Inhalt: Erklärung der Holographie

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1. Erklärung aus "Meyers Grosses Taschenlexikon in 26 Bänden, 2003.

2. Beschreibung vom Autor

 

1. Holographie [griechisch] die,

von D. Gabor 1948 entwickeltes Verfahren der Bildaufzeichnung und -wiedergabe mit kohärentem (zusammenhängendem) Licht, das die Speicherung und Reproduktion von Bildern mit dreidimensionaler (räumlichen) Struktur ermöglicht.


Zur Aufnahme:

Das Objekt wird mit Licht einer monochromatisch (einfarbigem) kohärenten1) Lichtquelle ( Laser=light amplification by stimulated emission of light - da heute jeder Englisch kann, kann die Übersetzung gespart werden) beleuchtet, das reflektierte Licht (Objektwelle) mit einer kohärenten Vergleichswelle (Referenzwelle) überlagert. Das entstehende Interferenzwellenfeld ( Interferenz) wird als Intensitätsbild auf einer Fotoplatte aufgezeichnet (Hologramm). Während beim normalen fotografischen Verfahren nur die Intensitätsverteilung des vom Objekt ausgehenden Lichts am Ort der Fotoplatte registriert wird, enthält das Hologramm durch die Überlagerung der Objektwelle mit der kohärenten Referenzwelle Informationen über Intensität und Phasenlage des vom Objekt kommenden Lichtes.

1) Wirft man einen Stein ins Wasser mit ruhiger Oberfläche, breiten sich vom "Einschlagspunkt" Wellen kreisförmig aus. Liegt ein Hindernis - eine Bohle beispielsweise in diesem Wellenausbreitungsfeld, so werden die Wellen am Hindernis zurückgeworfen (reflektiert). Diese reflektierten Wellen überlagern sich mit den ankommenden. (Sie interferieren.) Das Wellenbild ändert sich. (Ankommende Wellenberge werden von zurückgeworfenen Wellentälern ausgelöscht, bzw. nur mehr oder weniger, abhängig vom Winkel, den die Ausbreitungsrichtungen - also Winkel zwischen ankommenden und reflektierten Wellenrichtungen miteinander bilden.) - Kommentar des Autors

 

Zur Wiedergabe

wird das Hologramm mit monochromatisch kohärentem Licht aus der gleichen Richtung beleuchtet, aus der bei der Aufnahme die Referenzwelle einfiel. Durch Beugung entstehen zu beiden Seiten des direkten Lichtbündels hinter dem Hologramm im Wesentlichen zwei Lichtbündel erster Ordnung, von denen das eine ein virtuelles Bild dort liefert, wo sich bei der Aufnahme das Objekt befand; das andere Lichtbündel erzeugt ein reelles Bild hinter dem Hologramm. Das virtuelle Bild kann mit dem Auge in begrenztem Raumwinkel von verschiedenen Seiten aus betrachtet werden; das reelle Bild lässt sich ohne Linsen direkt fotografieren. Beide Bilder liefern eine räumliche Rekonstruktion des Objektes. Überlagert man einem normalen Hologramm in vertikaler Richtung ein ebenfalls holographisch erzeugtes optisches Beugungsgitter, so kann man das entstehende Regenbogenhologramm (Weißlichthologramm) für die Rekonstruktion mit weißem Licht bestrahlen und sieht je nach dem gewählten vertikalen Betrachtungswinkel das Bild in der Farbe, die vom Gitter unter diesem Winkel gebeugt wird; in horizontaler Richtung bleibt der räumliche Eindruck entsprechend der beidäugigen Betrachtung erhalten. Ein ähnlicher Effekt ergibt sich, wenn man das Interferenzwellenfeld statt auf einer dünnen auf einer mehrere Wellenlängen dicken Fotoplatte registriert (Volumenhologramm). Die entstehende räumliche Schwärzungsverteilung selektiert bei der Rekonstruktion mit weißem Licht automatisch die Aufnahmewellenlänge(n); erfolgt die Aufnahme mit mindestens drei verschiedenen Farben, erhält man ein Weißlichthologramm in natürlichen Farben.
Anwendungen:

1) Momentaufnahmen schnell veränderlicher Vorgänge und ihre Vermessung;

2) Einsatz interferometrischer Messmethoden zur Untersuchung beliebig geformter, auch rauer Oberflächen und zum Nachweis geringfügiger Verformungen (holographische Interferometrie);

3) die Verwendung von Hologrammen als optische Elemente, z. B. Linsensysteme, Interferenzfilter und Beugungsgitter (holographische   Gitter);

4) die holographische Mikroskopie;

5) Verwendung als optischen Speicher ( holographischer Speicher) sowie zur automatischen Zeichenerkennung. Darüber hinaus werden Hologramme als fälschungssichere Bestandteile von Scheckkarten, Banknoten u. a. sowie für Werbezwecke und als Kunstgegenstände genutzt. - Außer mit Licht werden Hologramme auch mit Mikro- sowie Schallwellen (akustische Hologramme) hergestellt.

Literatur:
W Ostrowski, J. L: Holografie. Grundlagen, Experimente u. Anwendungen. A. d. Russ. Thun 1989. -

Eichler, J. u. Ackermann, G.: H. Berlin 1993. -

Heiß, P.: Die neue H. -Fibel. Hückelhoven 1995.

 

 bedeutet Verzweigung im Taschenlexikon
 

Zu den Bildern als schematische Darstellung der Aufnahme und Wiedergabe eines Hologramms; oben: kohärente Objekt- und Referenzwelle überlagern sich auf der Fotoplatte; darunter: Rekonstruktion der Bilder mithilfe eines Laserstrahls

Ein paar Worte zum Taschenbuch. Das gibt es zusammen mit einer CD-Rom. Man kann also das ganze Taschenbuch auf dem Computer installieren. Jedoch sind kaum Bilder vorhanden. Die Bilder oben sind also aus dem gedruckten "Werk" (Band 10). Sie können den Text von der CD auf dem Bildschirm markieren, dann mit Beabeiten>Kopieren in die Zwischenablage geben und über Bearbeiten>Einfügen in Ihren eigenen Text geben. Das wurde unten für die Begriffe "Kohärenz" bis "Laser" gemacht. Den Text können Sie editieren. Auch das wurde gemacht (z.B. Abkürzungen ausgeschrieben). Also eine sehr feine, empfehlenswerte Sache. Nur das Ganze (also 26 Taschenbücher und die CD) kostet um die 200 Euro.

2. Eigene Erklärung:

 

Haben Sie's verstanden? Also das Ganze nochmals mit anderen (vielleicht einfacheren) Worten, Dennis Gabor suchte nach einer Lösung nicht nur einen abgebildeten Gegenstand aus einer vollkommen festen Position  - wie bei allen anderen Verfahren (mit verschieden farbigen Brillen, durch Schielen, Hindurchschauen, Linsenrasterverfahren), sondern das Abbild aus verschiedenen Blickwinkeln betrachten zu können. Schließlich gelang ihm das. (Sie können sich bei der Bildbetrachtung schon richtig um das Hologramm herumbewegen.)

 

Im Bild links leuchtet das Laser-Licht den Ballspieler direkt an. Das ihn treffende Licht reflektiert - strahlt also auf die Aufnahmeplatte. Aber da kommt Licht oben vom Spiegel von dem selben Laser-Strahler (das Reverenzlicht) und interagiert (interferiert) mit den vom Spieler kommenden Lichtwellen. Da Laserlicht (fast) vollständig gleichförmig schwingt - eine Welle besteht aus einem Berg und einem Tal, erzeugt die vom Spieler zurückgeworfene Welle mit der vom Spiegel kommenden Welle auf der fotografischen Platte einen so genannten konstanten Zustand.

 

Kommt vom Spiegel an einer bestimmten Stelle ein Berg an, vom Spieler dort aber ein kleines Tal, so wird der Spiegelberg etwas geschwächt. Ist der Spiegelberg in der Talsohle, hat die Welle vom Spieler ihren Höhepunkt. Die Beleuchtung auf dem Punkt der Platte, den wir uns als Beispiel ausgesucht haben, wird in Bezug auf die umliegenden Punkte immer relativ gleich beleuchtet. An den Punkten der Fotoplatte, wo die Spiegelwelle genau dann ankommt, wo die vom Spieler kommende Welle auch dann besonders stark ist, wird eine starke Schwärzung hervorgerufen und umgekehrt. Alle Punkte dazwischen werden entsprechend (proportional) zwischen dem Maximum (Höchst-) und dem Minimum (niedrigsten Wert) belichtet. Die belichtete Platte hat also überhaupt keine Ähnlichkeit mit einem uns bekannten Foto (auf dem wir das Bild erkennen können - wenn auch beim alt hergebrachten Film in der Farb- und Helligkeits-Umkehrung. Ein typisches Interferenzbild von der Überlagerung zweier punktförmiger Quellen (in jedem Physikbuch - nicht als Hologramm zu verstehen) sieht -  wie rechts gezeigt - aus. Auf einem Hologramm sieht man praktisch gar nichts uns Bekanntes. Die Punkte auf der belichteten haben einen Abstand im Lichtwellenbereich (weit unter 1 tausendstel Millimeter).

 

Es muß noch erwähnt werden, daß auf der "Hologramm"-Platte nicht nur das Abbild der interagierenden (interferierenden) Wellen registriert wird, sondern auch noch deren Phase, wobei es eine wichtige eine Rolle spielt, wann insbesondere die vom Spieler reflektierte Welle ankommt. Daraus kann man dann später bei der "Wiedergabe" ermessen, wie weit die Arme, Beine und andere Körperteile von der Hologramm-Aufnahmeplatte entfernt waren.

 

Bei der Wiedergabe wird das Hologramm  beleuchtet (von einem gleichen Laser-Licht mit Bezug insbesondere der Farbe = Wellen-Länge). Das Abbild des Spielers erscheint dort, wo er also bei der Aufnahme war und zwar genau so im Raum. Man kann ihn also sehen als wäre er einfach wieder da (reelles Bild). Der Betrachter allerdings sieht so etwas wie ein Spiegelbild, jedoch ein nicht seitenvertauschtes (virtuelles) Bild. (Die angestrahlte Hologrammplatte, die das  Interferenzmuster von der Aufnahme enthält, "rekonstruiert" den Aufnahmegegenstand. Die Qualität des räumlichen Bildes hängt nur vom Auflösungsvermögen der lichtempfindlichen Emulsion ab, die bei der Aufnahme genommen wurde. Da hohes Auflösungsvermögen jedoch geringe Filmempfindlichkeit bedeutet, erhöht sich für eine gute Qualität die Belichtungszeit - genau wie bei einem "normalen" Fotoapparat.)

 

Ist ganz schön kompliziert, nicht wahr?

 

Es gibt eine Vielzahl von Anordnungszeichnungen zur Aufnahme- und Wiedergabe-Technik. Das Prinzip ist immer das gleiche: Der Aufnahme-Gegenstand muß bei der Aufnahme immer direkt vom Laser angestrahlt werden, die Aufnahmeplatte jedoch zusätzlich mit einem Referenzstrahl (bei dem Farbe, Amplitude und Phase konstant bleiben), damit es zu einer Interferenz kommt. Bei der Wiedergabe ist kein Referenzstrahl erforderlich.

 

Vielleicht können Sie ermessen, daß zumindest für die Aufnahme eines Menschen keine niedlich kleine Kamera gebaut werden kann.

 

Kohärenz [lateinisch] die,

in der Physik das Vorliegen zeitlich unveränderlicher Beziehungen zwischen den Phasen eines Wellenfeldes an verschiedenen Orten, allgemein zwischen den Zufallsgrößen von beliebigen stochastischen Prozessen. Die Kohärenz von Wellenfeldern ist die Voraussetzung für deren Interferenzfähigkeit (Interferenz). Im Gegensatz zum natürlichen Licht, das inkohärent ist, sind Phase und Amplitude des Wellenfeldes eines Lasers wegen der dominierenden induzierten Emission weitgehend konstant, Laserlicht ist daher fast vollkommen kohärent.

 

Interferenz [lateinisch] die,
in der Physik: die Überlagerung von zwei oder mehr Wellenzügen ausreichender Kohärenz am gleichen Raumpunkt, die zu einer von den Amplituden und Phasendifferenzen abhängigen Intensitätsverteilung führt. Diese kann als Verstärkung (Interferenzmaximum), Schwächung oder Auslöschung (Interferenzminimum) der Wellen beobachtet werden. Die Interferenz beruht auf dem Superpositionsprinzip, nach dem die resultierende Amplitude jeweils gleich der Summe der Amplituden der ursprünglichen Wellen ist; es findet keine Wechselwirkung der Einzelwellen statt. Interferenzerscheinungen ermöglichen den Nachweis der Wellennatur einer Strahlung. Sie treten prinzipiell bei allen Wellen auf, bei Oberflächenwellen (Wasser), elastischen und elektromagnetischen Wellen (Schall, Licht), Materiewellen (z.B. bei der Elektronen- oder Neutronenbeugung).
Interferenz des Lichts: Natürliches Licht thermischer Strahler entsteht durch spontane Emission untereinander unabhängiger, angeregter Atome, die nicht zusammenhängende Wellenzüge von etwa 10-8s Dauer mit statistisch wechselnden Phasenbeziehungen aussenden. Die Interferenzerscheinung ist deshalb nicht stationär, sondern ändert in Intervallen von etwa 10-8s ihr Aussehen. Zur Erzeugung interferenzfähiger (kohärenter) Wellen muss deren optische Wegdifferenz kleiner als die Kohärenzlänge sein. Das ist beim Laser der Fall, dessen stimulierte Emission räumlich und zeitlich kohärent ist. Verwendet man andere Lichtquellen, muss man das Licht in Teilbündel aufspalten und sie zur Interferenz bringen (fresnelscher Spiegelversuch). Die Interferenzbilder sind meist in Form von regelmäßig angeordneten Figuren (Interferenzstreifen, Interferenzringe) zu beobachten, die bei Verwendung von weißem Licht oft ausgeprägte Interferenzfarben (newtonsche Ringe) aufweisen. Solche Farben treten auch an dünnen Luft- und Flüssigkeitsschichten (z.B. Seifenblasen, Ölschicht) auf, bei denen das auffallende Licht durch Reflexion an der Vorder- und Hinterseite der Schicht interferiert. Interferenzerscheinungen werden z.B. in Interferometern, Gittern sowie in der Holographie ausgenutzt.


Laser
[englisch für light amplification by stimulated emission of radiation, »Lichtverstärkung durch induzierte Strahlungsemission«] der, Verstärker und Generator für kohärente elektromagnetische Wellen, v.a. im ultravioletten, sichtbaren und infraroten Spektralbereich, aber auch darüber hinaus (z.B. Maser, Röntgenlaser).
Prinzip und Wirkungsweise: Die Funktion des Lasers beruht auf der induzierten (stimulierten) Emission. Diese kann eintreten, wenn ein angeregtes Atom oder Molekül mit einem elektromagnetischen Strahlungsfeld in Wechselwirkung steht, dessen Frequenz der Energiedifferenz zwischen dem angeregten und einem energetisch niedriger liegenden Zustand in dem System entspricht. Hierdurch wird ein Übergang in den niedrigeren Zustand induziert, wobei die Anregungsenergie als Photon emittiert wird. Als Voraussetzung für eine effektive Verstärkung des Strahlungsfeldes muss das höhere Niveau stärker besetzt sein als das tiefer liegende, da sonst die Schwächung der Strahlung durch Absorption (Übergang vom niederen zum höheren Zustand) größer wäre als die Verstärkung durch stimulierte Emission. Da eine derartige Besetzungsinversion in der Natur im thermischen Gleichgewichtszustand nicht vorkommt, muss dem atomaren System von außen Energie (Pumpenergie) zur Umkehr der natürlichen Besetzung zugeführt werden.
Wird ein laserfähiges (aktives) Medium in einen optischen Resonator eingebracht, der eine Rückkopplung der Laserstrahlung ermöglicht, so erhält man einen Oszillator (Generator) für elektromagnetische Schwingungen. Als Resonator dienen meist zwei einander gegenüberstehende ebene oder auch sphärische Spiegel, es sind aber auch Systeme mit drei oder mehr Spiegeln möglich (Ringlaser). Übertrifft die Strahlungsverstärkung im aktiven Medium die Verluste für einen Umlauf der zwischen den Spiegeln hin- und herreflektierten Welle, so fängt der Laser an, auf einer für das Lasermaterial charakteristischen Wellenlänge zu schwingen, wobei sich zwischen den Spiegeln ein stehendes Wellenfeld aufbaut. Wegen der gegenüber den Resonatorabmessungen kleinen Wellenlänge des Lichts werden sehr viele Resonatoreigenschwingungen (Moden) angeregt, sofern deren Zahl nicht durch selektive Verfahren (Modenselektion) reduziert wird; durch Phasenkopplung der Moden (Modensynchronisation, englisch modelocking) können wesentlich kürzere Laserimpulse erzeugt werden. Zur Auskopplung der Laserstrahlung aus dem Resonator ist einer der Spiegel schwach durchlässig. Viele Lasermaterialien können viele verschiedene Frequenzen verstärken (z.B. Argon, Krypton, Kohlendioxid), andere (z.B. Lösungen organischer Farbstoffmoleküle) sogar jede Wellenlänge in einem breiten Frequenzband. Um in diesen Fällen eine monochromatische Emission auf einer gewünschten Wellenlänge zu erhalten, müssen zur Unterdrückung der anderen Wellenlängen Filter (Prismen, Gitter u.a.) in den Resonator eingesetzt werden. Bei kontinuierlicher Variation der Durchlasswellenlänge des Filters lassen sich dann breite Bereiche des Spektrums lückenlos mit monochromatischer Laserstrahlung überdecken.
Lasertypen: Als Unterscheidungskriterium für Laser dient z.B. das verwendete aktive Medium. Eingesetzt werden Festkörper (Festkörperlaser), v.a. Rubinkristalle, mit Neodym dotierte Kristalle oder Gläser, Halbleiter (Halbleiterlaser) wie Gallium-Arsenid-Dioden, Flüssigkeiten (v.a. Lösungen organischer Farbstoffmoleküle, Farbstofflaser) und Gase (Gaslaser) wie Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Stickstoff, Helium-Neon-Gemische, Metalldämpfe (z.B. Cadmium) und angeregte Edelgase sowie mit diesen gebildete Moleküle (sie bilden das Lasermedium der Excimerlaser, Excimer). Die Besetzungsinversion lässt sich auf verschiedene Weise erzeugen, z.B. bei Gaslasern durch Elektronenstoß in einer Gasentladung, bei Halbleiterlasern durch Injektion von Ladungsträgern in einen pn-Übergang, bei den optisch gepumpten Festkörperlasern und Flüssigkeitslasern durch die intensive Strahlung einer thermischen Hochleistungslichtquelle oder eines anderen Lasers. Chemische Laser nutzen die bei chemischen Reaktionen freigesetzte Energie (chemisches Pumpen) zur Besetzungsinversion. Die Strahlungsverstärkung in Lasern an freien Elektronen (Freie-Elektronen-Laser, Abkürzung FEL; englisch Free-Electron-Laser) erfolgt in einem hochenergetischen Elektronenstrahl, der durch ein periodisch seine Richtung änderndes Magnetfeld geschossen wird. Nach der Dauer der Strahlungsemission werden kontinuierliche (Dauerstrichlaser) und diskontinuierliche Laser (Impulslaser, Pulslaser) unterschieden.
Eigenschaften von Laserstrahlung: Von der Strahlung gewöhnlicher (das heißt thermischer) Lichtquellen (Glühlampen, Gasentladungslampen) unterscheidet sich Laserlicht durch folgende Eigenschaften: 1)Die Strahlung ist räumlich kohärent, das heißt, die von verschiedenen räumlichen Punkten im aktiven Material emittierten Wellenzüge haben eine feste Phasenbeziehung. Die Strahlung wird nicht in alle Raumrichtungen abgegeben, sondern ist scharf gebündelt, sodass eine exakte Fokussierung mit extrem hohen Leistungsdichten (bis zu 1014W/cm2) möglich ist. 2)Ein Laser emittiert lange fortlaufende Wellenzüge mit nur geringen Phasenschwankungen, das heißt, der Laserstrahl ist zeitlich kohärent. Verbunden damit ist die hohe Monochromasie der Strahlung. Die Schwingungsfrequenz sichtbaren Lichts liegt in der Größenordnung von 1015Hz, die typische Frequenzbandbreite des Lasers bei 108 bis 109Hz. Durch Stabilisierungsmaßnahmen lässt sich die Größe der Frequenzschwankungen aber um mehrere Größenordnungen reduzieren. 3)Die in einem schmalen Wellenlängenbereich abgegebene Strahlungsleistung kann bei Pulslasern (Hochleistungslasern) Werte von 1010 bis 1013W erreichen. Die hohe elektrische Feldstärke in einem derartigen Laserstrahl hat zur Entdeckung völlig neuartiger physikalischer Effekte bei der Wechselwirkung von Licht mit Materie geführt (nichtlineare Optik). 4)Mit Lasern können ultrakurze, intensive Lichtpulse mit Pulsdauern weniger als 10-14s erzeugt werden.
Anwendungen: Laser finden heute in fast allen Gebieten der Naturwissenschaften und Technik Anwendung (Lasertechnik). Sie werden u.a. zur Materialbearbeitung (Schweißen, Schneiden, Bohren von Metallen u.a.), in der Messtechnik (z.B. zur Längenmessung, für Fluchtungs- und Steueraufgaben), zum Sichtbarmachen von Schwingungen (Vibrometrie, z.B. im Maschinenbau und bei Musikinstrumenten), in der Medizin Laserchirurgie), im Umweltschutz (Spektralanalyse, Lidar) sowie zur optischen Informationsübertragung und -verarbeitung (u.a. für optische Speicher, Laserdrucker, Scanner) eingesetzt. Laser sind wegen der hohen Kohärenz ihrer Strahlung hervorragende Strahlungsquellen für die Holographie. Weitere Anwendungsgebiete sind Mikroskopie, Spektroskopie (Laserspektroskopie), Interferometrie (Laserinterferometrie), Kurzzeitmesstechnik, Flugnavigation, grafische Technik, Lithographie, Photochemie (Laserchemie).
Geschichte: Die Theorie des Lasers geht auf die 1917 von A.Einstein vorausgesagte und 1928 von R.Ladenburg und H.Kopfermann in Gasen untersuchte induzierte Emission zurück. Die Anwendung des Maserprinzips auf Licht schlugen 1958 A.L. Schawlow und C.H. Townes vor, theoretische Grundlagen lieferten auch N.G. Bassow und A.M. Prochorow. T.H. Maiman konstruierte 1960 den ersten Rubinlaser. Den ersten Gaslaser setzten 1961 A.Javan, W.R. Bennett und D.R. Herriott in Betrieb. 1962 wurden die ersten Halbleiterlaser entwickelt, ab 1997 die ersten Atomlaser.
Literatur:
Kneubühl, F.: K. und Sigrist, M.W.: Laser. Stuttgart u.a. 51999.
Donges,A.: Physikalische Grundlagen der Laser-Technik. Heidelberg 22000.
Eichler,J. und Eichler, H.-J.: Laser. Bauformen, Strahlführung, Anwendungen. Berlin u.a. 42001.

 
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