Holografie

Die Holografie ist ein Verfahren zur Aufzeichnung von Wellenfeldern nach Frequenz, Amplitude und Phase für eine Abbildung mit echter räumlicher Information.

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

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

Durchleuchtet man dieses Bild wieder mit Laserlicht, wird die ursprüngliche Wellenfront rekonstruiert. So erscheint nicht ein perspektives sondern ein echtes dreidimensionales Bild des aufgezeichneten Objektes. Ein so entstandenes Abbild wird als Hologramm bezeichnet.

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

Die historische Entwicklung

Die bekannteste Person in Verbindung mit der Holografie ist wohl der Physiker Dennis Gabor als "Erfinder" der Holografie. Doch seine Entdeckung im Jahre 1948, die den Höhepunkt einer langen Entwicklung darstellte, sollte nicht dazu dienen, Objekte dreidimensional abzubilden, sondern das Auflösungsvermögen von Mikroskopen zu verbessern.

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

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

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

Nach der Veröffentlichung seiner Forschungsarbeit in den Jahren 1949 und 1951 kehrte er allerdings diesem Gebiet der Forschung enttäuscht den Rücken, da er selbst mit seinen Ergebnissen nicht zufrieden war.

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

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

Wichtige Daten zur Holografie im Überblick

Dennis Gabor wird geboren: 5. Juni 1900 in Budapest
Mit 27 Jahren wird Gabor forschender Ingenieur der Firma Siemens und Halske (heute Siemens AG) in Berlin
1933 flieht Gabor vor den Nazis
Danach Tätigkeit in England für Firma Thomson-Houston
1947 entwickelte er das Prinzip der Holografie, das er ursprünglich mit der Intention ersann, das Auflösungsvermögen von Elektronenmikroskopen zu verbessern. Zunächst war er auf die Verwendung gefilterter Lichtquellen angewiesen und arbeitete mit dem Prinzip der sog. In-line-Holografie.
1949 Eintritt in das Imperial College of Science and Technology, London. 1958 wurde er Professor of Applied Electron Physics (angewandte Elektronenphysik)
1960 Erfindung des Lasers durch Theodore Maiman
1962 Verbesserung der Aufnahmetechniken durch Emmeth Leith und Juris Upatnieks (Teilung der Aufnahmeanordnung in getrennten Objekt und Referenzstrahl )
1962 Erfindung der Weißlichtholografie durch Uri N. Denisyuk
1967 Das erste Hologramm einer Person entsteht.
1968 Stephen A. Benton erfindet die Regenbogen-Transmissionsholografie.
1971 Verleihung des Nobelpreises für Physik an Gabor für die Erfindung der Holografie.
Dennis Gabor verstarb am 8. Februar 1979 in London. Er war Inhaber von über 100 Patenten.

Physikalische Details

Aufnahme und Rekonstruktion

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

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

Beleuchtet man mit solchem ein beliebiges Objekt, wird dieses reflektiert und gestreut. Es entsteht ein Wellenfeld, das wir mit unseren Augen wahrnehmen. Dieses Wellenfeld wird Objektwelle genannt. Die Objektwelle wird mit dem ungestreuten Licht (der so genannten Referenzwelle) desselben Lasers überlagert. Die beiden Wellenfronten kommen so miteinander zur Interferenz. Die entstehenden Muster werden auf einer Glasplatte aufgezeichnet, die mit einer lichtempfindlichen Schicht behandelt wurde. Diese Muster weisen jedoch keine Bildinformation wie bei der herkömmlichen Fotografie mehr auf.

Bei der Rekonstruktion wird nun die holografische Fotoplatte wieder mit der Referenzwelle beleuchtet. Dabei wird das Licht am Interferenzmuster gebeugt und es entsteht die exakte Wellenfront der Objektwelle. Hinter dem Hologramm sieht man also den abgebildeten Gegenstand wie durch ein Fenster. Da auch das ganze Wellenfeld vor und hinter dem aufgezeichneten Objekt rekonstruiert wird, können unsere Augen das Abbild jeweils aus leicht verschiedenen Richtungen (Augenabstand) sehen. Das Gehirn ist dadurch in der Lage, einen räumlichen Eindruck herzustellen. Dieser wird dadurch weiter verstärkt, dass man sich sogar im Wellenfeld hin- und herbewegen und so den Gegenstand aus verschiedenen Richtungen und, in begrenztem Ausmaß, auch um ihn herum sehen kann.

Weisslichthologramme

Beim Weißlichthologramm besteht bei der Aufnahme der Unterschied zum so oben beschriebenen Hologrammen darin, dass die vom Objekt reflektierte Lichtwelle von einer anderen Seite auf den Film scheint als der Referenzstrahl. So entsteht eine stehende Lichtwelle im Inneren des Films. Dies bewirkt, dass das Interferenzmuster in der Tiefe des Films gespeichert wird. Bei der Rekonstruktion verhält sich ein solches Hologramm wie ein Kristall, der mit Röntgenlicht bestrahlt wird. Nach der so genannten Bragg-Bedingung werden nur Lichtwellen mit der richtigen Wellenlänge reflektiert. Deswegen kann man das Hologramm auch in weißem Sonnenlicht sehen, da die ungewünschten Wellenlängen keine Rolle spielen.

Anwendungen

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

Eine weiter sehr wichtige Anwendung der Holografie ist die Time-Average-Holografie. Sie erlaubt die Abbildungen von minimalen Bewegungsabläufen. Wenn das Abgebildete Objekt sich gegenüber dem im Originalhologramm gespeicherten Objekt verschiebt oder verformt, kommt es für den Betrachter zum "Wandern" der Interferezstreifen. So lassen sich zum Beispiel geringste thermische Ausdehnungen oder Schwingungen im mechanischen Systemen genaustens ausmessen. Das Verfahren wird zur Optimierung von Klangkörpern bei Musikinstrumenten, zur Geräuschminimierung bei der Motorenherstellung sowie zur Beseitigung von Vibrationen in Präzisionsfertigungsmaschinen verwendet.

Siehe auch

Weblinks

Allgemein

Holographie-Online.de - Wissenswertes und Anleitungen zum Selbermachen

Holografiemuseen

Computergenerierte Hologramme (CGH)