EINFUHRUNG IN DIE TECHNIK DER HOLOGRAPHIE VON DE. HORST KIEMLE DE. DIETER RÖSS MÜNCHEN MIT 152 ABBILDUNGEN AKADEMISCHE VERLAGSGESELLSCHAFT FRANKFURT AM MAIN 1969
Inhalt 1 Prinzip und Entwicklung der Holographie 1 1.1. Das Prinzip der Holographie 1 1.1.1. Registrierung kohärenter Wellenfelder 1 1.1.2. Aufnahme in lichtempfindlichen Medien 4 1.1.3. Der Rekonstruktionsvorgang 7 l.*2. Geschichtliche Entwicklung 11 1.2.1. Die Vorläufer 11 1.2.2. Die Idee GABOBS und ihre Weiterentwicklung.... 15 1.3. Grundlegende Versuchsanordnungen 17 1.3.1. Durchlicht-Holographie 18 1.3.2. Auflicht-Holographie 22 2 Abbildungseigenschaften des Flächenhologramms 24 2.1. Aufnahme des Flächenhologramms 24 2.1.1. Das Interferenzfeld von Gegenstands- und Bezugswelle 24 2.1.2. Aufnahme des Interferenzfeldes 27 2.2. Wiedergabe des Flächenhologramms 29 2.2.1. Das Amplitudenhologramm 29 2.2.2. Das Phasenhologramm 30 2.3. Die räumliche Lage der Bilder 32 2.3.1. Die Abbildungsgleichungen 32 2.3.2. Konstruktion der Bildpunkte 37 2.4. Eigenschaften der Bilder 38 2.4.1. Diskussion der Abbildungsgleichungen 38 2.4.2. Ortho- und Pseudoskopie 42 2.4.3. Räumliche Trennung der rekonstruierten Wellen... 46 2.5. Nachrichtentechnische Betrachtung des Hologramms.... 49 2.5.1. Zeigerdiagramme für Aufnahme und Wiedergabe... 49 2.5.2. Das Raumfrequenzspektrum 52 2.6. Vergrößerung und Verkleinerung 58 2.6.1. Ableitung der Vergrößerungen 58 2.6.2. Möglichkeiten zu Vergrößerungen und Verkleinerungen 60 2.7. Abbildungsfehler des Hologramms 62 2.7.1. Die sphärische Aberration 63 2.7.2. Die Coma 64 2.7.3. Der Astigmatismus 64 2.7.4. Fehlerfreie Abbildung 66 3 Wellentheoretische Betrachtung des Hologramms 67 3.1. Aufnahme von Interferenzfeldern in dicken Medien (Volumenhologramme) 67 3.1.1. Beobachtungen an Volumenhologrammen 67 3.1.2. Der Intensitätsverlauf im Interferenzfeld 68 3.1.3. Das dreidimensionale Hologramm 69
X Inhalt 3.2. Wiedergabe von Volumenhologrammen 71 3.2.1. Das Fernfeld der rekonstruierten Wellen 71 3.2.2. Die Wellenamplitude im Fernfeld 76 3.3. Eigenschaften des Volumenhologramms 77 3.3.1. Deutung des Abbildungsvorganges 77 3.3.2. Möglichkeiten der Bilderzeugung 78 3.3.3. Der Einfluß der Einfallsrichtung der Wiedergabewelle. 81 3.3.4. Der Einfluß der Wiedergabe-Wellenlänge 83 3.4. Farbhologramme und Hologramme für Weißlicht-Rekonstruktion 86 3.4.1. Überlagerung mehrfarbiger Interferenzfelder 86 3.4.2. Farbwiedergabe mit Volumenhologrammen 87 3.4.3. Farbwiedergabe mit LippMANN-BRAGG-Hologrammen. 88 3.4.4. Weißlicht-Bekonstruktion von Flächenhologrammen. 92 3.5. Auflösung holographisch rekonstruierter Bilder 94 3.5.1. Unscharfe durch Beugung 94 3.5.2. Unscharfe durch ausgedehnte Quellen 96 3.5.3. Weitere Ursachen für Unscharfe 101 3.6. Granulation 102 3.6.1. Die Erscheinung der Granulation 102 3.6.2. Wege zur Beseitigung der Granulation 105 3.7. Einflüsse der Polarisation 107 3.8. Hologrammherstellung bei geringer oder fehlender Kohärenz. 110 3.8.1. Aufnahme mit teilweise kohärentem Licht 111 3.8.2. Aufnahme mit inkohärentem Licht 114 4 Lichtquellen für Holographie und Einfluß begrenzter Kohärenz.. 117 4.1. Strahlungseigenschaften von Laseroszillatoren 117 4.1.1. Resonatoreigenschaften 118 4.1.2. Einfluß des Lasermaterials 122 4.1.3. Linienbreite und Amplitudenstabilität der Laserstrahlung 126 4.2. Kohärenzanforderungen 126 4.2.1. Weg- und Laufzeitunterschied 127 4.2.2. Beschreibung des Interferenzfeldes 128 4.2.3. Monochromatische, amplitudenstabile Lichtquelle.. 131 4.2.4. Quellen unterschiedlicher Frequenz für Bezugs- und Gegenstandswelle 133 4.2.5. Idealer Laser mit zwei Frequenzen 134 4.2.6. Quasimonochromatische Lichtquelle 137 4.2.7. Intensitätsspektrum und Korrelationsfunktion... 138 4.2.8. Realer monofrequenter Laser 139 4.2.9. Multifrequenzlaser 140 4.2.10. Vereinfachte Betrachtung 142 4.2.11. Einfluß der transversalen Modenstruktur 145 4.2.12. Diffuse Gegenstandsbeleuchtung 146 4.2.13. Anforderungen bei der Rekonstruktion 146 4.2.14. Zahlenbeispiele 147
Inhalt XI 4.3. Maßnahmen zur Verbesserung der Kohärenz von Laseroszillatoren 149 4.3.1. Maßnahmen zur transversalen Modenselektion.... 150 4.3.2. Maßnahmen zur axialen Modenselektion 152 5 Praxis der Holographie 155 5.1. Auswirkung von Bewegungen des Interferenzfeldes 155 5.1.1. Ursachen von Bewegungen 155 5.1.2. Höchstzulässige Phasenschwankungen 156 5.2. Stabilisierung des Interferenzfeldes 158 5.2.1. Aufnahme-Anforderungen mit großen Bewegungstoleranzen 159 5.2.2. Schwingungsfreie Versuchsaufbauten 160 5.2.3. Vermeidung von Kriechbewegungen 164 5.2.4. Prüfung auf Stabilität 165 5.3. Experimentierhilfen 166 5.3.1. Die Herstellung beugungsbegrenzter Kugelwellen... 166 5.3.2. Justierung von Strahlengängen und Lochblenden... 169 5.3.3. Messung von Lichtintensitäten 171 5.3.4. Strahlteiler 172 5.3.5. Beseitigung von Mehrfachreflexionen in Aufnahmeplatten 173 5.3.6. Diffuse Beleuchtung bei Auflicht-Holographie.... 174 5.4. Kurzzeitholographie 176 5.4.1. Unfallverhütung bei Justierarbeiten 176 5.4.2. Bauteile für Impulsholographie 178 5.5. Vervielfältigung von Hologrammen 181 5.5.1. Mechanische Vervielfältigung 182 5.5.2. Holographische Vervielfältigung 182 5.5.3. Der Einfluß der Kopierwellenlänge 186 6 Aufnahmemedien und ihre Verarbeitung. 188 6.1. Aussteuerung der Gradationskennlinie 188 6.1.1. Die Wahl des Arbeitspunktes 188 6.1.2. Der Wirkungsgrad des Amplitudenhologramms...191 6.1.3. Der Wirkungsgrad des Phasenhologramms 194 6.2. Einflüsse der Kennlinienkrümmung 196 6.3. Der Einfluß der Auflösung des Aufnahmematerials 199 6.3.1. Die Variation der Raumfrequenz über die Hologrammfläche 200 6.3.2. FouBiBE-Transformations-Hologramme 201 6.3.3. Beliebige Geometrie bei der Hologrammaufnahme.. 203 6.4. Die photographische Emulsion 204 6.4.1. Eigenschaften bei Verarbeitung zu Amplitudenhologrammen 204 6.4.2. Phasenhologramme in photographischen Emulsionen. 208 6.4.3. Der SCHWARZSCHILD -Effekt 209 6.5. Verarbeitung photographischer Emulsionen 210
XII Inhalt 6.5.1. Verarbeitung zu Amplitudenhologrammen 210 6.5.2. Schrumpfung der Emulsion 212 6.5.3. Kompensation der Schrumpfung durch Schwellung.. 214 6.5.4. Herstellung von Phasenhologrammen durch Bleichen. 215 6.5.5. Trocknung 216 6.6. Weitere Aufnahmemedien und -verfahren 216 6.6.1. Thermoplastische Hologramme 217 6.6.2. Photolacke 217 6.6.3. Photochromglas 218 6.6.4. Alkalihalogenid-Kristalle 219 7 Anwendungen der Holographie 221 7.1. Mikroskopie und Mikroabbildung 221 7.1.1. Holographische Ultramikroskopie 221 7.1.2. Das Hologramm in der Lichtmikroskopie 225 7.1.3. Die Erzeugung hochaufgelöster reeller Bilder.... 229 7.1.4. Die Granulation bei Mikrobildern 231 7.2. Anwendungen dreidimensionaler Bilder 235 7.2.1. Darstellung dreidimensionaler Gegenstände 235 7.2.2. Messungen an holographischen Bildern 237 7.3. Holographische Interferometrie 238 7.3.1. Messung von Verformungen undurchsichtiger Gegenstände 238 7.3.2. Messung kleinster Translationen 244 7.3.3. Holographische Schwingungsanalyse 245 7.3.4. Interferometrie von Phasenobjekten 248 7.3.5. Erzeugung von Höhenschichtlinien 254 7.4. Das Hologramm in der Datenverarbeitung 260 7.4.1. Datenspeicherung 261 7.4.2. Angepaßte Raumfrequenzfilter 263 7.4.3. Holographische Codierung 266 7.4.4. Synthetische Hologramme 268 7.5. Weitere Anwendungsvorschläge 271 7.5.1. Mikrowellen- und Schallwellen-Holographie 271 7.5.2. Hologramme als optische Bauteile 273 7.5.3. Holographie in Film und Fernsehen 276 Literatur 279 Sachregister 329