Bionik: Technik nach dem Vorbild der Natur - Junge Wissenschaft

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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
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