Analyse von Lernprozessen im Zusammenhang mit der Erprobung eines Praktikumsversuchs zur Holografie für Lehramtsstudenten

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Motivation
1.2 Aufgabenstellung

2 Ziele von Praktika
2.1 Entstehung Physikalischer Praktika
2.2 Ziele Physikalischer Praktika allgemein
2.3 Ziele Physikalischer Praktika in der Lehrerausbildung

3 Der Versuch
3.1 Einführung in die Holografie
3.1.1 Was ist Holografie?
3.1.2 Historische Hintergründe
3.1.3 Verschiedene Arten von Hologrammen
3.2 Der verwendete Aufbau
3.3 Die physikalischen Hintergründe
3.3.1 Das verwendete Holografiematerial
3.3.2 Die Hologramm-Entstehung
3.3.3 Die Entwicklung und Nachbehandlung der Platten
3.3.4 Die Hologramm-Rekonstruktion
3.4 Lernziele des Versuchs

4 Die Planung des Praktikumsversuchs
4.1 Generelles Vorgehen bei der Planung des Versuchs
4.1.1 Fachliche Klärung
4.1.2 Erfassung der Lernperspektive
4.1.3 Didaktische Strukturierung
4.2 Videodokumentation und Videoanalyse
4.2.1 Die erste Anleitung
4.2.2 Erprobung der ersten Anleitung – Ergebnisse und Schlussfolgerungen
4.2.3 Die zweite Anleitung
4.2.4 Erprobung der zweiten Anleitung – Ergebnisse und Schlussfolgerungen
4.2.5 Die endgültige Anleitung
4.2.6 Erprobung der endgültigen Anleitung – Ergebnisse und Schlussfolgerungen
4.2.7 Zusammenfassung der Ergebnisse der Videobeobachtungen

5 Anhang
5.1 Literaturverzeichnis
5.2 Verwendete Materialien und Bezugsadressen
5.2.1 Material
5.2.2 Verbrauchsmaterial
5.2.3 Bezugsadressen
5.3 Praktikumsanleitung Version 2
5.4 Videoauswertungen
5.4.1 Auswertungsbögen zum ersten Video
5.4.2 Auswertungsbögen zum zweiten Video
5.4.3 Auswertungsbögen zum dritten Video
5.5 Erklärung

Danksagung

An dieser Stelle möchte ich Frau Prof. Dr. Welzel für ihre sehr gute Betreuung meiner Zulassungsarbeit danken. Sie nahm sich stets Zeit und hatte immer ein offenes Ohr für meine Probleme.

Ein Dankeschön an Herrn Dr. Scheler und Frau Haeberlen, die mir immer helfend zur Seite standen, wenn es um Probleme in der praktischen Umsetzung ging.

Vielen Dank an Herrn Späth, den Leiter des Physikalischen Praktikums, für seine Tips bezüglich der Anleitung und seine Geduld, wenn ich ihm im Rahmen der Videoaufnahmen im Praktikum einen seiner Räume streitig machte.

Ein großer Dank gebührt auch Herrn Timo Junker, der mir stets telefonisch zur Seite stand, wenn ich Probleme mit dem Holografie-Material hatte.

Vielen Dank an das AVZ der PH Heidelberg für die technische Unterstützung bei der Aufnahme des Videomaterials.

Nicht zuletzt ein Dankeschön an die Studenten, die mir bei der Erprobung des Versuchs als "Versuchsobjekte" halfen, für kommende Physikstudenten einen Praktikumsversuch zu planen, der hoffentlich nicht nur Spaß macht, sondern bei dem sie auch viel an Physik lernen.

1 Einleitung

1.1 Motivation

Im Zuge der Modernisierung des Physikalischen Praktikums für Lehramtsstudenten an der Pädagogischen Hochschule Heidelberg soll ab dem WS 2002/2003 einer der bisherigen Versuche zur Optik durch einen Versuch zur Optischen Holografie ersetzt werden.

Die Einführung dieses neuen Versuchs erfolgt unter zwei Gesichtspunkten:

Erstens stellt die Holografie ein sehr neues Gebiet im Bereich der Optik dar und kommt in verschiedensten Bereichen der Wissenschaft und Technik zur Anwendung, so z. B. im Bereich der Sicherheitstechnik und der Materialforschung. Ein solcher Versuch macht das Praktikum aktueller und bringt die Studenten neben den "historischen" Versuchen auch einmal mit neuerer Technologie in Berührung. Hologramme begegnen den Studenten im Alltag (EC-Karte, Geldscheine u.ä.), sind in ihrer Funktionsweise aber eher unbekannt.

Dies führt zum zweiten wichtigen Aspekt: Hologramme wirken auf die meisten Menschen faszinierend. Verstehen zu können, wie sie entstehen und funktionieren und sogar ein eigenes Hologramm herzustellen, stellt für die Studenten eine große Motivation dar. So können wichtige Phänomene der Optik in einer Form vermittelt werden, die Studenten Spaß macht.

1.2 Aufgabenstellung

Aufgabe dieser Zulassungsarbeit war es, einen bereits in Stuttgart bestehenden Praktikumsversuch auf die Mittel an der Pädagogischen Hochschule Heidelberg anzupassen, ihn zu erproben und eine an den Zielen des Praktikums im Rahmen der Lehrerausbildung orientierte Praktikumsanleitung zu erstellen.

Zunächst stand dabei der fachwissenschaftliche Teil im Vordergrund. Mit Hilfe der Staatsexamensarbeit von Michaela Knittel, die sich mit der Umsetzung von Holografie im Physikalischen Praktikum an der Uni Stuttgart beschäftigte, arbeitete ich mich in die Grundlagen der Herstellung von Hologrammen ein und baute den Versuch leicht abgewandelt an der Pädagogischen Hochschule Heidelberg auf.

Dann verfasste ich eine erste Anleitung, die ich zunächst in zwei Probegruppen auf ihre Verständlichkeit und Praxistauglichkeit testete.

Im Rahmen der Optimierung der Praktikumsanleitung mussten dann Lernprozesse analysiert werden. Hierzu wurden Videoaufzeichnungen von Praktikumsgruppen gemacht, die später ausgewertet wurden. Auf Grund der Ergebnisse habe ich die Anleitung dann einmal komplett geändert und die zweite, komplett neue Version nur noch teilweise verbessert und ergänzt.

2 Ziele von Praktika

2.1 Entstehung Physikalischer Praktika

Praktika entwickelten sich zum Ende des 19. Jahrhunderts hin in allen Naturwissenschaften zu einem wichtigen Element der Ausbildung. Physikalische Praktika bestanden dabei zunächst in der Mitarbeit an Forschungsprojekten und in Laboratorien. Erst zu Beginn des 20. Jahrhunderts entstanden an den Universitäten Praktika für Physiker, die aus einzelnen Versuchen bestanden, in denen vor allem bedeutende historische Experimente nachgebaut wurden. Die Physikalischen Praktika sind dabei in ihrer heutigen Form diesen Praktika sehr ähnlich.^[1]

2.2 Ziele Physikalischer Praktika allgemein

Das Experimentieren in der naturwissenschaftlichen Ausbildung steht seit Ende der 70er Jahre immer wieder im Forschungsinteresse der Naturwissenschaftsdidaktiken. Umstritten ist, ob das Experimentieren für das Lernen unverzichtbar ist. Hierbei wird insbesondere versucht, herauszufinden, wo die Möglichkeiten und Grenzen des Experimentierens zu Ausbildungszwecken liegen und möglichst lernwirksame Formen des Experimentierens zu finden.^[2]

Dabei hängen die Ergebnisse bezüglich der Wirksamkeit experimenteller Lernumgebungen stark von den mit dem Praktikum verfolgten Zielen ab.

Im Rahmen einer Umfrage unter den Lehrenden der Universität Bremen^[3] und einer europäischen Umfrage² unter Lehrenden verschiedener europäischer Länder wurde die Wichtigkeit der verschiedenen möglichen Ziele untersucht. Es ergab sich hier ein recht eindeutiges Ergebnis. Als wichtigste Ziele wurden hier genannt:^[4]

(A) Theorie und Praxis miteinander zu verbinden
(B) Methoden wissenschaftlichen Denkens kennenzulernen
(C) experimentelle Fähigkeiten zu erwerben

Da sich diese Umfragen hauptsächlich auf die Ausbildung von Diplom-Physikern, nicht aber auf die Ausbildung von Lehrern beziehen, sollten die Ziele, die im Rahmen der Lehrerausbildung verfolgt werden, gegenüber den oben genannten Zielen erweitert und modifiziert werden.

2.3 Ziele Physikalischer Praktika in der Lehrerausbildung

Auch in der Lehrerausbildung ist es wichtig, den Studenten die Möglichkeit zu geben, in Praktika experimentelle Fähigkeiten zu erwerben, da sie diese im Unterricht sowohl bei Demonstrationsexperimenten als auch bei der Planung von Schülerexperimenten benötigen.

Sie sollten ebenso die Methoden wissenschaftlichen Denkens kennenlernen, da sie diese in Grundzügen später ihren Schülern vermitteln können sollten.

Ein besonders wichtiger Punkt scheint mir auch die Verbindung von Theorie und Praxis zu sein. Physik nur aus Büchern zu lernen scheint mir absurd, da es um naturwissenschaftliche Phänomene geht, die man in der Praxis erfahren sollte.

Jedoch sollte in der Ausbildung von angehenden Lehrern und insbesondere im Praktikum auch ein spezielles Augenmerk auf die Kommunikation der Studenten untereinander gelegt werden.

Lehrer sollten über Physik sprechen können, das verständliche Verbalisieren der physikalischen Phänomene ist eine sehr wichtige Fähigkeit im späteren Berufsalltag.

Das Praktikum bietet eine besonders gute Möglichkeit, dies zu üben. Die Studenten können in Zweiergruppen diskutieren und gemeinsam die gestellten Aufgaben bearbeiten.

Der Dialog ist auch ein wichtiger Aspekt des Verstehens von Physik. Um Physik zu verstehen, reicht es nicht aus, Erklärungen aus Büchern oder Skripten heranzuziehen. Um Physik zu verstehen, braucht es einen Kontext.

"Der Dialog stößt jede (physikalische) Aussage auf einen Kontext, nämlich auf den Kontext des oder der Gesprächspartner – jeder der Gesprächs-partner 'repräsentiert' sozusagen einen eigenen Kontext, in dem die Aussagen der anderen Gesprächspartner interpretiert werden und daher neue Facetten der Aussage erzeugen." (R. Fichtner, 1998)^[5]

Aus diesem Grund habe ich bei der Planung und Erprobung der Anleitung besonderes Augenmerk darauf gelegt, wie viel über Physik geredet wird.

Der Versuch an sich erfordert, dass sich die Studenten sehr genau an den vorgegebenen Ablaufplan halten und lässt quasi keinen Platz zum freien Experimentieren. Dies liegt in der Natur der Sache, die Holografie erfordert - ähnlich wie die Fotografie – genaues Beachten von Belichtungszeiten und akkurates Arbeiten beim Entwickeln. Diese notwendigen Randbedingungen wurden speziell für den hier verwendeten Aufbau im Rahmen der Versuchs-planung ermittelt.

Auch Messungen (abgesehen von Zeitmessungen) werden nicht durchgeführt.

Daher habe ich versucht, in der Anleitung durch die Fragen zur Auswertung Gesprächsanlässe zu schaffen. Die Fragen sind so formuliert, dass sie nicht nur den Inhalt des Theorieteils abfragen, sondern auch von den Studenten fordern, eigene Schlüsse aus dem Gelesenen zu ziehen.

3 Der Versuch

3.1 Einführung in die Holografie

3.1.1 Was ist Holografie?

Die Faszination eines Hologramms geht wohl davon aus, dass der Betrachter bei einem guten Hologramm kaum unterscheiden kann, ob er das Objekt selbst sieht oder ob es sich um ein Bild handelt. Oft überprüfen Personen, die ein Hologramm sehen, ob sich dahinter wirklich kein Objekt befindet.

Bei einem Hologramm wird die gesamte optische Information eines Objekts, seine 3 Dimensionen und seine Oberflächenstruktur auf einer dünnen Fotoschicht aufgezeichnet. Die Betrachtung des Objekts kann aus verschiedenen Blickrichtungen erfolgen.

Die Tatsache, dass neben der Amplitude bei der Holografie auch die Phase aufgezeichnet werden kann, war auch der Grund für ihren Namen. Das Wort Holografie entstand aus dem griechischen Wörtern "holos" für "ganz, völlig" und "graphein" für "schreiben, aufzeichnen".

Holografie bedeutet also ganzheitliches Aufzeichnen.

Bei der herkömmlichen Fotografie wird lediglich die Amplitude des vom Objekt kommenden Lichts auf einem lichtempfindlichen Film aufgezeichnet. Hier sind also mindestens 2 Blickwinkel notwendig (stereoskopisches Sehen), um Informationen über die dritte Dimension zu erhalten.

Wie bei der Fotografie benötigt man bei der Holografie eine Art Kamera. Bei dem hier verwendeten Aufbau zur Aufnahme von Reflexionshologrammen besteht sie aus einem Laser, einer Aufweitungslinse, einem Umlenkspiegel (um den Weg des Lichtbündels zu verlängern ohne einen größeren Tisch zu benötigen) und einem Objekttisch, auf dem die Fotoplatte direkt auf dem Objekt aufliegt. Durch die Fotoplatte wird der Strahl in einen Referenzstrahl und einen hierzu kohärenten Objektstrahl aufgespalten. Der Objektstrahl wird vom Objekt reflektiert und die beiden Strahlen (Objekt- und Referenzstrahl) überlagern sich. Das entstehende Referenzmuster wird auf der Fotoplatte aufgezeichnet. In dem entstehenden Interferenzmuster sind nun sowohl Phase als auch Amplitude des vom Objekt reflektierten Strahls gespeichert.

Bei der Herstellung eines Reflexionshologramms müssen die Fotoplatten nach der Belichtung noch entwickelt und gebleicht werden.

Wird das fertige Hologramm nun mit einer geeigneten Lichtquelle (idealer weise Sonnenlicht oder ein Halogenspot) aus der selben Richtung beleuchtet aus der es belichtet wurde, wird das Objekt durch Beugung und Brechung in der Fotoschicht rekonstruiert.

In den folgenden Abschnitten werden Hologramm-Entstehung und Hologramm-Rekonstruktion genauer erklärt.

3.1.2 Historische Hintergründe

Ähnlich wie bei vielen anderen Entdeckungen im Bereich der Wissenschaft handelt es sich bei der Entdeckung der Holografie nicht um eine gezielte Entwicklung des Verfahrens. Die Holografie stellt vielmehr eine Art Nebenprodukt einer auf ein anderes Ziel ausgerichteten Entwicklung dar.^[6]

Ziel war nicht, ein Verfahren zur dreidimensionalen Abbildung von Gegenständen zu erhalten. Es ging vielmehr darum, das Auflösungs-vermögen von Mikroskopen zu erhöhen.

Nach einem grundlegenden physikalischen Gesetz ist es unmöglich, mit einem Lichtmikroskop Strukturen zu erfassen, die kleiner als die Wellenlänge des verwendeten Lichts sind. Stärkere Vergrößerungen sind nur zu erreichen, wenn man mit Röntgen- oder Elektronenstrahlen arbeitet, deren Wellenlängen kleiner sind als die des sichtbaren Lichts. Leider ist es sehr schwierig, für Mikroskope geeignete Linsen für derartige Strahlen herzustellen.

An einem ersten Lösungsversuch zu diesem Problem arbeitete der Physiker

Mieczyslaw Wolfke. Bereits 1920 hatte er die Idee, die mikroskopische Abbildung in zwei Stufen unterteilen. Dabei wollte er zuerst ein Zwischenbild mit Strahlen kurzer Wellenlänge (z.B. Röntgenstrahlen) erzeugen. In der zweiten Stufe sollte man das Zwischenbild mit normalem Licht betrachten können. Doch scheiterte die Realisierung damals an experimentellen Schwierigkeiten.

Wolfke war nicht der einzige Vordenker in Bezug auf die Holgrafie. In der zweiten Hälfte der 30er Jahre stellte der Physiker Hans Boersch mit Hilfe des Zwei-Stufenverfahrens Abbildungen von Kristallgittern her. In der ersten Stufe erzeugte er mit Strahlen kurzer Wellenlänge Beugungsbilder von Metallgittern. Um nun aus den Beugungsbildern die eigentliche Form des Gitters zu rekonstruieren, stellte er nach dem Muster der Beugungsbilder in einem mechanischen Verfahren Lochmasken her. Durch die Beugung an den Lochmasken ergab sich dann die Abbildung der Gitter. Später wurde dieses Verfahren noch von dem englischen Physiker Bragg optimiert.

Nachteil dieses Verfahrens war jedoch, daß die Phaseninformationen nicht direkt abgebildet werden konnten. Es waren zusätzliche Überlegungen erforderlich.

Als gedanklicher Vater der Holografie gilt vor allem Dennis Gabor (siehe Abb.1^[7]).

Abb.1: Dennis Gabor, der "Vater" der Holografie

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Auch er beschäftigte sich Anfang der 50er Jahre mit Möglichkeiten zur Verbesserung des Auflösungs-vermögens von Elektronenmikroskopen. Seine Ideen gingen dabei in eine ähnliche Richtung wie die seiner Vorgänger.

Sein besonderer Verdienst bestand allerdings darin, zu zeigen, dass es möglich war, Informationen über die Phasen des Zwischenbilds durch Überlagerung der vom Objekt ausgehenden Welle und einer Referenzwelle auf direktem Weg zu gewinnen und fotografisch festzuhalten.
Außerdem erkannte er, dass das Zwischenbild, das er als Hologramm bezeichnete, über die Mikroskopie hinaus zur dreidimensionalen Abbildung von Gegenständen genutzt werden konnte.

Leider waren Gabors experimentelle Möglichkeiten zu dieser Zeit begrenzt.

Da der Laser noch nicht erfunden war, musste er bei seinen Versuchen mit

einer Quecksilberdampflampe als Lichtquelle arbeiten. Um so erstaunlicher

ist es, dass er es schaffte, mit diesen Mitteln das einen Quadratzentimeter große Hologramm eines Dias herzustellen. Damit war die Durchführbarkeit seiner Idee bewiesen. Auf Grund der technischen Schwierigkeiten ließ die Qualität des hergestellten Hologramms jedoch sehr zu wünschen übrig.

Nach der Veröffentlichung seiner Forschungsarbeit in den Jahren 1949 und 1951 kehrte er diesem Gebiet der Forschung enttäuscht den Rücken, da er selbst mit seinen Ergebnissen nicht zufrieden war.

In den Jahren darauf wurde an der Weiterentwicklung der Holografie hauptsächlich streng geheim im militärischen Bereich gearbeitet.

Erst einige Jahre später (1959) erfuhr Gabor überraschend, dass es den beiden amerikanischen Wissenschaftlern Emmett Leith und Juris Upatnieks gelungen war, gute dreidimensionale Abbildungen von Objekten zu erzeugen, deren Herstellung größtenteils auf Gabors theoretischen Grundlagen beruhte. Als dann 1960 der erste Laser von Theodore H. Maiman erfunden wurde (ein Rubinkristallaser) und zwei Jahre später der He-Ne-Laser, begann die Holografie ihren Siegeszug anzutreten.

Anfang der 60er Jahre gelang dem sowjetischen Physiker Youri Denisyuk dann auch die Aufnahme der ersten Reflexionshologramme, die auch mit gewöhnlichem Sonnenlicht betrachtet werden konnten.

Schlagartig kam die Erfindung Gabors, für die zuvor keine Zukunft gesehen wurde, zu neuem Ansehen und zog vor allem in den sechziger und siebziger Jahren großes Interesse auf sich.

In den folgenden Jahren entstanden verschiedenste wissenschaftliche Anwendungen der optischen Holografie.

Erst im Jahre 1971, 23 Jahre nach seiner Erfindung der Holographie, wurde Gabor im Alter von 71 Jahren für seine Entdeckungen mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet, 23 Jahre nach seiner Erfindung der Holographie.

3.1.3 Verschiedene Arten von Hologrammen

Hologramme lassen sich grundsätzlich in zwei Klassen unterteilen. Man unterscheidet Transmissionshologramme und Reflexionshologramme.

Bei den im hier vorgestellten Versuch hergestellten Hologrammen handelt es sich um Reflexionshologramme.

Im folgenden werden die Eigenschaften und Unterschiede der beiden Hologrammarten kurz erläutert.

Transmissionshologramme:

Transmissionshologramme sind Hologramme, die zur Rekonstruktion mit monochromatischem Licht, z.B. einem aufgeweiteten Laserstrahl beleuchtet werden müssen.

Um ein Transmissionshologramm herzustellen, müssen Referenz- und Objektstrahl aus der gleichen Richtung auf die Fotoplatte auftreffen. Die Abstände der belichteten Stellen auf der Fotoplatte hängen bei dieser Art der Hologrammaufnahme vom Auftreffwinkel des Objekt- und Referenzstrahls auf die Fotoschicht ab. Ist der Winkel zwischen Objekt- und Referenzstrahl groß, so liegen die Punkte konstruktiver Interferenz nahe beieinander, bei einem kleinen Winkel sind die Abstände größer.

Da der Objektstrahl nicht von einer ebenen Fläche, sondern von einem Objekt (mit einer an jeder Stelle anderen Struktur) reflektiert wird, ist der Auftreffwinkel auf die Fotoplatte an jeder Stelle ein anderer. Der Referenzstrahl dagegen trifft an jeder Stelle der Fotoplatte im gleichen Winkel auf. Der Abstand der Stellen konstruktiver Interferenz auf der Fotoplatte ist also abhängig von der räumlichen Struktur des holografierten Objekts.

Das bedeutet, dass die "Form" des Objektstrahls auf der Fotoplatte in den verschiedenen Abständen der geschwärzten Stellen gespeichert ist (siehe Abb. 2).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2: Entstehung des Interferenzmusters bei Transmissionshologrammen^[8]

Dabei wird die gesamte Objektinformation in einer Ebene gespeichert, die parallel zur Oberfläche der Fotoplatte liegt.

Bei Fotoplatten, bei denen die Filmschicht dicker ist als die Wellenlänge des zur Aufnahme verwendeten Lichts (was im allgemeinen der Fall ist) wird in allen Ebenen die exakt selbe Information gespeichert.

Je nachdem, wie das Transmissionshologramm entwickelt wurde ist die Information in den verschiedenen Ebenen entweder in unterschiedlichen Schwärzungsstufen (Amplitudenhologramm) oder in unterschiedlichen Brechungsindizes (Phasenhologramm) gespeichert.

In beiden Fällen ist es jedoch gleichermaßen notwendig, dass die Rekonstruktion mit monochromatischem Licht stattfindet.

Sowohl die Brechung als auch die Beugung sind wellenlängenabhängige Phänomene. Beleuchtet man das Transmissionshologramm beispielsweise mit weißem Licht, so liegt das rekonstruierte Bild für jede Wellenlänge an einer ähnlichen, jedoch nicht exakt gleichen Stelle.

Man erhält also mehrere, leicht gegeneinander verschobene Bilder, die sich gegenseitig überlagern. Der Betrachter kann lediglich ein verschwommenes Bild wahrnehmen.

Die Beleuchtung eines Transmissionshologramms muss bei der Rekonstruktion aus exakt derselben Richtung erfolgen, aus der der Referenzstrahl auf die Fotoplatte auftraf. Das Transmissionshologramm wird also von hinten beleuchtet. Das Objekt scheint für den Betrachter dabei hinter der Fotoplatte zu liegen. Man spricht hier von einem virtuellen oder auch orthoskopischen Bild.

Beleuchtet man das Transmissionshologramm von vorne, also quasi aus der "falschen" Richtung, so ist ebenfalls ein Bild zu sehen. Es scheint vor der Fotoplatte zu liegen und verhält sich zum Objekt wie eine Art Gipsabdruck des Originals. Dieses Bild wird als reell oder auch pseudoskopisch bezeichnet.

Reflexionshologramme:

Der große Vorteil von Reflexionshologrammen ist die Tatsache, dass sie zum Betrachten mit Weißlicht beleuchtet werden können. Man benötigt dazu nur eine punktförmige Lichtquelle (beispielsweise einen Halogenspot). Auch helles Sonnenlicht eignet sich sehr gut zur Beleuchtung.

Im Gegensatz zu Transmissionshologrammen wird bei Reflexions-hologrammen die Information über den Objektstrahl in der Fotoschicht nicht zweidimensional sondern dreidimensional gespeichert.

Dazu müssen bei der Belichtung der Fotoplatte Objekt- und Referenzstrahl aus der selben Richtung auf die Fotoplatte treffen.

Bei der Betrachtung des fertigen Hologramms müssen sich die Lichtquelle und der Betrachter dann auf der Seite befinden, von der bei der Belichtung der Referenzstrahl auf die Fotoschicht fiel. Das Objekt scheint wie beim Transmissionshologramm hinter der Fotoplatte zu liegen. Auch hier spricht man vom orthoskopischen oder virtuellen Bild. Dreht man das Hologramm herum, so erhält man auch beim Reflexionshologramm das reelle oder pseudoskopische Bild des holografierten Gegenstands, das umgestülpt erscheint und für den Betrachter vor der Fotoplatte liegt.

Die genauen Vorgänge der Hologramm-Entstehung und Hologramm-Rekonstruktion bei Reflexionshologrammen werden in den Abschnitten 3.3.2 bis 3.3.4 näher erläutert.

3.2 Der verwendete Aufbau

Der folgende, im Praktikumsversuch verwendete Aufbau bietet die Möglichkeit, mit einfachsten Mitteln Reflexionshologramme herzustellen.

Der Aufbau wurde im Rahmen einer Staatsexamensarbeit an der Universität Stuttgart von Michaela Knittel entwickelt und an die Möglichkeiten der Pädagogischen Hochschule Heidelberg angepasst.

Der Vorteil dieses Aufbaus ist, daß Reflexionshologramme mit Schulgeräten und ohne Schwingungsisolierung aufgenommen werden können.

Das Foto zeigt den Original-Aufbau für das Physikalische Praktikum (Abb.3).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3: Aufbau des Praktikumsversuchs

Bei dem verwendeten Laser handelt es sich um einen 1mW-Laser. Da der Laser recht schwach ist, müssen lange Belichtungszeiten in Kauf genommen werden, was die Gefahr erhöht, das Hologramm während der Belichtung zu "verwackeln".

Außerdem sind mit einem Laser dieser Stärke nur Hologramme einer Größe von etwa 5cm * 5cm möglich. Weitet man den Strahl weiter auf, ist die Intensität des Lichtbündels so gering, dass man die fehlende Intensität nicht mehr durch längere Belichtungszeiten ausgleichen kann. Die Schwärzung der Fotoplatte ist zwar proportional zur Intensität des Lichts (der Amplitude). Die Proportionalität zur Belichtungszeit gilt jedoch nur in einem gewissen Bereich. Über diesen Bereich hinaus nimmt die Schwärzung der Platte auch bei stark verlängerten Belichtungszeiten nicht mehr zu.

Da es sich jedoch um ein Physikalisches Praktikum für Lehramtsstudenten handelt, ist es durchaus sinnvoll, keinen stärkeren Laser zu verwenden.

Ein Laser der Stärke 1 mW gehört (gerade noch) zur Schutzklasse I. Nur Laser der Schutzklasse I dürfen an Schulen verwendet werden. (Allerdings dürfen auch Laser der Schutzklasse I nur vom Lehrer bedient werden.)

Damit wäre es theoretisch möglich, den Aufbau des Praktikumsversuchs auch beispielsweise im Rahmen einer Projektwoche in der Schule einzusetzen und mit (kleinen!) Schülergruppen Hologramme herzustellen. Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4: Schematische Darstellung des Aufbaus^[9]

In Abbildung 4 ist der Aufbau vereinfacht schematisch dargestellt. Der Laserstrahl wird zunächst durch eine Linse der Brennweite 5mm aufgeweitet. Der aufgeweitete Strahl wird dann durch einen Oberflächenspiegel umgelenkt und fällt von oben auf die Fotoplatte (Referenzstrahl). Die Fotoplatte liegt direkt auf dem Objekt auf, wodurch auch bei kleinen Erschütterungen sichergestellt ist, dass sich der Abstand zwischen Objekt und Fotoplatte nicht ändert. Daher ist diesem Aufbau kein schwingungs-isolierter Tisch erforderlich.

Da die stabile Lagerung der Objekte meist anders nicht möglich ist, wird eine Schale mit Sand verwendet, in die die Objekte gelegt werden. Die Lagerung der Fotoplatte erfolgt dann auf drei in den Sand gesteckten Schrauben (Drei-Punkte-Lagerung).

Die Fotoplatte wird in diesem Aufbau als Strahlteiler verwendet. Ein Teil des Lichts geht durch die Fotoplatte hindurch und wird vom Objekt reflektiert. Der reflektierte Strahl fällt von unten als Objektstrahl auf die Fotoplatte und interferiert in der Fotoschicht mit dem Referenzstrahl.

Der Umlenkspiegel hat zwei Funktionen. Zum einen ermöglicht er, dass die Fotoplatte direkt auf dem Objekt aufliegt. Ein zweiter Punkt ist, dass der Aufbau durch den Umlenkspiegel weniger Platz benötigt.

Der Weg des Strahls ist notwendig, da der Strahl durch die Linse zylinderförmig aufgeweitet wird. Ist der Weg zu kurz, so lässt sich mit der verwendeten Linse kein ausreichend großes Lichtbündel erzeugen.

Durch den Spiegel ist es möglich, den gesamten Aufbau auf einer Länge von etwa 1,5 m zu realisieren. So passt er auf einen herkömmlichen Schultisch.

Die Verwendung eines Oberflächenspiegels ist nicht unbedingt erforderlich aber empfehlenswert.

Herkömmliche Haushaltsspiegel bestehen aus einer Glasplatte mit einer dahinter liegenden Silberschicht. Die Glasplatte wirkt als Strahlteiler. Ein Teil des Lichts wird an der Vorderseite der Glasplatte reflektiert, das übrige Licht geht durch die Glasplatte hindurch und fällt auf die Silberschicht, die diesen Teil des Lichts reflektiert. Durch diesen Gangunterschied kann es im aufgeweiteten Lichtbündel zu Interferenzstreifen kommen.

Ein Oberflächenspiegel dagegen besteht aus einer Silberschicht, die direkt auf das Trägermaterial aufgedampft ist. Dadurch werden Interferenz-erscheinungen vermieden.

Ich habe mich entschieden, den kompletten Aufbau auf einer optischen Bank zu realisieren. Da der Aufbau zwischen den Praktikumstagen nicht abgebaut wird, müssen die Studenten nur noch die Feinjustierung übernehmen. Außerdem ist so gewährleistet, dass alle optischen Komponenten auf einer Linie angeordnet sind.

3.3 Die physikalischen Hintergründe

3.3.1 Das verwendete Holografiematerial

Bei dem in diesem Versuch verwendeten Fotomaterial handelt es sich um Glasplatten, die mit einer lichtempfindlichen Silber-Halogenid-Emulsion (dem eigentlichen "Film") beschichtet sind. Der wichtigste Unterschied zu normalen fotografischen Filmen liegt im Auflösungsvermögen, das in Linien pro Millimeter ausgedrückt wird. Fotografische Filme besitzen ein Auflösungsvermögen von 100 bis 200 Linien pro Millimeter, während für die Holografie 3000 bis 6000 Linien pro Millimeter notwendig sind.

Dieses hohe Auflösungsvermögen ist notwendig, da die aufgezeichneten Strukturen, die Interferenzmuster, in ihrer Größenordnung im Bereich der Wellenlänge des zur Belichtung verwendeten Lichts liegen.

Die hier verwendeten Platten haben ihre Hauptempfindlichkeit im Wellenlängenbereich zwischen 580 nm und 650 nm (rotempfindlich). Daher erfolgt die Belichtung mit einem Helium-Neon-Laser. Die Tatsache, dass ihre Empfindlichkeit auf einen so kleinen Wellenlängenbereich beschränkt ist, erlaubt die Beleuchtung des Versuchsraumes mit Grünlichtlampen.

Das Fotomaterial ist sowohl auf Glasplatten als auch als Film erhältlich. Verwendet man Filmmaterial, so muss das Material während der Belichtung zwischen zwei Glasplatten eingeklemmt werden, um es zu fixieren.

Auf Grund der leichteren Handhabung von Fotomaterial auf Glasplatten habe ich mich für diese Variante entschieden.

Filmmaterial ist zwar deutlich billiger, da die Studenten jedoch keine Erfahrung bei der Herstellung von Hologrammen haben, wäre durch die Verwendung von Filmmaterial eine weitere (unnötige) Schwierigkeit bei der ohnehin fehleranfälligen Hologrammherstellung gegeben.

Um die Qualität der fertigen Hologramme zu verbessern, werden die Fotoplatten vor der Belichtung mit einem Vorquellbad vorbehandelt.

Das Vorquellbad besteht aus einer 4%-igen Lösung von Triethanolamin in destilliertem Wasser und hat die Aufgabe, die Fotoschicht aufzuquellen, um mehr Schichten konstruktiver Interferenz speichern zu können. Während das Wasser wieder verdunstet, wenn man die Platten trocknet, verbleibt das Triethanolamin in der Fotoschicht und wird erst beim Entwickeln wieder ausgewaschen.

3.3.2 Die Hologramm-Entstehung

a) Die Belichtung der Fotoplatte makroskopisch:

Bei dem hier verwendeten Aufbau zur Herstellung von Reflexions-hologrammen wird das Lichtbündel durch die Fotoplatte selbst in zwei kohärente Wellenfronten aufgespalten :

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 5: Belichtung der Platte makroskopisch

Das Lichtbündel wird am Spiegel umgelenkt und fällt von oben auf die Fotoplatte. An der Grenzschicht Luft - Glas kommt es zu Brechung. Nachdem das Licht die Glasschicht durchlaufen hat, trifft es von oben auf die Emulsionsschicht (Referenzstrahl). Auch beim Übergang Glas – Emulsion tritt Brechung auf.

Beim Durchgang durch die Emulsionsschicht wird ein Teil des Lichts absorbiert, ein Teil des Lichts geht durch die Schicht hindurch und trifft auf das Objekt.

Beim Übergang Emulsion – Luft wird das Licht erneut gebrochen.

[...]

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^[1] vergleiche Neumann, Schumacher, Welzel :"Didaktische Rekonstruktion eines Physikalischen Praktikums für Physiker" (2002, 1)

^[2] vergleiche Welzel u.a. "Ziele, die Lehrende mit dem Experimentieren in der naturwissenschaftlichen Ausbildung verbinden – Ergebnisse einer europäischen Umfrage"

(1998, 1-10)

^[3] Welzel u.a. "Lernprozesse im Physikstudium und Physikalischen Praktikum" – Artikel aus "Didaktik der Physik – Vorträge – 60. Physikertagung 1996 – Jena" (1996, 579-584)

^[4] Welzel u.a. "Ziele, die Lehrende mit dem Experimentieren in der naturwissenschaftlichen Ausbildung verbinden – Ergebnisse einer europäischen Umfrage", (1998, 6)

^[5] R. Fichtner "Physik verstehen – was ist das?" aus "Wege in die Physikdidaktik Bd.4", S.219

^[6] vergleiche u.a. www.holographie-online.de

^[7] Foto entnommen aus www.holographie-online.de

^[8] Abb.2 aus: Michaela Knittel "Optische Holographie", Staatsexamensarbeit an der Universität Stuttgart, (2000, 11)

^[9] Abbildung 4 wurde leicht abgewandelt übernommen aus: Michaela Knittel "Optische Holographie", Staatsexamensarbeit an der Universität Stuttgart (2000, 40)