EXP:Holographie

In diesem Experiment soll im Gegensatz zu einem herkömmlichen zweidimensionalen Bild ein dreidimensionales Bild eines Objektes erzeugt werden.

Theoretische Zusammenfassung

Bei einem Hologramm wird neben der Helligkeit und der Farbe des Lichtes auch die Phaseninformation auf der Oberfläche einer geeigneten Fotoplatte gespeichert. Damit ein Hologramm entsteht, muss ein Laserstrahl in einen Objekt- und einen Referenzstrahl aufgeteilt werden:

• Der Objektstrahl wird auf das Objekt gerichtet, von dessen Oberfläche reflektiert und fällt anschließend auf die Fotoplatte.
• Der Referenzstrahl hingegen trifft direkt auf die Fotoplatte.

Auf der Fotoplatte interferieren diese beiden Teilstrahlen. Das entstehende Interferenzmuster enthält Informationen über die Phase (räumliche Information) und die Amplitude (Helligkeit). Handelt es sich bei den Fotoplatten um Silberhalogenid-Platten, werden durch auftreffendes Licht Silberkationen zu Silber reduziert. Durch das Interferenzmuster variiert das Ausmaß, in dem Silberkationen an einer bestimmten Stelle auf der Platte reduziert werden. Nach der Belichtung muss die Fotoplatte noch entwickelt werden. Hierbei wird das entstandene Silber ausgewaschen, wodurch die Schichtdicke auf der Glasoberfläche verändert wird. Dadurch ändert sich auch der Brechungsindex und die dreidimensionale Struktur ist auf der Fotoplatte gespeichert. Um ein Hologramm abschließend betrachten zu können, wird es mit einem Laserstrahl oder einer anderen geeigneten Lichtquelle im passenden Winkel beleuchtet. Dies ermöglicht das Betrachten eines Hologramms aus verschiedenen Perspektiven.

Generell wird zwischen Reflexions- und Transmissionshologrammen unterschieden. Bei Ersterem wird das Bild von der Betrachter-Seite rekonstruiert. Bei Transmissionshologrammen scheint die Lichtquelle aus Sicht des Betrachters von hinten durch die Fotoplatte, wodurch das dreidimensionale Abbild sichtbar wird.

Didaktischer Rahmen

Fachdidaktische Zielsetzung

Durch dieses Experiment wird Schülerinnen und Schülern der Umgang mit optischen Bauteilen nähergebracht und die Empfindlichkeit eines solchen Versuchsaufbaus verdeutlicht. Die Lernenden können unter Aufsicht einer Lehrkraft teilweise selbst experimentieren und die Durchführung reflektieren. Zu beachten ist hierbei, dass je nach Fotoplatte möglicherweise ein Laser verwendet werden muss, der eine hohe Leistung besitzt und daher nicht für Schülerinnen und Schüler geeignet ist. Außerdem dürfen die Lernenden nicht in Kontakt mit einigen Chemikalien bei der Entwicklung der Fotoplatte kommen. Dennoch können die dabei ablaufenden chemischen Reaktionen fächerübergreifend thematisiert werden. Daneben kann das Wissen zum Thema Interferenz vertieft sowie eine praktische Anwendung aufgezeigt werden.

Nötige Vorkenntnisse

• Grundlagen zum Wellencharakters des Lichts, Interferenz und Beugung sowie Reflexion und Brechung
• Aspekte aus dem Themengebiet Licht und Materie, insbesondere der Brechungsindex für das Verständnis über das Entstehen des dreidimensionalen Bildes
• Polarisation von elektromagnetischen Wellen zum Verständnis eines Polarisationsstrahlteilers
• Funktionsweise von Linsen und Spiegeln
• Experimentieren mit optischen Bauteilen

Mögliche Schülerschwierigkeiten

• Komplexität des Gesamtaufbaus, da viele Einzelkomponenten benötigt werden
• Verständnis über die Entstehung des dreidimensionalen Bildes

Schülervorstellungen, die hier relevant werden

Schülerinnen und Schüler können im Themenfeld der Interferenz unter anderem das Problem haben, dass Interferenz nicht nur zur Verstärkung, sondern auch zur Verringerung der Intensität führen kann. Aufgrund der destruktiven Interferenz führt die Kombination von Licht und Licht nicht automatisch dazu, dass es heller wird. Daneben kann es zur Verwechslung von Polarisation und Interferenz kommen, da Polarisationsgitter und Beugungsgitter äußerlich identisch aussehen, jedoch unterschiedliche Funktionsweisen besitzen. Des Weiteren besteht häufig die Vorstellung, dass konstruktive Interferenz auftritt, wenn das Licht aus derselben Richtung kommt und es zu destruktiver Interferenz kommt, wenn die Lichtwellen von verschiedenen Richtungen aufeinandertreffen.

Aufnahme eines Hologramms in der Dunkelkammer.

Allgemein

Klassenstufe	Klasse 11-12
Kategorie	Optik
Einordnung in den Bildungsplan von BW	Kapitel Wellenoptik, Abschnitt 3.6.4 (3)

Versuchsanleitung

In dieser Versuchsanleitung wird ein Experiment für Transmissionshologramme beschrieben.

Benötigtes Material

Neben Silberhalogenid-Fotoplatten, dem optischen Aufbau zur Erzeugung des Hologramms und den Lösungen zum Entwickeln und Bleichen der Fotoplatten wird eine Dunkelkammer benötigt. Außerdem sollte eine Taschenlampe und ein Heißluftfön bereitgelegt werden.

Materialien für den optischen Aufbau:

Die Abbildung zeigt eine Detailaufnahme des Lasers (links) mit dem Polarisationsstrahlteiler und den beiden λ/2-Plättchen, den zwei Spiegeln (unten im Bild), der xyz-Stage, auf der eine Linse und ein Pinhole fixiert sind und der Irisblende (rechts).

• Breadboard mit Länge 1,2 m und Breite 0,8 m
• vier Schubkarrenschläuche
• Nd YAG Laser mit λ = 532 nm und 500 mW Leistung (für Schülerinnen und Schüler nicht erlaubt)
• Lens-Tubes
• zwei λ/2-Plättchen
• Polarisationsstrahlteiler
• Shutter
• Strahlfänger
• zwei Spiegel
• zwei z-Stages
• xyz-Stage
• Linse mit 40-facher Vergrößerung
• Pinhole
• Irisblende
• Halterung für Fotoplatte
• Halterung für z-Stage

Zur Herstellung der Entwickler-Lösung werden auf 1 L der Lösung folgende Chemikalien benötigt:

• 2,5 g Metol (für Schülerinnen und Schüler nicht erlaubt)
• 10 g Vitamin C
• 50 g Soda

Zur Herstellung der Bleichbad-Lösung werden auf 1 L der Lösung folgende Chemikalien benötigt:

• 5 g Kaliumdichromat (für Schülerinnen und Schüler nicht erlaubt)
• 80 g Natriumhydrogensulfat

Alternative Rezepturen für die Entwicklerlösung und das Bleichbad sind auch bei Thor-Labs zu finden. Weiterhin werden zum Entwickeln der Platten benötigt:

• drei Kristallisationsschalen
• Zange für Fotoplatten
• Abfallgefäß
• Handschuhe

Versuchsaufbau

Im Folgenden wird der Gesamtaufbau der Optik genauer erläutert. Generell ist es wichtig beim Aufbau darauf zu achten, dass zwischen Linse und Objekt ein möglichst großer Abstand vorhanden ist, sodass der Laserstrahl-Durchmesser maximal ist und so ein möglichst großer Bereich (optimal die gesamte Fotoplatte) ausgeleuchtet wird. Der Abstand zwischen Pinhole und Objekt beträgt in diesem Experiment 70 cm.

Darstellung des Objekt- und des Referenzstrahls zum Erstellen eines Transmissionshologramms.

Schritt 1

Zuerst werden die Linse und das Pinhole auf der xyz-Stage fixiert.

Schritt 2

Anschließend werden der Laser, ein λ/2-Plättchen, der Polarisationsstrahlteiler, der Strahlfänger, zwei Spiegel sowie die xyz-Stage mit Linse und Pinhole befestigt. Der Aufbau wird so lange justiert, bis die Leistung hinter dem Pinhole maximal ist. Das λ/2-Plättchen dient zusammen mit dem Polarisationsstrahlteiler und dem Strahlfänger zur Steuerung der Laserleistung, die zur Erstellung des Hologramms benötigt wird. Durch drehen des λ/2-Plättchens kann Leistung in den Strahlfänger abgegeben werden. Dies vereinfacht auch die Justage des Aufbaus.

Schritt 3

Ist der Aufbau justiert, wird durch das Einbauen von Lens-Tubes störendes Streulicht eliminiert.

Schritt 4

In einem möglichst großen Abstand zum Pinhole wird eine z-Stage auf dem Board fixiert. Auf dieser z-Stage wird sich später das Objekt befinden, das aufgenommen werden soll. Direkt vor die z-Stage wird ein Gerüst als Halterung für die Fotoplatte befestigt. Dieses besteht unter anderem aus einer weiteren z-Stage, die horizontal ausgerichtet wird. Dies ermöglicht eine freie Drehung der Fotoplatte.

Schritt 5

Zwischen Polarisationsstrahlteiler und Spiegel wird ein weiteres λ/2-Plättchen fixiert. Dieses dient dazu die Polarisation des austretenden Lichtes erneut drehen zu können. Ziel ist es damit den Laserstrahl im Brewster-Winkel auf die Fotoplatte treffen zu lassen, um störende Reflexionen, die das Bild beeinflussen können, zu eliminieren.

Schritt 6

Unmittelbar hinter dem Pinhole wird zusätzlich eine Irisblende fixiert, die höhere Beugungsordnungen abschneidet.

Die Abbildung zeigt den gesamten optischen Aufbau zur Aufnahme eines Hologramms. Der Strahlengang des Lasers ist ebenfalls in grün eingezeichnet.

Versuchsdurchführung und Auswertung

Vorbereitungen

Bevor das Hologramm erstellt werden kann, muss die nötige Belichtungszeit für die jeweiligen Holographieplatten im Zusammenhang mit der verwendeten Laserleistung ermittelt werden. Bei den hier verwendeten Platten handelt es sich um grün-sensitive Platten von Thor-Labs (PHG63) für Transmissionshologramme. Aus dem Datenblatt der Fotoplatten kann die jeweilige Sensitivität entnommen und daraus die nötige Belichtungszeit berechnet werden . Für eine Laserwellenlänge kann aus dem Datenblatt eine Sensitivität S von S = 100 $\frac{\mu J}{c{m}^2}$ ermittelt werden. Für eine Strahlfläche von 10 cm² ergibt sich die benötigte Energie von 100 µJ zum Belichten der Platten. Bei einer Laserleistung von 1 mW ergibt das eine Belichtungszeit von einer Sekunde.

Schritt für Schritt Übersicht zum Erstellen eines Hologramms.

Erstellen des Hologramms

Die Durchführung des Versuches muss in einer Dunkelkammer erfolgen. Ein geeignetes Objekt, beispielsweise eine Schraube, wird auf der z-Stage platziert. Der Laser kann eingeschaltet und der Shutter geschlossen werden. Ab jetzt darf kein Licht, ausgenommen der Komplementärfarbe zur Sensititvität der Fotoplatten, verwendet werden. Da hier grün-sensitive Platten eingesetzt werden, kann schwaches rotes Licht für die weiteren Arbeitsschritte eingeschaltet werden. Die Fotoplatte wird mit Handschuhen ausgepackt und an der Halterung befestigt. Aufgrund der obigen Berechnung der Belichtungszeit von einer Sekunde, muss die Fotoplatte dem Laserlicht für diese Zeitspanne ausgesetzt sein. Danach wird der Shutter wieder geschlossen, der Laser ausgeschaltet und die Fotoplatte zum Entwicklen aus der Halterung entnommen.

Entwickeln und Bleichen des Hologramms

Das Entwickeln und Bleichen der Platte muss ebenfalls in der Dunkelkammer erfolgen. Hierzu werden drei Kristallisationsschalen vorbereitet, wobei in die erste Schale die Entwicklerlösung eingefüllt wird, in die zweite demineralisiertes Wasser zum Reinigen und in die dritte die Bleichlösung. Die Lösungen sollen die Platte vollständig benetzten und werden daher jeweils zu etwa 0,5 cm hoch befüllt. Die belichtete Platte wird zuerst mithilfe einer Zange für 2-3 Minuten in die Entwicklerlösung gegeben und immer wieder leicht geschwenkt. Dabei wird die gesamte Platte dunkel. Anschließend wird in der Schale mit demineralisiertem Wasser die Entwicklerlösung abgewaschen, danach die Fotoplatte in das Bleichbad gegeben und ebenfalls für 2-3 Minuten geschwenkt. Hierbei sollte sich die Platte wieder entfärben. Ist dies geschehen, kann das Licht wieder eingeschaltet werden.

Rekonstruieren des Hologramms

Die Platte wird abschließend mit einem Heißluftföhn vorsichtig bei niedriger Temperatur (40-50 °C) getrocknet und kann im trockenen Zustand mit einer geeigneten Lichtquelle betrachtet werden. Dabei lässt sich das Bild einfacher rekonstruieren, wenn die Gelatine-Schicht der Platte in Richtung des Beobachters zeigt.

Mögliche Probleme und ihre Lösungen

• Für das Experiment muss eine Dunkelkammer oder ähnliches zur Verfügung stehen. Zudem muss für das Arbeiten im Dunkeln Zeit eingeplant werden, da sich die Augen einige Minuten an die Dunkelheit gewöhnen müssen.
• Der Versuch ist generell zeitintensiv und erfordert eine präzise Justage. Die Durchführung mit einer ganzen Klasse ist daher schwierig.
• Die Qualität der Hologramme ist von vielen Faktoren abhängig und es benötigt Zeit, um die passenden Parameter (Belichtungszeit, Abstand zwischen Fotoplatte und Objekt, geeignetes Objekt, Laserleistung etc.) zu finden um ein gutes Ergebnis zu erhalten.
• Als Vereinfachung könnten Fotoplatten verwendet werden, die keine Entwicklung benötigen. Damit wird die Arbeit mit giftigen Chemikalien umgangen und Zeit eingespart.
• Die Emulsionsschicht der Fotoplatte muss bei der Belichtung in Richtung des Objektes zeigen und dementsprechend in die Halterung eingebaut werden. Um in der Dunkelkammer herausfinden zu können, wie die Platte eingesetzt werden muss, kann sie angehaucht und im roten Licht betrachtet werden. Die Seite, die beim Anhauchen nicht beschlägt, ist die Emulsionsseite.

Sicherheitshinweise

Betriebsanweisungen für Kaliumdichromat und Metol (Tätigkeitsverbot für Schülerinnen und Schüler sowie werdende oder stillende Mütter)

• Betriebsanweisung Kaliumdichromat
• Betriebsanweisung Metol

Fotos

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  slide 1

      Detailaufnahme des optischen Aufbaus.
  

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  slide 2

       Schematische Darstellung zur Entstehung eines Transmissionshologramm.
  

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  slide 3

      Gesamter optischer Aufbau zur Aufnahme eines Hologramms.
  

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  slide 4

       Schritt für Schritt Anleitung zur Arbeitsweise.