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 Farbe des Lichtes auch die Phaseninformation des Lichtes auf der Oberfläche einer geeigneten Fotoplatte gespeichert. Zur Entstehung eines Hologramms wird ein Laserstrahl in jeweils einen Objekt- und einen Referenzstrahl aufgeteilt:

\- Der Objektstrahl wird auf das Objekt gerichtet und von dessen Oberfläche reflektiert. Das reflektierte Licht fällt anschließend auf die Fotoplatte

\- Der Referenzstrahl trifft direkt auf die Fotoplatte

Auf der Fotoplatte interferieren beide Teilstrahlen. Das entstehende Interferenzmuster enthält Informationen über die Phase (räumliche Information) und die Amplitude (Helligkeit). Nach der Belichtung muss die Fotoplatte noch entwickelt werden. 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 kann zwischen Reflexions- und Transmissionshologrammen unterschieden werden. Bei Transmissionshologrammen scheint zur Rekonstruktion des Bildes die Lichtquelle aus Sicht des Betrachters von Hinten durch die Fotoplatte. Beim Reflexionshologramm wird das Bild von der Betrachter-Seite rekonstruiert.

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 Schülerinnen und Schüler können unter Aufsicht einer Lehrkraft experimentieren und die Durchführung des Experiments 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. Zudem kann das Wissen zum Thema Interferenz vertieft werden und eine praktische Anwendung von Interferenz aufgezeigt werden. Zudem ist fächerübergreifend die Thematisierung der chemischen Reaktionen bei der Entwicklung der Fotoplatte möglich.

Nötige Vorkenntnisse

Grundlagen zum Wellencharakters des Lichtes, Interferenz und Beugung, Reflexion und Brechung

Licht und Materie, insbesondere Brechungsindex zum Verständnis dafür, wie ein dreidimensionales Bild zustande kommt

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

Gibt es in der Literatur (z.B. Schecker, Horst; Wilhelm, Thomas; Hopf, Martin; Duit Reinders (Hrsg.) (2018): Schülervorstellungen und Physikunterricht. Berlin: Springer-Verlag GmbH) bereits erforschte Schülervorstellungen, die bei diesem Experiment relevant werden könnten? Beschreibe die Schülervorstellungen mit eigenen Worten und beschreibe warum sie hier relevant sind. GGf. kannst du auch einen Lösungsansatz beschreiben.

Die Auswahl des Bildes sollte symbolisch den gesamten Versuch beschreiben und ansprechend sein

Allgemein

Klassenstufe	Klasse 11-12
Kategorie	?
Einordnung in den Bildungsplan von BW	Kapitel, Abschnitt

Versuchsanleitung

In dieser Versuchsanleitung wird das 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 benötigt werden eine Taschenlampe und ein Heißluftfön.

Material für den optischen Aufbau - Board mit Länge 1,2m und Breite 0,8m - 4 Schubkarrenschläuche - Nd YAG Laser mit λ = 532nm und 500mW Leistung - 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 für die Belichteten Fotoplatten werden auf 1L Lösung folgende Chemikalien benötigt: - 2,5g Metol - 10g Vitamin C - 50g Soda

Auf 1L der Lösung des Bleichbades werden folgende Chemikalien benötigt: - 5g Kaliumdichromat - 80g Natriumhydrogensulfat

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 einen maximalen Durchmesser erreicht und so einen möglichst großen Bereich (möglichst die gesamte Fotoplatte) ausleuchtet. Der Abstand zwischen Pinhole und Objekt beträgt im Experiment auf den Fotos 70cm.

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, die xyz-Stage mit Linse und Pinhole befestigt. Der Aufbau wird o lange justiert, bis am hinter dem Pinhole eine möglichst maximale Leistung messbar 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 Holographie-Platten.

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.

Durch das geschickte Setzen von Umgebungen kann das Bild des Kolibris hier an dieser Stelle erscheinen und könnte jetzt zum Beispiel den ersten Schritt des Experiments beschreiben

Versuchsdurchführung

Beschreibe hier genauer was man zur Durchführung tun muss. Aus was muss dabei geachtet werden?

Auswertung

Hier sollen Diagramme, Werte und eine Fehlerabschätzung zum Experiment hin. Gegebenenfalls können hier auch Gleichungen eingebunden werden. Mathematische Ausdrücke werden durch den <math>-Tag initiiert:

$\mathrm{i}\hslash \frac{\partial }{\partial t}|\psi (t)⟩=\hat{H}|\psi (t)⟩.$

Beim Vergleich mit Literaturwerten oder ähnlichem sollte durch die Referenzumgebung <ref> auf geeignete Quellen verwiesen werden, diese erscheinen dann auch automatisch am Seitenende.

Mögliche Probleme und ihre Lösungen

Treten beim Experiment häufiger Fehler auf? Bitte beschreibe sie hier.

Sicherheitshinweise

Hier nötige Sicherheitshinweise notieren. Ggf. Betriebsanweisung verlinken.

• Influenzmaschine

Fotos

Am Ende des Dokuments kommt eine Galerie aller Bilder, die zu diesem Experiment unter dem Namensraum "Datei:" bereits vorhanden sind. Im Allgemeinen lohnt es sich häufig auch, bereits bestehende Texte und deren Syntax zu betrachten:
<div class="row"> <div class="large-4 large-centered columns"> <ul class="example-orbit" data-orbit> <li> [[Datei:Bild.png|slide 1]] <div class="orbit-caption"> Bildbeschreibung </div> </li> </ul> </div> </div>

• 

      Platzhalter
  

• 

       Ein Kolibri
  

Literatur

Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter CC BY-NC-SA 4.0