Holografie

mini|Zwei Ansichten desselben Hologramms aus verschiedenen Blickwinkeln

Unter Holografie (auch Holographie, von , ‚vollständig‘ und -grafie, deutsch ‚schreiben‘) versteht man eine Methode zur Aufzeichnung und Rekonstruktion eines Wellenfeldes. Das Wellenfeld kann von einem beliebigen Objekt ausgehen. Im Gegensatz zur Fotografie werden bei der Rekonstruktion die Intensität und die Phase des Wellenfeldes rekonstruiert. Dadurch scheinen die Motive bei der Betrachtung frei im Raum zu schweben. Bei seitlichen Bewegungen kann dabei auch um ein Objekt herumgesehen werden und bei beidäugiger Betrachtung entsteht ein vollständig dreidimensionaler Eindruck.

Holografische Verfahren werden auch in der Messtechnik eingesetzt, zum Beispiel zur Messung von kleinen Oberflächendeformationen. Als Hologramm (, ‚Botschaft‘), auch Speicherbild, bezeichnet man eine mit holografischen Techniken hergestellte Aufnahme, die bei Beleuchtung mit kohärentem Licht ein echtes dreidimensionales Abbild des Ursprungsgegenstandes wiedergibt.

Die entscheidenden Ideen zur Holografie einschließlich des Begriffs wurden 1947 von dem ungarischen Ingenieur Dennis Gábor geprägt, der einen Weg zur Verbesserung von Elektronenmikroskopen suchte, zu einem Zeitpunkt, als kohärente Strahlungsquellen nicht einfach herzustellen waren, da der Laser noch nicht existierte. Für seine Arbeiten erhielt Gábor 1971 den Nobelpreis für Physik.

Historische Entwicklung Schon 1920 wollte der polnische Physiker Mieczysław Wolfke die mikroskopische Abbildung in zwei Stufen unterteilen, indem man zuerst ein Zwischenbild mit Strahlen kurzer Wellenlänge (z. B. Röntgenstrahlen) erzeugt. In der zweiten Stufe sollte man das Zwischenbild mit normalem Licht betrachten können. Doch scheiterte die Realisierung damals an experimentellen Schwierigkeiten. Erst Dennis Gábor konnte 28 Jahre später mit einem Modellversuch zur Realisierung des zweistufigen Abbildungsverfahrens den Grundstein zur Holografie legen. Sein besonderes Verdienst bestand darin, gezeigt zu haben, wie die Information über die Phasen des Zwischenbilds durch Überlagerung der vom Objekt ausgehenden Welle und einer Referenzwelle auf direktem Weg gewonnen und fotografisch festgehalten werden kann.

Gábor zeichnete das Hologramm eines kleinen 2 mm² großen Dias auf. Darauf standen die Namen dreier Physiker: Christiaan Huygens, Thomas Young und Augustin Jean Fresnel. Jedoch waren seine damaligen Möglichkeiten beschränkt, denn er musste beispielsweise eine Quecksilberdampflampe als Lichtquelle verwenden. Er arbeitete mit Hilfe eines Farbfilters und einer Lochblende, um die Kohärenz zu steigern, was wiederum einen enormen Intensitätsverlust zur Folge hatte. Seinen Aufnahmeaufbau bezeichnet man als „In-line-Methode“, da sämtliche Elemente in einer Reihe aufgebaut werden. Dabei verwendete er nur einen einzigen Lichtstrahl, d. h. er arbeitete noch ohne räumlich getrennte Referenz- und Objektwellen. Das von ihm verwendete Dia war mit Ausnahme der schwarzen Buchstaben transparent. Das Licht wird an den Buchstabenrändern gebeugt, der kohärente Hintergrund, der Interferenzen erst ermöglicht, stammt von den transparenten Bereichen.

Das Ergebnis war weniger befriedigend, da die drei Namen des Originals relativ schlecht zu erkennen waren und das Hologramm durch viele dunkle Flecken gestört wurde. Was ihn überraschte, war das Zustandekommen eines zweiten Bildes, das sich störend auf die Betrachtung auswirkte, da es sich mit dem eigentlichen Bild überlagerte. Dieses zweite Bild wird auch pseudoskopisches oder reelles Bild genannt, da es alle konkaven Wölbungen des Objekts konvex wiedergibt und umgekehrt alle konvexen Wölbungen konkav.

Nach dem Erscheinen seiner Forschungsarbeiten 1949 und 1951 kehrte er diesem Gebiet enttäuscht den Rücken, weil er selbst mit seinen Ergebnissen unzufrieden war.

Im Jahre 1959 erfuhr Gábor überraschend, dass es den beiden amerikanischen Wissenschaftlern Emmett Leith und Juris Upatnieks gelungen war, gute dreidimensionale Abbildungen von Objekten zu erzeugen, deren Herstellung zum größten Teil auf Gábors theoretischen Grundlagen beruhte. Sie führten das Zwei-Strahl-Verfahren ein, um das Problem des doppelten Bildes zu vermeiden. Nun konnte man das virtuelle Bild hinter dem Film getrennt vom reellen Bild vor dem Film begutachten. Als dann ein Jahr später der erste Laser von Theodore Maiman erfunden wurde (ein Rubinlaser) und 1963 der Helium-Neon-Laser, begann die Blütezeit der Holografie. 1963 wurden von E. Leith und J. Upatnjeks erfolgreich holografische Versuche mit Lasern durchgeführt. Schlagartig kam die Erfindung Gábors, für die zuvor keine Zukunft gesehen wurde, zu neuem Ansehen und zog die Interessen vor allem in den sechziger und siebziger Jahren auf sich.

1971 wurde Gábor für seine Entdeckungen mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet, 23 Jahre nach der Erfindung der Holografie.

Chronologie 1947 entwickelte Dennis Gábor das Prinzip der Holografie, ursprünglich mit der Intention, das Auflösungsvermögen von Elektronenmikroskopen zu verbessern. Zunächst war er auf die Verwendung gefilterter Lichtquellen angewiesen und arbeitete mit dem Prinzip der In-line-Holografie.D. Gabor: A new microscopic principle. Nature 161, 1948, S. 777–778D. Gabor: Microscopy by reconstructed wavefronts. Proc Roy Soc 197, 1949, 454–487D. Gabor: Microscopy by reconstructed wavefronts: 2. Proc Phys Soc 64, 1951, 449–469 1960 Erfindung des Lasers durch Theodore Maiman.T. H. Maiman: Stimulated Optical Radiation in Ruby. Nature 187, 1960, 4736, 493–494 1963 Verbesserung der Aufnahmetechniken durch Emmett Leith und Juris Upatnieks durch Teilung der Aufnahmeanordnung in getrennten Objekt- und Referenzstrahl.E. Leith, J. Upatnieks: Reconstructed wavefronts and communication theory. Jour Opt Soc Amer 52, 1962, 1123–1130 1964 Produktion des ersten Hologramms durch Leith und Upatnieks („Train and Bird“).E. Leith, J. Upatnieks: Wavefront reconstruction with diffused illumination and threedimensional objects. Journ Opt Soc Amer 54, 1964, 1295–1301 1965 Erfindung der Weißlichtholografie durch Juri Nikolajewitsch Denisjuk. Yu N Denisyuk: On the reproduction of the optical properties of an object by the wave field of its scattered radiation II. Optics and Spectroscopy 18, 1965, 152-7 1965 Erfindung der Holografischen Interferometrie durch Karl A Stetson und Robert L Powell sowie weitere Forschergruppen. R. L. Powell, K A Stetson: Interferometric vibration analysis by wavefront reconstruction. Journ Opt Soc. Amer 55, 1965, 1593-1508K. A. Stetson, R. L. Powell: Interferometric Hologram Evaluation and Real-Time Vibration Analysis of Diffuse Objects. J. Opt. Soc. Am. 55, 1965, 1694–1695R. Brooks, L. O. Heflinger, R. F. Wuerker: Interferometry with a holographically reconstructed comparison beam. Applied Physics Letters 7, 1965, 248-9R. J. Collier, E. T. Doherty, K. S. Pennington: The application of Moire techniques to holography. Applied Physics Letters 7, 1965, 223-5K. A. Haines, B. P. Hildebrand: Contour generation by wavefront reconstruction. Physics Letter 19(1), 1965 1967 Durch einen Rubin-Puls-Laser wird das erste Hologramm einer Person möglich.L D. Siebert: Front lighted pulse laser holography. Appl. Physics Letters 11, 1967, 326-8 Ab 1967 Die Computer Generierte Holografie (CGH), auch Synthetische Holografie genannt, wird von B. R. Brown, Adolf Lohmann und anderen entwickelt.B. R. Brown, A. W. Lohmann: Computer-generated Binary Holograms. IBM Journal of Research and Development, Band 13, Nr. 2, März 1969, S. 160–168 Ab 1967 Digitale Holografie: Joseph W. Goodman und R. W. Lawrence zeichnen Hologramme zweidimensionaler Strukturen mit Bildaufnahmesensoren (Vidicons) auf und rekonstruieren sie numerisch.J. W. Goodman, R. W. Lawrence: Digital image formation from electronically detected holograms. Appl Phys Lett 11, 1967, 77–79 Kronrod, Merzlyakov und Yaroslavskii digitalisieren fotografisch aufgezeichnete Hologramme und rekonstruieren sie mit dem Computer (englischsprachige Veröffentlichung 1972).M. A. Kronrod, N. S. Merzlyakov, L. P. Yaroslavskii: Reconstruction of holograms with a computer. Sov Phys-Tech Phys USA 17 (2), 1972, 333–334 1968 Stephen A. Benton erfindet die Regenbogen-Transmissionsholografie.S. A. Benton: Hologram reconstruction with extended incoherent sources. J. Opt. Soc. Am 59, 1969, 1545 1971 Verleihung des Nobelpreises für Physik an Dennis Gábor für die Erfindung der Holografie. 1978 Nils Abramson erfindet die Light-in-Flight-Holografie.N. Abramson: Light-in-flight recording by holography. Opt. Lett. 3, 1978, 121–123 1993 Digitale Holografie: Ulf Schnars und Werner Jüptner zeichnen Hologramme makroskopischer Objekte direkt mit CCD-Sensoren auf und rekonstruieren sie numerisch.U. Schnars: Digitale Aufzeichnung und mathematische Rekonstruktion von Hologrammen in der Interferometrie. VDI-Fortschritt-Berichte Reihe 8, Nr. 378, VDI, Düsseldorf, siehe https://sites.google.com/view/ulfswebsite/U. Schnars, W. Jueptner: Direct recording of holograms by a CCD-target and numerical reconstruction. Applied Optics 33(2), 1994, 179–181 seit ca. 1990 Verwendung von Hologrammen als Echtheitszertifikate auf Produktverpackungen, Büchern, Banknoten und Identitätsausweisen. ab 1999 Holografische Speicher werden entwickelt.

Physikalische Grundlagen Bei der Schwarzweißfotografie wird lediglich die Intensität des einfallenden Lichtes auf dem Film gespeichert. Bei der Farbfotografie nimmt man zusätzlich noch die Farbe, also die Frequenz des Lichtes auf.

Bei der Holografie werden nun die Phase und die Intensität gespeichert. Dies geschieht mit Hilfe der Interferenz. Um präzise Interferenzmuster zu erzeugen, verwendet man kohärentes Licht, in der Regel einen Laserstrahl, der mittels Streulinsen aufgeweitet wurde.

Aufnahme mini|Aufnahme eines Hologrammes

Beleuchtet man ein beliebiges Objekt mit kohärentem Licht, wird das Licht reflektiert und gestreut. Es entsteht ein Wellenfeld, das mit den Augen wahrgenommen werden kann. Dieses Wellenfeld wird Objektwelle genannt. Die Objektwelle überlagert sich mit dem einfallenden, ungestreuten Licht (der sogenannten Referenzwelle) desselben Lasers, d. h., die Wellenfronten interferieren miteinander. Die entstehenden Interferenzmuster treffen auf eine Glasplatte oder einen Film, auf der sich eine lichtempfindliche Schicht befindet. Die Schicht reagiert nur auf die Intensität des Lichtes, durch die Interferenz der Wellenfronten wird aber die relative Phase (zwischen Objekt- und Referenzwelle) aufgezeichnet.

Voraussetzung für die Aufzeichnung von Hologrammen ist die zeitliche und räumliche Stabilität der durch die Überlagerung der Wellenfelder ausgebildeten Interferenzmuster. Die aufzuzeichnenden Objekte dürfen sich während der manchmal Minuten dauernden Belichtungszeit nicht bewegen. Um ein Hologramm aufnehmen zu können, müssen deshalb die Aufnahmeapparatur und das Objekt räumlich fixiert werden. Meist wird der komplette holografische Aufbau auf einem schwingungsfreien Tisch montiert. Solch ein Tisch besitzt eine große Masse. Oftmals bestehen diese Tische aus mehreren Tonnen schweren Stahl- oder Steinplatten, die auf mechanisch oder pneumatisch gedämpften Füßen stehen. Alternativ können auch Pulslaser verwendet werden. In diesem Fall wirken sich die Schwingungen nicht auf die Bildqualität aus und es kann auf den schwingungsdämpfenden Tisch verzichtet werden.

Entwickelt man nun den Film, so wird das Interferenzmuster aufgezeichnet. Das Hologramm besteht aus einem Muster von schwarzen (Interferenzmaxima) und weißen (Interferenzminima) Linien. Die Linien haben eine sehr hohe Ortsfrequenz (sie liegen sehr nahe beieinander), und ein normaler Fotofilm wäre nicht in der Lage, solch feine Strukturen aufzuzeichnen. Mit bloßem Auge sind sie nicht zu erkennen.

Rekonstruktion

mini|Rekonstruktion eines Hologrammes