Bionik: Technik nach dem Vorbild der Natur - Junge Wissenschaft

verlag.jungewissenschaft.de

Bionik: Technik nach dem Vorbild der Natur - Junge Wissenschaft

Junge

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

Wissenschaft

Jugend forscht in Natur und Technik

Young Researcher

The European Journal of Science and Technology

Medienpartner des

Wissenschaftsjahres 2010

Bionik:

Technik nach

dem Vorbild

der Natur

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

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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Junge Wissenschaft 85 // 2010

Magazin

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

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.

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.

Studierenden früh in Forschung und

Entwicklung einbinden.“

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.

Nach dem Maschinenbaustudium

Beschäftigung mit Naturfasern

Kreativ Arbeiten mit Menschen und mit

Werkstoffen – das sind die Kriterien,

nach denen Jörg Müssig immer wieder

seine berufliche Laufbahn ausgerichtet

noch nicht so stark wie mit Beginn meiner

Bremer Professur.“

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.

Als Maschinenbauer mit der Ausrichtung

auf Naturfasern und biologische

Werkstoffe hatte Jörg Müssig stets mit

anderen Disziplinen zu tun: Ingenieurwissenschaften,

Agrarwissenschaften,

Pflanzenzüchtung, Botanik, Zoologie.

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Young Researcher

Er will das mechanische Prinzip nutzen,

um Gehäuse von Handys bruchsicher zu

machen. „Wir übertragen die Erkenntnisse

von der Kokosnuss auf Zellulose-

Faserverbundwerkstoffe. 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

Die Junge Akademie

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 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

Jörg Müssig möchte von der Kokusnuss lernen, wie sie das Herabfallen von der Palme unbeschadet

übersteht

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).


Magazin

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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 Volltext-

Datenbank 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


Jugend forscht

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Tobias Wenzel* 1988

Berlin

Schule:

Kant-Gymnasium Spandau,

Berlin

Young Researcher

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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Young Researcher

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.

2.2 Hologrammrekonstruktion

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) konzentrische

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.

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.

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 fl ach zu

sein.“ [4]


Jugend forscht

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3 Hologrammtypen

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 n λ = 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 DW-

Hologramm (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 Diffraktiven-

Optischen-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.


Anmelden bis zum 30. November 2009: www.jugend-forscht.de

Entdecke neue Welten.


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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.

4.2 Anwendungsgebiete und

Perspektiven

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 Lichtversorgung

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.

4.3 Fresnel’sche Zonenplatte (Linse)

Die Fresnel’sche Zonenplatte ist das

wichtigste Holografisch-Optische-

Element. 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.

4.4 Gitter

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.


Jugend forscht

49

Young Researcher

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-


Jugend forscht

50

Junge Wissenschaft 85 // 2010

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 Bildebenenhologrammaufbau

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 und Bildebenenhologramme

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.

Abb. 5: Strahlführung zur Aufnahme holografischer Linsen

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. 6: Selbst hergestellte holografische (diffraktive) Linse


Jugend forscht

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.

51

Young Researcher

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

6.3 Erzeugung holografischer Gitter

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

Abb. 8: Beugungswirkung an selbst hergestellten Gittern


Jugend forscht

52

Junge Wissenschaft 85 // 2010

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 Phasenhologramm-

Gitter 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.


Jugend forscht

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 verschiedene

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.

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

Young Researcher


Jugend forscht

54

Junge Wissenschaft 85 // 2010

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

viel Intensität verloren und die erstellten

HOE sind von den Gitterabständen nur

für geringe Frequenzbereiche verwendbar.

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 Holografisch-

Optischer-Elemente ist damit auch mit

guten Hobbyausrüstungen möglich.

55

Young Researcher

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 hergestellt

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

Danksagung

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 Kant-

Gymnasiums (Teilfinanzierung).

Literatur:

[1] AFGA (ehem. Hersteller), Heft zu den Filmen: Technische Information, NDT/Holografie

[2] Buch, Franziska: Holografie (BLL: Holografie allgemein und in der Kunst). Berlin, 01.2007

[3] Brückner, Claudia: Holografisch-Optische Bauelemente – Vertiefungspraktikum technische Optik. Ilmenau 2003

[4] Heiß, Peter: Die neue Holografie-Fibel, Optische und Computer-Hologramme verstehen und selber machen. 4., stark

erweiterte Auflage; Hückelhoven: Wittig Fachbuchverlag 1995.

[5] GEOLA-: Emulsions for holography, technical product specifications and sales information brochure, January 2001

[6] Meyer, Michael: Einführung in die Holographie - Beschreibung der Anfertigung von einfachen Hologrammen. Fach

arbeit in Physik am Theresien-Gymnasium Ansbach, 1997

[7] Ostrowski, Ju.I.; Osten, W.: Holografie - Grundlagen, Experimente und Anwendungen. Band 19; Deutsch Taschenbü

cher; 2. Auflage, Frankfurt/ Main: Verlag Harri Deutsch, 1988

[8] Treiber, Hanskarl ; Treiber, Martin: Holografie, Lasertechnik 2; Band 2; Stuttgart: Frech-Verlag, 1987.

[9] Stuhm, Silvia; G+B pronova GmbH zeigt Möglichkeiten durch moderne Lichtarchitektur Energiekosten zu senken

(Pressemitteilung) Bergisch Gladbach, 20.01.2006

[10] Unterseher, Fred; Hansen, J. ; Schlesinger, Bob: Handbuch der Holografie, Wie mache ich Hologramme selber?. Mün

chen: Frankfurt: Popa Verlag, 1991.

[11] Windmann, Antje (OMB 4) ; Yanenko, Olga (OMB 4) Holografie Anwendungen, HS Furtwangen SS 2006

[12] Zec, Peter: Holografie, Geschichte, Technik, Kunst; Köln; Du Mont Buchverlag, 1987.

[13] Lexikon der Optik, Berlin: Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg, 2003

[14] http://www.geola.lt/holomaterials_world_eshop.htm (03.01.2008)

[15] http://www.holografie-online.de/ (03.01.2008)

[16] Httb://www.eugwiss.hdk-berlin.de/schmid/diss/A.III.3.html

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