Institut für Angewandte Optik und Elektronik Fakultät für Informations-, Medien- und Elektrotechnik Fachhochschule Köln

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1 Institut für Angewandte Optik und Elektronik Fakultät für Informations-, Medien- und Elektrotechnik Fachhochschule Köln Praktikumsanleitung: Holografie Versuch 1: Die ebene Welle 1 Versuchsziel Ziel des ersten Praktikumsversuches ist es, die handwerklichen Fähigkeiten zu erlangen, welche notwendig sind, um ein Hologramm anfertigen zu können. Dazu gehört der sichere Umgang mit Laserlichtquellen, die Justierung von optischen Komponenten, wie Spiegeln und Linsen und insbesondere das Erzeugen einer ebenen Welle mit Hilfe eines Raumfilters. Neben den handwerklichen Fähigkeiten soll das Verständnis für die verwendeten Komponenten und ein Gefühl für die relevanten Größen vermittelt werden. Zum Ende des ersten Praktikumversuches soll jede Gruppe den Aufbau einer ebenen Welle fertiggestellt haben und in der Lage sein, dies in den nächsten Versuchen zu wiederholen. 2 Einleitung Die ebene Welle ist eine Welle, deren Phasenflächen Ebenen sind. Im Strahlenbild entspricht dies einem Bündel paralleler Strahlen. Dabei muss die Intensität nicht homogen verteilt vorliegen. Eine ebene Welle entsteht, wenn das Licht einer Punktlichtquelle im Unendlichem beobachtet wird, da dort der Krümmungsradius der Welle unendlich und damit die Krümmung Null ist. Aus Vorlesungen ist bekannt, dass eine ebene Welle dadurch erzeugt werden kann, dass eine Positivlinse im Abstand f, der Brennweite der verwendeten Linse, zu einer Punktlichtquelle angeordnet wird. Da in diesem Fall jeder Strahl der Punktlichtquelle gleich Brennpunktstrahl der Linse ist, verlassen alle Strahlen die Linse parallel zueinander. Dies gilt für jegliche Kugelwellen, auch wenn es sich nur um einen Auschnitt von einer solchen handelt. Um also in der Praxis eine ebene Welle zu erzeugen, wird eine Kugelwelle (oder eben ein Ausschnitt dieser) und eine Positivlinse benötigt. 1

2 Eine Kugelwelle kann zum Beispiel dadurch erzeugt werden, dass eine möglichst kleine Lichtquelle verkleinert abgebildet wird. Die praktikabelste Lösung ist die Verwendung eines Lasers. Das vom Laser emittierte Licht entspricht einer nahezu ebenen Welle. Dies kann so interpretiert werden, dass der Ursprung dieser Welle eine Punktlichtquelle sein muss. Somit lässt sich ein, lediglich durch Beugung begrenzter, Punkt erzeugen. Der Aufbau Abbildung 1: Schematischer Aufbau: ebene Welle Zu Beginn des Praktikums wird an jedem Versuch ein Laser und eine optische Bank, wenn nötig mit Umlenkspiegel, aufgebaut vorzufinden sein. Außerdem stehen alle notwendigen optischen Bauteile und Werkzeuge in unmittelbarer Nähe griffbereit. Die Bauteile sind in diesem Fall eine Negativlinse, eine Positivlinse, eine Irisblende und ein Raumfilter. Da die in diesem Praktikum verwendeten Laser in ihrer Laserklasse ohne Schutzmaßnahmen nicht verwendbar sind, ist jeder Laser mit einem passenden Dichtefilter abgeschwächt. In dieser Form ist die Verwendung auch ohne Schutzbrille gefahrlos. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass der Dichtefilter unter keinen Umständen von den Praktikumsteilnehmern entfernt werden darf. Laserschutzhinweise sind am Ende dieser Anleitung zu finden und sollten für die eigene Sicherheit aufmerksam gelesen werden. Des Weiteren wird eine Laserschutzeinweisung in der Vorlesung durchgeführt. 3 Durchführung Zu Beginn jedes optischen Aufbaus gilt es, eine optische Achse zu definieren. Die optische Achse ist im einfachsten Fall die Linie, die durch die Symmetriepunkte der optischen Bauelemente verläuft. Es ist sinnvoll diese parallel zur Tischoberfläche und der optischen Bank verlaufen zu lassen. Als Hilfsmittel dient hier die Irisblende. Bevor die optische Achse eingestellt wird, sollte man sich Gedanken machen auf welcher Höhe sie verläuft, da evtl. gewisse Bauteile zu hoch oder zu niedrig sein können. Ist eine Höhe bestimmt, so wird das Zentrum der Irisblende auf diese eingestellt. Ab diesem Zeitpunkt sollte die Blende weder in der Höhe noch in ihrer Ausrichtung senkrecht zur optischen Achse verändert werden, da sonst zu einem späteren Zeitpunkt nicht mehr nachjustiert werden kann. Nun wird der Laser bzw. der Umlenkspiegel so ausgerichtet, dass der Strahl, sowohl am Anfang und am Ende der optischen Bank, durch die zugezogene Blende verläuft. 2

3 3.1 Voraufweitung Nehmen Sie die Negativlinse und setzen Sie diese nah an den Laser bzw. Umlenkspiegel in den Strahlengang. Überprüfen Sie mit Hilfe der Blende, ob die Linse in der optischen Achse liegt. Dies ist der Fall, wenn der Strahl, der die Linse verlässt symmetrisch auf der optischen Achse liegt. Verschieben Sie dazu die Blende auf der optischen Bank vor und zurück und beobachten Sie ob sich der Strahl symmetrisch um das Blendenloch aufweitet. Der Reflex der Linse muss in den Laser zurück laufen, ansonsten liegt eine Verkippung der Linse zur optisch Achse vor. 3.2 Raumfilter Abbildung 2: Newport 5-Achsen Raumfilter und Pinhole Nehmen Sie den Raumfilter und stellen Sie alle Justierschrauben auf Mittelposition, um im späteren Aufbau die maximale Justierfreiheit zu haben. Nehmen Sie nun den Raumfilter und stellen diesen, im Bezug zur optischen Achse, hinter die Voraufweitung. Mit Hilfe der an dem Raumfilter angebrachten Blende können Sie das System auf die optische Achse ausrichten. Schließen Sie dazu die Blende vollständig. Wählen Sie den Abstand zur Voraufweitung so, dass die Blende zu ungefähr einem Drittel der Blendenfläche ausgeleuchtet ist. Stellen Sie nun den Raumfilter auf die optische Achse ein. Dazu entfernen Sie das Pinhole vorsichtig (mit der Lochfolie nach oben). Nun können Sie mit der Raumfilterblende die x-,y-position einstellen und mit der Irisblende den Winkel. Verwenden Sie dazu lediglich die Schrauben α und β und die Verschiebemöglichkeit des Reiters, sowie die Höheneinstellung über die Stange. Der austretende Strahl wird wie bei der Negativlinse mit der Irisblende kontrolliert. Verläuft der Strahl symmetrisch um die o.a., kann das Pinhole wieder eingesetzt werden. Öffnen Sie nun die Raumfilterblende vollständig. Nehmen Sie den Schirm und justieren Sie mit Hilfe der Schrauben x, y und z das Pinhole solange, bis eine homogene Fläche auf dem Schirm zu sehen ist. Durch lösen der Schraube Z können Sie grobe Einstellungen in Ausbreitungsrichtung vornehmen. 3

4 3.3 Achromat Nun nehmen Sie den Achromaten (Positivlinse) und stellen diesen im Abstand f, der Brennweite des Achromaten, hinter das Pinhole. Justieren Sie die Position so lange, bis die Welle hinter dem Achromaten in jedem Abstand gleich groß ist und auf der optischen Achse verläuft. Um die Welle genau einzustellen, bedienen Sie sich der Shearing P latte. Halten Sie sie unter ca. 45 in den Strahl und schauen sich das durch Reflexion an Vorder- und Rückseite entstehende Interferenzmuster auf dem Schirm an. Verschieben Sie den Achromaten nun vorsichtig so lange hin und her, bis das Interferenzmuster die geringst mögliche Anzahl an Hell-Dunkel-Wechseln aufweist. Das Muster sollte parallele Streifen enthalten, ist dies nicht der Fall, so ist der Achromat falsch herum eingesetzt. 4

5 4 Vorbereitungsaufgaben Aufgabe 1 Die Größe, des in diesem Praktikum verwendeten Pinholes, ist keinesfalls willkürlich gewählt. Gegeben ist ein Objektiv mit einer Brennweite von 16,5mm und ein Laser mit einem Strahldurchmesser von ungefähr 2mm bei einer Wellenlänge von 532nm. 1a) Berechnen Sie den Durchmesser des resultierenden Airy Scheibchens. (Den Abstand von der -1. zur 1. Nullstelle, nicht die Halbwertsbreite) 1b) Der Durchmesser des Airy Scheibchens ist die Ausdehnung der 0. Beugungsordnung. Erklären Sie qualitativ, welchen Durchmesser das Pinhole idealer Weise haben sollte, um eine saubere Filterung zu erzielen? Aufgabe 2 Die Ebenheit einer, durch einen Achromaten erzeugten, Welle hängt empfindlich vom Abstand des Achromaten zum Pinhole ab. Ob der Achromat richtig justiert ist, kann sehr genau mit Hilfe einer Shearing P latte überprüft werden. Ein Achromat mit einem Durchmesser von D A = 50mm, zur Erzeugung einer ebenen Welle (bei λ = 532nm), hat eine Brennweite von f = 200mm und sei im Abstand a = 201mm hinter dem Pinhole platziert. 2a) Berechnen Sie den maximalen Phasenunterschied ϕ (in rad), der sich durch die Fehljustierung zu einer idealen ebenen Welle ergibt. Also die maximale Abweichung der vorliegenden Kugelwelle zur ebenen Welle. (Hinweis: Der maximale Phasenunterschied ist direkt hinter dem Achromaten und im möglichst großem Abstand von der optischen Achse zu suchen.) 2b) Eine kollimierte Welle soll mit einer Shearing P latte überprüft werden. Die Shearing P latte hat eine Dicke von d S = 7mm, einen Durchmesser D S = 45mm, eine Brechzahl n 2 = 1,5 und wird unter einem Winkel von α = 45 in den Strahlengang gehalten. 5

6 Abbildung 3: Shearing-Platte Berechnen Sie den, durch die Shearing P latte verursachten, Shear s (Strahlversatz in Ausbreitungsrichtung). 2c) Gegeben sei der in Aufgabenteil a) beschriebenen Aufbau. Nun betrachten Sie das entstehende Shearing Interferogramm. Berechnen Sie für einen shear von s = 5mm die Anzahl an sichtbaren Hell- Dunkel-Wechsel an der breitesten Stelle des Interferogramms. Berücksichtigen Sie hierbei, dass der Überlappungsbereich der reflektierten Wellen vom Winkel, der Dicke und dem Durchmesser der Shearing P latte abhängt. Die Phasenverschiebung bei einer Shearing P latte wird nach folgender Formel berechnet (siehe Abbildungstheorie-Skript): ϕ = 2π λ sx R Hierbei ist s der shear, x der Ort im Shearing Interferogramm, λ die Wellenlänge und R der Radius der einfallenden Welle. 6

7 Laserschutzhinweise Wie in der Einleitung erwähnt, ist bei dem Umgang mit Laserlichtquellen auf einige Dinge zu achten. Dazu eine Auflistung der wichtigsten Verhaltensregeln. nicht direkt in den Strahl blicken keine reflektierende Gegenstände in den Strahl halten (Uhren, Ringe, Werkzeug usw.) während des Laserbetriebs, im Labor nicht hinsetzen beim Bücken die Augen schützen (z.b. schließen) beim Einfügen von Bauteilen in den Strahlengang ist darauf achten, dass evtl. Reflexe oder Streuungen keine Gefährdung darstellen die Dichtefilter dürfen ausschließlich vom Betreuungspersonal entfernt werden Die für das Praktikum verwendeten Dichtefilter sind so gewählt, dass ein direkter Blick in den Strahl ungefährlich ist. Aus Sicherheitsgründen ist dies dennoch strikt untersagt. Beachten Sie diese Regeln, Sie gefährden sonst nicht nur sich selbst, sondern auch die anderen Praktikumsteilnehmer! 7