Fachhochschule für Technik und Wirtschaft Berlin

Das Betrachten von sogenannten optischen Hologrammen (es gibt auch andere Hologrammtypen, wie z.B. akustische Hologramme), die eine dreidimensionale Szenerie auf zweidimensionalem Photomaterial darstellen, ist stets faszinierend, man blickt wie durch ein Fenster in einen offenbar nicht vorhandenen Raum.
Die Holographie ist eine wirklich echte dreidimensionale Abbildungsmethode, da sie genau jene Informationen speichern und rekonstruieren kann, die uns Auskunft darüber geben, was mit dem von Kö”rpern reflektierten Licht passiert.
Mit der Erfindung des Lasers wurde es allerdings erst m”öglich, echte brauchbare Hologramme zu erzeugen, wodurch eine großartige Entwicklung in Gang gesetzt wurde, die nicht nur sehr unterhaltsame Resultate liefert, sondern auch für neue Verfahren im industriellen Bereich, so z.B. der holographischen Interferometrie zur zerstö”rungsfreien Werkstoffprüfung sorgte. Ein ebenso interessantes Gebiet ist die immer fortschreitende Entwicklung holographischer Speicher.
So faszinierend und zugleich fremdartig Hologramme auch erscheinen m”ögen, ist es doch verhä„ltnism„äßig einfach, ihre Funktionsweise zu verstehen.
Im folgenden sollen neben der Hologrammtechnik auch noch ein paar, zum Verst„ändnis notwendige, grundlegende Bemerkungen zur Lichterzeugung und -eigenschaften erfolgen.

Lichterzeugung, koh„rentes und inkoh„rentes Licht

Die Lichterzeugung erfolgt überall nach dem gleichen Prinzip, wenngleich etwas unterschiedliche Mechanismen zugrunde liegen.
Betrachtet man den Glühfaden einer Glühlampe "genauer", so erkennt man eine Unmenge von Elektronen, die in stets gleichem Abstand um die jeweiligen Atomkerne kreisen. Beim Einschalten des Stromes springen die Elektronen auf eine energiereichere Stufe und verweilen dort für einen kurzen Augenblick. Indem sie schließlich ein Photon aussenden, fallen sie aus dem angeregten Zustand wieder zurück auf ihr altes Energieniveau.
Die Menge der dabei ausgesandten Photonen macht das Licht aus, das eine Glühlampe abstrahlt und durch uns wahrgenommen wird.
Jedes Element weist Unterschiede hinsichtlich der Art, mit der die Elektronen über die Stufen springen, auf. Dadurch verlassen Photonen mit unterschiedlicher zeitlicher Abfolge (Frequenz) die Elektronen. Die Gesamtheit der Frequenzen ergibt schließlich eine spezielle Farbe.
Bei Glühlampen, die weißes Licht aussenden, ist das Durcheinander von abgestrahlten Photonen zu unterschiedlichen Zeitpunkten mit unterschiedlichen Frequenzen sehr groß. Man spricht in diesem Fall von inkoh„rentem Licht.
Wird ein Atom über ein elektromagnetisches Feld mit einer bestimmten Frequenz stimuliert, so haben die Emissionen, die auch weitere Emissionen hervorrufen und somit einen Verstä„rkungseffekt zur Folge haben, die gleiche Frequenz und Phasenlage wie die Erregerfrequenz. Es wird Licht einer Frequenz bzw. Wellenl„nge abgestrahlt, die Rede ist von koh„rentem Licht.
Mit der Entwicklung des LASERS im Jahre 1960 tat sich der Wissenschaft eine solche Lichtquelle auf.

Der LASER

Ein LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) ist in der Lage, Licht einer einzigen Frequenz auszusenden. Er stellt somit die reinste bekannte Lichtquelle dar.
Wie LASER prinzipiell funktionieren, soll anhand des sehr weit verbreiteten Helium-Neon-LASERS, erklä„rt werden. Das Kernstück des LASERs bildet ein versiegeltes Glasrohr, daß mit einer genauen Mischung der beiden genannten Gase gefüllt ist.
An jedem Ende des Rohres befindet sich jeweils ein Spiegel, wobei der eine 100 Prozent, der andere dagegen ca. 98 Prozent reflektierend ist. Beide Spiegel müssen voll parallel zu einander stehen und sich in einem exakten Vielfachen der Wellenlä„nge des vom LASER erzeugten Lichtes voneinander entfernt befinden.
Das bereits bei ihrer Herstellung genaueste Arbeit geleistet werden muß, erklä„rt die geringe Wellenl„änge der einzelnen Anteile des Lichtspektrums und ihr noch geringerer Abstand voneinander (beides im Nanometerbereich).
Koh„rentes Licht wird nun erzeugt, indem eine geeignete Energie die Helium-Atome stimuliert, die wiederum durch Zusammenst”öße mit den Neon-Atomen deren Elektronen auf hö”here Energieniveaus verfrachten.
Beim Zurückspringen der Neon-Elektronen werden Photonen der Frequenz frei, die das bekannte r”ötliche Licht ausmacht. Die freigewordenen Photonen regen ihrerseits benachbarte Atome an und so fort, bis schließlich ein Großteil aller Atome sich in angeregtem Zustand befindet (Popular Inversion).
Abgesehen von dem gr”ößten Teil des freigewordenen Lichtes, der nach den Seiten entschwindet, beginnt ein kleiner Teil zwischen den Spiegeln zu reflektieren. Durch den pr„äzisen Abstand der Spiegel beginnen sich die Wellen der L„änge von 633 Nanometer zu addieren, bis deren Amplitude so groß ist, daß sie durch den nicht 100 Prozent reflektierenden Spiegel entweichen k”önnen.
Auf diese Art entsteht ein Strahl koh„renten Lichtes.
Neben dem eben beschriebenen LASERtyp, der vorrangig in der Holographie Verwendung findet, gibt es noch weitere, die aber „ähnlich funktionieren.

Lichtreflexion, Lichtbrechung

Reflexion ist ein wichtiger Begriff in der Photographie, beeinflußt doch das von K”örpern reflektierte Licht das jeweilige Aufnahmemedium.
Man unterscheidet grunds„ätzlich die "ordentliche" und die diffuse Reflexion.
Die "ordentliche" Reflexion tritt an polierten Oberfl„ächen auf, wie dem Spiegel. Dabei entspricht der Einfalls- dem Ausfallswinkel (bezogen auf die Flä„chennormale im entsprechenden Punkt). Der Spiegel beeinflußt außer der Richtung des Lichtes keine weitere seiner Eigenschaften.
Anders dagegen bei der diffusen Reflexion, die am h„äufigsten auftaucht. Sie tritt an K”örpern bzw. Flä„chen auf, die nicht plan genug sind, um entscheidende Ver„änderungen des Lichtes zu vermeiden. Es wird von einem Punkt des Kö”rpers in viele verschiedene Richtungen reflektiert und teilweise absorbiert, so daß uns der Kö”rper in seiner bekannten Farbe erscheint.
Bei der Holographie wird ein diffus-reflektierendes Objekt aufgenommen, das gleichzeitig die Farbe des benutzten LASERs besonders gut reflektiert.
Man kann ein Hologramm mit einem Fenster vergleichen, durch das man den entsprechenden Gegenstand betrachtet, der somit aus jeder Position vor dem Fenster beobachtet werden kann, da ja der diffuse Kö”rper das Licht an alle Stellen des Fensters reflektiert.
Selbst wenn das Fenster bis auf eine kleine, an einer beliebigen Stelle befindlichen, Stelle abgedeckt wird, kann man durch diese Ö™ffnung den K”örper immer noch ganz erfassen.
Dies ist bei der herkö”mmlichen Photographie nicht m”öglich, da hier nur eine Blickrichtung festgehalten wird.
Auf die wichtigsten Grundzüge der Lichtbrechung soll im folgenden eingegangen werden.
Licht wird stets an der Grenzschicht verschieden optisch dichter Medien gebrochen, wobei der Brechungswinkel beim Übergang vom optisch dünneren ins optisch dichtere Medium kleiner ist (gemessen in Bezug zur Flä„chennormalen im Eintrittspunkt) als der Eintrittswinkel. Dies kompensiert sozusagen die Verlangsamung der Lichtgeschwindigkeit in dichten Medien.
Der Effekt der Spektralfarbenzerlegung an Prismen wird durch die Dispersion des Lichtes hervorgerufen, die beschreibt, daß Licht mit unterschiedlichen Wellenl„ängen unterschiedlich gebrochen wird.
Die Brechungseigenschaften des Lichtes werden bei der Verwendung von optischen Linsen genutzt, auf die hier aber nicht weiter eingegangen wird.
Wie schon oben gesagt ist eine Holographie mä„chtiger als eine normale Photographie; sie kann Informationen aller Beobachtungspunkte von einer Ebene in Richtung des Kö”rpers speichern. Diese Informationen sind in der Form gespeichert, daß sie in jedem Punkt des Hologramms Auskunft darüber geben, in welcher Position zueinander sich verschiedene Wellenfronten des reflektierten Lichtes befanden.

Die Hologrammstruktur

Wenn sich mindestens zwei Wellen überlagern, so treten additive Überlagerungserscheinungen auf, die auch als Interferenz bezeichnet werden.
Es kommt zu Auslö”schungs- oder Verstä„rkungserscheinungen, je nach dem, ob sich gerade zwei Wellenberge oder -t„äler überlagern. Dies trifft auf alle bekannten Wellenarten zu.
Bei der Benutzung von inkoh„rentem Licht für die Erzeugung von Hologrammen wird man an der Tatsache scheitern, daß kein System in der Überlagerung von Wellenfronten zu erkennen ist, da hier nahzu beliebige Phasen- und Frequenzbeziehungen am Werke sind, die kaum einen Rückschluß auf den reflektierenden K”örper zulassen.
Nutzt man jedoch koh„rentes (LASER)Licht, und l„äßt nun solche Lichtwellen aufeinander los, kommt es zu regelm„äßigen Auslö”schungs- und Verstä„rkungserscheinungen, die in Form von dunklen und hellen Bereichen auf einem Bildschirm sichtbar gemacht werden kö”nnen.
Das Muster ist stillstehend, da ja in koh„rentem Licht jede Welle im gleichen Rhythmus den Platz der vorhergehenden einnimmt.
Auf diese Weise l„äßt sich unter Benutzung einer lichtempfindlichen Platte ein Interferenzmuster festhalten, das alle Charakteristiken der beteiligten Wellen enthä„lt.
Der entscheidende Punkt ist nun der, daß man z.B. aus einem Muster, das durch Überlagerung zweier Wellen entstand, die ursprünglichen Wellen rekonstruieren kann, indem man einfach das Muster mit der anderen Welle bestrahlt!
Das ist im Grunde schon das Prinzip, das hinter den Hologrammen steckt.
Hier entsteht das Interferenzmuster durch Interferenz der reflektierten Strahlen des diffusen Objektes mit einem sogenannten Referenzstrahl, der auf die lichtempfindliche Platte gerichtet wird.
Jeder von der Abbildungsebene aus sichtbare Punkt des Objektes, bildet also jeweils ein typisches Interferenzmuster mit dem Referenzstrahl auf dem Aufnahmemedium.
Die Unterscheidung zur Photographie wieder aufgreifend benö”tigt man also zur Herstellung von Hologrammen keine Linsen, die das Bild des Kö”rpers auf den Schirm projizieren.
Allerdings ist es ohne weiteres nicht m”öglich, die Bildinformation einem Hologramm direkt zu entnehmen.
Man muß es erst "rekonstruieren".
Desweiteren speichert ein Hologramm neben der Amplitude des Lichtes auch noch Informationen über die "Phase", die die visuellen Charakteristiken des Objektes ausmacht.
Die jeweils ben”ötigten Materialien zur Entwicklung sind im wesentlichen gleich.
Zur Erzeugung pr„äziser Interferenzmuster ist es notwendig, daß das reflektierte Licht und der Referenzstrahl der gleichen koh„renten Quelle entstammen, um zu vermeiden, daß die Wellenfronten außer Phase geraten.
Ferner ist klar, daß der Aufbau zur Hologrammaufnahme erschütterungsfrei gelagert sein muß, da schon kleinste Verschiebungen im Interferenzmuster (die Rede ist hier von Verschiebungen der Lä„nge von Bruchteilen der Lichtwellen) die sp„ätere Rekonstruktion unmö”glich machen.
Das verwendete Filmmaterial muß eine wesentlich h”öhere Aufl”ösung als herkö”mmliches bieten, da man schon auf einem Millimeter tausende von Interferenzlinien antreffen kann.

Die Hologrammrekonstruktion

Neben der Brechung und Reflexion kann ein Lichtstrahl auch durch Beugung abgelenkt werden. Beugungserscheinungen kann man z.B. an dem von Kö”rpern geworfenen Schatten erkennen. Dieser ist im allgemeinen recht deutlich abgegrenzt. Bei genauerem Betrachten erkennt man jedoch leichte Verwischungen an den R„ändern des Schatten. Diese werden durch geringfügige Umlenkungen des Lichtes an den R„ändern des Objektes hervorgerufen. Dieser Beugungsvorgang wird auch Diffraktion genannt.
L„äßt man Lichtstrahlen durch ein kleines Loch fallen, so breiten sich die Wellenfronten auf der anderen Seite nicht etwa weiter geradlinig aus, sondern werden durch die Diffraktion an den Rä„ndern des Loches gekrümmt.
Der Effekt ist um so stä„rker, je kleiner das Loch ist.
Bei einer Ansammlung vieler kleinster Lö”cher fungiert dann jedes wie eine einzelne Punktlichtquelle für neue Wellenfronten.
Auf diese Art und Weise wird auch ein Hologramm rekonstruiert.
Sein Interferenzmuster ist genau so eine Ansammlung von vielen mikroskopisch kleinen Lö”chern, genauer gesagt eine Ansammlung heller lichtdurchlä„ssiger und dunkler lichtundurchl„ässiger Stellen.
Wird also Licht in ein Hologramm geschickt, gelangt es durch die hellen Stellen auf die andere Seite, wobei es gebeugt wird. Somit findet durch Überlagerung des Interferenzmusters mit den neuen Wellenfronten eine Herstellung des alten Zustandes (wä„hrend der Aufnahme des Hologramms) statt.
Die resultierenden Wellenfronten, die uns dann beim Betrachten erreichen, haben genau die gleiche Gestalt, wie die ursprünglich vom Objekt reflektierten, so daß wir den Eindruck haben, das Objekt zu sehen, obwohl es ja nicht da ist. Das unterstreicht aber genau die Tatsache, daß man ja Objekte mit den Augen nur durch das von ihnen reflektierte Licht wahrnimmt -im Falle der Hologrammrekonstruktion ist das also kein Unterschied.
Da der Betrachter mitten im Hagel der Wellenfronten steht, kann er sich das scheinbare Objekt auch von den verschiedenen Seiten ansehen, die von der Aufnahmeplatte aus sichtbar waren.

Hologrammtypen

Man unterscheidet verschiedene Arten von Hologrammen, die in der Aufnahmetechnik und der spä„teren Rekonstruktion voneinander abweichen.
Es sollen in diesem Rahmen nur ein paar Grundlegende benannt werden, da es inzwischen eine riesige Menge verschiedenster Verfahren gibt, die natürlich auch große qualitative Unterschiede aufweisen.
Grundsä„tzlich gibt es zwei Arten, die Flä„chen- und die Volumenhologramme.
Ein Fl„ächenhologramm entsteht, wenn das Aufnahmematerial in der Lage ist, das Interferenzmuster genau aufzul”ösen, die Interferenzstreifen also gr”ößer sind als die Aufnahmepartikelchen der Bildplatte.
Volumenhologramme dagegen enstehen genau dann, wenn die Interferenzstreifen dichter liegen, als sie aufgelöst werden können. Das Interferenzmuster bildet sich in diesem Fall nicht nur in der Flä„che aus, sondern außerdem im Volumen der Aufnahmeschicht.
Wie dicht Interferenzstreifen beieinander liegen, wird durch die Braggsche Bedingung bestimmt, wobei die einzig variierende Gr”öße (neben der Wellenlä„nge des verwendeten Lichtes) der Winkel ist, unter dem Reflexionsstrahl und Referenzstrahl sich bei der Aufnahme treffen.
Dieser Bedingung zufolge ist der Streifenabstand umso kleiner, je gr”ößer der Winkel zwischen Reflexions- und Referenzstrahl ist, eine Tatsache, die selbstverst„ändlich Auswirkungen bei der Rekonstruktion zeigt.
So ist eine erfolgreiche Betrachtung eines Volumenhologrammes nur m”öglich, wenn das Licht genau wie bei der Aufnahme einfä„llt.
Dieser Bedingung bedient man sich bei der Herstellung von Hologrammen, die mehrere Motive enthalten sollen, die bei der Betrachtung aus verschiedenen Winkel sichtbar werden.

Das Transmissionshologramm

Ein Transmissionshologramm wird so aufgenommen, daß der Referenz- und der Reflexionsstrahl von der gleichen Seite auf die Bildplatte fallen.
Es wird rekonstruiert, indem man Laserlicht von der entgegengesetzten Seite als der Betrachtungsseite hinein wirft.
Sein Nachteil ist der, daß man es im Normalfall nicht mit weißem Licht betrachten kann, da alle Wellenanteile unterschiedlich gebeugt werden.
Somit ergeben sich überlappende und nicht deckungsgleiche Bilder des ehemaligen Objektes, das als solches nicht mehr erkannt werden kann.
Transmissionshologramme treten als Flä„chen- und Volumenhologamme auf.

Einfacher Versuchsaufbau für die Aufnahme eines Transmissionshologrammes mittels Mehrstrahltechnik (siehe unten)

Das Reflexionshologramm

Eine spezielle Form des Volumenhologramms ist das Reflexionshologramm.
Bei seiner Aufnahme befindet sich der Referenzstrahl auf der Rückseite der Bildplatte.
Der Strahl fä„llt durch die Platte auf das Objekt, so daß die reflektierten Strahlen auf die Bildplatte geworfen werden.
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Hier sei angemerkt, daß dies bei der "Einstrahltechnik" der Fall ist.
Bei der "Mehrstrahlholographie" nimmt man eine wirkliche Trennung des LASERstrahls vor und leitet ihn z.B. bei Reflexionshologrammen unter anderem um den Schirm herum, um z.B. eine bessere Ausleuchtung des Objektes zu erreichen.
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Da der Winkel zwischen Referenz- und Reflektionsstrahl bis zu 180° betr„ägt, entsteht aufgrund der Braggschen Bedingung ein fast vollst„ändiges Volumenhologramm, indem eine Vielzahl von Interferenzstreifen übereinander geschichtet sind.
Diese Ebenen verhalten sich dann spä„ter derart, daß sie das einfallende Licht beugen und zurückwerfen.
Egal, ob dieses Licht weiß oder von anderer, mehrfarbiger Zusammensetzung ist, das Hologramm verh„ält sich wie ein Filter, der aufgrund der Braggschen Bedingung nur eine bestimmte Wellenl„änge verarbeitet und reflektiert und somit das Objekt in einer Farbe darstellt.

Einfacher Versuchsaufbau für die Aufnahme eines Reflexionshologrammes mittels Mehrstrahltechnik

Abschließend sei noch einmal darauf hingewiesen, daß es eine Vielzahl weiterer Mö”glichkeiten gibt, Hologramme herzustellen, unter anderem auch sehr aufwendige, um zum Beispiel ein Objekt in Echtfarben darzustellen.

Ein interessantes und wirklich angenehm geschriebenes Buch, daß sich hauptsä„chlich damit beschä„ftigt, in die Praxis der Herstellung von Hologrammen einzuführen und außerdem noch das nö”tige Hintergrundwissen dazu liefert,
ist das

"HANDBUCH DER HOLOGRAPHIE"

von Fred Unterseher, Jeannene Hansen und Bob Schlesinger.
(Deutsche Ausgabe 1991 Popa Verlag, München-Frankfurt)

Es diente mir auch als Vorlage für diesen Beitrag.