Bionik: Technik nach dem Vorbild der Natur - Junge Wissenschaft

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Jugend forscht 54 Junge Wissenschaft 85 // 2010 Die Verwendung von HOE ist besonders interessant, wenn ihr Platz nicht durch herkömmliche Elemente gefüllt werden kann. Eine solche Verwendung findet in meinem Aufbau abgesehen vom Masterhologramm nicht statt. Bei der Aufweitung des Strahls mit meiner holografischen Linse kam es zu einer inhomogenen Intensitätsverteilung, weil auf herkömmliche Komponenten verzichtet wurde, die den Rekonstruktionsstrahl dem Aufnahmestrahl der Linse ähnlicher gemacht hätten. Diese Komponenten müssten für bessere Ergebnisse eingebunden werden oder die Linse müsste für die exakten Bedingungen im Aufbau hergestellt werden. Idealerweise sollte der Linsenbrennpunkt dezentral sein, da dann die 0. Beugungsordnung nicht weiter mitgeführt werden muss (vgl. 7). Bei HOE ist es möglich, verschiedene Komponenten zu kombinieren. Die Linse könnte zwei Brennpunkte haben und somit gleich die Funktion des Strahlteilers übernehmen. 7 Diskussion der HOE und meiner Ergebnisse Ich bin nach Durchführung meiner Experimente und der anschließenden Auswertung zu folgendem Schluss gekommen: Unter einfachen Laborbedingungen kann man hervorragende Hologramme aller möglichen Typen herstellen. „Küchentischhologramme“, die man in Schulen oder zu Hause auf selbstgebauten möglichst schwingungsarmen Tischen aufnehmen kann, haben leider meist nur schlechte Qualitäten, aber sie funktionieren und weisen beeindruckende Effekte auf. Auch mit einem schwachen Laser können gute, aber nur einfache und sehr kleine Hologramme mit geringer Tiefenschärfe hergestellt werden. Problematisch ist nach meinen Erkenntnissen die Aufnahme von größeren Hologrammen. Die Belichtungszeit überschreitet hier kritische Werte. Der Strahl kann nicht beliebig aufgeweitet werden, weil dann die Intensität (Leistung pro Fläche, W/cm²) auch ohne Raumfilter rapide abfällt. Meine hergestellten HOE zeigen deutlich alle aus der Literatur zu erwartenden, außergewöhnlichen Effekte. Obwohl ich viele Fehlerquellen noch nicht ausschließen konnte, sind die HOE von sehr guter Qualität, so dass sie weiterverwendet werden können. Im Gegensatz zu den meisten darstellenden Hologrammen werden für die Herstellung von HOE mit guten optischen Eigenschaften komplizierte Aufbauten und starke Laser benötigt, da die Aufnahme dieser nur dann sinnvoll ist, wenn die Ergebnisse bzw. die HOE verwendet werden können. Ein Raumfilter und ein möglichst guter Strahlteiler, der kaum Interferenzen im Stahl verursacht, sollten im Aufbau enthalten sein. Der starke Laser wird benötigt, um trotz des Intensitätsabfalls im Aufbau kurze Belichtungszeiten zu gewährleisten. Bei der Verwendung von HOE muss man beachten, dass sich die Effekte nur unter festen Randbedingungen erzielen lassen, die für die Rekonstruktion der Hologramme vorgegeben sind. Eine universelle Verwendung vergleichbar zu herkömmlichen optischen Elementen ist nicht möglich. Die HOE sind so spezifisch, dass sie für jeden Verwendungszweck spezifisch hergestellt werden müssen und nur für diesen verwendbar sind, bzw. unter leicht veränderten Bedingungen keine guten Effekte erzielen. Beispielsweise war der gebündelte und nur leicht divergente Strahl, der im Versuchsaufbau (vgl.6.6) auf meine holografische Linse traf, dem Referenzstrahl der Aufnahme offensichtlich bereits so unähnlich, dass der durch die Linse aufgeweitete Strahl keine homogene Lichtverteilung aufwies, sondern aus vielen kleinen Flecken bestand. Bei der Verwendung von HOE müssen immer auch andere, eventuell unerwünschte Beugungsordnungen berücksichtigt werden. Die von mir hergestellten optischen Linsen wurden so aufgenommen, dass sie in ihrer Wirkung für Demonstrationszwecke mit herkömmlichen Linsen vergleichbar sind. Objektstrahl und Referenzstrahl wurden dazu bei der Aufnahme vor dem Film wieder zusammengeführt. Bei der praktisch technischen Verwendung bieten sich aber Linsen mit dezentralem Brennpunkt an, da die 0.Beugungsordnung dann nicht mehr weiter im Strahlengang mitgeführt werden muss. Mein Gitter, welches im Versuchsaufbau als Strahlteiler verwendet wurde, befand sich zu nahe am Brennpunkt der Linse und dunkelte an der kleinen Stelle stark nach. Die Nachdunklung ist auf das Vorhandensein der Silberhalogenide an den unbelichteten Stellen des Films zurückzuführen. Für Anwendungen mit starker Lichtbündelung bietet sich daher ein Bleichverfahren mit Fixierung an. Die Beugungseffizienz nimmt dabei zwar ab, die Filme können aber nicht nachdunkeln. Als Filmmaterial für HOE empfehlen sich aus meiner Erfahrung heraus Fotopolymere. Diese müssen nicht chemisch entwickelt werden und sind nur als Phasenhologramme verwendbar. In dieser Funktion haben sie jedoch sehr gute Eigenschaften. Fotopolymere sind robust und haben eine hohe Beugungseffizienz, sind aber teuer. Heute ist es möglich, computergenerierte Hologramme (CGH) herzustellen. Sie sind, wie der Name schon sagt, errechnete und übertragene Transmissionshologramme. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, diese Muster zu übertragen. Die Üblichsten sind Lithografien mit Lasern, Verkleinerungen und Ätzungen. Diese Hologramme sind besonders geeignet für HOE, da sie perfekt, also frei von störenden Interferenzbildern sind. Die Herstellung guter CGH ist jedoch nur mit spezieller Ausrüstung möglich. Die Vielzahl der technischen Verwendungsmöglichkeiten von HOE ist überraschend und es erschließen sich Verwendungsmöglichkeiten, die mit herkömmlichen optischen Elementen nicht ausfüllbar sind. Deshalb und wegen der guten Herstellungsmöglichkeiten bin ich überzeugt, dass die Verwendung von HOE in unserem Lebensumfeld rapide zunehmen wird. 8 Zusammenfassung Mit eigenständiger Arbeit konnte ich Verfahren zur Herstellung von HOE sowie deren Qualität verbessern. Hier ein kurzer Überblick über die wichtigsten Ansätze und Entwürfe: Man kann optische Elemente direkt einsetzen, um mit ihren Effekten Objekte für die Herstellung von HOE zu ersetzen. Die verwendeten Elemente selbst werden nicht objektartig abgebildet, solange sich keine zusätzlichen objektartigen Gegenstände im Bild befinden. Die
Jugend forscht viel Intensität verloren und die erstellten HOE sind von den Gitterabständen nur für geringe Frequenzbereiche verwendbar. Spätestens unter Berücksichtigung dieser Punkte ist es möglich, gute HOE auch unter einfachen Laborbedingungen herzustellen. HOE werden bis jetzt nur professionell für die technische Anwendung produziert, da die Herstellung von HOE kompliziert ist. In dieser Arbeit habe ich gezeigt, dass einfache Umsetzungen auch zu sehr guten Ergebnissen führen können. Die Herstellung Holografisch- Optischer-Elemente ist damit auch mit guten Hobbyausrüstungen möglich. 55 Young Researcher Holographischer Spiegel Herstellung holografischer Linsen gelingt daher besonders gut, wenn man einen Brennpunkt als ideales Punktobjekt benutzt. Ich habe alternative Strahlteiler aus holografischen Gittern mit sehr großen Gitterkonstanten konstruiert. Für einige Materialen und Strahlengänge bietet dieses Verfahren wesentliche Vorteile. Die Gitter müssen holografisch hergestellt werden, da diese schräg in den Strahl gestellt werden können, um die -1. Beugungsordnung zu unterdrücken. Außerdem haben sie auf Grund ihres Kosinuscharakters die nötige Beugungseffizienz. Reflektionen an den beiden Seiten von Glasscheiben sind als Ansatz für holografische Aufbauten nicht geeignet, um einen Strahlteiler zu ersetzten. Es geht zu Danksagung Diese Arbeit wäre nicht möglich gewesen, wenn mich nicht viele großartige Menschen auf verschiedenartige Weise unterstützt hätten. Einige dieser Menschen, denen ich an dieser Stelle danken möchte sind: Herr PD. Dr. H.-D. Kronfeld (TUB) (Chancen, Räumlichkeiten und Geräte über lange Zeit), Frau Prof. Dr. Orlic (TUB) und die OptTech Gruppe (vor allem Dipl.-Phys. C. Müller, Dipl.-Phys. E. Dietz und Dipl. Phys. S. Frohman) (Plakate, Räumlichkeiten und Geräte) und der Verein der Freunde des Kant- Gymnasiums (Teilfinanzierung). Literatur: [1] AFGA (ehem. Hersteller), Heft zu den Filmen: Technische Information, NDT/Holografie [2] Buch, Franziska: Holografie (BLL: Holografie allgemein und in der Kunst). Berlin, 01.2007 [3] Brückner, Claudia: Holografisch-Optische Bauelemente – Vertiefungspraktikum technische Optik. Ilmenau 2003 [4] Heiß, Peter: Die neue Holografie-Fibel, Optische und Computer-Hologramme verstehen und selber machen. 4., stark erweiterte Auflage; Hückelhoven: Wittig Fachbuchverlag 1995. [5] GEOLA-: Emulsions for holography, technical product specifications and sales information brochure, January 2001 [6] Meyer, Michael: Einführung in die Holographie - Beschreibung der Anfertigung von einfachen Hologrammen. Fach arbeit in Physik am Theresien-Gymnasium Ansbach, 1997 [7] Ostrowski, Ju.I.; Osten, W.: Holografie - Grundlagen, Experimente und Anwendungen. Band 19; Deutsch Taschenbü cher; 2. Auflage, Frankfurt/ Main: Verlag Harri Deutsch, 1988 [8] Treiber, Hanskarl ; Treiber, Martin: Holografie, Lasertechnik 2; Band 2; Stuttgart: Frech-Verlag, 1987. [9] Stuhm, Silvia; G+B pronova GmbH zeigt Möglichkeiten durch moderne Lichtarchitektur Energiekosten zu senken (Pressemitteilung) Bergisch Gladbach, 20.01.2006 [10] Unterseher, Fred; Hansen, J. ; Schlesinger, Bob: Handbuch der Holografie, Wie mache ich Hologramme selber?. Mün chen: Frankfurt: Popa Verlag, 1991. [11] Windmann, Antje (OMB 4) ; Yanenko, Olga (OMB 4) Holografie Anwendungen, HS Furtwangen SS 2006 [12] Zec, Peter: Holografie, Geschichte, Technik, Kunst; Köln; Du Mont Buchverlag, 1987. [13] Lexikon der Optik, Berlin: Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg, 2003 [14] http://www.geola.lt/holomaterials_world_eshop.htm (03.01.2008) [15] http://www.holografie-online.de/ (03.01.2008) [16] Httb://www.eugwiss.hdk-berlin.de/schmid/diss/A.III.3.html
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