Bionik: Technik nach dem Vorbild der Natur - Junge Wissenschaft

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Jugend forscht 44 Junge Wissenschaft 85 // 2010 Wellenfront Elementarwellen ausgehen. Die „Einhüllende“(-Linie) dieser Elementarwellen bildet die neue Wellenfront. Hiermit kann unter anderem das Phänomen der Beugung/ Diffraktion, also der Ausbreitung von Wellen in Schattenräume hinein, erklärt werden. Bei der Hologrammaufnahme nutzt man Interferenz: Befinden sich zwei Wellen am gleichen Ort, so überlagern sie sich dort, indem sich ihre Phasenvektoren addieren. Im Extremfall löschen sich zwei Wellen an einem Ort aus (Wellenberg trifft auf Wellental – destruktive Interferenz) oder verstärken sich (maximal, wenn Wellenberge oder Wellentäler aufeinander treffen – konstruktive Interferenz). Damit Interferenz entsteht, benötigt man kohärente Strahlung. Der Laser bietet diese Strahlung. Aus ihm tritt ein monochromatisches, also einfarbiges Licht mit nur einer bestimmten Wellenlänge aus, welches intensiv ist und in dem die Lichtwellen im Strahlquerschnitt in der gleichen Schwingungsphase, also kohärent bzw. phasengleich sind. Teilt man einen Laserstrahl und führt ihn an anderer Stelle wieder zusammen, so sind die beiden aufeinander treffenden Teilstrahlen nicht mehr phasengleich, sondern stehen je nach Wegunterschied in einer bestimmten Phasenbeziehung zueinander. Es entsteht ein Interferenzmuster aus hellen und dunklen Stellen, an denen sich die beiden Strahlen verstärken oder auslöschen. Bei der Holografie trifft ein Teilstrahl erst auf das Objekt und anschließend auf den Film. Dieser Strahl wird Objektstrahl genannt. Der andere Teilstrahl trifft direkt auf den Film. Dieser Strahl ist der Referenzstrahl. Man kann die Interferenz dieser beider Teilstrahlen auf einem hochauflösenden Film aufnehmen und erhält so ein Hologramm. Im Hologramm sind die Phasendifferenzen der Lichtwellen dieser beiden Strahlen gespeichert. Bei der Wiederbeleuchtung mit dem Referenzstrahl ist ein Abbild des Objekts zu sehen. Die Wellen des Referenzstrahls treffen auf das Hologramm und werden von diesem gebeugt. Sie interferieren hinter dem Hologramm miteinander. Ihre Amplituden verändern sich und die so entstehenden hellen und dunklen Stellen sind die Bildpunkte des Objektes. Abb. 1: Fresnel’sche Zonenplatte Abb. 2.: Beugung an einer Zonenplatte: Konvexe Wirkung Als Hologramm kann man das Abbild des Objektes oder den Film selbst bezeichnen. 2.1 Das Aufnahmeprinzip Wie schon beschrieben, muss man zwei Strahlen zur Interferenz bringen, um ein Hologramm aufnehmen zu können. Der eine Strahl besteht in der Regel aus dem vom Objekt reflektierten Licht (Objektstrahl). Der zweite Strahl (Referenzstrahl) kommt prinzipiell unverändert, d.h. lediglich aufgeweitet und mit einem Raumfilter (einer mikroskopischen Lochblende im Linsenbrennpunkt) gereinigt und ggf. kollimiert (Fachbegriff für parallelisiert) auf den Film. Dies bringt die genausten Ergebnisse bei der Rekonstruktion. Je nach Lage der Objektpunkte sind die reflektierten Wellen phasenverschoben zum Referenzstrahl und löschen sich mit diesem punktuell aus oder verstärken sich. Als Beispiel für ein Interferenzbild wird das Hologramm eines Punktes betrachtet. Eine von einem Punkt reflektierte Welle ist eine Kugeloder Elementarwelle. Interferiert sie mit den ebenen Wellenfronten des Referenzstrahls, so erhält man ein System aus konzentrischen Kreisen, bei dem die Abstände der Ringe mit dem Radius abnehmen. Man nennt ein derartiges
Jugend forscht 45 Young Researcher Abb. 3.: Beugung an einer Zonenplatte: Konkave Wirkung Hologramm Fresnel’sche Zonenplatte (Abb. 1). Bei einem komplexen Objekt führt die Interferenz bei der Hologrammaufnahme zu einem Muster aus überlagerten Zonenplatten. Das entstehende Interferenzmuster kann von speziellen Filmen aufgefangen werden. 2.2 Hologrammrekonstruktion Transmissionshologramme (vgl. 3.1) eignen sich besonders, um das Prinzip der Rekonstruktion bei Hologrammen zu erklären, weil die dünnen Hologramme ein Verständnis anhand einfacher optischer Prinzipien (vgl. 2) ermöglichen. An dieser Stelle soll daher die Wiederabbildung eines Punktes erläutert werden. Hat man dies verstanden, so hat man die Rekonstruktion aller Objektbilder verstanden, denn abstrakt betrachtet bestehen alle Körper und Muster aus vielen einzelnen Punkten. Bei der Rekonstruktion des Hologrammbildes wird das einfallende parallele Licht des Referenzstrahls an den feinen Ringen der Zonenplatte gebeugt. Die Einhüllenden der entstehenden Elementarwellen bilden zum einen zu einem Punkt (dem Brennpunkt der Zonenplatte) konzentrische Flächen, das gebeugte Licht läuft also wie bei einer Sammellinse zum Brennpunkt hin (Abb. 2). Zum andern beschreiben sie Wellenfronten, die sich kugelförmig vom Film her ausbreiten (Abb. 3). Letzteres erinnert an eine Zerstreuungslinse. Das Hologramm eines Punktes ist also gleichzeitig eine Konvex- und Konkavlinse. Der Brennpunkt rekonstruiert jeweils den ursprünglichen Punkt. Die Rekonstruktion an unendlich vielen überlagerten Fresnel’schen Zonenplatten ergibt ein Abbild des ursprünglichen Objektes. Ausgehend von der Betrachtungsweise bei der Rekonstruktion wird dieser Hologrammtyp (Transmissionshologramm) benannt: Um das Objekt/ den Punkt zu rekonstruieren bzw. zu sehen, muss der Laserstrahl durch das Hologramm durchgeschickt (lat. transmittere) und dann von der dem Laser entgegen gesetzten Seite betrachtet werden. Das Auge nimmt dann die beiden Punkte war: Den virtuellen Punkt, vom Betrachter aus hinter dem Film, und den reellen Punkt, der vor dem Film liegt. Dieser reelle Punkt ist auf einer Mattscheibe abbildbar, da er der Brennpunkt der holografischen Konvexlinse ist. Da gleichzeitig das virtuelle und das reelle Abbild sichtbar sind, erhält man eine doppelte Abbildung. Kommt der Referenzstrahl bei der Aufnahme schräg auf den Film, dann stört die doppelte Abbildung nicht, da die beiden Punkte nicht gleichzeitig zu sehen sind. Das jeweils andere Bild erscheint nun, wenn man das Hologramm umdreht. Das virtuelle Bild ist naturgetreu und nennt sich orthoskopisch. Das reelle Bild eines Nicht-Stufen-Hologramms (vgl. 3.3) wird auch pseudoskopisches Bild genannt, weil es zwar räumlich vor dem Film erscheint, jedoch einer Hohlform des Objektes gleicht. „Die merkwürdigste Eigenschaft des pseudoskopischen Bildes ist es aber, dass bei ihm eine entsprechende Änderung der Blickrichtung zu einer Verdeckung des Vordergrunds durch den Hintergrund führt. Da das menschliche Gehirn mit einer derart paradoxen Information nichts anfangen kann, erscheinen die meisten dieser Bilder dem Beobachter seltsam fl ach zu sein.“ [4]
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