Werner Braunbek Holographie - ein o-ptisches Mirakel

Ebene II Ebene I

Abb. 1. Die optische Abbildung eines (ebe- 1. Einleitung nen) Gegenstandes durch ein Objektiv. Jcder Punkt des Gegenstandes G ergibt Den Physik-Nobelpreis dec Jahres 1971 er- eincn Punkt des ,,Bildes" By hier eines hielt ein Forscher fur eine Idee, die er 23 reellen, umgekehrten Bildes, in der Bild- Jahre zuvor entwickelt und veroff entlicht cbcne. hatte.

Der Forscher: Dennis Gabor, geburtiger Ungar, Studium teilweise in Berlin, seit 1934 in England, jetzt 75.

Die Idee: Ein erstaunlicher optisches Abbil- dungsverfahren, die Hologrzphie.

Der Grund fur die so spare Auszeichnung: Da erst w a r klar gewcr;cn, w-kh grofse Bedeutung Gabors Idee eriangt hatte und welch zahlreicher Anwendagen sie fahig ist.

U m was geht es in der Ho'ographie; Das zu erklaren, mussen wir el- bilkhen weiter ausholen. Wir hetraihten : t Abbiidung el- nes als eben angenommerzn Gegenstandes G etwa durch ein photographisches Objektiv. Das reelle, umgekehrte Biid B erscheint in der Bildebene und wird don - im Fall der Kamera - auf der lichtempfindlichen Schicht des Films festgehalten (Abbildung 1). Damit wir den Gegenstand ,,aufnehmen' konnen, mu8 er von einer Lichquelle (I'agesiicht oder kiinstliche Lichtquele) beleuchtet sein. Jeder seiner Punkte sendct dann gestreutes Licht nach allen Richtungen aus, dess-n Strahlen durch das Objektir Q der Abbil- dung als einfache Linse gezeichnet) wieder in einen Punkt in der Bildebene zusam- mengefiihrt werdcn; in dcr Abbilduag ist dies fur zwei Strahlenbiinciel, vom Fuflpunkt und von der Spitze von G am, angegeben.

So entstcht Punkt fur Punkt da\ Uilti 1). Genauso ist dcr Vorgnng auch iin nicn\ch- lichen Augc; an die Stcllc dcc photogrqdii- schen Filmstritt hicr die Netzhaut.

Man kann nun abcr die Lichtubenragung von G nach B auch als \Vcllcnausbrcitung verstehcn. Licht ist ja, iedcnfalls in cincr seiner beiden Betrachtungsweisen (dic andere ist die korpuskulare, der Flug von Photonen), ein elcktromagnetischcr Wcllcnvorgang. Es ist freilich ein auflerst kompliziertcs Wcl1c.n- feld, das von G nach B wandert.

Sollte man jedoch - das war dcr Gcdanke von Gabor - nicht in einer beliebigen Ebene I hinter der Linse oder sogar in einer bclicbi- gen Ebene I1 vor der Linse einen Querschnirt dieses Wellenfeldes festhalten und spitcr in einem zweiten Schritt aus dem festgehaltcnen Wellenquerschnitt das weitere \Vellenfeld wieder rekonstruieren konnen? Gabor ncnnt den etwa photographisch festbehaltenen Wel- lenquerschnitt, der ja die ganze Information des von G ausgehenden Lichtes und damit implizit auch die Lage und Form von G enthalten mug, das Hologramm. Griechisch ,holos" hei8t ,,ganz* und die Bezeichnung ,Hologrammu sol1 auf die ganze Information hinweisen, die es enthalt. Holographie ist demnach eine Abbildung in zwei Schritten: erstens die Aufnahme eines Hologramms und zweitens die nachtragliche Rekonstruk- tion des urspriinglichen Wellenfeldes aus dem Hologramm.

Dabei hatte Gabor noch ein besonderes Ziel im Auge: Er wollte das Hologramm eines auliersten Mikroobiektes, namlich der Arom- anordnung in einem Kristallgitter, mit Elek- tronenwellen (Lichtwellen waren dafur nicht ,,fein" genug) aufnehmer', die Reproduktion aber mit Lichtwellen vornehmen. So hofftc er, die Atomanordnung im Kristallgitter abbilden zu konnen. Dieses Ziel ist bis heute nicht erreicht worden, wenn auch eine ahn- liche Verwirklichung mit Rontgen- start mit Elektronenstrahlen vielleicht kurz vor der Tiir steht. Die Holographie hat aber inzwischen zahlreiche andere und sehr be- deutende Anwendungen gefunden.

Wiirde man nun freiiich in der Anordnung der Abbildung 1 in die Ebene I1 eincn Photo- film legen, so wiirde dieser nur cine gleich- maflige Schwarzung erfahren, und mit keinem Mittel der Welt liefie sich aus ihm das urspriingIiche Welienfcld wieder hervor- zaubem.

Pbmmazie in nnic~er &it / I. iahm. 1976 / Nr. I

Welchen Zauberstab also gebraucht Gabor, urn das doch zuwege zu bringcn? Dies zu vcrstchcn, ist es notwendig, das in Frage koinmende Wellenfeld etwas genauer ins Auge zu fassen.

2. Das optische Wellenfeld

Von der elektromagnetischen Natur der Lichtwellen durfen wir absehen. Das Wesent- liche, urn was es hier geht, gilt fur alle Wellenfelder, 2.B. auch fur Schallwellen. Das einfachste ravmliche Wellenfeld, das sich denken laRt, ist die sogenannte ebene Welle (Abbildung 2). Handelt es sich dabei um cine fortschreitende Welle (es gibt ja auch stehende Wellen), so schiebt sich das ganzc Bild mit der Fortpflanzungsgeschwin- digkeit - im optischen Fall mit der Lichtge- schwindigkeit - weiter. Bei der ebenen Welie dcr Abbildung 2 handelt es sich inso- fern noch um einen besonders einfachen Wellenvorgang, als die Welle iiber einen grofleren raumlichen Bereich einen einheit- lichen Wellenzug darstcllt; man sagt: Sie ist koharent. Der Koharenzbegriff spielt in dcr Holographie eine wichtige Rolle.

Schon 'aus der Abbildung 2 sind nun sofort zwei wesentliche Bestimmungsmerkmale je- der Welle ersichtlich: die Welieiilange und die Amplitude. Die ,Intensitat" einer Wel- lenstrahlung hangt nur von der Wellenarn- plitutc ab; sie ist dem Quadrat der Amplitude proportionai. Nicht ersichtlich aus der Ahoildung 2 ist iedoch eine dritte sehr be- dcutsame Bestimmungsgrofle, die erst beim Verglpich zweier parallel laufender Welien hervortritt. In der Abbildung 3 ist jede von

zwei parallcl Iaufenden ehencn \Vcllen nur durch cinc einzigc, f u r sic j3 charakteristische \S'eIlenlinie dargestellt. Aher die beiden habcn nicht an der gleichen Stellc, genauer: in der gleichen Querebene, ihr Maximum, ihrcn Wellenberg. Die Maximum-Ebenen sind vielmehr um in diesem Fall eine Viertel- Wellenlange gegeneinander verschoben. Man nennt dies die Phasendifferenz (oder den Gangunterschied) der Wellen. Oft spricht man auch einfach von der Phase einer Welle. Damit rneint man die Phasendifferenz gegen eine willkiirlich festgelegte Bezugswelle glei- cher Wellenlange. Im Fall der Abbildung 3 lauft offenbar die Welle I1 der Welle I um die Phasendifferenz von 114 Wellenlange voraus - man konnte genauso gut sagen: um 3/4 Wellenlangen nach, weil ja immer nach einer vollen Wellenlange die Phase wieder dieselbe wird.

Die Phase einer Welle ist nun ein fur die Holographie gcradezu zentraler Begriff. Dies ist schuld daran, da13 dem Nichtphysiker die Holographie zunachst schwer versfand- lich erscheint. Denn in der taglichen Anwen- dung des Lichts, beim Sehen, beim Photo- graphieren, beim Projizieren von Dias U.S.W.

spielt die Phase der Lichtwellen keinerlei Rolle. Alle unsere Nachweisgerate fur Licht, der Photofilm, die Photozelle, ja auch die Netzhaut unseres Auges sprechen allein auf die Amplitude bzw. auf die Intensitat der auftrefienden Lichtwelle an, ohne die ge- ringste Riicksicht auf ihre Phase.

W'ichtig wird die Phase erst, wenn zwei koharence Lichtwellen zusammentreffen. Laufen sie in gleicher Richtung, so addieren

sich ihre Amplitudcn, falls sir kcinc J'h.lrcn- differcnz gegcneinandcr hnbcn. Bci cinrr halben WellenIk~ge Phascndiffcrcnz dagcjicn subtrahieren sich die Arnplitudcn, und wcnn dazuhin beide Amplitudcn glcich sind, licbcn sich die beiden Wcllcn vollig auf; die rcsul- tierende Intensitat ist Null. Das ruhrt daher, daR im ersten Fall Wellenberg auf \Vcllcn- berg, Wellental auf Wellcntal treffen, im zweiten aber jeweils ein Berg der erstcn auf ein Tal der zweiten Welle und umgckchn. Bei anderen Phasendifferenzen kommt eine resultierende Welle zustande, deren Ampli- tude irgendwo zwischen der Summe und der Differenz der beiden Einzelamplituden liegt. Alle diese Erscheinungen sind unter dem Namen ,Interferenz" der Wellen wohl bekannt .

Naturlich kann die Interferenz nur hervor- treten, wenn beide Wellen, die interferieren, in einern geniigend weiten Bereich einheitlich sind, sowoh1 ihrer Wellenlange wie ihrer Phase nach, wenn sie also koharent sind. Da8 man im faglichen Leben nie auf die Interferenz stoRt - nie kommt es vor, dad ein Blatt Papier, das man zusatzlich zu einer ersten noch mit einer zweiten Lampe be- leuchtet, dadurch wieder dvnkel wird! - das hat seinen Grund allein darin, da8 das Licht aller unsegr ,,normalen" Lichtquellen, vom Sonnenlicht bis zur modernen Leuchtrohre, eben nicht koharent ist. Es ist schon nicht einheitlich in seiner Wellenlange, fast stets ein Gemisch von Wellensorten sehr ver- schiedener Wellenlange, das ,wei8e' Licht L.B. ein Gemisch von Lichtsorten samtlicher Spektralfarben. Es ist zudem, selbst wenn man nur das Licht einer einzigen Spektral-

Abb. 2. Die ebene Welle. Alle Querschnitte, die uberall Wellen,berge" (I, 111, ...) oder die uberall Wellen,taler'' (11, IV, ...) ent- haiten, sind Ebenen. Der Abstand zweier aufeinanderfolgender Wellenberg-Ebenen (2.B. I bis 111) ist die Wellenrange. Die Erhebung der Wellenberge uber das Mittel- Niveau (die ,Hohe' der Welle) ist die Amplitude, der Hohcnuntcrschied zwi- schen Berg und TaI also die doppclte Amplitude. Die ebene WeUe entspricht cinem Bundcl paraIkkr Strahkn.

Phormazic in nnserer &it / I. ]&g. 1976 f Nr. 1

linie verwendet, nicht einheitlich in seiner phase: Das natiirliche Licht besteht aus unzahligen, von den einzelnen Atomen der Lichtquelle ausgesandten, relativ kurzen %~ellenzugen, die ganz zufallige und fon- wahrend wechselnde Phasendifferenzen ge- geneinander haben.

Zwei inkoharente Lichtstrahlen zeigen also kcine Interferenz. Bei ihnen addieren sich einfach die Intensitaten, wie wir es tatsachlich \'on allen taglichen Erfahrungen her gewohnt sind. Was Koharenz ist, konnen wir jetzt sogar mit Hilfe des Begriffs ,Phase" noch gcnauer ausdrucken: Ein koharentes Wellen- fcld hat - unbeschadet seiner sonstigen Kom- pliziertheit - eine durchgehend feste Phasen- bcziehung, d. h. zwischen je zwei belie- bigen Punkten des Wellenfeldes herrscht

eine zeitlich unverandcrliche Phasendiffe- renz.

3. Das Prinzip der Holographie

N u n wird es verstandlich, warurn es keinen Zweck hatte, ein Hologramm dadurch her- stellen zu wollen, datl man in Abbildung 1 in die Ebene I oder in die Ebene 11 einfach einen Photofilm legt. Dieser zeichnet nam- lich allein die Amplitudenverteilung in dern Wellenfeldquerschnitt 'auf, nicht aber seine Phasenverteilung. Der weitere Verlauf des Wellenfeldes wird nun zwar durch die Wene in einern einzigen Querschnitr festgelegt, jedoch nur durch Amplituden - und Phasen- werte.

Gabors Zauberstab, der wirklich zum Holo-

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gramm fiihrt, hciflt also: Aofzcichnun~ 'lcr Amplitude und der Phase in irgcnd eincm Querschnitt dcs Wcllenfcldes. D.mn, abcr nur dann, stcckt in diescr Aufzeichnunl; die "ganze" Infonnation, die das Wellenfcld enthalt; dann ist sie ein Hologramm.

Man konnte zunichst daran zweifeln, o b es iiberhaupt moglich ist, zwei vcrschiedcne, voneinander unabhangige Verteiiungen - Amplitude und Phase des Wellenfeldes - in einer und derselben Ebene festzuhaltcn, etwa auf einen Photofilm aufzunehmen. so daR sie sich gegenseitig nicht storen und daR beide nachher weiter verwertet werden kon- nen. DaR dies doch gelingt, liegt daran, daR sich die Phase im allgemeinen riumlich sehr rasch (in WellenQngen-Dimensionen), die Amplitude dagegen nur recht langsam andert.

Abb. 3. Zwei e b x e Wellen (jede n u r durch eine einzige Wellenlinie dargestellt) mit '/, Wellenlange Phasendifferenz.

Abb. 4. Gleichzeitiges Festhalten von Arn- plituden- und Phasenverteilung einos Wel- lenfeldes (in einer Dimension). Die rasch oszillierende Kurve gibt die raumlich rasch veranderliche Phasenverteilung, die Hull- kurve die langsam vtriinderliche Ampiitu- denverteilung w i d e r .

L 1 Phormazic in nnserer &it / I. /&rg. 1976 f Nr. 1

So kann sehr wohl z.B. eine Kume wie in Abbildung 4 in der Kurve selbst, etwa in Lage und Abstand ihrer Masima, die Phasen- vcrteilung, in der Hullkurve aber, die ihre Maxima verbindet, die Amplitudenverteilung enthalten.

Gabor konnte zur Aufzeichnung der Ampli- tude und gleichzeitig der Phase auch schon auf ein Verfahren turuckgreifen, das mehr als ein Jahrzehnt friiher bereits der Hollander Frits Zernike (Physik-Nobelpreis 1953) mit grofiern Erfolg bei der von ihm eingefuhrten Phasenkontrast-Mikroskopie angewandt hat- te: Man benutzt ein zweites Wellenfeld, eine Bezugs-(Referenz-)Welle, die man rnit dem aufzunehmenden Wellenfeld interferieren lafit. Dabei werden, wie wir gesehen haben, die zunachst nicht feststellbaren Phasen- unterschiede in photographisch feststellbare Aniplitudenunterschiede umgewandelt. An Stellen mit gleicher Phase beider Wellen addieren, an Stellen mit eine: halben Wel- lenlange Phasendifferenz subtrahieren sich ja die Amplituden. Man erhalt dann auf dem Photofilm (in 2 Dimensionen) eine Schwar- zungsverteilung ahnlich der, die die Kurve der Abbildung 4 eindimensiond zeigt.

Sofon ist jetzt das Prinzip der Holographie verstandlich (Abbildung 5). a) Das 2.B. ebene Mellenteld h einer Lichtquelle wird mit einem halbdurchlassigen Spiegel in zwei Anteiie getrennt. Der Anteil A, beleuchtet den'Gegenstand G, den man abbilden will ; i e r Anteil A: dienr a!. dezugjwellr f u r die Interferenz. Der Gegenstand streut von je- dem Punkt seiner beleuchteten Oberflache Lichtwellen, die zusammen das sehr kompli- zierte Wellenfeld G' bilden, das, falls man sich den Photofilm H wegdenkt, in einem Auge bei B den Gegenstand sehen (oder auch rnit ciner Kamera photographieren) liege. Der Photofilm H stellt nun den Quer- schnitt des Wellenfeldes dar, in dem die Interferenz der Welle G' rnit der Bezugswelle A2 aufgenommen wird. Das hierbei entste- hende Hologramm enthalt Amplitude und Phase, also die ganze Information von G. Wesentlich ist, dafl die Objektbeleuchtung A, und die Bezugswelle A2 aus der gleichen Lichtquelle stamrnen; sie mussen ja, wenn auch erst nach der Streuung von A, am Objekt, miteinander interferieren.

Urn nun mit dern fenigen Hologramm H das urspriingliche Wellenfeld G' zu rekon- struieren, (Abbildung 5 b), bestrahlt man es mit einem Wellenfeld, das mit A2 (bzw. A;

beide unterscheiden sich ja nur um rinen Schwachungsfaktor) identisch ist. Praktisch also: Man strahlt das Hologramm mit der- selben Lichtquelle wie in (a) aus derselben Richtung wie dort an. Dann entsteht hinter dem Hologramm - exakt lafit sich das nur mathematisch zeigen - ein kompliziertes Wellenfeld G", das im Idealfall identisch rnit dem ursprunglichen, vom Gegenstand ausgehenden Wellenfeld G' ist. Tatsachlich steckt ja im Hologramm die ganze Informa- tion von G', und die wird mittels der An- strahlung des Hologramms wieder in das ursprungliche Wellenfeld G' zuruckverwan- delt. Ein jetzt im Punkt B' (identisch mit B) befindliches Auge sieht dann naturlich exakt dasselbe wie vorher das Auge in B; es sieht den Gegenstand G , obwohl weder der Gegenstand, noch ein Photo von ihm, noch irgendwelche optischen Hilfsmittel wie etwa Linsen vorhanden sind. Und das einzig noch vorhandene Hologramm, ein wirres Tohuwabohu von hellen und dunkeln Punkten (Abbildung 6 zeigt die Mkroauf- nahrne eines kleinen Ausschnitts aus einem Hologramm) hat nicht die entfernteste Xhn- lichkeit mit dem Gegenstand oder seinem Bild. Das ist die erste Hexerei der Hologra- phie; weitere werden folgen.

In Wirklichkeit sind die Dinge ein wenig komplizierter, doch sol1 die Darstellung darnit nicht belastet werden. Die mathema- tische Analyse zeigt 2.B.. daR bei der Be- strahlung des Hologramms eben nicht nur das K'ellenfeld G", identisch [nit G' , ent- steht, sondern noch zwei zusatzliche, das direkt geradeaus durch das Hologramm hin- durchgehende Feld der Bezugswelle allein und ein weiteres Feld, das eine Art Spiegel- bild des Gegenstandes entkalt, ja eventuell noch zusatzliche ,hohere Ordnungen" in geringerer Intensitat. In der in Abbildung 5 gezeichneten Anordnung, die ubrigens nicht Gabors ursprungliche ist, sondem erst we- sentlich spater aufkam, storen die u n e d n - schten Wellenfelder nicht, da sie in andere Richtungen laufen als G".

Eines mufl nun aber zum Schlui! dieses Abschnitts stark hervorgehoben werden: Fortwahrend haben wi* stilischweigend an- genommen, daR das Welienield A - und damit auch alle aus ihm entstehenden Wellenfelder - eine einzige feste Welleniange enthait, daS es "monochromatisch" ist und daQ es uber- dies einen einheitlichen Wellenzug darstetlt. A sollte also ein koharentes Wellenfeld sein. Dies ist nun tatsachlich cine wichtige Be-

dingung dafur, daR alles so Aliuf t n.ic geschildert, wenn es auch in nciicrcr Zeit mittels gewisser Tricks gelungcn ist, diccc Bedingung abzuschwachen. Als jcdoch Gabor 1948 seine Idee formulierte, gab es keine einzige Lichtquelle, die die notwcndige Koharenz besessen hatte. So crlitt cr zuniichst ein experirnentelles Gasko. Damit die Holo- graphic strahlend auferstehen konnte, be- durfte es erst der Erfindung einer fur sic geeigneten koharenten Lichtquelle, die noch 12 Jahre auf sich wanen liel?.: des Lasers.

4. Die koharenten Lichtquellen

Ideale Koharenz eines Wellenfeldes wurde voraussetzen. daC die Strahiung absoiut monochromatisch ist, also nur einc einzige absolut scharfe Wellenlange enthalt (,Band- breite" Null), und dafl sie iiberdies auch raumlich durch eindeutige Phasenbeziehun- gen zusammenhangt. So etwas gibt es in Wirklichkeic natiirlich nicht. Stets wird man sich rnit einem gewissen Grad von Koharenz begnugen mussen, nur daR eben die Auf- nahme eines Hologramms (nicht unbedingt die Rekonstruktion des Wellenfeldes, wie wir sehen werden) einen sehr hohen Grad von Koharenz erforden.

Schon die klassischen Interferenz-Esperi- mente, wie sie seit den Zeiten von Fresnel, seit 1 112 Jahrhunderten, ausgefuhn werden konnen, benutzen stets die Zerlegung der von einer einzigen Lichtquelle stammenden Wellt mrttels eines halbdurchlassigen Spie- gels, eines Doppelspiegels oder etwas Ahnli- chen in zwei Teile, die man dann interferie- ren Lafit. So benutzt man zur Interferenz trotz der ganz inkoharenten Ausstrahlung der Lichtquelle stets zwei Antei!e des 'Xel- lenfeldes, die wegen ihrer gemeinsamen Abstammung miteinander koharent sind. Notwendig ist aber trotzdem, dai3 das ver- wandte Licht moglichst monochromatisch ist, daf? es eine moglichst geringe Bandbreite hat, also aus einer moglichst scharfen Spek- trallinie stammt. In diesem Fall liegt die E n g e der einzelnen von den Atomen aus- gesandten Elementarwellenziige bei etwa 10 cm, und wenn die Weglangen der beiden nachher zur Interferenz gelangenden Teil- welien sich nicht um mehr als diese GroSe, die ,Koharenz-Linge', unterscheiden, kon- nen sie noch ein Interferenzmuster ergeben. Zudern ist aber notwendig, daf3 die Licht- quelle so weit wie moglich punktformig ist, damit nicht die von auseinanderliegenden Bereichen der Lichtquelie ausgehenden inko-

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Abb. 5. Scheniatische Dar\tclluiig tlcr ; lui- nahme eines Holograinnir (a) untl dci. Kc- konstruktion des urspriinglichen U’elleii- feldes (b) aus dem Halogramm. I n (3) he- leuchtet ein Teil A , dcs eingrctraiiltcn Wellenfeldes A (hicr ebene Wellc) den Gegenstand G, dessen diffus gcstrcutes Licht das Weilenfeld G’ bildet. Dicscs intcr- feriert mit dcm zweitcn Tcil A t von A, tlcr Bezugswelle, wodurch in H das Holo- gramm entsteht. In (b) wird das Holo- gramm mit einer mit A2 identischcn Welle A‘ angestrahlt, wodurch hinter dem Holo- gramm wieder ein mit dem urspriinglichen Feld identisches Wellenfeld G” entsteht, als ob es von dem jetzt nicht mehr vor- handenen Objekt G kame.

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Abb. 6.‘Mikroaufnahme eines kleinen Aus- schnitts aus einem Hologramm. Das wirre Durcheinander von hellen und dunklen Stellen hat keineriei AhnIichkeit mix dem Objekt, dessen Bild es in sich birgt. (Photo: Agf a-Gevaed)

Phormasic in nnserer &it / I. /&rg. 1976 f Nr. 1 23

Tabelle 1. Einige in der Holographie ange- wandte Laserarten mit ihren charakteri- stischen Wellenlangen ( I n m = 1 Nano- meter = ein millionstel Millimeter).

Laser- Laser- Wellenlange Gruppe Material

Argon 488nm Gas-Laser Argon 515 nm

Krypton 687nm Helium- Neon 633 nin

Kristall- Laser Rubin 694 nrn

Verschiedene Farb- alle Wellenlangen des stoff-Laser sichtbaren Spektral-

bereichs

harenten Wellenzuge - dafur geniigen schon wenige Lichtwellenlangen Lageunterschied - andere Interferenzen ergeben und schliefilich alles verwischt wird. Die ,punktformige" Lichtquelle wird meist so verwirklicht, dafi m3n ein winziges Loch in einem undurch- sichtigen Schirm, das man von hinten stark heleuchtet, als Lichtquelle benutzt.

Zur Aufnahme eines Holograrnms reicht indessen eine derartige Lichtquelle nicht aus. Schon ihre Intensitat ware vie1 zu schwach, wenn man nur ein sehr schmales Wellen- langenband und nur eine sehr enge Offnung benutzt. um eine einigermaikn ordentliche Konarerz zu crreichen. Deswegen hat erst die Eriindung des Lasers im Jahr 1960 fur die Holographie die Wende zur befriedigen- den experimentellen Verwirklichung und zu praktischen Anwendungen gebracht. Auch heute beherrscht der Laser als Lichtquelle die gesamte Holographie, wenn es sich auch gezeigt hat, dafi man fiu manche Teilver- fahren, etwa fur die Reproduktion der ur- spriinglichen Welle aus dem Hologramm, nicht unbedingt immer auf den Laser ange- wiesen ist.

Wie ein Laser funktioniert, soll hier nicht erorten werden. Die Feststellung soll ,ge- nugen, d113 im Laser alle Atome ekes ,laser- aktiven' Materi-ls mittels einer Art von

Resonator fur Lichtwellen gczwungen wcr- den, sozusagen irn gleichcn Tak t zu schwin- gen, statt, wie bei ,,normalen" Lichtquellen, unabhangig voneinander. Dadurch kommt im Laser eine einheitliche, hochmonochro- matische Lich:quelle zustande, etwa so wie die von einer Antenne ausgehende Radio- welle, und der Lascr sendet eine wcitgchcnd kohfrente Strahlung hoher Intensitit aus, wie man sie fur die Holographie braucht. Absolute Koharenz kann freilich auch der Laser nicht erzielen; die gibt es nicht. Wie hochgradig koharent die Laser-Strahlung ist, hangt stark davon ah, welche Art von Laser man benutzt.

Nach dem Material, in dem der Laser seine eigenartige Strahlung entstehen lafit, unter- scheidet man 4 Arten von Lasern. In der Reihenfolge ihre; Erfindung sind dies: der Kristall-Laser, der Gas-Laser, der Halbleiter- Laser und schliefilich der Farbstoff-Laser, der rnit einer krbstofflosung arbeitet und im Gegensatz zu den anderen uber eine gewisse Bandbreite abgestimmt werden kann. Die fur die Zwecke der Holographie weitaus geeignetsten Laser sind die Gas-Laser. Sie erzielen die beste Koharenz. Die meisten Gas-Laser konnen sowohl im Dauerbetrieb mit kontinuierlicher Strahlung wie auch im Impulsbetrieb, d.h. rnit augerst kurz dauern- den, dafiir um so intensiveren Strahlungs- stofien betrieben werden. Von den Kristall- Lasern wird besonders der Ruhin-Lasix in der Holographie benutzt, bei dern die Strah- lung in einem synhctischen Rcbinstab ent- steht. Keuerdings spieien auch Farbstoff- Laser eine gewisse Rolle. Die Halbleiter-Laser kommen fur die optische Holographie nicht in Betracht, da ihre charakteristische Strah- lung im Infrarot liegt und zudern keine sehr hohe Koharenz aufweist. In der Tabelle 1 sind einige in der Holographic angewandte Laser mit den Wellenliingen ihrer charak- teristischen Strahlung zusammengestellt. Manche Laser senden auch Licht mehrerer Wellenlangen aus, jedes einzelne a d ein enges Band begrenzt; man kann dann aber durch einc zusatzliche spektrale Zerlegung eine dieser Strahlungen isolieren und fur sich verwenden.

Wie gut ist nun eigentlich im bestrn Fall die Koharenz einer Laser-Strahlung? Als Beispiel betrachten wir einen Helium-Neon- Gas-Laser, der die rote Helium-Spektrallinie mit der Wellenl5nge 632,8 nm ausstrahlt. Durch Kunstgriffe kann man erreichen, daB quer zur Strahlrichtung iiber den ganzen,

oft mchrere Quadratzentirnetcr gro"\cn Querschnitt Koharenz herrscht. R'cnijicr gunstig steht es zunachst mit der Liingc- Koharenz, wed ja auch eine einzclne Spck- trallinie keine absolut scharfe Wcllcnlnnge besitzt. Die ,Breite" der Helium-Spcktr.11- Linie ist imrnerhin noch etwa 2 tauscndstcl Nanomcter. Das entspricht cincr Kohfrciu- Isngc dcr Strahlung von ctwa\ melir a h 10 cm. Fur vielc Zwcckc der Holopqhie ist das ausreichend, doch nicht fur allc. Will man beispielsweise ein grofieres Objekt abbilden, bei dem die Strahlen von writ entfernten Punkten mehr als 1Ocrn Weg- unterschied haben, so waren diese nicht mehr zu einer Interferenz fahig. Nun hat aber ein derartiger Laser die wunderbare Eigenschaft. dafi er nicht alle Wellenlangen innerhalb dcr Linienbreite ausstrahlt, sondern nur etw; 10 extrem scharfe Bander, jedes mehr als 1OOOOmal so scharf wie die Spektrallinie selbst. Wieder rnit Hilfe eines Kunstgriffs gelingt es nun, eines dieser scharfen Bander herauszusieben, und nun hat man eine Strah- lung von vielen Kilometern Koharenzlange, eine Strahlung, die sich von der idealen, absolut koharenten, kaum mehr unterschei- det.

Naturlich ist es fur die Aufnahme eines Hologramms nicht nur erforderbch, dafi die benutzte Lichtquelle ausreichend koharent ist, es diirfen sich auch alle Teile der An- ordnung, insbesondere das Objekt, nicht im geringsten, nicht um Bruchteile einer Licht- wellenlange, bewegen. Dadurch wiirde j a die fur das Hologramm notwendige Inter- ferenz der beiden Wellenfelder zerstort. Die Aufnahme eines Hologramms erforden des- wegen einen grofien experimentellen Auf- wand, von allem vollige Erschiitterungsfrei- heit aller Teile des Apparates, wie man dies ja auch schon bisher bei Interferometer-Mes- sungen gewohnt war. Trotzdem kann man sogar von ziemlich rasch bewegten Objekten ein Hologramm aufnehmen, wenn man die Belichtungszeit so k u n W a l t , da!? in ihr die Lagebdemng des Objekts weit unter- halb einer Lichtwellenl5nge bleibt. Dmrtig k u n e Belichtungszeiten liefen allerdings kein KameraverschluB, wohl aber Einzel-Strah- lungsimpulse bestimmter Laseram, die man ntuerdings bis auf Picosekunden (bd- lionstel Sekunden) hat herunterdriicka konnen.

5. Das rekonstruicrtc Bild

Nicht vom rekonstmiertm Bild, sondem

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vorn rekonstruierten Wellenfeld muflten wir strcng genommen reden. In diesem Wellen- feld steckt natiirlich auch das Bild des O b - pkts, besser gesagt: beliebig viele verschie- dcne Bilder des Objektes, wie gleich deutlich werden wird. Zuvor mussen wir aber noch eincn Unterschied in der Aufnahme des Hologramms betrachten. In der Abbildung 5 hatten wir vorausgesetzt, daf3 der Gegen- stand G raumlich ausgedehnt ist, daR er 3 Dirnensionen besitzt und da8 das Licht der Lichtquelle, das auf ihn fallt, von ihm dann in alle Richtungen gestreut wird. Dieses Ver- fahren nennt man Auflicht-Holographie. Man kann indessen auch ein Hologramm eines nur 2-dimensionalen, dann aber durch- sichtigen Objektes, etwa eines photographi- schen Dias, anfertigen, das man dann von dcrn beleuchtenden Licht durchstrahlen lafit. Dies ist die Durchlicht-Holographie, die in gewisser Beziehung sogar einfacher ist, aber ebenso wie die Auflicht-Holographie fur viele Anwendungen in Frage kommt. Weil indessen die Ergebnisse der Auflicht-Holo- graphie 3-dimensionaler Objekte noch ver- bliiffender sind, werden wir uns vornehmlich mit ihr beschaftigen.

Sehen wir ohne optische Hilfsmittel einen dreidimensionalen Gegenstand, der nicht zu weit entfernt ist, an, so sehen wir ihn be- kanntlich ,,raumlich", wir erkennen auch seine Tiefendimension. Unsere beiden Au- gen, die ja einen' seitlichen Abstand vonein- ander haben, empfangen namlich verschie- dene Bilder des Objekts (Abbildung 7), und das Gehirn verarbeitet diese verschiedenen Bilder zu einem raumlichen, einem ,3-D- Bild". Noch deutlicher wird der R a m - E i n -

druck, wenn wir mit den: xopi ein ganzes Stuck t u r Seite gehen. D a r schen wir den Gcgenstand aus eincr aricren Richtung andcrs, im Gegensatz zur Brtrachtung eines Photos, das aus allen Echtungen gleich aussieht. Nun entstehen a&r die Bilder in unseren Augen ausschlieflli3 aus dem Wel- lenfeld, in dem diese A u g a sich befinden. Wird nur jenes Wellenfeli getreu nachge- bildet, wie es in der Holographie bei der Reproduktion aus dem Hologramm ge- schieht, konnen die Auge:: nicht merken, daR der Gegenstand gar nicht mehr da ist, auch nicht, wenn man de-. Iiopf seitlich bewegt.

Man sieht also im rekonszruierten Wellen- feld das nicht mehr v o k m d e n e Objekt raumlich, mit beiden Augcr,. und sein Bild andert sich, wenn man sick seitlich bewegt. Hier entsteht zum ersten !,fa1 in der Ge- schichte der Optik aus eircm ebenen, rnit wirren Mustern bedeckten 3 i a . dern Holo- gramm, ein wahrhaft raunliches Bild rnit allen raumlichen Konsequenzen. Denn alle bisherigen sogenannten 3-D-Bilder, die auf der stereographischen Aufnzhme von 2 An- sichten eines Gegenstandes beruhen, sind das nicht, geben den raumlichen Eindruck aus nur einer einzigen Bliclmchrung wieder. Naturlich kann man das ~aumliche Bild, genau so wie den Gegensrand selbst, auch mit einer Kamera aufnehrm, erhalt dann, wie bei jeder Aufnahme. eir. ebenes, nur mehr 2-dimensionales Bild. Nur fallt dieses Bild verschieden aus je nach der i ichtung, aus der man den nicht mehrvorhanccnen Gegenstand photographiert. Man mu6 iuch die Entfer- mgseinstellung der Kamer: demienigen Teil

des nicht rnchr vorhandcncn \3hickt\ . inpi \ -

sen, den man ganz sch'irf hckomincn will.

Eine Einschrankung weist allcrdings d.is rekonstruierte Wellcnfeld gcgcnubcr den1 urspriinglichen auf: Es ist, wie aus dcr Ab- bildung 5 sofort ersichtlich ist, seitlich be- grenzt, und zwar durch die Groflc des Holo- gramms. Man darf also bei der Betrachtung des ,Objekts" nicht zu weit seitlich gehcn, sonst kommt man aus dem Wellenfeld hcraus. Das wirkt im holographischen W e l h f e l d so, als o b man ein Objekt durch einen Fenster- rahmen hindurch betrachtet; geht man zu weit seitlich, verschwindet das Objekt hintti dem Rahmen. Da aber schon jeder Teil des Hologramms das gesamte Wellenfeld liefert, nur seitlich enger begrenzt, kann man das Hologramm zerbrechen und nur einen Teil von ihm verwenden. Man sieht dann unver- andert das Objekt, nur durch einen kieineren ,Rahmenu, schlieRlich nur noch mit einem Auge wie durch ein Schliisselloch.

Andererseits ist es ohne weiteres moglich, eine Anordnung zu treffen, da8 man um einen nicht vorhandenen Gegenstand herum- gehen und ihn aus allen Richtungen betrach- ten kann. Das gelingt, indem man von dern Objekt zahlreiche Hologramme aus allen Richtungen rund herum aufnimmt und sie derart im Kreis anordnet, da8 die begrenzen- den ,Rahmen" der einzelnen Wellenfelder - alle Hologramme werden natiirlich von der- selben Lichtquelle zentral beleuchtet - einan- der uberschneiden. Dieses Zauberkunststuck, das ,Total-Hologramm", wurde auf der Photokina 1968 von der Firma Agfa-Gevaert vorgefuhrt. Das Objekt war ein Portellan-

Abb. 7. Beim Blick rnit beiden Augen auf einen nicht zu weit entfernten Gegehstanc; entstehen wegen der verschiedenen Blick- richtungen auf den Netzhauten der beiden Augen verschiedene Bilder; das rechta Auge sieht den Gegenstand mehr von rechts als das linke. Diese Moglichkrit dcf ~ a u m l i c h e n Sehens' steckt natiirlich be- reits in dem vom Gegenstand ausgchcnden komplizierten Welknfeld und somit auch in dem mit ihm identischen aus cinem Hoiogramm rekonstruierten Wellanfcld

Pbarmnzie in mswrr Zcit 1 I. Jahrg. 1976 1 Nr. I 25

x d rnit einigen anderen Gegenstanden rum herum (Abbildung 8). Die Abbildung zcigt ein Photo im rekonstruierten Wellen- id aus einer anderen Richtung.

as im rekonstruienen K'ellenfeld sichtbare Id hat zunachst immer die Farbe der be- itzten Lichtquelle. Da man zur Aufnahme : s Hologramms moglichst streng mono- iromatisches Licht braucht, ist auch das ild einfarbig. Schon fruh war es aber das esrreben, aus einem Hologramm auch ein $elfarbiges, ein buntes Bild zu erhalten, das cnau dem etwa mit weiijem Licht beleuchte- .n bunten Gegenstand entspricht. Das ge- ngt auf zwei verschiedenen Wegen. Das arbsehen mit unseren Augen, die Farbpho- Jgraphie, das Farbfernsehen, all dies beruht arauf, dafi sich aus 3 geeignet gewahlten ;rundfarben jede Farbe zusammensetzen ilh. Das kann man auch bei der Farb-Holo- ;raphie benutzen. Man beleuchtet bei der iufnahme des Hologramms das Objekt :leichzeitig mit 3 Lasern verschiedenfarbiger itrahlung. Das eine Hologramm ist dann eine Llberlagerung der 3 Hologramme, die mit cder einzelnen Lichtquelle entstanden waren. Lur Reproduktion des Wellenfeldes benutzt man wieder dieselben 3 verschiedenfarbigen Laser und siehe da: Man erblickt im Wellen- ield ein - selbstredend auch wieder raumli- ches- Bild in den natiirlichen Farben.

Das andere Veriahren ist grundsatzlich noch interessanter. Man wahlt die lichtempfind- liclie Schicht. in uer man das FIolograrnm auinimmt, so dick, daR ihre Dicke sehr viele Lichtwellenlangen umfafit (sogenanntes Vo- lum-Hologramm). Dann entstehen in einem schon vor fast einem Jahrhundert von dem franzosischen Physiker Gabriel Lippmann (Physik-Nobelpreis 1908) benutzten Vor- gang in der Schicht eine Art Tiefenraster, deren Rasterabstand von der Lichtwellen- lange abhangt. N u n kann man sogar mit weifiem Licht rekonstruieren. Die gerasterte Schicht siebt sich selbstandig die richtigen Wellenlangen, die richtigen Farben heraus. Ein auRerlich unfarbiges Hologramm, be- leuchtet mit weiaem Licht, gibt ein farbiges Bild! Noch verbliiffender ist es, wenn man statt des bisher immer geschilderten Ampli- tuden-Hologramms (das aber selbstverstiind- lich in seiner Amplituden-Verteilung Ampli- tude und Phase des Wellenfeld-Querschnitu festhalt!) ein ,Phasenhologramm" benutzt. Durch eine bestimrnte Aufnahmetechnlk 1afit sich narnlich erreichen, daR auf dem Holo- gramm uberhaupt kein Schwanungsmuster

erscheint, dnfi es vielmchr n u r winzige Dik- kenanderungen, unsichtbare Eingmbungcn entsprechend dem festgehaltencn Wcllen- feld aufweist. Das Phasenhologramm repro- duzien aber das urspriingliche Wellenfeld genauso wie ein Amplituden-Hologramm. Handelt es sich nun um cin Farbhologramm, so passiert folgendes: Ein scheinbar vollig unstrukturiencr Film, klar durchsichtig wie eine Glasscheibe, wird mit weifiem Licht beleuchtet. Und was sieht man? Das farbige und raumliche Bild des nicht mehr vorhan- denen Objekts.

6 . Anwendungen der optischen Holographie

Der praktischen Nutzungen der Holographie gibt es heute schon so viele, daR wir hier nur einen knappen Uberblick geben konnen. Wir schranken uns zunachst auf die optische Holographie ein, auf die Holographie mit Lichtwtllen ir.3 sichtbaren Spektralbereich, rnit Wellenlangen von 400nm - 750nm. Ober Holographie mit elektromagnetischen Wellen anderer Wellenlangen und mit ganz anderen Wellenarten sol1 der letzte Abschnitt noch einiges bringen.

6.1. Raurnliches Festhalten

Die Tatsache, dafl das Hologramm jederzeit spater das aufgenommene Objekt wieder raumlich betrachten lafit, findet eine Reihe von Anwendungen. In der Mikroskopieetwa, wenn es urn die Untersuchune von Staub- teilchen von Aerosolen oder von kleinen biologischen Objekten geht, ist ein nur kurz- zeitig verfiigbarer Gegenstand in seinem Hologramm ein fur allemal raumlich festge- halten. Das ist besonders wichtig fur rasch bewcgte Obiekte, von denen mittels eines Laser-Blitzes ein Moment-Hologramm ver- fertigt wird, dessen rekonstruiertes Bild dann im Mikroskop in alier Ruhe in verschiedenen Tiefeneinstellungen betrachtet werden kann. Man hat natiirlich auch daran gedacht, die raumliche Fixierung von Objekten in der Holographie zur Grundlage eines echten 3-D-Fernsehens zu machen. Dies scheitert aber, zumindest beim gegenwartigen Stand der Technik, daran, daR man statt einer halben Million Bildpunkten pro Bild, wie beim normalen Fernsehen, beinahe eine Billion Punkte pro Bild iibertragen rnui3te.

wcnig verschiedene, abcr mitcinandcr koili- rcnte Hologramme dessclbcn Objckts niit- einander interferieren zu lassen. Das rckon- struierte Wellenfeld IaRt dann im Bild dcs Objekts Interferenzstreifen erkennen, die von dem kleinen Unterschied der beiden Teil-Hologramme herriihren und hieraus den Uncerschied der Obiekte zu bestimmen gestatten. Der Unterschied kann etwa da- durch zustande gekommen sein, daB von einem bewegten Objekt in kurzem zeitlichcm Abstand zwei extrem kurz belichtcte Mo- ment-Hologramme auf demselben Film 3uf- genommen werden. Winzige Lageanderun- gen, um Bruchteile einer Lichtwellenlange, lassen sich so erkennen. Selbst sehr langsame Bewegungen wie das Wachsen einer Pflanze und ahnliches werden innerhalb kurzer Zeiten beobachtbar. Der Unterschied kann aber auch so entstehen, daR von einem Werk- stuck, das eine Ma1 frei, das andere Ma1 unter einer gewissen Belastung, je ein Hologramm aufgezeichnet w i d . Der EinfluR der Bela- stung wird auf diese Weise genau erkannt, und aus UnregelmaBigkeiten der Verformung ersieht man sogar Fehlerstellen des Werk- stucks. In der zerstorungsfreien Werkstoff- priifung beginnen sich diese Verfahren mehr und mehr einzufuhren. Andererseits kann man aber auch von einem unverandenen Gegenstan-d zwei Hologramme mit ein klein wenig verschiedenen Wellenlangen oder mit einem in seinem Brechungsindex ein klein wenig verandenen Zwischenmedium auf dem selben Film aufnehmen. Solch ein Holo- gramm zeigt bei der Rekonstruktion die verschieden langen Lichtwege vom Objekt her an und liefert dadurch eine Art Schicht- liniendiagramm von dessen Oberflache.

6.3. Projektion von Atzmasken

In der Halbleiter-Elektronik werden die Masken fur die auf Halbleiterptttchen ,ge- druckten Schaltungen" vielfach auf photo- graphischem Weg hergestellt. Da es hierbei auf eine einwandfreie Bildauflosung auch allerfeinster Details uber ein groRes Bildfeld ankommt, hat sich die Projektion dieser Xtzmasken mittels eines Hologramms beson- ders vorteilhaft erwiesen. Man vermeidet damit jede etwaige Verzerrung durch eine Projektionsoptik, da die holognphische Projektion uberhaupt ktiner Linsen bedarf.

6.4. Informcrtions-Speicbernng 6.2. Interferometrische Verfahren

Reiche Moghchkeiten bievt es, zwCi ein klein In Tonbandgeraten, Videorekordern und vor allem in Cornputern wird die Informations-

Pbamwrie in u n m Zrit I I. lohrg. 1976 / Nr. 1

spcislicrung uberwiegend magnetisch vorge- nommen, wobei die verschiedenen Arten, "bits" (Informationselemente) magnetisch fcstzuhalten, hier nicht erortert werden sol- len. Doch stellt ja auch iedes Photo eine gespeicherte Information dar; es enthalt so viele bits wie die Anzahl der hellen und dunklen Punkte, aus denen man es aufgebaut dcnken kann. Mit Hilfe der Holographie IaGt sich nun die Dichte einer photographi- schcn Informations-Speicherung auReror- dcntlich stark erhohen; die Speicherung er- folgt dabci nicht "offen" wie beim Photo, sondcrn gcwisscrmaflen verschlusselt, doch so, daR man rnit Hilfe einer koharenten Belcuchtung den eigentlichen Inhalt jederzeit wieder hervorholen kann. DaR man auf cinem Hologramm vie1 mehr Information unterbringt als auf einem normalen Photo

gleicher Grofle, liegt einmal d x a n , daR schon jeder kleine Ausschnitt des Hologramms ein ganzes Bild in sich birgt; dazuhin ist es aber moglich, auf demselben Film mehrere sich uberdeckende Hologramme aufzuneh- men, deren Bilder bei der Rekonstuktion der Wellenfelder wieder getrennt werden konnen. Diese Chance, Information aufierst dicht zu speichern, hat zweifellos eine groRe Zukunft und wird moglicherweise einen ge- waltigen Einbruch in die Domane der ma- gnetischen Informations-Speicherung zur Folge haben.

6.5. Form-Erkennen

Sol1 ein Computer beispielsweise Druck- schrift Jesen", mug er die einzelnen Buch- staben nach ihrer Form erkennen. Man kann

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Abb. 8. Normales Photo eines Porzellan- pferdes und anderer Objekte, von denen mittels mehrerer r u n d herum aufgenom- mener Hologramme ein ,,Totalholo- gramm" angefertigt wurde (Photo: Agfa- Gevaert).

Abb. 9. Eines der aus dem Hologramm rekonstruierten Bilder der Objekte der Abbildung 8 aus einer anderen Richtung (Photo: Agfa-Gevaert).

diese Aufgabe darauf zuruchfuhrcn, iLiK cr erkennen muR, mit wclchcr dcr in ihni gc- speicherten Norrnalformen - hier dic 24 Druckbuchstaben des Alphabets - dic ihm dargebotene Form, ein bestimmter Buchstabe des Textes, formgleich ist. Auch dicsr Auf- gabe lost die Holographie sehr clcgant. Man fertigt von einer der Normalformcn, ctwa dem Buchstaben Z, wie auch von dem zu untersuchenden Drucktext je ein untcr bc- stimmten Bedingungen aufgcnommcnes Hologramm, ein sogenanntes Fourier-Holo- gramm an. Beide Holograrnme wcrden in cinem ,,Korrclator" vcrglichcn, indcni man das aus dem einen Hologramm austrctcndc Wellenfeld auf das andere Hologramm tref- fen LaRt. Im entstehenden Bild erscheint nur an all den Stellen, an denen im Drucktext der Buchstabe Z vorkommt, ein heller Punkt.

Xhnliche Form-Vergleiche lassen sich nicht nur rnit Buchstaben, sondern auch mit ande- ren einfachen Formen anstellen. Sc beginnt sich beim Vergleich von Fingerabdriicken - einem in der Kriminalistik sehr wichtigen Erkennungsmittel - ein Verfahren einzubur- gem, bei dem sich auf holographischem Weg sehr schnell feststellen lafit, ob ein gegebener Fingerabdruck mit einem von Hunderten oder Tausenden im Katalog z. B. des Bundes- kriminalamtes vorliegenden Abdriicken iden- tisch ist und mit welchem.

6.6. Rekonstruktion mit anderer Wcllrtz1;ingc

Man braucht das mit einer monochromati- schen Strahlung bestimmter Wellenlange aufgenommene Hologramm nicht unbedingf mit einer Strahlung derselben K'elienlangd zu beleuchten, um ein rekonstruienes \Siel. lenfeld zu erhalten. Man darf hierzu auch eint monochromatische, koharente Strl'hlunf kurzerer ode: iangerer Wellenlan~e benut zen. Allerdings ist dann das rekonstruierti Wellenfeld nicht mehr mit dem vom Objek direkt ausgehenden identisch. Das rekon struierte Bild hat andere Abmessungen a1 vorher, bei der Aufnahme des Hologramms das Objekt. Im einzelnen sind die Zusam menhange ziemlich kompliziert. Doch zeig sich, dat3 man bei der Rekonstruktion mi einer groBeren WellenPnge als der de Mologrammaufnahme im allgcmeinen eii vergroBenes Bild des Objekts erhalt. Wi haben also eine Art Mikroskopie ohn Linsen. Das gerade war ja auch Gabor urspriingliches Ziel. Doch greift dies scho uber die Beschenkung auf die rein optisch Holographie hinaus.

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7. Holographie rnit anderen als Lichtwellen

Grundsatzlich laflt sich die Holographie rnit beliebigen Wellen ausfiihren. Es brauchen nicht einmal lichtahnliche, also elektrcma- gnetische zu sein, da es nur auf den Wellen- chankter selbst ankommr. Die wichtigsten Anwendungen fur andere als optische Wel- lenfelder sind die fur Radarwellen, spezicll Millimeterwellen sowie fiir Schallwellen im Ultraschallgebiet. Irn zweiten Fall handelt es sich tatsachlich um ganzlich andere Wel- lenarten; elastische Schwingungen pflanzen sich . hier durch ein Medium, Luft, Wasser oder sonst etwas fort. Bei beiden Wellen- arten sind die Wellenlangen, die in Betracht kommen, sehr vie1 groBer als beim, Licht.

Die Radarwellen haben Wellenlangen von Millimetern bis Zentimetern, Ultraschall in den) Bereich, in dem er hauptsachlich ange- nrandt wird, hat in Luft Wellenlangen von Zchnt-1 bis I-Iu.idmstel eines Millimeters, in Wasser 5mal Bngere. Beide Wellenarten unterscheiden sich auch darin vom Licht, daR das Wellenfeld nicht direkt photogra- phisch aufgenommen werden kann. U m ein Hologramm zu erhalten, sind deswegen mehr odcr weniger komplizierte Aufnahmeverfah- ren erforderlich. Werden aber Ultraschall- wellen in einem Trog unter Wasser zur Interferenz gebracht, so erscheint das aku- stische Hologramm unmittelbar in der Riffe- iung der Wasseroberflache und kann dann photographiert werden. Betrachtet wird aber auch das akustiscke Hslogramm nicht etwa wiedcr mit einer Ultraschallstrahlung, son- dern mit Laser-Licht, wobei allerdings der betrachtliche Unterschied zwischen der Auf- nahme- und der Rekonstruktions-Wellen- Iange zu einer Verzerrung des Bildes fiihrt.

Hoiogramme rnit Millimeterwelien werden in der Radartechnik angewandt und erlauben, besonders gute Radarbilder herzustellen. Die Ultraschall-Holographie wird zur Werkstoff- priifung herangezogen, wo sie auch innere Fehlstellen aufspiixt, da der Ultraschall ja die dicksten Stucke durchdringt. besser als Rontgenstrahlen. Mit den Rontgenstrahlen konkurriert der Ultraschall auch schon seit lingerer Zeit in der medizinischen Diagno- stik. Neuerdings versucht man auch hier, die V o n u g e der Holographie in den Dienst der antlichen Kunst zu stellen. All diese Verfahren sind aber noch in ihrer Anfangs- entwicklung und versprechen erst fur die Zukunft eine breite und nutzbringende An- wendung.

Besonders verlockend ware es, Hologramme Literatur mit Rontgenstrahlen zustandezubringen. Lei- der gibt es bis heute keine koharente Ront- H. Kiemle, D. Ross, ,Einfuhrung in die genstrahlenquelle. Man macht indes heftige Technik der Holographie", Akadcrnischc Anstrengungen, einen Rontgen-Laser zu Verlagsgesellschaft, Leipzig 1969. konstruieren, wofiir eine gewisse Aussicht besteht. Erstaunlicherweise hat man aber M. Franqon, ,Holographic" , Springcr-Ver- schon ohne ihn Rontgcn-3-D-Bildcr von lag, Berlin 1972. Organen dcs mcnschlichen Korpcrs mittels holographischer Verfahren erhalten konnen, freilich auf Ginem trickreichen Umweg,' und es sind in Wahrheit keine Rontgen-, sondern optische Hologramme, die man verwendet. Man fertigt hierzu 10 - 20 normale Rontgen- schattenbilder des Organs an, aber jedes aus einer etwas anderen Richtung aufgenommen. Die optischen Hologramme aller dieser Bilder werden - jedes aber nur als schmaler Streifen - nebeneinander gemeinsam auf eine Platte entworfen. Betrachtet man diese in koharenter Beleuchtung, so sieht man je nach der Richtung, aus der man blickt, das eine oder tlas andere Rontgenbild und gewinnt so einen plastischen Eindruck, ein Verfahren, dem man in der medizinischen Diagnose groBe Chancen einraumt.

Ganz etwas anderes ware naturlich eine koharente Rontgenstrahlung aus einem Ront- gen-Laser. Mit ihr hofft man, wenn sie einmal verfiigbar ist, richtige Rontgenholo- gramme zu erhalten und damit 3-D-Bilder 2.B. der Atomlagerung in den Kristallgittern und ahnliches zu bekommen. Damit ware man wieder zu Gabors urspriinglichem Ziel zuruckgek-hrt. Im iibrigen sind jungstens auch mit Elektronenstrahlen aufsehenerre- gende Anwendungen der Holographie ge- lurgen: die Auslotung der Elektronen- Dichteverteilung in der Hiille von Atomen. Hierbei dient die an dieser Hiille gestreute Elektronenwelle als Objektwelle und die am Kern jeweils desseiben Atoms gestreute Welle als Bezugswelle. Die Interferenz beider, die miteinander koharent sind, ergibt ein Hologramm, das nachher optisch ausge- wertet wird. So wie diese, wird die Hologra- phie im Laufe der nachsten Jahre sicher noch manche Uberraschung fiir uns bereithalten.

Werner Braunbek wurde 1901 in Baueen geboren. Nach dem Studium der Phyeik promovierte er an der TH Stuttgart 1925 zum Dr. Ing. und habilitierte sich dort 1926 fur Physik. 1935 erhielt er den Ruf auf das damalige Extraordinanat fur Theoretische Physik an der Universitat Tubingen, w o er seither, ab 1959 als Ordinarius, dtig ist. Hauptarbeitsgebiet: Ausbreitung elektroma- gneuscher Wellen. %it 1969 ist er emeritiert und beschaftigt sich hauptsachlich mit' der Verbreitung physikalischen Wissens in Presse und Rundfunk s h e in populanvissensckaft- lichen Buchern.

28 Phormasic in nnserer &it / I. /&rg. 1976 f Nr. 1