Bionik: Technik nach dem Vorbild der Natur - Junge Wissenschaft

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Jugend forscht 52 Junge Wissenschaft 85 // 2010 Abb. 9: Eigenes holografisches Gitter als Strahlteiler: An dem HOE im Diarähmchen wird der einfallende Laserstrahl zweigeteilt Abb. 10: Strahlführung zur Aufnahme holografischer Spiegel Genau im 30° Aufnahmewinkel entspricht der Abstand Λ zwischen den Strichgitterlinien der Aufnahmewellenlänge. Bei der Benutzung meines Gitters erscheint dieser Abstand Λ jedoch kleiner, da das holografische Gitter nur im 30° Winkel funktioniert. Aus dieser Perspektive sind die Gitterabstände kleiner und die Gitterkonstante größer. Λ · cos(30°) = Λ Bei Benutzung = 0,461μm. Die Gitterkonstante meines Gitters beträgt daher rechnerisch: g = 2170 mm -1 ± 48 mm -1 Dieser Wert scheint mit der tatsächlichen Gitterkonstante der Winkel nach überein zu stimmen. Abb. 8 zeigt meine Gitter als Amplituden- und Phasenhologramm. Die Farbaufspaltung findet am Phasenhologramm noch gleichmäßiger und mit höherem Wirkungsgrad statt, wegen der großen Helligkeit ist sie jedoch schwer zu fotografieren. Die Farben werden auf Grund der großen Gitterkonstante weit von einander getrennt. 6.3.2 Ein neuartiger Strahlteiler Um einen Strahlteiler als Transmissionshologramm zu entwickeln, nahm ich ein Gitter auf, welches wegen der großen Gitterkonstante und dem Winkel des Films im Rekonstruktionsstrahl (30°), als Strahlteiler nutzbar ist (vgl. 4.5 u. Abb. 9). Bei der erfolgreichen Verwendung von HOE muss man sich von den gewohnten Winkelbeziehungen und Strahlengängen lösen. Mein Gitter funktioniert einwandfrei als Strahlteiler und erspart mir in meinem Versuchsaufbau (6.6) gleichzeitig einen zusätzlichen Umlenkspiegel. Für die Messungen am Strahlteiler ergab sich für das Phasenhologramm- Gitter eine Intensitätsaufteilung von 850 ±10 μW (46,2%) (0. Beugungsordnung) zu 990 ±10 μW (53,8%) (1.Beugungsordnung, abgelenkter Strahl). Damit ist der gebeugte Teil intensiver als der gerade durchgelassene. Die Beugungseffizienz liegt tatsächlich über 50%. Von der Gesamtintensität des auf das Gitter treffenden Strahls (2,95 mW) wurden 62,4% durchgelassen und fast zu gleichen Teilen geteilt. Für das Amplitudenhologramm-Gitter ergab sich eine wesentlich schlechtere Intensitätsaufteilung von 230 ±10 μW (88,5%) (0. Beugungsordnung) zu 30 ±10 μW (11,5%) (1.Beugungsordnung). Die Beugungseffizienz des Amplitudenhologramms ist also extrem gering. Außerdem wird der Hauptteil der Strahlintensität des auftreffenden Strahls vom Silbergitter absorbiert (91,2%). Es gelangen nur 8,8% der Intensität durch das Gitter.
Jugend forscht Abb. 11: Versuchsaufbau aus eigenen HOE zur Aufnahme von Bildebenenhologrammen H-Linse: eigene holografische Linse f = 22mm; H-Strahlteiler: eigener holografischer Strahlteiler (Gitter: Teilwinkel 60°); Film: Holografiefilm, in Diarähmchen geklemmt, grünempfindlich; H-Master: eigenes Masterhologramm, projiziert das Objekt auf den Film 6.4 Erzeugung eines Spiegels Ein HOE, welches auch jetzt schon in einigen Bereichen Anwendung findet, ist der holografische Spiegel (vgl. 4.6). Dieser ist ein Reflexionshologramm. Mit dem Aufbau (Abb. 10) wurden Spiegel mit geringer einfarbiger (grüner) Reflexionswirkung hergestellt. Die von mir verwendeten Filme sind zu dünn, um gute Spiegel herzustellen. Mit ca. 50μm dicken Fotopolymeren kann man jedoch Reflexionswirkungen nahe 100% erreichen. Mein fertiger holografischer Spiegel reflektiert das einfallende grüne Licht im 45° Winkel. Andersfarbiges Licht wird fast vollständig durchgelassen. Eine Spieglung, bei der der Einfallswinkel nicht dem Ausfallswinkel gleicht, ist mit Metallspiegeln nicht möglich. 6.5 Kombinationen holografischer Elemente HOE zeichnen sich besonders dadurch aus, dass sie verschiedene optische Funktionen in einem Element vereinen und somit Platz und Material sparen können. Um die Kombinationsmöglichkeiten von HOE zu prüfen, stellte ich Linse-Spiegel und Gitter-Spiegel Kombinationselemente her. Sie erfüllen auf Grund der geringen Dicken meiner Filme nicht die Standards meiner anderen Elemente und sind somit nicht weiterverwendbar. Ihre Funktionsfähigkeit ist jedoch deutlich an den Effekten zu erkennen, die sich bei Betrachtung mit einer Weißlichtlampe ergeben. Um die Aufnahme der beiden Elemente ökonomisch zu gestalten, nahm ich die Elemente als DW-Hologramme auf (vgl. 3.2), wobei ich einmal eine große Linse und einmal einen vorhandenen Gitterspiegel als Objekt nutzte. 6.6 Versuchsaufbau aus eigenen holografischen Elementen Der Versuchsaufbau soll zeigen, dass meine HOE und Hologramme von so guter Qualität sind, dass man sie erfolgreich weiterverwenden kann. Gleichzeitig soll gezeigt werden, dass Hologramme vielseitig klassische Materialien ersetzen können und dass damit auch andere oder verbesserte Eigenschaften hervorgerufen werden können. In dem Aufbau (Abb. 11) wurden daher einige verschiedenartige Dinge durch Hologramme ersetzt. Der Strahl wurde mit meiner holografischen Linse fokussiert und mit meinem Gitter geteilt. Die ersetzten Elemente (Linsen und Doppelprismen/ beschichtete Strahlteiler) sind zwei grundlegend verschiedene Dinge. Der Spiegel, mit dem der Referenzstrahl gefaltet wurde, wurde nicht ersetzt, weil der eigene holografische Spiegel keine ausreichende Reflexionswirkung aufweist. Dafür wurde im Objektstrahl das abzubildende Objekt selbst ersetzt. Ein dünnes Masterhologramm nimmt dessen Platz ein und bietet einen sonst unmöglichen Vorteil: Das Objekt wird mitten im Aufnahmefilm abgebildet. Komponenten wie Justierspiegel oder Shutter, die im Aufbau nur eine Nebenrolle spielen, wurden nicht ersetzt, weil sie keine wissenschaftliche Rolle spielen. Das mit dem in Abb. 11 gezeigten Aufbau aufgenommene Hologramm zeigt das Objekt deutlich. Der Nachweis ist geglückt und zeigt eine gute Qualität meiner Hologramme und die vielseitige Einsatzfähigkeit von Hologrammen allgemein. Die Ergebnisse waren jedoch nur befriedigend, da das Objekt ungünstig gewählt war und sich einige technische Schwierigkeiten ergaben (vgl. 7 Diskussion der HOE und meiner Ergebnisse). Das Objekt des Masterhologramms, ein offenes Muschelhaus, ist auf Grund der großen Schattenwürfe nur an den markantesten Stellen und nicht bis auf den Grund des Gehäuses zu sehen. Auf dem Hologramm des Versuchsaufbaus summieren sich die Fehler der HOE und Störungen, die etwa durch die abweichenden Eigenschaften des Referenzstrahls im Vergleich zur Aufnahme der HOE entstehen. Dennoch ist das Objekt klar auf dem neuen Hologramm zu erkennen. 6.7 Mögliche Erweiterungen des Versuchsaufbaus Nahezu alle Elemente eines optischen Aufbaus könnten durch Hologramme und Filme ersetzt werden. Man muss jedoch immer abwägen, in wie fern der Einsatz des alternativen Materials auch wissenschaftlich gerechtfertigt ist. Anstelle eines herkömmlichen Raumfilters einen einheitlich belichteten Film mit einem kleinen Loch zu benutzen ist nicht sinnvoll. Ein Objekt gegen einen flachen Film einzutauschen kann dagegen einen wesentlichen Vorteil bedeuten. Eine schöne Erweiterung des Aufbaus wäre ein holografischer Ersatz für den Spiegel im Referenzstrahlengang. 53 Young Researcher
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