Bionik: Technik nach dem Vorbild der Natur - Junge Wissenschaft

Jugend forscht
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Junge Wissenschaft 85 // 2010
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.