Leseprobe 85 als PDF

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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In
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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,
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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
12
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.
66
Bionikkompetenz aus dem
Saarland - das bionic engineering
network (BEN) stellt sich vor.
71
Der internationale
Studiengang Bionik
72
Buchrezensionen
73
Edelsteine aus dem
Reagenzglas –
Synthese von Opalen
18
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.
43
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
Magazin
Junge Wissenschaft 85 // 2010
10
Portrait
Inspiriert vom Prinzip Natur
Jörg Müssig, Bioniker an der Hochschule Bremen, entwickelt neue
Werkstoffe und holt sich dafür Ideen aus der Natur. Dabei beachtet
er besonders die Nachhaltigkeit, also eine Ressourcen schonende
Herstellung und eine umweltfreundliche Entsorgung.
Wenn Jörg Müssig heute durch den Wald
streift, erlebt er Pflanzen und Bäume anders als vor zwei Jahren. Seit der 41-jährige Maschinenbauer eine Professur für
Biologische Werkstoffe an der Hochschule Bremen innehat, hat sich sein Verhältnis zur Natur „extrem geändert“:
Er richtet beispielsweise bei einem Farn
sein Augenmerk auf die Struktur und
versucht, eine Vorstellung von der inneren Konstruktion zu gewinnen. Welche
mechanischen Grundprinzipien haben
sich herausgebildet? Welche natürlichen
Vorbilder könnten sich anbieten, um
Werkstoffe zu verbessern?
Jörg Müssig, aktives Mitglied der Jungen
Akademie von 2004 bis 2009, ist begeistert von den funktionellen und technischen Möglichkeiten, die die Evolution
geschaffen hat. Eine seiner neuesten Entdeckungen ist der Rhabarber: „Ein spannendes Gewächs. Mit seinen über einen
Quadratmeter großen Blättern müsste
die Pflanze zum Beispiel optimal auf
Biegelasten ausgelegt sein.“
Erste Analysen der biologischen Struktur versprechen interessante Hinweise
darauf, dass die Blätter auf plötzlichen
Schlag – ein wichtiger Faktor bei Werkstoffen – ideal reagieren. „Daraus können
Die Rhabarberblätter sind hoch biegsam. Der Bioniker untersucht, welche Struktur dafür
verantwortlich ist
Jörg Müssig, Bioniker an der Hochschule
Bremen
wir vielleicht etwas für die Entwicklung
besserer Verbundwerkstoffe lernen.“
Die technische Umsetzung ist eine
Herausforderung
Lernen aus der Natur – das klingt gut,
ist aber kompliziert. „Ich beobachte zum
Beispiel die Biegsamkeit eines Blattes,
messe sie und erhalte interessante Ergebnisse. Aber Rückschlüsse darauf, welche
Komponente in der Struktur für diese
Spitzenleistung verantwortlich ist, sind
schwierig“, erklärt Jörg Müssig. Selbst
wenn er diese Hürde genommen und die
richtige Komponente erfasst hat, kommt
die noch größere Herausforderung: die
Ergebnisse wirklich zu verstehen und für
eine technische Anwendung zu abstrahieren. Gelingt das, so lässt sich eventuell
ein bionischer Werkstoff schaffen. „Ein
von der Natur inspirierter Werkstoff
heißt jedoch nicht, dass er automatisch
eine gute Ökobilanz aufweist“, betont
Jörg Müssig. Häufig werden nur einzelne
Aspekte wie hohe Leistungsfähigkeit verfolgt und im Werkstoff entsprechend verbessert. Nachhaltigkeit interessiert nicht.
Hier aber setzt der Forscher an. Er arbeitet an Biowerkstoffen, die Ressourcen
schonen und bei Bedarf umweltfreundlich entsorgt werden können.
Erfolge mit nachhaltigen Werkstoffen erzielte der Wissenschaftler beispielsweise
mit einer Außenverkleidung aus Hanffasern und Leinöl, modifiziert zu Epoxidharz. Nach einem dreijährigen Praxistest
an Braunschweiger Stadtbussen wird
Magazin
Stürze überstehen wie die
Kokosnuss
Grundprinzipien der Natur erkennen,
sie auf Technik übertragen und dann in
Werkstoffe einbauen: Diesen Weg erforscht Jörg Müssig ebenfalls anhand
der Kokosnuss. Eine dichte Außenhaut
schützt die tropische Frucht vor Verrottung, wenn sie durch das Meer zu anderen Inseln treibt. Zugleich sorgen die
dehnbaren Fasern der Schutzhülle dafür,
dass die Kokosnuss beim Sturz von der
Palme nicht bricht. Besonders diese Unempfindlichkeit gegen hohe Schlagkraft
interessiert den Werkstoffwissenschaftler.
Er will das mechanische Prinzip nutzen,
um Gehäuse von Handys bruchsicher zu
machen. „Wir übertragen die Erkenntnisse von der Kokosnuss auf ZelluloseFaserverbundwerkstoffe. Diese technischen Viskosefasern sind so dehnbar,
dass sich die Schlageigenschaften der
Verbundwerkstoffe erheblich verbessern. Als Werkstoff für Handy-Gehäuse
können die Fasern die Bruchsicherheit
erhöhen“, berichtet Jörg Müssig. Dass
das Interesse an Know-how aus der Natur groß ist, zeigt die starke Resonanz
von Unternehmen und Forschergruppen auf Müssigs Arbeiten.
Beim Kokosnuss-Projekt kooperiert der
Wissenschaftler mit dem Unternehmen,
das die technischen Viskosefasern herstellt. Zusammenarbeit mit der Industrie,
darunter auch Autozulieferer, ist für Jörg
Müssig selbstverständlich. Berührungsängste kennt er nicht. Allerdings spielen neben der Nachhaltigkeit auch
die Chancen für seine Studierenden
eine wichtige Rolle. „Ich möchte die
Studierenden früh in Forschung und
Entwicklung einbinden.“
noch nicht so stark wie mit Beginn meiner Bremer Professur.“
Um das zu erreichen, bemüht er sich
erfolgreich um Industriestipendien und
ermöglicht Studierenden, bereits in ihrer Bachelorarbeit Probleme zu bearbeiten, die Unternehmen oder Forschungsinstitute umtreiben.
Damals wandte sich Jörg Müssig Naturfasern wie Hanf und Flachs zu:
Viele Jahre forschte er am Faserinstitut
Bremen e. V. FIBRE. Zuletzt leitete er
dort den Forschungsbereich Naturnahe
Werkstoffe/Nachhaltigkeit.
Nach dem Maschinenbaustudium
Beschäftigung mit Naturfasern
Als Maschinenbauer mit der Ausrichtung auf Naturfasern und biologische
Werkstoffe hatte Jörg Müssig stets mit
anderen Disziplinen zu tun: Ingenieurwissenschaften,
Agrarwissenschaften,
Pflanzenzüchtung, Botanik, Zoologie.
Kreativ Arbeiten mit Menschen und mit
Werkstoffen – das sind die Kriterien,
nach denen Jörg Müssig immer wieder
seine berufliche Laufbahn ausgerichtet
Jörg Müssig möchte von der Kokusnuss lernen, wie sie das Herabfallen von der Palme unbeschadet
übersteht
hat. Als Abiturient wollte er Surfbretter
bauen, stellte aber schnell fest, dass der
schöpferische Freiraum begrenzt ist.
Es folgte ein Maschinenbaustudium in
Duisburg mit den Schwerpunkten Werkstoffe, Wasseraufbereitung und Abfallentsorgung. „Nach dem Diplom gab es
schon eine Hinwendung zur Natur, aber
Die Junge Akademie
Die Junge Akademie wurde im Jahr 2000 als erste Akademie des wissenschaftlichen Nachwuchses in Deutschland gegründet. Ihre fünfzig Mitglieder aus dem gesamten deutschsprachigen Raum widmen sich dem
interdisziplinären wissenschaftlichen Diskurs, engagieren sich gemeinsam
an den Schnittstellen von Wissenschaft und Gesellschaft und setzen sich
für die Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses ein.
www. diejungeakademie.de
Fächerübergreifender Dialog ist ihm
bestens vertraut und im Bremer Fachbereich ohnehin Alltag. In der Jungen
Akademie hat er vor allem andere Denkweisen kennen und schätzen gelernt:
„Die Begegnungen haben mich dazu
gebracht, noch stärker über den Tellerrand zu schauen, und mich in der
Denkweise gestärkt, dass grundlegende
Forschung und anwendungsorientierte
Entwicklung sich ideal ergänzen können.
Die Kontakte und Diskussionen haben
einen spürbaren Einfluss auf meine
Publikationsaktivität ausgeübt, gerade
auch als Professor an einer Fachhochschule."
Uschi Heidel
(aus Junge Akademie Magazin 10, 2009).
11
Young Researcher
Jörg Müssig das Bauteil jetzt gemeinsam
mit einem niederländischen Architekten
für Fassaden weiterentwickeln. Auch die
Analyse von natürlichen Dämm-Systemen verfolgt er in diesem Projekt.
Magazin
Junge Wissenschaft 85 // 2010
12
Wettbewerb "Jugend forscht"
Prämierte Wettbewerbsarbeiten stehen in der
JufoBase
Die Volltext-Datenbank JufoBase (www.jufobase.de) von FIZ Karlsruhe dokumentiert erfolgreiche
Arbeiten der Wettbewerbe „Jugend forscht” und „Schüler experimentieren”.
Intelligenter Notfallblinker, automatischer
Hackbrettstimmer – wer erfindet denn
so etwas? Die Antworten hierauf finden
sich auf der JufoBase. Auf dieser VolltextDatenbank können alle prämierten Jungforscher, die mindestens an einem Landeswettbewerb teilgenommen haben, ihre
Arbeiten in der Originalfassung einstellen.
Seit 2005 sind auf diese Weise dort insgesamt 700 Arbeiten im Volltext archiviert
worden.
Die Benutzung der Datenbank ist kostenfrei und kann über das Internet jederzeit
erreicht werden. Diverse Recherchefunktionen machen die Benutzung der Datenbank komfortabel: So kann sortiert innerhalb der sieben Fachgebiete des Jugend
forscht Wettbewerbs gesucht werden oder
– umfassender – einfach über Stichwort
beziehungsweise Name eines Teilnehmers.
Ist ein Beitrag gefunden, erhält der Nutzer
vielfältige Informationen zur Teilnahme
des Jungforschers am Wettbewerb, kann
eine Kurzfassung lesen und hat bei weitergehendem Interesse die Möglichkeit, eine
pdf-Datei mit der Langfassung herunter
zu laden. Ist die Arbeit zusätzlich als begutachteter Beitrag in der Zeitschrift „Junge
Wissenschaft“ veröffentlicht worden, so ist
auch dieses vermerkt.
Dr. Luzian Weisel, der dieses Projekt bei
FIZ Karlsruhe betreut, beschreibt den
Nutzen der Jufobase: „JufoBase soll vor
allem dem wissenschaftlich-technisch interessierten Nachwuchs eine altersgerechte
Möglichkeit bieten, seine Forschungsergebnisse Dritten zu vermitteln. Es sollen
Diskussionen angestoßen werden, um vernetztes Arbeiten zu erleben. Und natürlich
können alle Interessierten so den Umgang
mit strukturierten Datenbanken lernen.“
Weisel ist sich bewusst, dass gerade das
Wissen um wissenschaftliche Recherche in den Schulen nur wenig vermittelt
wird. „Einfach nur googlen reicht nicht.
Zur wissenschaftlichen Informationsbeschaffung gehört heute der Umgang mit
Datenbanken.“ Mehr denn je ist es auch
erforderlich, die Qualität einer Quelle zu
beurteilen:
Im engen wissenschaftlichen Sinn können
eben nur begutachtete Beiträge zitiert werden.
Die JufoBase unterstützt jedoch nicht
nur die Jungforscher bei der Recherche
und Ideenfindung, sondern ist auch für
Wettbewerbsleiter und Juroren eine gute
Quelle: So erhalten Neueinsteiger bei den
Juroren schnell einen Überblick über das
Gesamtgebiet oder können Jungforscher
auf ähnliche Arbeiten aufmerksam machen. Die Stiftung Jugend forscht e.V.
schätzt an der JufoBase, dass prämierte
Beiträge auf diese Weise für die Öffentlichkeit leicht zugänglich sind.
Noch stammen die Arbeiten überwiegend
aus Rheinland-Pfalz und Hessen, da im
Umfeld dieser Wettbewerbe die Idee für
JufoBase entstanden ist. Es ist jedoch das
erklärte Ziel von FIZ Karlsruhe, mittelfristig alle Wettbewerbsarbeiten auf Bundesund Landesebene von Jugend forscht und
Schüler experimentieren im Volltext und
mit vollständigen Daten aufzunehmen
und zu indexieren. Hierfür wurde eine
Upload-Routine entwickelt, die es Jungforschern und ihren Betreuern ermöglicht,
ihre Arbeiten selbst in die Datenbank einzustellen.
Und da es um die Förderung der Jugend
geht, sollen auch die eigenen Auszubildenden bei FIZ Karlsruhe zukünftig an der
JufoBase mitarbeiten: Sie werden sich um
die formale und inhaltliche Erschließung
mit Schlagworten kümmern und weitere
altersgemäße Methoden des „Social Networking“ entwickeln.
Luzian Weisel, Sabine Walter
Kontakt und Informationen:
Auf Wettbewerben haben die Jungforscher die Möglichkeit, die JufoBase zu kennenzulernen.
www.jufobase.de
weitere Informationen bei:
Dr. Luzian Weisel,
FIZ Karlsruhe,
luzian.weisel@fiz-karlsruhe.de
High Tech. Pure Nature.
NATURALWAX.
Die erste biologisch abbaubare
Skiwachs-Serie der Welt.
Für Wintersportler, die exzellente Gleiteigenschaften suchen und die Natur schonen wollen, gibt es jetzt eine
Weltneuheit: Die Natural Skiwachs Serie von HOLMENKOL für Ski, Snowboard und Langlauf. Aus nachwachsenden Rohstoffen, biologisch abbaubar und sehr einfach in der Anwendung. Der super kompakte Natural
Wax Stick passt in jede Hosentasche und ist dadurch der ideale Begleiter für unterwegs.
www.holmenkol.com
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
Young Researcher
43
Jugend forscht
Junge Wissenschaft 85 // 2010
44
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
Jugend forscht
Young Researcher
45
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]
Jugend forscht
46
3 Hologrammtypen
Junge Wissenschaft 85 // 2010
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.
53
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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
Jugend forscht
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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[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
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
55
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viel Intensität verloren und die erstellten
HOE sind von den Gitterabständen nur
für geringe Frequenzbereiche verwendbar.
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