Bionik: Technik nach dem Vorbild der Natur - Junge Wissenschaft

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Jugend forscht 48 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.
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-
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