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 4: Hologrammkopie 1 Versuchsziel Ziel dieses Versuches ist es, die Kopie eines Seitenbandhologramms anzufertigen. Dazu wird ein sogenanntes Masterhologramm benötigt. Dieses wird mit einer ebenen Referenzwelle so rekonstruiert, dass in transmission ein reelles Bild entsteht. Das reelle Bild wird wie ein Objekt auf einem Holografiefilm aufgezeichnet. Der Aufbau wird dabei so gewählt, dass die Kopie des Masterhologramms ein Reflexionsologramm erzeugt. Die Kopie kann somit unter Verwendung von Weißlicht rekonstruiert werden. Außerdem soll in diesem Versuch eine Einführung in die digitale Holografie gegeben werden. Dazu wird ein reflektives, phasenmodulierendes LCoS-Display (LCoS: Liquid Crystal on Silicon) verwendet. Mit diesem Display lassen sich beliebige auf dem Computer berechnete, digitale Hologramme rekonstruieren. 2 Einleitung Die Kopie eines Masterhologramms ist vergleichbar mit der holografischen Aufnahme eines gewöhnlichen Objektes. In der Praxis allerdings bieten sich Möglichkeiten, welche es bei der Holografie von realen Objekten nicht gibt. Das reelle Bild des Masterhologramms kann als zu holografierendes Objekt angesehen werden. Da es jedoch kein reales Objekt ist, ist es möglich seine Position frei zu wählen. So kann das Objekt vor oder sogar in der Hologrammebene liegen. Damit lassen sich Effekte, wie zum Beispiel aus dem Hologramm heraustretende Objekte, erzeugen. Da das reelle Bild des Masterhologramms pseudoskopisch ist, wird das reelle Bild der Kopie orthoskopisch sein. Es kann also ein reelles, orthoskopisches Bild eines Objektes mit Hilfe einer Kopie erzeugt werden. Des Weiteren ist die Intensität des reellen Bildes in der Regel deutlich höher als die eines real ausgeleuchteten Objektes. Dies liegt daran, dass ein beleuchtetes Objekt Licht in alle Raumrichtungen streut und daher nur ein Bruchteil der Intensität auf den Holografiefilm trifft. Entscheidend für das Ergebnis einer Kopie ist selbstverständlich die Qualität des Masterhologramms. Dabei muss die Geometrie, also die Position des reellen Bildes, an die Anforderungen der Kopie angepasst werden. Soll die Kopie bestimmte geometrische Eigenschaften besitzen, so muss das Masterhologramm unter Berücksichtigung des Kopieaufbaus angefertigt werden. 1

2 Der Aufbau (a) Abbildung 1: Aufbau zur Erzeugung einer Hologrammkopie: a) schematisch b) praktisch (b) S: Spiegel NL: Negativlinse PL: Positivlinse B: Blende O: Objekt H: Hologrammfilm MH: Masterhologramm In Abbildung 1 ist der Aufbau zur Kopie eines Masterhologramms dargestellt. Die Kopie wird bei dieser Art der Beleuchtung ein Reflexionshologramm sein. Der Strahl wird mit Hilfe einer Positivlinse, eines Pinholes und eines Achromaten aufgeweitet und eine ebene Welle erzeugt. Dies ist die Referenzwelle, welche das Masterhologramm rekonstruiert. Die 0. Beugungsordnung geht ungehindert durch das Masterhologramm hindurch und wird mit einem Spiegel als Referenzwelle, auf die zu erzeugende Hologrammkopie gelenkt. Durch diese Art des Aufbaus werden Bauteile gespart und Leistungsverluste vermieden. An dieser Stelle ist allerdings anzumerken, dass wenn das Masterhologramm nicht perfekt ist, also Störungen, wie zum Beispiel Lufteinschlüsse, besitzt, so werden diese einen negativen Einfluss auf die Referenzwelle und damit auf die Kopie haben. 2

3 3 Durchführung Hinweis: Bei der Durchführung sind die Laserschutzhinweise (Anleitung Versuch 1) zu beachten. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die Laser nur unter Verwendung von geeigneten Dichtefiltern (zur Abschwächung der Laserleistung bei der Justage) zu benutzen sind. Diese dürfen lediglich vom Betreuungspersonal entfernt werden! 3.1 Optische Achse Justieren Sie als erstes die optische Achse mit Hilfe einer Irisblende. 3.2 Referenzwelle Stellen Sie nun, mit den dafür notwendigen Bauteilen, eine ebene Welle her. 3.3 Rekonstruktion des Masterhologramms Stellen Sie jetzt das Masterhologramm in die Referenzwelle und rekonstruieren Sie das Hologramm. Überprüfen Sie die Lage des reellen Bildes mit Hilfe eines Beobachtungsschirms. Suchen Sie durch leichtes Drehen des Masters die Stelle höchster Effizienz. 3.4 Justierung der Hologrammposition Da die 0. Beugungsordnung des Masterhologramms auf der optischen Achse verläuft, muss der Film für die Hologrammkopie versetzt zur optischen Achse justiert werden. Um die optimale Position zu finden ist ein Trägerglas ohne Holografiefilm bereitgestellt. Mit diesem Dummy können Sie die Justierung vornehmen. Stellen Sie nun den Dummy und das Masterhologramm so ein, dass das rekonstruierte reelle Bild auf dem Dummy liegt (die genaue Position ist Ihnen überlassen). Dabei muss die Referenzwelle ungehindert an dem Dummy vorbei laufen. 3.5 Einstellen der Referenzwelle und Messen der Strahleistung Lenken Sie nun mit einem Spiegel die Referenzwelle so, dass Sie die anzufertigende Kopie aus der entgegengesetzten Richtung vollständig ausleuchtet (siehe Abbildung 1(a)). Durch diese Beleuchtung wird ein Reflexionshologramm geschrieben, welches Sie mit einer Weißlichtquelle rekonstruieren können. Messen Sie nun in der Hologrammebene (Dummy) die auftreffenden Leistungen. In der Regel ist das Verhältnis von Objekt- zu Referenzwelle für einer Belichtung ausreichend (I R /I O = ). Sollte dies nicht der Fall sein, haben Sie die Möglichkeit die Effizienz des Masters zu verringern. Berechnen Sie nun mit der gemessenen Leistungsdichte die benötigte Belichtungszeit. Die Fläche des Detektors beträgt 0, 71cm 2. 3

4 Bei dem verwendeten Holografiefilm handelt es sich um die Bayfol R HX. Dieser benötigt ca. 20mJ/cm und 5mJ/cm zur Belichtung. Berechnen Sie nun mit der gemessenen Leistungsdichte die benötigte Belichtungszeit. 3.6 Aufnahme des Hologramms Nehmen Sie nun das Hologramm mit der berechneten Belichtungszeit auf. 4

5 4 Vorbereitungsaufgaben Aufgabe 1 Sie möchten ein Hologramm kopieren, wobei die Kopie ein Transmissionshologramm ergeben soll. Dafür wird der folgende Aufbau verwendet. Abbildung 2: Aufbau zur Kopie eines Hologramms: Transmissionshologramm Der Abstand zwischen dem Masterhologramm (MH) und der Hologrammkopie (HK) beträgt z = 5cm. Die Breite des Hologramms und der Welle ist D = 4cm. 1a) Berechnen Sie den minimalen Winkel α so, dass die Referenzwelle die Hologrammkopie komplett ausleuchtet ohne das Masterhologramm zu schneiden. 1b) Angenommen die Referenzwelle wird im Durchmesser nicht verändert und d ist gleich D. Wieso macht es Sinn, den Winkel α möglichst klein zu wählen? 1c) Nun läuft die Referenzwelle mit dem Durchmesser d = D unter dem, von Ihnen bestimmten, Winkel α auf die Hologrammkopie. Da Sie jedoch so wenig Leistung wie möglich verschwenden möchten, verringern Sie den Durchmesser der Referenzwelle. Berechnen Sie den minimalen Durchmesser d so, dass die Kopie gerade noch vollständig ausgeleuchtet wird. 5

6 Aufgabe 2 Zeigen Sie anhand des Fourier-Integrals, dass eine Verschiebung im Ortsraum zu einer linearen Steigung der Phase im Frequenzraum und umgekehrt führt. 6