UNIVERSITÄT REGENSBURG MAI 2006 FACHBEREICH PHYSIK HOLOGRAFIE (h) Anleitung zum Fortgeschrittenen-Praktikum Dennis Gabor entwickelte 1948 die Grundlagen der heutigen Holografie. Er schlug vor, kohärente Wellenfelder unter Ausnutzung von Interferenzerscheinungen amplituden- und phasengetreu zu registrieren und später durch Beugung zurückzugewinnen. Zur optimalen Umsetzung dieser Idee fehlte jedoch die ideale Lichtquelle, der Laser. Anfang der 60er Jahre, kurz nach dessen Entdeckung, erlebte die bis dahin etwas in Vergessenheit geratene Technik der Holografie einen enormen Aufschwung. Heute zählt die Holografie wohl zu einem der interessantesten Zweige der modernen Optik. Mit ihrer Hilfe können verschiedenartige Messverfahren in eleganter Weise durchgeführt werden, die ohne Holografie unmöglich wären. Im Rahmen dieses Praktikums soll nun versucht werden, in das Gebiet der Holografie und deren Anwendungen einzuführen. ACHTUNG! In diesem Versuch wird ein Laser der Klasse 3B verwendet. Laser der Klasse 3B haben Strahlungsleistung von 5 bis 500 Milliwatt. Ein direkter Blick in den Laserstrahl kann gefährlich sein. In der Nähe des Laserstrahlaustritts ist es immer gefährlich. Warnhinweis: LASERSTRAHLUNG - NICHT DEM STRAHL AUSSETZEN - LASER KLASSE 3B
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UNIVERSITÄT REGENSBURG MAI 2006
FACHBEREICH PHYSIK
HOLOGRAFIE (h)
Anleitung zum Fortgeschrittenen-Praktikum
Dennis Gabor entwickelte 1948 die Grundlagen der heutigen Holografie. Er schlug vor, kohärente
Wellenfelder unter Ausnutzung von Interferenzerscheinungen amplituden- und phasengetreu zu
registrieren und später durch Beugung zurückzugewinnen. Zur optimalen Umsetzung dieser Idee fehlte
jedoch die ideale Lichtquelle, der Laser.
Anfang der 60er Jahre, kurz nach dessen Entdeckung, erlebte die bis dahin etwas in Vergessenheit
geratene Technik der Holografie einen enormen Aufschwung. Heute zählt die Holografie wohl zu
einem der interessantesten Zweige der modernen Optik. Mit ihrer Hilfe können verschiedenartige
Messverfahren in eleganter Weise durchgeführt werden, die ohne Holografie unmöglich wären.
Im Rahmen dieses Praktikums soll nun versucht werden, in das Gebiet der Holografie und deren
Anwendungen einzuführen.
ACHTUNG!
In diesem Versuch wird ein Laser der Klasse 3B
verwendet.
Laser der Klasse 3B haben Strahlungsleistung von 5 bis 500 Milliwatt. Ein direkter Blick in den Laserstrahl kann gefährlich sein. In der Nähe des Laserstrahlaustritts ist es immer gefährlich. Warnhinweis: LASERSTRAHLUNG - NICHT DEM
STRAHL AUSSETZEN - LASER KLASSE 3B
Hinweise zur Vorbereitung auf das F-Praktikum Holografie Liebe Studentinnen und Studenten, Der Versuch Holografie ist bei den Studenten sehr beliebt - wohl auch, weil er nicht, wie viele andere Versuche, mit zeitraubenden Messreihen, Auswertungen und Fehlerrechnungen einhergeht. Dies verleitet immer wieder Praktikumsgruppen dazu, den Versuch als reine Spaßveranstaltung anzusehen, was nicht selten zu einer völlig ungenügenden Vorbereitung führt. Daher möchten wir, die Betreuer des F-Praktikums, Sie an dieser Stelle explizit auf den
Umfang des Stoffes hinweisen, den Sie zur Vorbesprechung beherrschen müssen:
• Grundlagen der Optik, Abbildungen mit Linsen, Bragg-Reflexion, Brewsterwinkel • Definition und Bedeutung der Fouriertransformation, Fouriertransformation einer
Rechteckfunktion • Versuchsaufbau zur optischen Fouriertransformation • Eigenschaften von Licht, Kohärenz, Grundlagen des HeNe-Lasers • Prinzip der Holografie, Erklärung der Begriffe Weißlichtholografie,
Transmissionsholografie, Amplituden- und Phasenhologramm • Versuchsaufbauten zur Weißlichtholografie und zur Transmissionsholografie
Die Aufgaben zur Vorbereitung sind schon für die Vorbesprechung vorzubereiten. Außerdem sollte die gesamte Versuchsanleitung durchgearbeitet werden. Eine unzureichende Vorbereitung wird - nicht zuletzt auch aus Sicherheitsgründen - nicht toleriert. Die Betreuer des F-Praktikums wünschen Ihnen viel Erfolg bei der Durchführung des Praktikums. Hinweis zur Durchführung:
In diesem Versuch gibt es nicht sehr viel quantitativ auszuwerten. Man hat aber die Möglichkeit, einzelne Versuchsteile selbständig zu planen, aufzubauen, durchzuführen und das Ergebnis zu bewerten. Damit das nachvollziehbar wird, ist es wichtig, bereits während des Experimentierens mitzuschreiben. Es soll ein Protokoll entstehen, das alle wichtigen Daten, Skizzen usw. im Stil eines Laborbuchs enthält. Auch die Vorbereitung und die Diskussion Eurer Beobachtungen und Ergebnisse wären in einem solchen Laborbuch gut aufgehoben. Eure Arbeit und Eure Ergebnisse sollten anhand des Protokolls reproduzierbar sein! Während der Versuche werden mit einer digitalen Spiegelreflexkamera die beobachteten Bilder aufgenommen, die einen Teil Eurer Ergebnisse darstellen. Die Bedienelemente der Kamera werden im Kapitel 7 erklärt.
Inhalt:
1. Aufgaben zur Vorbereitung
2. Quellen der Filme für das Weißlicht-Hologramm
3. Fourieroptik und Ortsfrequenzfilterung
4. Holografie - Allgemeines
5. Fresnel-Holografie
6. Weißlicht-Holografie
7. Bedienelemente der Spiegelreflexkamera
8. Verwendete Chemikalien, Gefahrenhinweise
9. Sicherheitsbelehrung
Literatur:
G. Groh: Holographie UH 5700 G874
H. Lenk: Holographie UH 5700 L566
Bergmann-Schäfer: Band III UC 143 B499
J. Cowley: Diffraction Physics UH 5300 C875
G. Stroke: An Introduction to Coherent Optics and Holography UH 5000 S921
J. Goodman: Introduction to Fourier Optics UH 5000 G653 I6
H. Caulfield: Handbook of Optical Holography UH 5700 C372
W. Stößel: Fourieroptik UH 5400 S872
J. Eichler: Holographie UH 5450 E34
G. Saxby: Practical Holography UH 5450 S272
Groh gibt eine gute Einführung. Weiterführende Literatur ist an den
Standorten UH 5700 und UH 5450 zu finden.
Lernziele:
• Physikalische Grundlagen bei der holografischen Abbildung (Interferenz, Kohärenz, Beugung)
• Prinzip der optischen Informationsspeicherung mittels Holografie (z.B. formale Darstellung der
Rekonstruktion der ’Bildwellen’)
• Prinzip und Funktionsweise eines Lasers (z.B. Kohärenzlänge)
• Einführung in die Fouriertransformation
• Einführung in die optische Informationsverarbeitung
• Anwendungsmöglichkeiten der Holografie
1. Aufgaben zur Vorbereitung
1. Was ist eine Fouriertransformation? Was ist eine Fourierreihe? Wie werden sie berechnet?
2. Wie lautet die Fourierreihe für eine Rechteck- und eine Dreieckfunktion?
≤<
≤<−−=101
011)(:Re
xfür
xfürxfchteck
≤≤−
≤≤−
−≤≤−+−
=
15,0)1(2
5,05,02
5,01)1(2
)(:
xfürx
xfürx
xfürx
xfDreieck
(Die Funktionen setzen sich natürlich periodisch fort)
3. Beschreibe den Aufbau und die Funktionsweise eines HeNe-Lasers. Wie muss der Laser
aufgebaut sein, damit sein Strahl linear polarisiert ist?
4. Wie groß sind typische Kohärenzlängen eines HeNe-Lasers, wovon hängt die Kohärenzlänge ab?
5. Wie entsteht das Bragg-Gitter in einem Weißlicht-Hologramm?
6. Nenne die Formel für die Bragg-Beugung!
7. Unter welchem Winkel wird bei einem Weißlichthologramm mit einem Abstand der Bragg-
Ebenen von 630nm Licht der Wellenlänge 500nm reflektiert?
8. Worin unterscheiden sich Amplituden- und Phasenhologramme? Welche Vorteile hat das
Phasenhologramm?
9. Beschreibe kurz die chemischen Vorgänge bei der Entwicklung eines normalen SW-Films!
10. Welche Anforderungen muss ein Objekt erfüllen, wenn es holografiert werden soll?
11. Was ist beim Aufbau zur Rekonstruktion des virtuellen Bildes eines Transmissionshologrammes
zu ändern, um ein reelles Bild zu erhalten?
12. Welche Eigenschaften muss eine Lichtquelle erfüllen, um bestmöglich zur Rekonstruktion eines
Weißlichthologrammes geeignet zu sein?
13. Skizziere den Versuchsaufbau für ein Denisyuk-Hologramm!
14. Welchen Einfluss hat die Blendenzahl des Objektivs bei der Aufnahme eines Fotos? Welche
Blende ist für das Abfotografieren eines Hologramms sinnvoll?
2. Quellen der Filme für das Weißlicht-Hologramm
(siehe auch die Hinweise zum Film weiter unten!)
Die Weißlichthologramme sollen statt ihrer durch den HeNe-Laser vorgegebenen Farbe ‚rot’ in einem
‚gelb-grün’ erscheinen. Diese Farbe wirkt für das Auge wesentlich heller.
Dazu werden zwei Filme für jeweils mind. 2 Minuten in eine Lösung von 3% Triethanolamin gelegt
und anschließend mit Papiertüchern und einem Fön getrocknet. Die beiden Filme werden anschließend
in einer lichtichten Box aufbewahrt und können dort bis zu ihrer Verwendung vollständig trocknen.
3. Fourieroptik und Ortsfrequenzfilterung
Hierzu wird ein optischer Aufbau verwendet, mit dem sich sowohl die Fouriertransformierte einer
zweidimensionalen Signalfunktion beobachten lässt, als auch die Rücktransformierte, evtl. mit
Filterung (vgl. Abbildung 1).
Abbildung 1: Anordnung zur Fouriertransformation und zum optischen Filtern.
Damit können grundlegende Versuche zu diesem Thema durchgeführt werden:
• Beobachtung der Fouriertransformierten (Zusammenhänge Signal ↔ Transformierte ?)
• Hoch- und Tiefpassfilterung
• Richtungsfilterung, Kombination mit Hochpass
Wichtig ist, den Versuchsaufbau Schritt für Schritt zu vervollständigen, da eine Justierung der
optischen Komponenten sonst nicht möglich ist. Die Komponenten sind dann richtig platziert, wenn
Polfilter
ACHTUNG! Sämtliche Arbeiten mit Holografie-Filmen dürfen nur bei
Dunkelkammerbeleuchtung durchgeführt werden!
sie ihren Zweck erfüllen, also z.B. wenn die erste Linse ein paralleles Lichtbündel erzeugt, der Filter
auch wirklich an der Position der Fouriertransformierten steht etc.
Der Strahlteiler bleibt für diesen Versuchsteil zur Reduzierung der Intensitäteingesetzt, der nicht
benötigte Strahlt wird mit einer Blende blockiert.
Mit der Spiegelreflexkamera (Modus „M“, ohne Objektiv, aber mit 50%-Filter!) werden nun für 3
verschiedene Objekte folgende Aufnahmen gemacht:
Je ein Bild der Fouriertransformierten und des ungefilterten Objekts sowie für 4 verschiedene Filter pro
Objekt jeweils das gefilterte Bild.
Das Positionieren der Kamera zur exakten Scharfstellung erfolgt bei einer für die Augen nicht zu
hellen Einstellung des Polarisationsfilters, also etwa bei 70-80°.
Die Belichtungszeit beträgt ca. 1/60 s – 1/200 s, sie wird mit dem Wahlrad eingestellt.
4.Holografie – Allgemeines
Film
Das verwendete Aufnahmematerial ist eine hochauflösende lichtempfindliche Emulsion, welche auf
eine Kunststoff-Substrat aufgebracht ist. Beim Trocknen schrumpft diese Schicht leicht, so dass sich
der Film krümmt. Anhand dieser Krümmung lässt sich (bei trockenem Film) leicht die sensitive Seite
CAS-Nr.: 7778-50-9 Gefahrenklasse: T+ (sehr giftig), N (umweltgefährlich), stark wassergefährdend, brandfördernd
Schwefelsäure, 42SOH
CAS-Nr.: 7664-93-9 Gefahrenklasse: C (ätzend) Für alle Chemikalien:
9. Praktikum Holografie - Sicherheitshinweise Im Holografielabor wird neben einer Vielzahl teilweise gefährlicher Chemikalien auch ein Laser der Klasse 3B verwendet. Sowohl der Laser als auch die Chemikalien können bei unsachgemäßer Handhabung eine Gefahr für Sie selbst und andere im Labor befindliche Personen darstellen. 1. Laser
Warnhinweis: LASERSTRAHLUNG - NICHT DEM STRAHL AUSSETZEN - LASER KLASSE 3B 1.1. Laser der Klasse 3B geben im Dauerstrichbetrieb höchstens 0,5 Watt Leistung ab. Der direkte Blick in den Strahl oder in eine spiegelnde oder diffuse Reflexion kann auch schon bei kurzen Einwirkungszeiten zu dauerhaften Augenschäden führen. 1.2. Ein Kontakt des unaufgeweiteten Laserstrahles mit der Haut ist zu vermeiden. Vor Inbetriebnahme des Lasers ist es erforderlich, alle reflektierenden Gegenstände (Uhren, Schmuck) von Armen und Händen zu entfernen. 2. Umgang mit Chemikalien, Schutzkleidung
2.1. Viele der verwendeten Chemikalien sind giftig, brennbar, ätzend, etc. (siehe Gefahrenhinweise) Daher müssen im Holografielabor geeignete Handschuhe, eine Schutzbrille und ein Kittel bzw. eine Schürze getragen werden. 2.2. Ein Film darf nur mit einer Zange in die entsprechenden Bäder gelegt oder aus diesen entnommen werden. Jede Zange darf nur in einem Bad benutzt werden. Auch ein Kontakt der Chemikalien mit den Handschuhen ist zu vermeiden. Besondere Vorsicht ist im Umgang mit dem Bleichbad (Kaliumdichromat) geboten! 2.3. Die Chemikalien dürfen keinesfalls in den Ausguss entsorgt werden. 2.5. Ein fertiges Hologramm kann trotz ausreichender Wässerung noch geringe Spuren giftiger Chemikalien enthalten. Das Hologramm deshalb von Lebensmitteln und Kindern fernhalten. 2.6. Nach dem Versuch unbedingt die Hände waschen. Im Holografielabor ist Essen und Trinken verboten.