Praktikumsauswertung zur Holographie

Vorbereitung

Die Holographie ist ein Verfahren, um die Bildinformation eines Objektes zu speichern. Im Gegensatz zur Fotografie, bei der nur die Intensität der Objektwelle aufgezeichnet wird, wird auf einem Hologramm auch die Phaseninformation gespeichert. Bei der Fotografie wird ein Objekt auf eine zweidimensionale Fläche abgebildet, was dazu führt, dass die räumliche Struktur des Objektes verloren geht, da lediglich Intensitäten über einen gewissen Zeitraum abgebildet werden. Dies führt dazu, dass die Bildwelle nicht identisch mit der ursprünglichen Objektwelle ist. Bei einem Hologramm wird zusätzlich zu der Intensität auch die Phase der Objektwelle gespeichert. Dies geschieht durch Interferenz mit einer Referenzwelle. Betrachtet man ein entwickeltes Hologramm, das von einer Rekonstruktionswelle beleuchtet wird, so ist die Bildwelle, die man sieht, identisch mit der Objektwelle; man sieht also ein dreidimensionales Bild statt nur ein zweidimensionales.

Zum bilden eines Hologramms benötigt man eine kohärente Lichtquelle. Kohärent bedeutet erstens, dass die emittierte Welle zeitlich Kohärent ist. Dies bedeutet, dass ein Punkt mit einer um Δΐ zeitversetzten Kopie interferieren kann. Dazu muss der Phasenunterschied zwischen dem Punkt und seiner zeitversetzten Kopie zeitlich konstant sein. Zweitens müssen zwei beliebige Punkte in der Welle eine konstante Phasenbeziehung zueinander haben. Sind beide dieser Bedingungen erfüllt, kann die Welle mit sich selbst interferieren.

Eine solche kohärente Lichtquelle beleuchtet ein Objekt, von dem ein Hologramm erstellt werden soll. Wie bei einem Foto wird die Objektwelle auf einer Fotoplatte aufgenommen. Zusätzlich zu dieser Welle wird jedoch noch eine sog. Referenzwelle auf die Fotoplatte gestrahlt. Diese muss kohärent zu der Objektwelle sein, weshalb es am einfachsten ist, eine einzige Lichtquelle zu verwenden, die aufgespalten wird um sowohl das Objekt zu beleuchten als auch als Referenzwelle zu dienen. Diese beiden Lichtwellen bilden ein Interferenzmuster auf der Fotoplatte. Die Abstände der Interferenzstreifen sind proportional zur Phasendifferenz der beiden Wellen. Da für die Referenzwelle die Phasenverteilung bekannt ist, kann man die Phase der Objektwelle bestimmen und somit eine identische Kopie der ursprünglichen Objektwelle erstellen.

Bei der Rekonstruktion wird die entwickelte Fotoplatte von einer Rekonstruktionswelle beleuchtet. Wir verwenden der Einfachheit halber dieselbe Lichtquelle der Referenzwelle. Die Welle wird an dem entwickelten Hologramm gebeugt, da es sich wie ein Gitter verhält. Dabei entstehen an den 1. und -1. Beugungsordnungen jeweils Bilder des ursprünglichen Objektes. Verwendet man ebene Wellen als Referenz- und Rekonstruktionswellen, so sind es ein reelles Bild an der 1. Beugungsordnung und ein virtuelles Bild an der -1. Beugungsordnung. Verwendet man jedoch Energie Kugelwellen, so kann man durch einen geeigneten Aufbau /|\ auch zwei virtuelle oder zwei reelle Bilder erzeugen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Zum Erzeugen des kohärenten Lichtes wird ein Gaslaser verwendet, genauer ein Helium-Neon-Laser. Im einem Hohlraum ist, wie der Name schon sagt, ein Gasgemisch aus Helium und Neon in einem Verhältnis von circa 10:1. Das Helium ist das sogenannte Pumpgas und das Neon ist das Lasergas. Als Energiezufuhr dient eine Hochspannung zwischen Anode und Kathode. Diese bringt durch Gasentladung das Helium auf das höher gelegene Niveau.

Aufgrund einer Übereinstimmung der relevanten Energieniveaus der beiden Gase können die angeregten Heliumatome ihre Energie an die Neonatome durch Stöße Heiiürr Tlëôr zweiter Art abgeben wodurch diese in das im Schaubild höchste Energieniveau rutschen. Durch spontane und stimulierte Emission gehen diese nun in das mittlere Energieniveau über und geben dabei Photonen mit einer Wellenlänge von 632,8 nm ab.

Durch Wandstöße und spontane Emission gehen die Neonatome wieder in den Grundzustand über.

Dadurch, dass der höhere Energiezustand eine längere Lebensdauer als der mittlere hat befinden sich im Durchschnitt mehr Neonatome im höheren Energiezustand, wodurch die nötige Besetzungsinversion gegeben ist.

Um das Licht nun zu verstärken, muss der Hohlraum des Lasers wie ein Resonator wirken. Dazu befinden sich zwei Spiegel an den jeweiligen Enden des Hohlraums, die die Photonen reflektiert, wodurch diese wieder andere Neonatome anregen können. Es bildet sich, klassisch gesehen, eine stehende Welle aus. Der Spiegel am Ausgang hat dabei eine Durchlässigkeit von ca. 2%, so dass ein Teil der stehenden Welle aus dem Laser austreten und als Laserstrahl verwendet werden kann.

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