwei Wellen an einem Ort aus (Wellenberg trifft auf Wellental – destruktive Interferenz) oder verstärken sich (maximal, wenn Wellenberge oder Wellentäler aufeinander treffen – konstruktive Interferenz). Damit Interferenz entsteht, benötigt man kohärente Strahlung. Der Laser bietet diese Strahlung. Aus ihm tritt ein monochromatisches, also einfarbiges Licht mit nur einer bestimmten Wellenlänge aus, welches intensiv ist und in dem die Lichtwellen im Strahlquerschnitt in der gleichen Schwingungsphase, also kohärent bzw. phasengleich sind. Teilt man einen Laserstrahl und führt ihn an anderer Stelle wieder zusammen, so sind die beiden aufeinander treffenden Teilstrahlen nicht mehr phasengleich, sondern stehen je nach Wegunterschied in einer bestimmten Phasenbeziehung zueinander. Es entsteht ein Interferenzmuster aus hellen und dunklen Stellen, an denen sich die beiden Strahlen verstärken oder auslöschen. Bei der Holografie trifft ein Teilstrahl erst auf das Objekt und anschließend auf den Film. Dieser Strahl wird Objektstrahl genannt. Der andere Teilstrahl trifft direkt auf den Film. Dieser Strahl ist der Referenzstrahl. Man kann die Interferenz dieser beider Teilstrahlen auf einem hochauflösenden Film aufnehmen und erhält so ein Hologramm. Im Hologramm sind die Phasendifferenzen der Lichtwellen dieser beiden Strahlen gespeichert. Bei der Wiederbeleuchtung mit dem Referenzstrahl ist ein Abbild des Objekts zu sehen. Die Wellen des Referenzstrahls treffen auf das Hologramm und werden von diesem gebeugt. Sie interferieren hinter dem Hologramm miteinander. Ihre Amplituden verändern sich und die so entstehenden hellen und dunklen Stellen sind die Bildpunkte des Objektes.

Abb. 1: Fresnel’sche Zonenplatte

Abb. 2.: Beugung an einer Zonenplatte: Konvexe Wirkung

Als Hologramm kann man das Abbild des Objektes oder den Film selbst bezeichnen. 2.1 Das Aufnahmeprinzip

Wie schon beschrieben, muss man zwei Strahlen zur Interferenz bringen, um ein Hologramm aufnehmen zu können. Der eine Strahl besteht in der Regel aus dem vom Objekt reflektierten Licht (Objektstrahl). Der zweite Strahl (Referenzstrahl) kommt prinzipiell unverändert, d.h. lediglich aufgeweitet und mit einem Raumfilter (einer mikroskopischen Lochblende im Linsenbrennpunkt) gereinigt und ggf. kollimiert (Fachbegriff

für parallelisiert) auf den Film. Dies bringt die genausten Ergebnisse bei der Rekonstruktion. Je nach Lage der Objektpunkte sind die reflektierten Wellen phasenverschoben zum Referenzstrahl und löschen sich mit diesem punktuell aus oder verstärken sich. Als Beispiel für ein Interferenzbild wird das Hologramm eines Punktes betrachtet. Eine von einem Punkt reflektierte Welle ist eine Kugeloder Elementarwelle. Interferiert sie mit den ebenen Wellenfronten des Referenzstrahls, so erhält man ein System aus konzentrischen Kreisen, bei dem die Abstände der Ringe mit dem Radius abnehmen. Man nennt ein derartiges

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Abb. 3.: Beugung an einer Zonenplatte: Konkave Wirkung

Hologramm Fresnel’sche Zonenplatte (Abb. 1). Bei einem komplexen Objekt führt die Interferenz bei der Hologrammaufnahme zu einem Muster aus überlagerten Zonenplatten. Das entstehende Interferenzmuster kann von speziellen Filmen aufgefangen werden.

zentrische Flächen, das gebeugte Licht läuft also wie bei einer Sammellinse zum Brennpunkt hin (Abb. 2). Zum andern beschreiben sie Wellenfronten, die sich kugelförmig vom Film her ausbreiten (Abb. 3). Letzteres erinnert an eine Zerstreuungslinse.

2.2 Hologrammrekonstruktion

Das Hologramm eines Punktes ist also gleichzeitig eine Konvex- und Konkavlinse. Der Brennpunkt rekonstruiert jeweils den ursprünglichen Punkt. Die Rekonstruktion an unendlich vielen überlagerten Fresnel’schen Zonenplatten ergibt ein Abbild des ursprünglichen Objektes.

Transmissionshologramme (vgl. 3.1) eignen sich besonders, um das Prinzip der Rekonstruktion bei Hologrammen zu erklären, weil die dünnen Hologramme ein Verständnis anhand einfacher optischer Prinzipien (vgl. 2) ermöglichen. An dieser Stelle soll daher die Wiederabbildung eines Punktes erläutert werden. Hat man dies verstanden, so hat man die Rekonstruktion aller Objektbilder verstanden, denn abstrakt betrachtet bestehen alle Körper und Muster aus vielen einzelnen Punkten. Bei der Rekonstruktion des Hologrammbildes wird das einfallende parallele Licht des Referenzstrahls an den feinen Ringen der Zonenplatte gebeugt. Die Einhüllenden der entstehenden Elementarwellen bilden zum einen zu einem Punkt (dem Brennpunkt der Zonenplatte) kon-

Ausgehend von der Betrachtungsweise bei der Rekonstruktion wird dieser Hologrammtyp (Transmissionshologramm) benannt: Um das Objekt/ den Punkt zu rekonstruieren bzw. zu sehen, muss der Laserstrahl durch das Hologramm durchgeschickt (lat. transmittere) und dann von der dem Laser entgegen gesetzten Seite betrachtet werden. Das Auge nimmt dann die beiden Punkte war: Den virtuellen Punkt, vom Betrachter aus hinter dem Film, und den reellen Punkt, der vor dem Film liegt. Dieser reelle Punkt

ist auf einer Mattscheibe abbildbar, da er der Brennpunkt der holografischen Konvexlinse ist. Da gleichzeitig das virtuelle und das reelle Abbild sichtbar sind, erhält man eine doppelte Abbildung. Kommt der Referenzstrahl bei der Aufnahme schräg auf den Film, dann stört die doppelte Abbildung nicht, da die beiden Punkte nicht gleichzeitig zu sehen sind. Das jeweils andere Bild erscheint nun, wenn man das Hologramm umdreht. Das virtuelle Bild ist naturgetreu und nennt sich orthoskopisch. Das reelle Bild eines Nicht-Stufen-Hologramms (vgl. 3.3) wird auch pseudoskopisches Bild genannt, weil es zwar räumlich vor dem Film erscheint, jedoch einer Hohlform des Objektes gleicht. „Die merkwürdigste Eigenschaft des pseudoskopischen Bildes ist es aber, dass bei ihm eine entsprechende Änderung der Blickrichtung zu einer Verdeckung des Vordergrunds durch den Hintergrund führt. Da das menschliche Gehirn mit einer derart paradoxen Information nichts anfangen kann, erscheinen die meisten dieser Bilder dem Beobachter seltsam flach zu sein.“ [4]

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3 Hologrammtypen

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3.1 Transmissionshologramme

Transmissionshologramme sind Hologramme, bei deren Aufnahme Objektund Referenzstrahl von derselben Seite auf den Film treffen. Es entstehen Hologramme, welche nur mit Laserlicht wiedergegeben werden können. Somit werden Farbverzerrungen vermieden, die zur Unkenntlichkeit führen. Wegen der intensiven Lichtquelle des Lasers und wegen der flachen Struktur der Hologramme sind Transmissionshologramme besonders tiefenscharf. 3.2 Denisyuk-Weißlichthologramme

Die nach ihrem Erfinder benannten Hologramme können mit weißem, also vielfarbigem Licht rekonstruiert werden. Denisyuk-Weißlichthologramme (DW-Hologramme) sind Reflexionshologramme. Man betrachtet also bei der Rekonstruktion die Reflexion eines Teils der Lichtquelle, die folglich auf der gleichen Seite des Films sein muss. Bei der Aufnahme muss dafür der Objektstrahl von entgegen gesetzter Seite auf den Film fallen. Die Filme müssen im Verhältnis zur Lichtwellenlänge dick sein, damit ein reflexionsstarkes Gitter entstehen kann. Die für diese Arbeit verwendeten Filme sind mit ca. 7μm für die meisten Anwendungen dick genug. Die Rekonstruktion funktioniert analog zu der der Transmissionshologramme, beruht aber auf Beugung bei Reflexion und nicht bei Transmission. Eine Welle wird reflektiert, wenn das Kristallgitter oder hier das Holografiegitter die Bragg-Bedingung nλ = 2d · sin(γ) mit: n = eine beliebige natürliche Zahl; λ = Wellenlänge des reflektierten Lichts; d = Abstand der Gitterebenen; γ = Winkel zwischen Gitteroberfläche und ein/ ausfallendem Strahl) erfüllt. Die Reflexion ist folglich an eine bestimmte Wellenlänge und einen bestimmten Winkel des einfallenden Lichts geknüpft. Daher sind Reflexionshologramme (mit zunehmender Dicke verstärkt) farb- und winkelselektiv und können unter weißem Licht betrachtet werden. Das rekonstruierte Bild entsteht aus der Reflexion derjenigen Wellen, die die richtige Frequenz haben und im richtigen Winkel auftreffen. Ausschlaggebend für die unterschiedliche Reflexion der selektierten

Wellen an unterschiedlichen Stellen des Hologramms sind die Abstände der Gitterebenen in dem entwickelten Film und deren Ausrichtung. 3.3 Masterhologramme

Über mehrstufige Verfahren kann man darstellende Hologramme aufnehmen, die besondere Effekte erzielen. Man nennt sie Stufenhologramme. Der erste Schritt für die Aufnahme von Stufenhologrammen ist immer die Erzeugung eines Masterhologrammes oder kurz Masters. Dazu nimmt man ein Transmissionshologramm auf. Beleuchtet man es mit einem Laser, wird die Objektwelle rekonstruiert. Dreht man es um, so erhält man ein reelles pseudoskopisches Bild. Beide Bilder können von einem neuen Film aufgefangen werden. Meist wird aber das reelle, pseudoskopische Bild weiterverwendet, welches man auch auf einem Mattschirm sehen kann. Bei der Aufnahme muss die spätere Verwendung bereits bei der Anordnung des Objekts und der Position des Films berücksichtigt werden, damit keine Doppelbelichtungen an einigen Filmteilen entstehen. Auch Reflexionshologramme können als Master verwendet werden. 3.4 Bildebenenhologramme

Das wichtigste Stufenhologramm ist das Bildebenenhologramm (BE-Hologramm). Bei ihm liegt das Objekt bei der Rekonstruktion teilweise vor, in und hinter der Bildebene. Die Lage des Objektes ist besonders unnatürlich und dadurch bemerkenswert. Um ein BE-Hologramm aufzunehmen, rekonstruiert man das pseudoskopische, also reelle Bild eines Masters und stellt den Film, auf dem man das BE-Hologramm aufnehmen möchte, direkt in das Bild. Entfernt man den Film bei der Aufnahme weiter vom Master, erfolgt die Rekonstruktion vor/über dem Film; rückt man ihn näher ran, bleibt das Bild hinter dem Film. Bildebenenhologramme sind meist Weißlicht-Reflexionshologramme. Das bedeutet, bei der Aufnahme treffen Referenzstrahl und Objektstrahl von verschiedenen Seiten auf den Film und das fertige Hologramm kann wie ein DWHologramm (vgl. 3.2) betrachtet werden.

4 Holografisch-Optische-Elemente (HOE)

HOE sind „optische Funktionen realisierende Hologramme“ [13]. Das einfallende Licht wird von Hologrammen in solch komplexer Weise beeinflusst, wie man es sonst von keinem Medium kennt. Diese Eigenschaften können für die Technik, Arbeitswelt und Architektur in optischen Bauteilen genutzt werden. Da HOE nicht optisch brechen sondern beugen, gehören sie zu den DiffraktivenOptischen-Elementen (DOE). 4.1 Vorteile der HOE

HOE sind eine wichtige Errungenschaft der Physik, weil man mit ihnen prinzipiell alle Wellenerscheinungen beeinflussen kann. Auf Röntgenstrahlung haben Glaslinsen beispielsweise keine nennenswerte Wirkung, weil für diese hochenergetische Strahlung alle durchdringbaren Materialien eine Brechzahl nahe Eins haben. HOE hingegen wurden bereits erfolgreich für Röntgenstrahlung eingesetzt. Verfügt das Aufnahmemedium über genügend Auflösung, kann man mehrere Hologramme auf einem Film aufnehmen, die unter verschiedenen Rekonstruktionswinkeln wirken. So kann man ein Bauteil konstruieren, welches mehrere Funktionen gleichzeitig erfüllt. Dies ist für einige enge Strahlführungen die einzige Lösung und entspricht den wachsenden Anforderungen an kompakte Systeme in der Technik. HOE sind sehr kostengünstig in der Produktion, robust und nicht störungsanfällig. Sie zeichnen sich auch dadurch aus, dass sie sehr flach sind und somit kaum Platz einnehmen. Komplexere HOE lassen sich meist mit dem gleichen Aufwand herstellen wie einfache. HOE sind sehr stark abhängig von den optischen Bedingungen, so dass es sich für einfache Anwendungen nach wie vor lohnt, herkömmliche Glaslinsen mit einer standardisierten Brennweite zu verwenden. Werden jedoch komplexe und spezifische Elemente für eine bestimmte Anwendung benötigt, so ist die Herstellung von HOE lohnenswert. Einige Effekte wie Mehrfachstrahlteilung oder an Winkel gekoppelte Funktionsselektion können nur mit HOE erzielt werden.

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Mit HOE können auf Grund der starken Farbaufspaltung entgegen gesetzter Richtung Farbfehler herkömmlicher Elemente behoben werden. Sie weisen keine digitalen Linien auf. In einer holografischen Zonenplatte findet man daher keine diskreten schwarze Kreise auf weißem Grund, sondern einen kontinuierlichen, sinusförmigen Übergang mit allen Grautönen, welcher dem Licht wesentlich mehr Angriffsfläche zum Beugen gibt und in dem jede Welle genau so durchgelassen wird, wie es für die Beugung optimal ist. Die resultierende hohe Beugungseffizienz bewirkt, dass die 1. Beugungsordnung meist wesentlich heller als die 0. Ordnung ist, die das ungebeugte Licht darstellt, das ohne Ablenkung durch das Hologramm hindurch geht. In Volumenhologrammen lässt sich dieser Effekt sogar noch um ein Vielfaches steigern.

gung durch Lichtumlenkung oder optimale Sonnenwärmeausnutzung zu bieten und viel Energie zu sparen [8]. In der Industrie kommen Hologramme in der Interferometrie und zur Aufhebung von Verzerrungen oder Störungen zum Einsatz. HOE werden als Schablonen zur genauen Herstellung von Nanostrukturen und Schaltungen verwendet.

4.2 Anwendungsgebiete und Perspektiven

4.4 Gitter

Es gibt bereits viele Bereiche, in denen HOE erfolgreich eingesetzt werden, um Leistungen zu steigern, Materialkosten zu senken, neue Einsatzgebiete zu erschließen oder Produktionen zu verbessern. In nahezu allen diesen Bereichen befinden sich noch Elemente in der Entwicklung. HOE werden deshalb in Zukunft eine immer wichtigere Rolle in der Industrie spielen. HOE sind auch ein wichtiger Bestandteil der aufkommenden optischen Datenverarbeitung, der Röntgenoptik und der Luftaufklärung mit Radarwellen. HOE in Produkten für den Verbraucher wie z. B. für flache, leichte und kostengünstige Ferngläser sind leider bis jetzt kaum auf dem Markt, teilweise aber in Entwicklung. HOE sind jedoch bereits tausendfach in Verbindung mit Kassenscannern (Linsen zur Erkennung gebogener Barcodes) und CD-Playern (Strahlteiler) in Verwendung [10]. In der Datenspeicherung können holografische Mikrospiegel auch in der Tiefe der Materialien erzeugt werden (z. B. Microholas vom Optech Team der TU Berlin). Die DVD-ähnliche HVD wird 1 Terrabyte Speicherplatz aufweisen und 20-mal schneller auslesbar sein. HOE im Glasverbund werden in der Architektur eingesetzt, um Sonnenschutz ohne Verdunklung, bessere Lichtversor-

4.3 Fresnel’sche Zonenplatte (Linse)

Die Fresnel’sche Zonenplatte ist das wichtigste Holografisch-OptischeElement. Ihre Wirkung ist optisch auf keinem anderen Weg zu erzielen. Holografische Linsen haben auch Abbildungsfehler. Der Farbabbildungsfehler (chromatische Aberration) tritt z. B. im Verhältnis zu herkömmlichen optischen Elementen relativ stark auf, die Farbabfolge ist jedoch umgekehrt. Durch eine Kombination beider werden Farbfehler kompensiert. Ein optisches Gitter entsteht, wenn zwei kollimierte Strahlen im Winkel β miteinander interferieren. Je größer der eingeschlossene Winkel β ist, desto kleiner wird der Abstand der Gitterlinien und desto größer wird die Gitterkonstante/ der Gitterparameter g. Bereits bei β ≥1° können die Streifen nicht mehr mit dem bloßen Auge wahrgenommen werden. Gitter mit einer sehr großen Gitterkonstante können auf holografischem Wege einfach hergestellt werden. 4.5 Strahlteiler

Konstruiert man einen holografischen Strahlteiler analog zu herkömmlichen, so wird ein Teil des Strahls reflektiert, der andere Teil durchgelassen. Da mit den hier verwendeten, relativ dünnen Emulsionen keine Reflexionswirkungen bis annähernd 50% erreicht werden können, kann ersatzweise ein Gitter aufgenommen werden, welches eine so große Gitterkonstante hat, dass es im Rekonstruktionswinkel den Strahl genau in zwei Teile teilt, wobei der gebeugte Strahl sogar etwas über 50% der Intensität erreicht. „Echte“ Strahlteiler kann man, ähnlich einem Spiegel, als Reflexionshologramm aufnehmen (vgl. 3.2). Referenz- und Objektstrahl müssen dann von verschiedenen Seiten auf den Film treffen.

Dies lohnt sich jedoch nur mit dickeren Emulsionen oder anderen Medien, welche viel teurer und oft nicht einfach im Handel erhältlich sind. 4.6 Spiegel

Holografische Spiegel sind Reflexionshologramme (vgl. 3.2), bei denen ein Referenzstrahl in einem bestimmten Winkel auf das Hologramm treffen muss, um eine Spiegelwirkung hervorzurufen. Der gespiegelte Strahl (Rekonstruktion des Objektstrahls), kann in eine beliebige, vom Referenzstrahl unabhängige Richtung gehen. Holografische Spiegel sind scheinbar nicht an die Reflexionsgesetze gebunden, da die Spiegelung von den Gitterebenen im Film abhängt und nicht von der Oberfläche des Films. Solche Spiegel reflektieren nur bestimmte Wellenlängen, abhängig von den Aufnahmewellenlängen und dem Entwickler, und bestimmte Winkel. Der Rest wird einfach durchgelassen. Sind die Strahlen bei der Spiegelaufnahme nicht ganz kollimiert, erhält man einen Hohlspiegel. 5 Die Fotochemie

Für die Holografie werden Spezialfilme hergestellt, da an die Auflösungsfähigkeit ca. 100-mal größere Anforderungen bestehen als an die fotografischer Filme. Hohe Auflösungen verlängern aber die nötigen Belichtungszeiten. Holografieaufbauten müssen daher schwingungsfrei gelagert sein. Für diese Arbeit wurde mit statischen, Silberhalogenid haltigen Filmen gearbeitet. Diese Filme müssen mit chemischem Entwickler nachbehandelt werden. Für diese Filme sprachen im Vergleich zu anderen Medien verschiedene Gründe: Zum einen sind sie vergleichsweise preiswert und in verschiedenen Größen erhältlich (Liste aller Vertriebsstellen des Holographiefilmherstellers Slavich (Deutschland: Topag): http://www. slavich.com/local_main.htm), zum anderen kann man sehr verschiedenartige Hologramme herstellen, wenn man die chemische Nachbehandlung variiert. Außerdem haben diese Filme eine hohe Lichtempfindlichkeit, Beugungseffizienz als Phasenhologramm und eine gute maximale Kontrastfunktion. Die chemische Prozession beinhaltet: Entwickeln, Bleichen/Fixieren, in Netzmittel tauchen und mehrmaliges Wässern.

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Abb. 4.: Selbst hergestelltes Hologramm (links) einer Modellfigur (rechts)

5.1 Amplituden- und Phasenhologramme

Durch das chemische Entwickeln der belichteten Filme wird das aufgenommene Interferenzmuster als schwarzes Silbergitter sichtbar. Solche Schwarzweißhologramme bezeichnet man als Amplituden-Hologramme. Sie absorbieren an den geschwärzten Stellen das Licht und haben eine vergleichsweise geringe Beugungseffizienz, weshalb sie nur ein schwaches Bild rekonstruieren. Gebleichte Hologramme heißen Phasenhologramme, weil sie die Phasen der Lichtwellen beeinflussen. Sie haben diese Eigenschaft, da Licht in den meisten Materialien, so auch im Holografiefilm seine Geschwindigkeit verändert. Nur im Vakuum und annähernd in Luft gilt die Lichtgeschwindigkeit. Der Film ist nun durch die chemische Behandlung an den ursprünglich unbelichteten Stellen dicker als an den belichteten Stellen. Das Licht benötigt dort mehr Zeit, um den Film zu durchdringen und ist auf der anderen Seite des Films im Vergleich zu Lichtwellen, die dünnere Stellen passiert haben, phasenverschoben. Gleichzeitig ist die optische Dichte der dickeren Stellen auf Grund von unentwickelten

Kristallen höher, was diesen Effekt verstärkt. Die verschobenen und gebeugten Wellen interferieren miteinander und bilden den gleichen, jedoch wesentlich lichtstärkeren Effekt wie ein Amplitudenhologramm. 5.2 Spezieller Entwickler und Farbverschiebung

Bei den meisten Entwicklern gleicht die Rekonstruktionswellenlänge leider nicht der Aufnahmewellenlänge. Vor allem für dicke Masterhologramme ist dies jedoch essentiell. Es wurde daher alternativ mit einem Entwicklerrezept gearbeitet, welches die Emulsion beim Entwicklungsprozess nicht schrumpfen lässt und dadurch keine Farbveränderung hervorruft [1]. Man kann die Farbe des Hologramms auch nachträglich durch „colourshifting“ beeinflussen. Hier wurde eine Methode ausprobiert, die ich für die einfachste und flexibelste halte. Mit dem Zuckerersatz D-Sorbitol, auch Sorbit genannt, kann man die Rekonstruktionsfarbe reversibel und stufenlos in Richtung Rot verschieben. Saugt sich der Film in der Sorbitlösung voll, so setzen sich Sorbitmoleküle in die Gelatine.

Die eingelagerten Moleküle führen nach dem Trockenen zu einer dickeren Gelatineschicht und somit zu größeren Gitterabständen. Das Verfahren ist reversibel, weil man Sorbit mit Wasser wieder aus dem Film spülen kann. Die Farbverschiebung hängt linear von der Sorbitolkonzentration ab. 6 Eigene Versuche

Bevor ich eigene Versuche im Labor erfolgreich durchführen konnte, musste ich lernen mit dem professionellen Equipment umzugehen. Dies war mir nur möglich, weil mir die Technische Universität Berlin großzügig ein Labor zu Verfügung stellte, in dem ich über viele Wochen in Ruhe probieren konnte. Als ich schließlich Komponenten gezielt auswählen, zusammenbauen und justieren konnte, musste ich die existierenden theoretischen Aufnahmeverfahren verbessern, um mit meinen Mitteln deren Umsetzung zu ermöglichen und darüber hinaus die Qualität der Ergebnisse zu steigern. Im Rahmen dieser Arbeit wurden sehr verschiedenartige Hologramme aufgenommen. Ich baute unter anderem viele Anordnungen zur Aufnahme darstel-

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lender Denisyuk-Weißlichthologramme (z. B. Abb. 4) auf. Weil der inhaltliche Schwerpunkt auf der Herstellung und Verwendung technischer Hologramme liegt, wird an dieser Stelle nur kurz darauf eingegangen: Das Hauptkriterium für ein gutes darstellendes Bild ist ein stabiler Aufbau. Dafür müssen alle Bauteile stabil fixiert und schwingungsfrei gelagert werden. Verwackelungen vermeidet man vor allem mit kurzen Belichtungszeiten. Vorteilhaft sind dafür die Verwendung eines starken Lasers und einer kleinen zu belichtenden Fläche. Eine kurze Entfernung vom Objekt zum Film und ein geeignetes, weißes, nicht zu tiefes Objekt tragen wesentlich zur höheren Bildschärfe bei. Bei Masterhologrammen kann dieser Abstand nicht gering gehalten werden; man sollte ihn von dem Bildebenenholo-

grammaufbau abhängig machen, damit keine Überschneidungen der Strahlen auftreten. Aus Kostengründen konnten hier nur Fotopapiere und keine Platten verwendet werden. Die Fotopapiere müssen zwischen Glasplatten eingeklemmt werden. An diesen treten jedoch Vielfachreflexionen auf. Stellt man die Glasplatten im Brewsterwinkel (57°) in den polarisierten Lichtstrahl, so kommen diese Störungen nicht zustande. Bei komplizierten Aufbauten für HOE, die oft wenig Spielraum lassen, kann nicht mit dem Brewsterwinkel gearbeitet werden. Um dort Vielfachreflexionen zu vermeiden, wurden die kleinen Filmstücke in Diarähmchen geklemmt. Die Glasplatten wurden somit überflüssig, die Filme waren jedoch bei der Aufnahme nicht gänzlich glatt. Um ungewollte Reflexionen an der Metalloberfläche des Tisches auszuschließen, die auf den Film gelangen könnten,

wurden alle Aufbauten vor der Aufnahme schwarz abgeschirmt. Im Folgenden werden meine Herstellungsverfahren für kompliziertere Hologramme, die ich an der „Technischen Universität Berlin“ (TUB) aufnehmen konnte, sowie deren Ergebnisse dargestellt. 6.1 Masterhologramme ebenenhologramme

und

Bild-

Mit den vorhandenen Bauelementen konnte ich gute, tiefenscharfe Masterhologramme (Transmissionshologramme) aufnehmen. Mit diesen wurden Bildebenenhologramme erzeugt und im Versuchsaufbau mit eigenen HOE (vgl. 6.6) das Objekt ersetzt. Als Objekt diente eine kleine, weiß besprayte Muschel vor einem Aluminiumblock. Mit einem Masterhologramm als Objektersatz konnte ich Reflexionshologramme aufnehmen, bei denen das Objekt in die Bildebene verschoben wurde. Das Objekt wurde bei meinen selbst hergestellten Bildebenenhologrammen deutlich vor, in und hinter der Bildebene rekonstruiert. 6.2 Erzeugung holgrafischer Linsen

Mit dem „Linsen-Aufbau“ habe ich ein HOE hergestellt, welches eine holografische Linse ist. Eine holografische Linse bzw. eine Fresnel’sche Zonenplatte entsteht, wenn eine Kugelwelle mit einem kollimierten Strahl (oder zwei Kugelwellen miteinander) interferiert. Die Zonenplatte wird als Transmissionshologramm aufgenommen. Um eine Kugelwelle zu erzeugen, wird ein punktförmiges Objekt benötigt, an dem das Licht reflektiert/gebeugt wird. Ein fixierbares Kugelobjekt ist immer relativ Abb. 5: Strahlführung zur Aufnahme holografischer Linsen

Abb. 6: Selbst hergestellte holografische (diffraktive) Linse

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6.3 Erzeugung holografischer Gitter Abb. 7: Strahlführung zur Aufnahme holografischer Gitter und Transmissionsstrahlteiler

groß und zu dem nicht exakt rund. Die Qualität der Zonenplatte nimmt jedoch mit abnehmender Größe des Punktes zu. Ein kleines Loch als Ausgangspunkt einer Kugelwelle ist auf Grund der Ineffizienz keine Alternative. Vor allem in älterer Literatur wurden zu diesen Verfahren, die schnell zu komplizierten Aufbauten und Apparaturen führen, keine praktischen Lösungen geboten. Weil ich auf einfache Methoden angewiesen war, musste ich das Verfahren verändern. Die folgende Lösung wird in modernen Verfahren bereits genutzt, war mir jedoch zum Zeitpunkt meiner Experimente nicht bekannt. Weil auch der Brennpunkt einer Linse als Ausgangspunkt einer Kugelwelle angesehen werden kann, verwendete ich in meinem Aufbau einen solchen anstelle eines punktförmigen Objektes. Mein Aufbau (Abb. 5) wurde mit dieser Methode stabilisiert und gleichzeitig verbessert, weil ein Brennpunkt sehr klein und eine Linse gut zu fixieren ist. Wesentliche Eigenschaften der bei der Aufnahme verwendeten Glaslinse wie z. B. die Brennweite gehen nicht direkt in die Eigenschaften der neuen holografischen Linse ein. Die Brennweite der neuen Linse hängt stattdessen von dem

Abstand des Brennpunktes zum Film ab. Fehler der Glaslinse haben aber einen Einfluss auf die erzeugte Zonenplatte. Mit dem Aufbau gelang eine weitere Verbesserung: Das Belichten von zwei Filmen gleichzeitig. Um eine Linse zu erhalten, deren Brennpunkt wie bei einer klassischen Linse zentral liegt, muss der Objektstrahl wieder in den Referenzstrahl auf der optischen Achse eingeleitet werden. Bei der Umsetzung dessen entstehen zwei gleichwertige Überlagerungen. Ich habe einige optimale, gleichartige Linsen und verschiedene leicht abgewandelte Versionen aufgenommen. In Abb. 6 ist die „Standardlinse“ als Amplitudenhologramm und als Phasenhologramm zu sehen. Die optische Qualität der Linsen ist überraschend gut. Die Linsen weisen keinerlei Anzeichen eines abgebildeten Objektes außer dem Punkt als neuer Brennpunkt der holografischen Linse auf. Für die Standardlinse führte ich eine Brennweitenbestimmung durch. Die Brennweite f hängt bei holografischen Linsen stark von der Wellenlänge des Lichts bzw. der Farbe ab. Wie oben bereits erwähnt, nennt man dies chromatische Abberation. Sie ist der

Abb. 8: Beugungswirkung an selbst hergestellten Gittern

Ein weiteres gut nutzbares HOE ist das holografische Gitter (vgl. 4.4). Die für die Aufnahme notwendigen zwei kollimierten Strahlen interferierten in meinem Aufbau (Abb. 7) mit einem Winkel von 60° ± 1,5°, um eine sehr große Gitterkonstante zu erzielen. Diese ist mit der klassischen Technologie nur schwer zu erreichen. 6.3.1 Bestimmung der Gitterkonstanten

Mit einem Aufbau des Grundpraktikums der TUB sollte die Gitterkonstante g meines Gitters (Abb. 8 und Abb. 9) experimentell bestimmt werden, doch wegen der großen Gitterkonstante reichte die Skala der Vorrichtung nicht aus. Rechnerisch konnte ich die Gitterkonstante lediglich durch den Winkel bei der Aufnahme bestimmen. Dieser Winkel (60° ±1,5°) wird in dieser Rechnung aus 2x dem Winkel α zusammen gesetzt. Λ = Abstand zwischen den Strichgitterlinien n = Materialkonstante von Glas und Film für die Snelliusbrechung (= 1,5) sin(α ) = sin(30°) = 0,5 λ = 532 nm Λ = (λ · n) / (2 · sin(α ) · n) Λ = λ / 2sin(α ) Λ = λ / (2 · 0,5) = λ = 0,532μm g = 1/Λ = 1880mm-1 ± 42 mm-1

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von Glaslinsen entgegengesetzt. Der rote, langwellige Brennpunkt liegt also dichter an der holografischen Linse als der blaue (kurzwellige). Ich habe zur Bestätigung dessen drei Brennweiten mit He-Ne-Lasern gemessen. Die Brennweite f beträgt für den roten (632,8nm) Brennpunkt 18,6mm ± 0,5mm, für den gelben (594,0nm) Brennpunkt 19,3mm ± 0,5mm, für den grünen (543,5nm) Brennpunkt 21,8mm ± 0,5mm.

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Abb. 9: Eigenes holografisches Gitter als Strahlteiler: An dem HOE im Diarähmchen wird der einfallende Laserstrahl zweigeteilt

Abb. 10: Strahlführung zur Aufnahme holografischer Spiegel

Genau im 30° Aufnahmewinkel entspricht der Abstand Λ zwischen den Strichgitterlinien der Aufnahmewellenlänge. Bei der Benutzung meines Gitters erscheint dieser Abstand Λ jedoch kleiner, da das holografische Gitter nur im 30° Winkel funktioniert. Aus dieser Perspektive sind die Gitterabstände kleiner und die Gitterkonstante größer. Λ · cos(30°) = Λ Bei Benutzung = 0,461μm. Die Gitterkonstante meines Gitters beträgt daher rechnerisch: g = 2170 mm-1 ± 48 mm-1 Dieser Wert scheint mit der tatsächlichen

Gitterkonstante der Winkel nach überein zu stimmen. Abb. 8 zeigt meine Gitter als Amplituden- und Phasenhologramm. Die Farbaufspaltung findet am Phasenhologramm noch gleichmäßiger und mit höherem Wirkungsgrad statt, wegen der großen Helligkeit ist sie jedoch schwer zu fotografieren. Die Farben werden auf Grund der großen Gitterkonstante weit von einander getrennt. 6.3.2 Ein neuartiger Strahlteiler

Um einen Strahlteiler als Transmissionshologramm zu entwickeln, nahm ich ein Gitter auf, welches wegen der großen

Gitterkonstante und dem Winkel des Films im Rekonstruktionsstrahl (30°), als Strahlteiler nutzbar ist (vgl. 4.5 u. Abb. 9). Bei der erfolgreichen Verwendung von HOE muss man sich von den gewohnten Winkelbeziehungen und Strahlengängen lösen. Mein Gitter funktioniert einwandfrei als Strahlteiler und erspart mir in meinem Versuchsaufbau (6.6) gleichzeitig einen zusätzlichen Umlenkspiegel. Für die Messungen am Strahlteiler ergab sich für das PhasenhologrammGitter eine Intensitätsaufteilung von 850 ±10 μW (46,2%) (0. Beugungsordnung) zu 990 ±10 μW (53,8%) (1.Beugungsordnung, abgelenkter Strahl). Damit ist der gebeugte Teil intensiver als der gerade durchgelassene. Die Beugungseffizienz liegt tatsächlich über 50%. Von der Gesamtintensität des auf das Gitter treffenden Strahls (2,95 mW) wurden 62,4% durchgelassen und fast zu gleichen Teilen geteilt. Für das Amplitudenhologramm-Gitter ergab sich eine wesentlich schlechtere Intensitätsaufteilung von 230 ±10 μW (88,5%) (0. Beugungsordnung) zu 30 ±10 μW (11,5%) (1.Beugungsordnung). Die Beugungseffizienz des Amplitudenhologramms ist also extrem gering. Außerdem wird der Hauptteil der Strahlintensität des auftreffenden Strahls vom Silbergitter absorbiert (91,2%). Es gelangen nur 8,8% der Intensität durch das Gitter.

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Abb. 11: Versuchsaufbau aus eigenen HOE zur Aufnahme von Bildebenenhologrammen H-Linse: eigene holografische Linse f = 22mm; H-Strahlteiler: eigener holografischer Strahlteiler (Gitter: Teilwinkel 60°); Film: Holografiefilm, in Diarähmchen geklemmt, grünempfindlich; H-Master: eigenes Masterhologramm, projiziert das Objekt auf den Film

6.4 Erzeugung eines Spiegels

Ein HOE, welches auch jetzt schon in einigen Bereichen Anwendung findet, ist der holografische Spiegel (vgl. 4.6). Dieser ist ein Reflexionshologramm. Mit dem Aufbau (Abb. 10) wurden Spiegel mit geringer einfarbiger (grüner) Reflexionswirkung hergestellt. Die von mir verwendeten Filme sind zu dünn, um gute Spiegel herzustellen. Mit ca. 50μm dicken Fotopolymeren kann man jedoch Reflexionswirkungen nahe 100% erreichen. Mein fertiger holografischer Spiegel reflektiert das einfallende grüne Licht im 45° Winkel. Andersfarbiges Licht wird fast vollständig durchgelassen. Eine Spieglung, bei der der Einfallswinkel nicht dem Ausfallswinkel gleicht, ist mit Metallspiegeln nicht möglich. 6.5 Kombinationen holografischer Elemente

HOE zeichnen sich besonders dadurch aus, dass sie verschiedene optische Funktionen in einem Element vereinen und somit Platz und Material sparen können. Um die Kombinationsmöglichkeiten von HOE zu prüfen, stellte ich Linse-Spiegel und Gitter-Spiegel Kombinationselemente her. Sie erfüllen auf Grund der geringen Dicken meiner Filme nicht die

Standards meiner anderen Elemente und sind somit nicht weiterverwendbar. Ihre Funktionsfähigkeit ist jedoch deutlich an den Effekten zu erkennen, die sich bei Betrachtung mit einer Weißlichtlampe ergeben. Um die Aufnahme der beiden Elemente ökonomisch zu gestalten, nahm ich die Elemente als DW-Hologramme auf (vgl. 3.2), wobei ich einmal eine große Linse und einmal einen vorhandenen Gitterspiegel als Objekt nutzte. 6.6 Versuchsaufbau aus eigenen holografischen Elementen

Der Versuchsaufbau soll zeigen, dass meine HOE und Hologramme von so guter Qualität sind, dass man sie erfolgreich weiterverwenden kann. Gleichzeitig soll gezeigt werden, dass Hologramme vielseitig klassische Materialien ersetzen können und dass damit auch andere oder verbesserte Eigenschaften hervorgerufen werden können. In dem Aufbau (Abb. 11) wurden daher einige verschiedenartige Dinge durch Hologramme ersetzt. Der Strahl wurde mit meiner holografischen Linse fokussiert und mit meinem Gitter geteilt. Die ersetzten Elemente (Linsen und Doppelprismen/ beschichtete Strahlteiler) sind zwei grundlegend verschie-

Komponenten wie Justierspiegel oder Shutter, die im Aufbau nur eine Nebenrolle spielen, wurden nicht ersetzt, weil sie keine wissenschaftliche Rolle spielen. Das mit dem in Abb. 11 gezeigten Aufbau aufgenommene Hologramm zeigt das Objekt deutlich. Der Nachweis ist geglückt und zeigt eine gute Qualität meiner Hologramme und die vielseitige Einsatzfähigkeit von Hologrammen allgemein. Die Ergebnisse waren jedoch nur befriedigend, da das Objekt ungünstig gewählt war und sich einige technische Schwierigkeiten ergaben (vgl. 7 Diskussion der HOE und meiner Ergebnisse). Das Objekt des Masterhologramms, ein offenes Muschelhaus, ist auf Grund der großen Schattenwürfe nur an den markantesten Stellen und nicht bis auf den Grund des Gehäuses zu sehen. Auf dem Hologramm des Versuchsaufbaus summieren sich die Fehler der HOE und Störungen, die etwa durch die abweichenden Eigenschaften des Referenzstrahls im Vergleich zur Aufnahme der HOE entstehen. Dennoch ist das Objekt klar auf dem neuen Hologramm zu erkennen. 6.7 Mögliche Erweiterungen des Versuchsaufbaus

Nahezu alle Elemente eines optischen Aufbaus könnten durch Hologramme und Filme ersetzt werden. Man muss jedoch immer abwägen, in wie fern der Einsatz des alternativen Materials auch wissenschaftlich gerechtfertigt ist. Anstelle eines herkömmlichen Raumfilters einen einheitlich belichteten Film mit einem kleinen Loch zu benutzen ist nicht sinnvoll. Ein Objekt gegen einen flachen Film einzutauschen kann dagegen einen wesentlichen Vorteil bedeuten. Eine schöne Erweiterung des Aufbaus wäre ein holografischer Ersatz für den Spiegel im Referenzstrahlengang.

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dene Dinge. Der Spiegel, mit dem der Referenzstrahl gefaltet wurde, wurde nicht ersetzt, weil der eigene holografische Spiegel keine ausreichende Reflexionswirkung aufweist. Dafür wurde im Objektstrahl das abzubildende Objekt selbst ersetzt. Ein dünnes Masterhologramm nimmt dessen Platz ein und bietet einen sonst unmöglichen Vorteil: Das Objekt wird mitten im Aufnahmefilm abgebildet.

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Die Verwendung von HOE ist besonders interessant, wenn ihr Platz nicht durch herkömmliche Elemente gefüllt werden kann. Eine solche Verwendung findet in meinem Aufbau abgesehen vom Masterhologramm nicht statt. Bei der Aufweitung des Strahls mit meiner holografischen Linse kam es zu einer inhomogenen Intensitätsverteilung, weil auf herkömmliche Komponenten verzichtet wurde, die den Rekonstruktionsstrahl dem Aufnahmestrahl der Linse ähnlicher gemacht hätten. Diese Komponenten müssten für bessere Ergebnisse eingebunden werden oder die Linse müsste für die exakten Bedingungen im Aufbau hergestellt werden. Idealerweise sollte der Linsenbrennpunkt dezentral sein, da dann die 0. Beugungsordnung nicht weiter mitgeführt werden muss (vgl. 7). Bei HOE ist es möglich, verschiedene Komponenten zu kombinieren. Die Linse könnte zwei Brennpunkte haben und somit gleich die Funktion des Strahlteilers übernehmen. 7 Diskussion der HOE und meiner Ergebnisse

Ich bin nach Durchführung meiner Experimente und der anschließenden Auswertung zu folgendem Schluss gekommen: Unter einfachen Laborbedingungen kann man hervorragende Hologramme aller möglichen Typen herstellen. „Küchentischhologramme“, die man in Schulen oder zu Hause auf selbstgebauten möglichst schwingungsarmen Tischen aufnehmen kann, haben leider meist nur schlechte Qualitäten, aber sie funktionieren und weisen beeindruckende Effekte auf. Auch mit einem schwachen Laser können gute, aber nur einfache und sehr kleine Hologramme mit geringer Tiefenschärfe hergestellt werden. Problematisch ist nach meinen Erkenntnissen die Aufnahme von größeren Hologrammen. Die Belichtungszeit überschreitet hier kritische Werte. Der Strahl kann nicht beliebig aufgeweitet werden, weil dann die Intensität (Leistung pro Fläche, W/cm²) auch ohne Raumfilter rapide abfällt. Meine hergestellten HOE zeigen deutlich alle aus der Literatur zu erwartenden, außergewöhnlichen Effekte. Obwohl ich viele Fehlerquellen noch nicht ausschließen konnte, sind die HOE von

sehr guter Qualität, so dass sie weiterverwendet werden können. Im Gegensatz zu den meisten darstellenden Hologrammen werden für die Herstellung von HOE mit guten optischen Eigenschaften komplizierte Aufbauten und starke Laser benötigt, da die Aufnahme dieser nur dann sinnvoll ist, wenn die Ergebnisse bzw. die HOE verwendet werden können. Ein Raumfilter und ein möglichst guter Strahlteiler, der kaum Interferenzen im Stahl verursacht, sollten im Aufbau enthalten sein. Der starke Laser wird benötigt, um trotz des Intensitätsabfalls im Aufbau kurze Belichtungszeiten zu gewährleisten. Bei der Verwendung von HOE muss man beachten, dass sich die Effekte nur unter festen Randbedingungen erzielen lassen, die für die Rekonstruktion der Hologramme vorgegeben sind. Eine universelle Verwendung vergleichbar zu herkömmlichen optischen Elementen ist nicht möglich. Die HOE sind so spezifisch, dass sie für jeden Verwendungszweck spezifisch hergestellt werden müssen und nur für diesen verwendbar sind, bzw. unter leicht veränderten Bedingungen keine guten Effekte erzielen. Beispielsweise war der gebündelte und nur leicht divergente Strahl, der im Versuchsaufbau (vgl.6.6) auf meine holografische Linse traf, dem Referenzstrahl der Aufnahme offensichtlich bereits so unähnlich, dass der durch die Linse aufgeweitete Strahl keine homogene Lichtverteilung aufwies, sondern aus vielen kleinen Flecken bestand. Bei der Verwendung von HOE müssen immer auch andere, eventuell unerwünschte Beugungsordnungen berücksichtigt werden. Die von mir hergestellten optischen Linsen wurden so aufgenommen, dass sie in ihrer Wirkung für Demonstrationszwecke mit herkömmlichen Linsen vergleichbar sind. Objektstrahl und Referenzstrahl wurden dazu bei der Aufnahme vor dem Film wieder zusammengeführt. Bei der praktisch technischen Verwendung bieten sich aber Linsen mit dezentralem Brennpunkt an, da die 0.Beugungsordnung dann nicht mehr weiter im Strahlengang mitgeführt werden muss. Mein Gitter, welches im Versuchsaufbau als Strahlteiler verwendet wurde, befand

sich zu nahe am Brennpunkt der Linse und dunkelte an der kleinen Stelle stark nach. Die Nachdunklung ist auf das Vorhandensein der Silberhalogenide an den unbelichteten Stellen des Films zurückzuführen. Für Anwendungen mit starker Lichtbündelung bietet sich daher ein Bleichverfahren mit Fixierung an. Die Beugungseffizienz nimmt dabei zwar ab, die Filme können aber nicht nachdunkeln. Als Filmmaterial für HOE empfehlen sich aus meiner Erfahrung heraus Fotopolymere. Diese müssen nicht chemisch entwickelt werden und sind nur als Phasenhologramme verwendbar. In dieser Funktion haben sie jedoch sehr gute Eigenschaften. Fotopolymere sind robust und haben eine hohe Beugungseffizienz, sind aber teuer. Heute ist es möglich, computergenerierte Hologramme (CGH) herzustellen. Sie sind, wie der Name schon sagt, errechnete und übertragene Transmissionshologramme. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, diese Muster zu übertragen. Die Üblichsten sind Lithografien mit Lasern, Verkleinerungen und Ätzungen. Diese Hologramme sind besonders geeignet für HOE, da sie perfekt, also frei von störenden Interferenzbildern sind. Die Herstellung guter CGH ist jedoch nur mit spezieller Ausrüstung möglich. Die Vielzahl der technischen Verwendungsmöglichkeiten von HOE ist überraschend und es erschließen sich Verwendungsmöglichkeiten, die mit herkömmlichen optischen Elementen nicht ausfüllbar sind. Deshalb und wegen der guten Herstellungsmöglichkeiten bin ich überzeugt, dass die Verwendung von HOE in unserem Lebensumfeld rapide zunehmen wird. 8 Zusammenfassung

Mit eigenständiger Arbeit konnte ich Verfahren zur Herstellung von HOE sowie deren Qualität verbessern. Hier ein kurzer Überblick über die wichtigsten Ansätze und Entwürfe: Man kann optische Elemente direkt einsetzen, um mit ihren Effekten Objekte für die Herstellung von HOE zu ersetzen. Die verwendeten Elemente selbst werden nicht objektartig abgebildet, solange sich keine zusätzlichen objektartigen Gegenstände im Bild befinden. Die

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Spätestens unter Berücksichtigung dieser Punkte ist es möglich, gute HOE auch unter einfachen Laborbedingungen herzustellen. HOE werden bis jetzt nur professionell für die technische Anwendung produziert, da die Herstellung von HOE kompliziert ist. In dieser Arbeit habe ich gezeigt, dass einfache Umsetzungen auch zu sehr guten Ergebnissen führen können. Die Herstellung HolografischOptischer-Elemente ist damit auch mit guten Hobbyausrüstungen möglich. Danksagung

Holographischer Spiegel

Herstellung holografischer Linsen gelingt daher besonders gut, wenn man einen Brennpunkt als ideales Punktobjekt benutzt. Ich habe alternative Strahlteiler aus holografischen Gittern mit sehr großen Gitterkonstanten konstruiert. Für einige Materialen und Strahlengänge bietet dieses Verfahren wesentliche Vorteile. Die Gitter müssen holografisch her-

gestellt werden, da diese schräg in den Strahl gestellt werden können, um die -1. Beugungsordnung zu unterdrücken. Außerdem haben sie auf Grund ihres Kosinuscharakters die nötige Beugungseffizienz. Reflektionen an den beiden Seiten von Glasscheiben sind als Ansatz für holografische Aufbauten nicht geeignet, um einen Strahlteiler zu ersetzten. Es geht zu

Diese Arbeit wäre nicht möglich gewesen, wenn mich nicht viele großartige Menschen auf verschiedenartige Weise unterstützt hätten. Einige dieser Menschen, denen ich an dieser Stelle danken möchte sind: Herr PD. Dr. H.-D. Kronfeld (TUB) (Chancen, Räumlichkeiten und Geräte über lange Zeit), Frau Prof. Dr. Orlic (TUB) und die OptTech Gruppe (vor allem Dipl.-Phys. C. Müller, Dipl.-Phys. E. Dietz und Dipl. Phys. S. Frohman) (Plakate, Räumlichkeiten und Geräte) und der Verein der Freunde des KantGymnasiums (Teilfinanzierung).

Literatur:

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AFGA (ehem. Hersteller), Heft zu den Filmen: Technische Information, NDT/Holografie Buch, Franziska: Holografie (BLL: Holografie allgemein und in der Kunst). Berlin, 01.2007 Brückner, Claudia: Holografisch-Optische Bauelemente – Vertiefungspraktikum technische Optik. Ilmenau 2003 Heiß, Peter: Die neue Holografie-Fibel, Optische und Computer-Hologramme verstehen und selber machen. 4., stark erweiterte Auflage; Hückelhoven: Wittig Fachbuchverlag 1995. GEOLA-: Emulsions for holography, technical product specifications and sales information brochure, January 2001 Meyer, Michael: Einführung in die Holographie - Beschreibung der Anfertigung von einfachen Hologrammen. Fach arbeit in Physik am Theresien-Gymnasium Ansbach, 1997 Ostrowski, Ju.I.; Osten, W.: Holografie - Grundlagen, Experimente und Anwendungen. Band 19; Deutsch Taschenbü cher; 2. Auflage, Frankfurt/ Main: Verlag Harri Deutsch, 1988 Treiber, Hanskarl ; Treiber, Martin: Holografie, Lasertechnik 2; Band 2; Stuttgart: Frech-Verlag, 1987. Stuhm, Silvia; G+B pronova GmbH zeigt Möglichkeiten durch moderne Lichtarchitektur Energiekosten zu senken (Pressemitteilung) Bergisch Gladbach, 20.01.2006 Unterseher, Fred; Hansen, J. ; Schlesinger, Bob: Handbuch der Holografie, Wie mache ich Hologramme selber?. Mün chen: Frankfurt: Popa Verlag, 1991. Windmann, Antje (OMB 4) ; Yanenko, Olga (OMB 4) Holografie Anwendungen, HS Furtwangen SS 2006 Zec, Peter: Holografie, Geschichte, Technik, Kunst; Köln; Du Mont Buchverlag, 1987. Lexikon der Optik, Berlin: Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg, 2003 http://www.geola.lt/holomaterials_world_eshop.htm (03.01.2008) http://www.holografie-online.de/ (03.01.2008) Httb://www.eugwiss.hdk-berlin.de/schmid/diss/A.III.3.html

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viel Intensität verloren und die erstellten HOE sind von den Gitterabständen nur für geringe Frequenzbereiche verwendbar.