Reversible Holographische Datenspeicherung mit ... - DGZfP

ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Landeswettbewerb Jugend forscht
NIEDERSACHSEN
DEUTSCHE
GESELLSCHAFT FÜR
ZERSTÖRUNGSFREIE
PRÜFUNG E.V.
Reversible Holographische
Datenspeicherung mit
Spiropyranderivaten
Jannes Gladow
Dominik Hangleiter
Michael Noll
Schule:
Ricarda-Huch-Schule
38112 Braunschweig
Jugend forscht 2008

Reversible Holographische
Datenspeicherung mit Spiropyranderivaten
Jannes Gladrow Dominik Hangleiter Michael Noll
Gymnasium Ricarda-Huch-Schule Braunschweig
Betreuender Lehrer: Herr Hannes Meyer
Winter 2007/2008

Zusammenfassung
In unserem Projekt möchten wir mittels Holographie Spiropyranderivate zur optischen Datenspeicherung
verwenden. Die Zusammenführung der positiven Eigenschaften von Holographie
als schnelle und effektive Methode der Datenspeicherung, sowie der Spiropyrane als reversibles
und kostengünstiges Speichermedium soll wiederbeschreibbare, schnell auslesbare Datenspeicher
mit (möglichst) hoher Kapazität liefern. Dazu synthetisieren wir verschiedene Derivate
des Spiropyrans, um deren spektrale Absorption an die uns zur Verfügung stehenden Laser
anzupassen.
Des Weiteren untersuchen wir mit selbst erstellter Software und unserem optischen Aufbau
die Anwendbarkeit der Holographie mithilfe bekannter Medien, um daraufhin diese auf
Spiropyrane zu übertragen, zu charakterisieren und zu optimieren.

INHALTSVERZEICHNIS 1
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis 1
1 Einleitung 2
2 Chemie der Spiropyrane 2
2.1 Photochromie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 Brechungsindexänderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.3 Anpassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3.1 Rotverschiebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3.2 Blauverschiebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3.3 Synthese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3.4 Solvatochromie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3 Datenspeicherung 8
3.1 Konzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3.2 Schreibprogramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.3 Ausleseprogramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.3.1 Konzept des Ausleseprogramms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.3.2 Der Algorithmus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
4 Holographie 11
4.1 Versuchsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4.1.1 Tisch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4.1.2 Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4.1.3 Optik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4.2 Holographiefilme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.3 Spiropyrane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4.3.1 Hologramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4.3.2 Filmpräparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.3.3 Löschkinetik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
5 Schlussfolgerung 17
Literaturverzeichnis 17
Anhang 18
A Sicherheit 18
B Danksagung 18

1 EINLEITUNG 2
1 Einleitung
Komplett unwissend, ob unsere Idee überhaupt durchfürbar oder prinzipiell möglich ist, begannen
wir im Frühjahr 2007 mit der Recherche für unser Projekt. Entstanden ist die Idee aus
einem Projekt an der Hoffman-von-Fallersleben Schule im Rahmen der Initiative Itech 3 über
Datenspeicherung. Zwei Teilthemen dieses Projekts waren Photochromie und Holographie. Mit
unserem Projekt verbinden wir beide Ideen für Datenspeicherung mit hoher theoretischer Kapazität.
Eine Nutzung des Volumens im Gegensatz zur Oberfläche wie bei konventionellen CDs ist
hierfür ausschlaggebend. Des Weiteren ermöglicht das Spiropyran als photochrome Substanz
ein reversibles Schreiben und Löschen des Speichers. Unsere Idee besteht darin, die Holographische
Datenspeicherung optimiert technisch umzusetzen. Dazu gehört die Erstellung eines
digitalen Schreib- und Auslesealgorithmus’, ein Versuchsaufbau für Holographie, sowie eine auf
Berechnungen gestützte chemische Anpassung des Spiropyrans als Medium.
Nach zweimonatiger intensiver Recherche begannen wir damit, die notwendigen Ausrüstung
(Laser, Optik, Chemikalien, Lokalität) zusammenzustellen. Nach dem Anschreiben mehrerer
Unternehmen, erhielten wir von einigen eine positive Rückmeldung, sodass wir im Sommer
2007 mit den Experimenten beginnen konnten. Während des gesamten Projekts haben wir
unseren Aufbau durch eigene Ideen bereichert(Modelleisenbahnsignalshutter, Brennerlinse, Taschenrechnerdisplay).
Das erste Hologramm auf konventionellem Film erhielten wir dann Ende
Oktober 2007. Parallel synthetisierten wir außerdem Spiropyranderivate. Nach der Optimierung
der Holographie als Methode mit konventionellen Medien gingen wir unter Zeitdruck im
Dezember zum Spiropyran als Medium über und es gelang uns Hologramme aufzunehmen und
auszulesen.
Unsere zukünftige Forschung wird sich auf die Optimierung des Ausleseprozesses beim Spiropyran
und die Erhöhung der Speicherkapazität konzentrieren.
2 Chemie der Spiropyrane
Die Spiropyrane konstituieren eine Klasse von Verbindungen, die allgemein folgendermaßen
(Abb. 1) formuliert werden.
Cyclus
N
R 1
R 2
O
Benzopyranteil
R 3
6 R5
R
Abbildung 1: Die Klasse der Spiropyrane
Die beiden Molekülteile sind durch ein sp 3 -hybridisiertes Kohlenstoffatom verbunden, sodass
beide Teile in zwei zueinander orthogonalen Ebenen liegen. Spiropyrane sind photochrome
Substanzen. UV-Irradiation führt über eine 4n+2 1,5-Elektrocyclisierung zu einem Merocyanin
(ME)(s. Abb. 3). Die Reaktion lässt sich über Wärmezufuhr bzw. Bestrahlung mit
R 4

2 CHEMIE DER SPIROPYRANE 3
N O
Summenformel = C 20 H 20 N 2 O 4
Molare Masse = 352.3838
λ max = 600nm
8-Methoxy-6-nitro-1',3',3'-trimethylspiro
[2H-1]-benzopyran-2,2'-indolin
O
NO 2
N O NO 2
Summenformel = C 19 H 18 N 2 O 3
Molare Masse = 322.35782
λ max = 570 nm
6-Nitro-1',3',3'-trimethylspiro[2H-1]-ben
zopyran-2,2'-indolin
Abbildung 2: Die von uns synthetisierten Verbindungen
grünem bis rotem Licht umkehren. Das Merocyanin absorbiert aufgrund des ausgedehnten π-
Elektronensystems, dem Chromophor, im sichtbaren Bereich. Je nach Heterocyclus und Substituenten
liegt das Merocyaninpeak zwischen 500 nm und 650 nm. Es zeigt eine cis-trans-Isomerie
und verfügt jeweils über eine polare, zwitterionische und eine unpolare, quinoidale Grenzformel.
Die Position R2 könnte hier interessant für eine sterische Hinderung der Ringöffnung bzw.
für den Ringschluss sein. Die Positionen R3−6 eignen sich dafür Auxochrome- bzw. Antiauxochromegruppen
einzuführen und dadurch die Absorption zu variieren, da hier sehr bequem von
entsprechend substituierten Edukten ausgegangen werden kann. Die cis-Form entsteht direkt
durch die photochemische Anregung; das Merocyanin ist sehr viel polarer als die geschlossene
Spiropyranform [3]. Aufgrund der aufgehobenen Aromatizität bei der unpolaren Form ist die
polare Form, das Merocyanin begünstigt. Die üblichsten Spiropyrane sind die Trimethylspirobenzopyranindoline
(kurz: BIPS), von denen wir 2 im Rahmen dieser Arbeit synthetisierten
(Abb. 2).
N
R 1
R 2
O
R 6
R 3
R 5
R 4
4n+2 beteiligte π-Elektronen
1,5-Elektrocyclisierung
hν UV
∆ oder hν vis
N
R 1
R 2
N
R 1
O
R 6
R 2
O
R 6
R 3
R 5
R 4
N +
R 1
cis-trans
Abbildung 3: Mechanismus der Ringöffnung: 1,5-Elektrocyclisierung, cis-trans-Isomerie [3]
R 3
R 5
R 4
N +
R 1
R 2
Trans
Cis
R 2
O -
O -
R 6
R 6
R 3
R 5
R 3
R 5
R 4
R 4

2 CHEMIE DER SPIROPYRANE 4
2.1 Photochromie
Photochromie allgemein ist definiert als eine reversible, durch elektromagnetische Strahlung
ausgelöste Umwandlung zweier Isomere ineinander, wobei sich die beiden Stoffe in ihren Absorptionsspektren
unterscheiden (IUPAC)[3]. Die Rückreaktion kann auch thermisch ausgelöst
werden. In unserem Fall ist die bei Normalbedingungen vorliegende Form, das BIPS, farblos.
Das entsprechende Merocyanin erscheint blau bis violett. Die Farbigkeit schwindet mit der Zeit,
durch die thermische Relaxation hin zum BIPS - einen dauerhaften Speicher bei Zimmertemperatur
kann unser Spiropyran also nicht darstellen. Problematisch war in diesem Zusammenhang
die oft sehr hohe Raumtemperatur in unserem Labor. Ein weiteres Problem ist die so gennante
photochemische fatigue, eine durch homolytischen Bindungsbruch der C-O-Bindung und anschließenden
Zerfall in radikalische Fraktionen des Spiropyrans hervorgerufene Abnahme der
Färbbarkeit [3].
2.2 Brechungsindexänderung
Um Vorhersagen für die Beugungseffizienz bei den Wellenlängen der Laser bei vorhandenen
Spektren zu machen, führten wir die folgenden Berechnungen zur Brechungsindexänderung bei
Beschreibung des Spiropyrans durch. Bei dieser Berechnung nutzten wir aus, dass die Absorption
und der Brechungsindex eines Stoffes durch eine komplexe Funktion verknüpft sind. Der
imaginäre Brechungsindex kann zur realen Absorption mit der Kramers-Kronig-Relation
berechnet werden, die für alle meromorphen Funktionen Real- und Imaginärteil verknüpft [4].
Die Kramers-Kronig-Relation Die Kramers-Kronig-Relation lautet für diesen Spezialfall:
∆n(ω) = c
π P
�∞
0
∆α(Ω)
Ω2 dΩ (1)
− ω2 mit dem Brechungsindex n(ω), der Frequenz Ω bzw. ω und dem Absorptionskoeffizienten α(Ω).
Da uns die Absorption naturgemäß nicht analytisch zur Verfügung stand, näherten wir das
Integral numerisch mit einer Summe aus Einzelabsorptionen wie folgt an:
∆n(ω) ≈ c
∞� ∆α(Ωk)
π k=0 Ω2 ∆Ω (2)
k − ω2
Hierbei ist der Absorptionskoeffizient α definiert und errechenbar aus dem Lambert-Beer’schen
Gesetz für die Transmission T: T = e−αd mit der Filmdicke d. Diese Rechnung konnten wir
nun mit einer einfachen Excel-Tabelle durchführen, indem wir für Frequenzen in Spalten die
Einzelterme aus Gleichung 2 in Zeilen eingetragen summierten. Die resultierende Brechungsindexänderung
∆n im Vergleich zur Absorptionsdifferenz ist in Abb. 4 dargestellt.
Beugungseffizienz Aus der errechneten Brechungsindexänderung lässt sich nun eine Beugungseffizienz
errechnen, da in Analogie zum Photoelastischen Effekt Licht an Brechungsindexmodulationen
gebeugt wird [5]. Die zu verwendende Formel lautet [5]:
ηdiff = sin 2
�
3 �
πn 1
∗ ∆
2λ n2 � �
d
(3)

2 CHEMIE DER SPIROPYRANE 5
Absorptionsdifferenz
Brechungsindexaenderung
2e-01
1e-01
0e+00
4e-04
2e-04
-3e-20
-2e-04
-4e-04
300 400 500 600 700 800
300 400 500 600 700 800
Wellenlaenge [nm]
Abbildung 4: Absorptionsdifferenz (relativ) zwischen unbelichtetem und mit UV-Licht (ca. 370
nm) belichtetem Spiropyrans (oben), sowie die errechnete Brechungsindexänderung (unten)
Die Beugungseffizienz bei 532 nm und einer Brechungsindexänderung von 3.30 ∗ 10 −4 ergibt
sich somit zu 0.15%. Bei 596 nm und einer Brechungsindexänderung von −1.96 ∗ 10 −4 beträgt
die errechnete Beugungseffizienz 0.043%.
2.3 Anpassung
Da wir uns unsere Laserwellenlängen nicht frei wählen konnten, - nicht alle Laser sind holographietauglich
und für Jugend-forscht Projekte zu bekommen - versuchten wir die Spektren der
Farbstoffe durch chemische Veränderungen diesen anzupassen. Denn Holographie mit Spiropyranen
mit nur einem Laser führt, da Spiropyrane nicht fixiert werden können, auf jeden Fall
zu einem mit der Zeit schwächer werdenden Hologramm. Speziell interessierten wir uns für die
Anregungsenergien des Ringschlusses beim Merocyanin, da diese im sichtbaren Bereich liegen
und somit unser Nd:YAG Laser Anteile am Peak (s. Abb. 8) hat. Der Prozess des Ringschlusses
wird durch das Absorptionsmaximum im sichtbaren Bereich angezeigt, dieses galt es also entweder
blau (hypsochrom) oder rot zu verschieben (bathochrom), so dass unser Nd:YAG Laser
entweder möglichst viel oder möglichst gar kein Anteil am ME-Peak mehr hat. Wir gingen dabei
davon aus, dass wir möglicherweise einen He-Ne-Laser oder UV-Laserdioden erhalten, mit
denen sich Holographie betreiben ließe.
Wichtig ist jedoch nicht nur das UV/Vis-Absorptionsspektrum der Substanzen in Polymeren,
sondern auch die Kinetik der Hin- und Rückreaktion, die Färbbarkeit. Ein Substituent
(R �= H) in R2-Position würde diese vermutlich heruntersetzen. Da wir lange nicht wussten,
ob wir umgekehrte Holographie anwenden müssen, konnte es auch nicht egal sein, ob nur die

2 CHEMIE DER SPIROPYRANE 6
Hinreaktion beschleunigt, die Rückreaktion jedoch verlangsamt wird, wie es zum Beispiel durch
die Stabilisierung des Merocyanins durch einen Elektronendonor - z.B. einer Methoxygruppe -
der Fall ist (s. Abschnitt 4.3.3).
2.3.1 Rotverschiebung
Eine Rotverschiebung erreichten wir durch Einführung eines Auxochromen (Methoxygruppe)
im Benzopyranteil des Spiropyrans. Wir synthetisierten das 8-Methoxy-6-nitro-BIPS (SPMeO)
und erzielten eine Rotverschiebung des Absorptionsmaximums von 30 nm in Polystyrol (s. Abb.
7). Interessanterweise beobachteten wir, dass das SPMeO keine so starke Fluoreszenz aufwies
wie das 6-Nitro-BIPS. Die Verbindung ist literaturbekannt [3].
2.3.2 Blauverschiebung
Interessant ist es nun, da wir über einen (schwachen) He-Ne-Laser tatsächlich verfügen, der ein
zerstörungsfreies Auslesen ermöglichen könnte, eine Blauverschiebung des ME-Absorptionsmaximums
im sichtbaren Bereich zu erzielen. Dies erreichen wir durch ,,Beschneidung” des Chromophors,
z.B. indem wir den aromatischen Kern im Indolinteil des Spiropyranes entfernen. Geeignet für
eine ausreichende Blauverschiebung scheint die Klasse der Oxazolin-Spiropyrane (Abb. 5) [3].
Diese Verbindung versuchten wir bereits zu synthetisieren. Ausgehend vom 2,4,4-Trimethyl-
4,5-dihydro-oxazol, welches wir mit 75%iger Ausbeute, durch Umsetzung in siedendem Methyliodid
unter Rückfluss quarternisierten, lässt sich die Verbindung vermutlich mit Pyridin in
siedendem Ethanol unter Rückfluss und Stickstoff darstellen. Unser Quartärsalz konnten wir
ausgezeichnet aus Aceton umkristallisieren. Das Pyridin dient in der Synthese zur Gewinnung
der Base aus dem Quartärsalz. Die erhaltene gelb-orange Substanz zeigte leider keine Photochromie;
das NMR-Spektrum war nicht interpretierbar. Unsere Vermutung ist, dass hier ein
stabiles Merocyanin entstanden ist, der Ringschluss (s. Abb. 6) hier gehemmt ist. Um diesen
Ringschluss zu ermöglichen wird in der Literatur die Einführung eines Substituenten (R2 �= H)
vorgeschlagen, was wir durch die Verwendung des 2-Ethyl-2-oxazolins (II) implementieren wollten.
Leider erweies sich das entsprechende Quartärsalz als äußerst instabil (es lief an freier Luft
Abbildung 5: Synthesewege zum Oxazolinspiropyran bzw. zum entsprechenden Merocyanin

2 CHEMIE DER SPIROPYRANE 7
gelblich an) und lag als Öl-Kristall-Gemisch vor. Wir vermuten, dass die beiden Methylgruppen,
die beim 2,4,4-Trimethyl-4,5-dihydro-oxazol am Oxazolinring substituiert sind, das Salz
stabilisieren könnten. Ein Oxazolin, sowie dessen Vorstufen, mit diesen Methylgruppen und
der Ethylgruppe ist leider nicht käuflich zu erwerben - die Blauverschiebung kann so von uns
prinzipiell nicht geleistet werden.
2.3.3 Synthese
Die beiden in Abb. 2 dargestellten Stoffe synthetisierten wir im Labor für Elektrooptik (LEO)
des Instituts für Hochfrequenztechnik der TU Braunschweig.
Beide Edukte, die Fischerbase (1,3,3-Trimethyl-2-methylen-indolin) und das 2-Hydroxy-
5-nitrobenzaldehyd werden im 1:1-Verhältnis zusammengegeben. Die Reaktion läuft in kochendem
Ethanol, möglichst unter Stickstoffatmosphäre, aufgrund der hohen Reaktivität der Fischerbase,
unter Rückfluss und Rühren über 5 Stunden ab (Abb. 6). Wir erreichten direkt im
ersten Ansatz für das 6-Nitro-BIPS eine quantitative Umsetzung, das 1 H − NMR-Spektrum
zeigte keine Verunreinigungen. Wir konnten knapp 1g 6-Nitro-BIPS synthetisieren, das wir
anschließend für die Filme verwenden konnten. Es zeigte sich, dass das 8-Methoxy-6-nitro-
BIPS bei gleichen Bedingungen, bloß mit 3-Methoxy-2-hydroxy-5-nitrobenzaldehyd als Edukt,
nicht quantitativ erhalten werden kann. Wir mussten das Methoxy-BIPS nach der Synthese
aus Ethanol umkristallisieren, was allerdings nicht zur Reinheit führte, wie die NMR-Spektren
zeigten. Möglicherweise muss hier die Reaktionszeit verändert werden, ein Ansatz über 2 Tage
brachte allerdings, ebenso wie ein Ansatz über 6 Stunden, keine Besserung. Eine Vermutung ist
auch, dass das Merocyanin hier im Vergleich zum 6-Nitro-BIPS vermehrt vorliegt und sich die
NMR-Spektren beider Formen überlagern. Das UV/Vis-Absorptionsspektrum entsprach beim
Methoxyspiropyran unseren Erwartungen, sodass wir es für unsere Holographiefilme verwendeten.
2.3.4 Solvatochromie
Bei unseren Versuchen konnten wir die Beobachtung machen, dass beide Spiropyranderivate
eine starke Solvatochromie zeigen. In protischen Lösungsmitteln wie Ethanol und Methanol
zeigten beide Verbindungen eine violette Färbung. Mit abnehmender Polarität (Dichlormethan,
N
Fischerbase
N O NO 2
N +
∆
C -
H
H
+
O
N +
OH
NO 2
Cis-Trans
O -
NO 2
+H 2 O
-H 2 O
N +
N +
O -
HO
H
O
O
C C
-
H H
Abbildung 6: Von uns vorgeschlagener Reaktionsmechanismus der Synthese: Knoevennagel-
Kondensation
H
H
NO 2
NO 2

3 DATENSPEICHERUNG 8
Absorption
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
Merocyanin PMMA
Merocyanin PS
500 600 700
Wellenlaenge [nm]
Abbildung 7: Vergleich des
Rotpeaks des BIPS in PMMA
und PS
Absorption
1
0.8
0.6
0.4
0.2
Merocyanin MeO
Merocyanin
0
300 400 500 600 700 800
Wellenlaenge [nm]
Abbildung 8: Vergleich des Absorptionsspektrums der Merocyaninform
des 6-Nitro-BIPS und des 8-Methoxy-6-nitro-
BIPS in PS
Toluol) zeigte sich eine zunehmend bläuliche bis grünliche Färbung. Interessanterweise zeigte
das 8-Methoxy-6-nitro-BIPS eine wesentlich ausgeprägtere, sattere Farbigkeit als das 6-Nitro-
BIPS. Offenbar ist das Gleichgewicht zwischen Merocyanin und Spiropyran hier stärker zum
Merocyanin verschoben, es scheint durch das Methoxyauxochrom stabilisiert zu werden. Diese
Effekte nutzten wir für die Variation der Absorptionsspektren durch Auswahl der Matrizes (=
Kunststoffe) bei der Holographie. Erklären lassen sich diese Beobachtungen hier durch zwei
Effekte: zum Einen die Verschiebung des Gleichgewichts in polaren Umgebungen in Richtung
des farbigen Merocyanins, zum Anderen durch die eigentlichen solvatochromen Effekte beim
Merocyanin. Ersterer dürfte maßgeblich die Farbintensität bestimmen, der zweite Effekt die
wahrgenommene Farbe selbst. Die unterschiedlichen Höhen der Absorption, bei diesen Spektren,
sollen hier keine Rolle spielen, da die Menge der absorbierten Strahlung von Absorptionsintensitäten,
Konzentrationen, Quanteneffizienzen und Belichtungszeiten abhängt. Absorption
in dem für uns interessanten Peak des Merocyanins um 600 nm, geht mit einer bestimmten
Quote (Quanteneffizienz) von Ringschlüssen in Relation zur Menge der eingestrahlten Photonen
einher. Die in Abb. 7 und 8 dargestellten Spektren zeigen nicht die tatsächlichen Spektren
der Merocyanine, vielmehr sind sie eine Superposition der Spektren von Spiropyranen und Merocyaninformen.
Polystyrol zeigte eine Blauverschiebung des Merocyaninpeaks. Wir erreichten
eine Blauverschiebung von PMMA zu PS aus gesehen von ca. 30nm (siehe Abb. 7).
3 Datenspeicherung
3.1 Konzept
Die zu speichernden Daten - in unserem Fall eine Zahl von 0 bis 255 - mussten in Form eines
Bildes gebracht werden. Dieses Bild haben wir mittels der Holographie (bzw. unter der Verwendung
von Multiplexing mehrere Bilder (s. Abschnitt 4.2)) aufgenommen. Die aus diesem
Hologramm rekonstruierte Objektwelle bildeten wir bei herkömmlichen Holographiefilmen auf
einem Schirm ab und photografierten diese Abbildung. Bei unserem Spiropyranmedium war
das Hologramm für diese Vorgehensweise leider zu lichtschwach. Wir waren gezwungen das

3 DATENSPEICHERUNG 9
Abbildung 9: Altes Datenblatt Abbildung 10: Neues Datenblatt
Hologramm mittels einer Linse direkt in das Objektiv einer Kamera zu fokussieren und es so
zu photographieren. Aus diesem Photo haben wir nun wieder mittels einer eigens erstellten
Software wieder die gespeicherte Zahl ausgelesen. Die von uns selbst erstellte Software wurde
komplett in C++ realisiert.
3.2 Schreibprogramm
Die von uns gespeicherte Datenmenge entspricht genau einem Byte bzw. Oktett, also acht Bit
(”1” oder ”0”). Diese Bit sind im Bild folgendermaßen angeordnet (s. Abb. 9)
Jedes Quadrat stellt ein Bit mit der beschriebenen Wertigkeit dar und kann entsprechend
abhängig von der zu speichernden Zahl schwarz oder weiß dargestellt werden. Der hier als
schwarz dargestellte Rahmen wird in dem Hologramm als Markierungshilfe für die Auslesesoftware
übernommen.
Dieses Design offenbarte einige Schwächen. So führte die direkte Verknüpfung von Rahmen
und Bits zu einigen Schwierigkeiten bei der Anwendung des Ausleseprogramms auf die
Spiropyranhologramme. Um diese Probleme zu beheben verwenden wir ein neues Design der
Datenblätter (s. Abb. 10) In diesem neuen Design ist etwas Abstand zwischen der Information
(gestrichelt) und dem Rahmen (durchgezogen).
Der Rahmen sollte sich von einem Algorithmus sehr leicht finden lassen, da er die hellste Zeile
bzw. Spalte in dem Bild darstellt. Des weiteren ist die Position der Linien so gewählt, dass sie das
Strahlprofil modellieren sollten, was die Interpretation der Bilder von dem Auslesealgorithmus
vereinfacht. Die Linien und Bits sind so angeordnet, dass man von der Position der Linien ohne
weiteren Rahmen auf die Position der Bits schließen kann.
3.3 Ausleseprogramm
3.3.1 Konzept des Ausleseprogramms
Die Software muss in der Lage sein eine Photographie der Abbildung eines Hologramms (Abschnitte
3.1 und 3.2) zu analysieren und die gespeicherte Zahl zu erkennen und auszugeben.
3.3.2 Der Algorithmus
Der von der Auslesesoftware verwendete Algorthmus lässt sich grob in drei Teile gliedern. Die
ersten beiden befassen sich mit der Analyse einzelner Zeilen, der Dritte setzt diese Zeilen in
Beziehung zueinander und errechnet schließlich die Zahl. Die von uns verwendete Kamera wurde
mit einer Auflösung von 1024x768 Pixeln betrieben, ein Bild hat 768 Zeilen und eine Zeile

3 DATENSPEICHERUNG 10
besteht aus 1024 Pixeln. Wir benutzten eine Farbtiefe von 24 Bit, allerdings ist zur Analyse der
Bilder aufgrund der Wellenlänge des Lasers nur der Grünwert relevant. Dieser Umstand reduziert
die zu betrachtende Farbtiefe auf 8 Bit. Der erste Teil des Algorithmus ordnet jedem Pixel
in Abhängigkeit seines Grünwertes binär ,,hell” oder ,,dunkel” zu. Hierbei soll möglichst erreicht
werden, dass alle ausgeleuchteten Teile ,,hell” und alle nicht ausgeleuchteten Teile ,,dunkel” zugewiesen
bekommen. Bei diesem Vorgang trat das Problem auf, dass die Ausleuchtung des
Hologramms nicht gleichmäßig war, sondern von der einen Seite zur anderen abnimmt. Dieser
Effekt verhindert die Definition eines Helligkeitswertes über dem ein Pixel als ,,hell” bzw. unter
dem ein Pixel als ,,dunkel” zu bewerten ist. Stattdessen ist es notwendig eine Referenzzeile zu
definieren, welche den Verlauf der Helligkeit in dem Hologramm nachbildet (s. Abb. 14). Des
weiteren sucht das Programm die hellste Zeile in dem Bild (größte Summe der Helligkeitswerte
aller Pixel der Zeile) und bildet mit den Pixeln gleicher Spalte den Mittelwert zwischen der
hellsten Zeile und der Referenzzeile. Wenn nun ein Pixel einen größeren Helligkeitswert als dieser
Mittelwert in seiner Spalte hat, gilt es als ,,hell”; ist dies nicht der Fall, gilt es als ,,dunkel”.
(s. Abb. 11)
Der zweite Teil des Algorithmus bestimmt anhand von vordefinierte Wertebereichen die
Anzahl von Rahmenstücken und Bits in der Zeile und überprüft ob das Ergbnis mit dem zu
erwartenden Ergebnis übereinstimmt, welches aus der Form des Bildes resultiert (s. Abschnitt
3.2). Es werden ab diesem Punkt nur noch die Zeilen betrachtet, bei denen dies der Fall ist.
Nun wird für jede Zeile der Wert der vier Bit bestimmt.
Der dritte Teil des Algorithmus sucht die häufigste und zweithäufigste Bitkombination in den
Zeilen. Anhand der Position der Zeilen die diese Kombinationen beinhalten wird entschieden
welche Kombination als die obere und welche als die untere Bitzeile anzusehen ist. Hieraus wird
jetzt die Zahl errechnet.
Dieser Algorithmus funktioniert leider nur bei den Hologrammen mit herkömmlichen Holographiefilmen,
die wir auf einen Schirm abbilden und photographieren konnten. Für die Spiropyranhologramme
verwenden wir das neue Design der Datenblätter (s. refSchreibprogramm).
Gruenwert
150
100
50
Beispielzeile oben
Beispielzeile unten
Mittelwert
0
0 500 1000
Spalte
Abbildung 11: Binärwertzuweisungen der Pixel aus Abb. 14

4 HOLOGRAPHIE 11
Hier sucht der Algorithmus zuerst den Rahmen indem er die hellste Zeile und Spalte lokalisiert.
Aus der Position des Rahmen schließt er auf die Position der Bits und interpretiert die Helligkeitsinformation
dort unter Berücksichtigung des Strahlprofils. Auf diesem Wege sollte sich
den Bits wieder eindeutig der Zustand ” 1“ oder ” 0“ zuweisen lassen.
4 Holographie
Die Holographie ist die Methode, auf der unser Projekt aufbaut. Sie basiert auf den grundlegenden
Phänomenen der Wellenoptik: Interferenz und Beugung. So werden, um ein Hologramm zu
erstellen, zwei Wellen mit definiertem Phasenunterschied (innerhalb der Kohärenzlänge) überlagert.
In dieser Überlagerung treten konstruktive und destruktive Interferenz auf, sodass ein
Interferenzmuster mit sehr kleinen Streifen entsteht, eine sogenannte Fresnel’sche Zonenplatte.
Diese wird auf einem hochauflösenden Film festgehalten. Bei Bestrahlung mit einem der
originalen Strahlen wird der jeweils andere durch Beugung an dem durch Interferenz erzeugten
Raumgitter rekonstruiert. Der Unterschied zwischen Hologrammen und Photographien ist somit,
dass nicht nur die Amplitude der Objektwelle gespeichert wird, sondern auch die Phase,
also die räumliche Anordnung [1]. Dieses nutzten wir durch sogenanntes ,,Multiplexing” aus,
bei dem mehrere Datenblätter gespeichert werden [2] (s. Abschnitt 4.3.2).
Es existieren zwei Arten von Hologrammen: solche, bei denen das Raumgitter parallel zur
Oberfläche ausgerichtet und solche, bei denen es senkrecht dazu ist. Erstere heißen Reflexionshologramme
und letztere Transmissionshologramme [2]. In unserem Projekt verwenden wir
ausschließlich Transmissionshologramme, da diese einen für unsere Zwecke besseren Aufbau
ermöglichen.
4.1 Versuchsaufbau
Da bei der Holographie Verwacklungen im Bereich von 1/8 der Wellenlänge schon zur Zerstörung
des Interferenzmusters führen können, muss der Aufbau extrem gut schwingungsgedämpft sein.
Des Weiteren ist es notwendig, dass der verwendete Laser ein gutes Strahlprofil hat, da jegliche
Verunreinigung zu großen Fehlern im resultierenden Hologramm führt. Somit ist eine hohe
Qualität und Reinheit aller optischer Komponenten notwendig. Im Folgenden stellen wir unsere
Lösungsansätze der genannten Probleme und Bedingungen dar.
4.1.1 Tisch
Zuallererst war der Standort unseres Labors wichtig. So ist ein abdunkelbarer Keller ein optimaler
Platz, da hier die Schwingungen des Gebäudes minimal sind. Die übrigen Schwingungen
konnten wir durch die Anordnung unseres Versuchsaufbaus auf zwei Marmorplatten, die auf
drei Autoreifen ohne Felgen ruht, minimieren (s. Abb. 13). Auf diesen Marmorplatten sind
mit Schraubzwingen zwei optische Bänke befestigt, auf denen wir die optischen Komponenten
(s. Abschnitt 4.1.3) schwingungsfrei montieren können. Die Stabilität testeten wir mithilfe eines
Michelson-Interferometers [2] , bei dem wir die Bewegung zu weniger als einem Streifen
pro Minute minimieren konnten. Optimiert werden könnte dieser Aufbau durch ein schwaches
Aufpumpen der Autoreifen.

4 HOLOGRAPHIE 12
4.1.2 Laser
Abbildung 12: Interferenzmuster des Michelson-Interferometers.
In unseren Experimenten verwendeten wir zwei Laser: einen frequenzverdoppelten Nd:YAG
Coherent Compass C315M-100 bei 532 nm mit 100 mW Maximalleistung (Abb. 13, 1), für
den wir einen Leistungsregler mit einem Potentiometer bauten, sowie einen Melles-Griot He-Ne
Laser bei 596 nm mit 5 mW Maximalleistung (Abb. 13, 3).
4.1.3 Optik
Unser optischer Aufbau besteht wie in Abb. 13 gezeigt aus einem Shutter aus einem Modelleisenbahnsignal
(2) mit zwei Tastern als Fernsteuerung, einem variablen Graufilter (4),
einer Aufweitungskombination zweier Linsen (5+6), sowie dem darauf folgenden 1:1 planaren
Strahlteiler der Firma Thorlabs (ø=2 Zoll) (7), der zwei Teilstrahlen gleicher Intensität erzeugt.
Durch das Display (7) verläuft der Objektstrahl. Dieses Display kann mit dem von uns
im Unterricht verwendeten Classpad-Taschenrechner verbunden werden, sodass eine digitale
Einspeisung der zu speichernden Daten möglich ist. Beide Strahlen überschneiden sich in einem
Winkel von 45 ◦ wieder zur Interferenz am Filmhalter mit Winkelmesser aus einem Geodreieck
(10). Mit einer Linse (11) wird das Hologramm zur Auslese auf die Kamera (12) oder einen
Schirm abgebildet.
Zur Aufweitung des kollimierten Laserstrahls (ø=0.32 mm) verwendeten wir die Sammellinse
aus einem DVD-Brenner mit einer Brennweite von ca. 5 mm. Durch Verwendung der
Gauß’schen Optik [1], die Beugung miteinbezieht, und somit genauere Angaben liefert, konnten
wir die Brennweite der Linse berechnen, die den Strahl wieder zu einem für unsere Zwecke
passenden Strahldurchmesser von ca. 4.5 cm kollimiert. Die Reinigung all dieser Komponenten
führten wir mit staubfreien Linsenputztüchern und Reinstmethanol durch, da schon kleinste
Partikel auf der Oberfläche zu Qualitätsverlust führen.
Mithilfe des neu eingebauten Periskops können wir nun die lineare Polarisation des Lasers
drehen, sodass wir bei Einstellung des Brewster-Winkels Reflexionen und damit ungewollte
Interferenz im Hologramm verhindern [1]. Optimiert werden könnte dieser Aufbau außerdem
noch mit einem Raumfilter hinter der Brennerlinse 5, der für ein ebenmäßiges Strahlprofil sorgt.

4 HOLOGRAPHIE 13
Abbildung 13: Optischer Aufbau für Holographie, sowie das Digitalisieren/Photographieren der
Hologramme
4.2 Holographiefilme
Um die Methode der Holographie vor der Anwendung auf Spiropyrane zu optimieren, verwendeten
wir zu Beginn unseres Projekts den grün-sensitiven Holographiefilm ORWO HF 55, der auf
Silberhalogenidemulsionen basiert, in Kombination mit dem Entwickler SM-6 und PBU-Amidol
als Fixierer.
In diesen Versuchen mit Holographiefilmen konzentrierten wir uns auf die Maximierung der
Beugungseffizienz. Diese, wie auch die Leistung des Lasers konnten wir mit einer geeichten
amorphen Solarzelle als Leistungsmessgerät messen. Die Entwicklungszeit betrug zwischen 1
und 1:30 Minuten, fixiert haben wir bis zur Klarheit des geschwärzten Hologramms. Durch
Experimente mit der ,,Beruhigungszeit”, der Belichtungszeit, sowie der Laserleistung stellten
wir die optimalen Bedingungen fest. Unser Ergebnis ist eine möglichst lange Beruhigungszeit
von mindestens 10 Minuten, sowie Belichtungszeiten von 2-3 Sekunden bei einer Laserleistung
von etwa 4 mW. Die verwendete Energie pro Fläche ist also 754 µJ. Dies ist etwa das dreifache
der angegebenen Minimalenergie von 250 µJ. Unter diesen Bedingungen erreichten wir
maximale Beugungseffizienzen zwischen 1.4 % und 2.4 %. Weiterhin verbessert werden könnten

4 HOLOGRAPHIE 14
diese Hologramme vor allem durch eine genau einstellbare Belichtungszeit und verbesserte Leistungsmessungen,
da so die Schreibenergie besser kontrolliert werden kann. Das Auslesen mit
dem He-Ne-Laser bestätigte die Bragg-Bedingung ( nλ = 2d sin(θ) ) [1], da der Winkel von
Hologramm zu Referenzstrahl sich leicht veränderte. Während aller Aufnahmen befanden wir
uns außerhalb des Labors, um Temperaturschwankungen und Schwingungen zu minimieren.
Multiplexing Neben Hologrammen eines Datenblattes (Abb. 14), gelang es uns außerdem
mit ,,Multiplexing” unter Ausnutzung der Eigenschaft von Hologrammen, dass neben der Amplitude
auch die Phase rekonstruiert wird, bis zu 3 Datenblätter zu speichern. Dieses erreichten
wir durch das Einfügen eines weiteren Strahlteilers und Spiegels in den Aufbau, oder durch
nacheinander Belichten des Films, der dazwischen gedreht werden muss. Die Einzelbeugungseffizienz
der ,,Multiplex”-Hologramme variieren stark zwischen 2.1 % und 0.23 % sowie 0.36
% und 0.51 %, unter anderem deswegen, weil beide Objekte eine unterschiedliche Menge an
Licht beinhalten, sowie die gemessene Leistung eines Strahls mehr Streulicht beinhaltet, da der
Winkel zum Referenzstrahl kleiner ist.
4.3 Spiropyrane
4.3.1 Hologramme
Bei der Holographie mit Spiropyranen, mit der wir Ende Dezember zum ersten Mal Erfolg
hatten, konnten wir die geschlossene Form nicht direkt mit einem UV-Laser in die offene umwandeln.
Somit beschrieben wir das Spiropyran zunächst komplett um dann mit dem Nd:YAG-
Laser bei 532 nm zu löschen (Umgekehrte Holographie)(s. Abschnitt 4.3.3). Somit wird der
gleiche Effekt erzielt und Holographie ist möglich. Bei einer Leistung von 94.4 mW und einer
Belichtungszeit von 6 s, also einer Energie von 566.4 mJ erhielten wir das in Abb. 15
abgebildete Hologramm in PMMA, bei dem wir jedoch noch keine Beugungseffizienzmessung
durchführen konnten. Im Vergleich zu den Hologrammen auf dem Silberhalogenid-Film ist sie
jedoch deutlich kleiner. Auslesen konnten wir dieses Hologramm auch mit dem Nd:YAG-Laser,
da dieser im Maximum der Brechungsindexänderung liegt (s. Abb. 4). Obwohl dieser Laser das
Hologramm mit der Zeit schwächer werden lässt, da er löscht, konnten wir mit ihm ein schärfe-
Abbildung 14: Photo eines Hologramms
mit Holographiefilmen (spiegelverkehrt
binär 42)
Abbildung 15: Photo eines Spiropyran-
Hologramms (binär 42)

4 HOLOGRAPHIE 15
res Hologramm erzeugen als mit den Silberhalogenid-Filmen. Das Auflösungsvermögen scheint
also höher als bei dem HF 55 zu sein. Trotzdem könnten wir den Ausleseprozess mit geeigneteren
Lasern beispielsweise im blauen Bereich (wie Ar-Ion bei 488 nm oder He-Cd bei 442 nm)
optimieren, die in der Brechungsindexänderung liegen, jedoch weder Hin- noch Rückreaktion
beeinflussen.
Ein weiteres Problem bei diesen Hologrammen ist die Wärme in unserem Labor und allgemein
erhöhte Temperatur, die die beschriebenen Filme schon während der Beruhigungszeit
löscht, sodass die Qualität der Hologramme sinkt. Des Weiteren tritt der Effekt des Bleichens
auf; so werden einige Moleküle bei dem Schaltprozess zerstört - die Farbigkeit nimmt also mit
der Anzahl der Schaltvorgänge ab. Bevor wir jedoch Hologramme erstellen konnten, mussten
wir die in den folgenden Abschnitten 4.3.2 und 4.3.3 beschriebenen Probleme lösen.
Durch die Verringerung der Objektstrahlgröße mit einer weiteren Linse, bzw. möglichst
einem weiteren Teleskop wollen wir nun den Platzanspruch des Hologramms auf dem Film auf
eine Fläche von etwa einem mm 2 verkleinern, sodass wir eine sehr viel höhere Datendichte
erreichen sowie wegen der hohen Intensität die Belichtungszeit stark verkürzen können. Die
Auslese kann im Umkehrschluss also nicht mehr mit dem Nd:YAG-Laser durchgeführt werden,
da die hohe Intensität das Hologramm schnell löscht. Zerstörungsfreie Auslese wäre möglich
mit einem in unserem Labor vorhandenen He-Cd-Laser bei 442 nm, wobei dieser nach der
Berechnung der Brechungsindexänderung nicht gebeugt werden dürfte.
4.3.2 Filmpräparation
Unsere Spiropyran-Polymer-Filme auf die Glassubstrate (3x3cm) aufzubringen gestaltete sich
äußerst schwierig und zeitaufwendig, da wir keine Angabe hatten, inwieweit eine nicht-perfekte
Oberfläche die Holographie beeinträchtigen würde und wir unsere Glassubstrate selbst beschichten
wollten. Wir probierten verschiedene Methoden aus, um eine möglichst gleichmäßige
Oberfläche zu erzielen. Wir experimentierten ebenfalls mit verschiedenen Polymer-Spiropyran-
Verhältnissen und Konzentrationen. Die Hologramme erhielten wir mit 10 wt% BIPS im Polymer
(Filme) und 1 wt% Polymer (PS, PMMA oder PVK) bezogen auf das Lösungsmittel.
Es zeigte sich, dass Polystyrol und Polymethylmethacrylat in Toluol gelöst (0.5 - 1.5 mL) die
besten Filme mit einer Dicke von etwa 2 µm erzeugen konnten. Polyvinylkarbazol-Filme (PVK)
brachten keine guten Resultate; es bildete sich ein Oberflächenrelief heraus. Dies mag an dem
,,schnellen” Lösungsmittel Chloroform, welches wir bei PVK verwenden mussten, liegen. Dieses
Lösungsmittel verdampft mit Abstand am schnellsten (höchster Dampfdruck) und ist außerdem
ein dichteres Lösungsmittel als Toluol, sodass bei gleichem Volumen eine höhere molare
Polymerkonzentration gegeben war.
Beschichtungsmethoden Der Bau eines LEGO T M -Tauchmotors brachte keinen Erfolg, da
die BIPS-Polymerlösung nicht an der Glasoberfläche haftete, sodass wir nur viel zu dünne
Schichten auf die Glassubstrate aufbrachten. Die Überlegung einen Spincoater (Drehbeschichtungsverfahren)
zum Beispiel aus einer Bohrmaschine selbst zu konstruieren, stellten sich als
in der verfügbaren Zeit undurchführbar heraus. Wir begannen schließlich die Lösung auf die
Substrate aufzutropfen. Problematisch waren dabei zwei Erscheinungen: zum Einen reichten
schon geringste Mengen Staub aus, um starke Unregelmäßigkeiten auf dem Film zu produzieren.
Zum Anderen waren die grundsätzlich auftretenden leichten Gefälle, die jedes Bauwerk

4 HOLOGRAPHIE 16
und jeder Tisch an sich haben, ein Problem. Ersteres beseitigten wir durch einen sehr schwachen
Stickstoffstrom, den wir durch einen umgekehrten Trichter senkrecht auf die Filme treffen
ließen, sodass alle Partikel aus dem Trichter gedrückt werden. Letzteres Problem wollten wir
mit einer konzentrierten Kaliumiodidlösung beheben, auf welcher die Gläser hätten schwimmen
können. Dies stellte sich jedoch als wemig geschickt heraus, da sich überall Kristalle bildeten.
Wir legten die Glassubstrate schließlich direkt auf einen Tisch, ,,pusteten” ihn mit Stickstoff
ab, um ihn dann mit einer Spritze zu betropfen und anschließend den Trichter auf den Tisch
abzusenken.
4.3.3 Löschkinetik
Zur Bestimmung der notwendigen Belichtungszeit, und der Entscheidung welcher Laser verwendet
werden soll (s. Abschnitt 2.3) führten wir Messungen der Löschkinetiken mit dem 6-
Nitro-BISP und dem 8-Methoxy-6-nitro-BISP mit beiden Lasern durch. Diese fanden bei der
jeweiligen Maximalleistung von 5 mW des He-Ne-Lasers und 94.4 mW des Nd:YAG-Lasers
statt. Hierbei vernachlässigten wir den Anteil der thermische Relaxation, doch als Vergleich
sind die Messungen geeignet. Bei diesen Messungen löschten wir einen vollständig beschriebenen
Polymerfilm auf einer Fläche von ca. 1.6cm 2 und maßen die transmittierte Leistung. In
Abb. 16 sind die normierten relativen Transmissionen zur eingestrahlten Leistung dargestellt,
die konvergieren. Es ist zu sehen, dass beim Löschen mit 532 nm der Graph sehr viel schneller
konvergiert als mit 596 nm. Wie jedoch Abb. 8 zeigt, liegen 596 nm näher am Maximum der
Transmission
Transmission
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0 200 400 600 800
1
0.8
Zeit [s]
Fit 596 nm
Fit 532 nm
Loeschen von PM 596 nm
Loeschen von PM 532 nm
Fit 596 nm
Fit 532 nm
Loeschen PM MeO 596 nm
Loesch PM MeO 532 nm
0.6
0 500 1000 1500
Zeit [s]
Abbildung 16: Normierte Löschkinetik mit 596 und 532 nm beim 6-Nitro-BIPS (oben), sowie
dem 8-Methoxy-6-nitro-BIPS (unten)

5 SCHLUSSFOLGERUNG 17
Absorption. So ist hier die um einen Faktor 20 größere Intensität des Nd:YAG-Lasers ausschlaggebend.
Durch einen Fit mit der folgenden Formel 4 lässt sich eine Konstante τ bestimmen,
mit der wir eine Aussage über die Umsetzung des Merocyanins zu Spiropyran machen konnten.
T = I
I0
t
−
= 1 − be τ (4)
Diese Konstante τ hat für die einzelnen Kombinationen von Lasern und Spiropyranderivaten
die folgenden Werte:
532 nm 596 nm
6-Nitro-BIPS 39.43 s 472.7 s
8-Methoxy-6-nitro-BIPS 894.0 s 1153 s
Es ist also klar zu erkennen, dass allgemein das 6-Nitro-BIPS eine bessere Kinetik hat. Mit
den vorhandenen Möglichkeiten wird demnach die Kombination aus dem Nd:YAG-Laser und
6-Nitro-BIPS die größte Absorptionsdifferenz und somit auch Beugungseffizienz liefern. Wie in
Abschnitt 4.3.1 schon erwähnt ist, reicht somit eine Belichtungszeit von 7 Sekunden aus, um
eine ausreichende Änderung zu erzeugen.
5 Schlussfolgerung
Wir haben es also erreicht, Spiropyrane als kurzzeitigen beschränkt reversiblen holographischen
Speicher einzusetzen, wobei technisch noch die Auslese mittels Verbesserung der Beugungseffizienz
und die Erhöhung der zu speichernden Datenmenge umzusetzen sind. Dies wollen wir
in der nächsten Zeit durch das Speichern mehrerer Oktetts, sowie den verstärkten Einsatz
von Multiplexing erreichen, sowie eine Verkleinerung des Objektstrahls. Des Weiteren wollen
wir die Beugungseffizienz bei Holographie mit Spiropyranen durch Experimente mit Filmdicke
und Spiropyrankonzentration optimieren. Um möglicherweise eine zerstörungsfreie Auslese zu
ermöglichen, möchten wir einen He-Cd-Laser bei 442 nm verwenden.
If it’s true that a picture says more than 1000 words, then a hologram says more than 1000
pictures.
— Holographen-Weisheit
Literaturverzeichnis
[1] Hecht, Eugene: Optik. Oldenbourg Verlag, 2005
[2] Saxby, Graham: Practical Holography. IOP Publishing, 2004
[3] Dürr, Heinz (Hrsg.) ; Bouas-Laurent, Henri (Hrsg.): Photochromism: Molecules and
Systems. Elsevier, 1990
[4] Toll, John S.: Causality and the Dispersion Relation: Logical Foundations. In: Physical
Review 104 (1956), Nr. 6, S. 1760–1771
[5] Yariv, Amnon: Quantum Electronics. Third Edition. John Wiley & Sons, 1989

Anhang
A Sicherheit
Die von uns ausgeführten Arbeiten (Synthesen, Holographie, Messungen etc.) sind nicht alle
völlig ungefährlich und im Schulunterricht bzw. mit Schulmitteln nicht durchzuführen. Wir
wandten uns daher an die TU Braunschweig, um diese Arbeiten professionell und sicher durchführen
zu können. Im Folgenden sind die wichtigsten Gefahrenquellen, sowie der richtige Umgang mit
diesen, aufgeführt.
Methyliodid
CAS: 74-88-4
R-Sätze: 23/25-21-37/38-40
S-Sätze: (1/2-)36/37-38-45
Gefahrensymbole: T
Toluol
CAS: 108-88-3
R-Sätze: 11-38-48/20-63-65-67
S-Sätze: (2-)36/37-62-46
Gefahrensymbole: Xn, F
Pyridin
CAS: 110-86-1
R-Sätze: 11-20/21/22
S-Sätze: (2-)26-28
Gefahrensymbole: Xn, F
Chloroform
CAS: 67-66-3
R-Sätze: 22-38-40-48/20/22
S-Sätze: (2-)36/37
Gefahrensymbole: Xn
Methanol
CAS: 67-56-1
R-Sätze: 11-23/24/25-
39/23/24/25
S-Sätze: (1/2-)7-16-36/37-45
Gefahrensymbole: T, F
1-Phenyl-3-pyrazolidinon
CAS: 92-43-3
R-Sätze: 22,51/53
S-Sätze: 61
Gefahrensymbole: Xn, N
Wir experimentierten im Rahmen des Projektes mit Laserstrahlung der Klasse 3B, die wir
allerdings aufweiteten. Um dennoch mit Lasern richtig umgehen zu können, erhielten wir von
dem dafür autorisierten Herrn Dr. Maul eine Sicherheitseinweisung mit Zertifikat für den
Umgang mit Laserstrahlung.
B Danksagung
Wir möchten uns bei den folgenden Personen und Unternehmen für Spenden, Rat und Unterstützung
bedanken:
• Unseren Eltern für ihre Geduld bei unseren spätabendlichen Forschungen
• Hannes Meyer für die Betreuung des Projekts
• Prof. Dr. Karl-Heinz Gericke vom Institut für physikalische Chemie an der TU Braunschweig
für die Bereitstellung eines Kellerraumes als Labor.
• Dr. Hans-Hermann Johannes und Marc Debeaux vom Labor für Elektrooptik (LEO) des
Instituts für Hochfrequenztechnik an der TU Braunschweig für fachliche Unterstützung,
sowie das Zurverfügungstellen von Räumlichkeiten.
• Dr. Frank Wicktor und Coherent (Deutschland) GmbH für die einjährige Leihgabe des
Nd:YAG-Lasers.
18

B DANKSAGUNG 19
• Tim Frieb und LASERVISION GmbH & Co. KG für die Spende dreier Laserschutzbrillen,
sowie wertvolle Tipps.
• Dr. Gerald Hegenbart und Thorlabs für die Spende eines Strahlteilers, sowie einer konvexen
Linse (f = 200 mm).
• Rainer Redmann und FilmoTec GmbH für die Spende von 10 Blättern ORWO HF 55
Holographiefilm.
• Alfred Lell und OSRAM für die Leihgabe zweier UV-Laserdioden bei 402 nm.
• Dem Schulverein der Ricarda-Huch-Schule für die Spende von 200 Euro für unser Projekt.
• Dr. Hans-Rainer Porth von der Hoffman-von-Fallersleben-Schule für die Idee im Rahmen
von Itech 3 , Spiropyrane als photochrome Substanz zu verwenden.