Wie entsteht ein Hologramm?

Im Schülerlabor bieten wir zur Aufnahme von Hologrammen zwei verschiedene Aufnahmetechniken bzw. Arten von Hologrammen an: Transmissions- und Reflexionshologramme. Diese unterscheiden sich u.a. durch die Anordnung, die zur Aufnahme benutzt wird. 

Wie schon erwähnt, bringt man Laserlicht, das von der Laserquelle direkt kommt ("Referenzwelle") mit dem Licht, welches vom Objekt reflektiert wird ("Objektwelle") zur Überlagerung. Beim Transmissionshologramm treffen die beiden sich überlagernden Wellen von der gleichen Seite auf den Film, bei Reflexionshologrammen von verschiedenen, wodurch sich starke Unterschiede in den jeweiligen Interferenzmustern im Holografiefilm ergeben.

Bei beiden Varianten wird ein Laser verwendet, dessen Licht zum Teil auf den Film und zum Teil auf das Objekt, das holografiert werden soll, fällt. Objekt- und Referenzwelle überlagern sich im Film und bilden dabei ein Interferenzmuster aus. Die Referenzwelle kann man auf Grund der Eigenschaften eines Lasers als eine ebene Welle betrachten. Ihre Wellenfronten sind alle parallel. Die Objektwelle ist viel komplexer, da jeder Punkt des Gegenstands das Laserlicht in Form einer Kugelwelle reflektiert. Die Einhüllende aller dieser einzelnen Kugelwellen bildet die Wellenfront der Objektwelle.

Um die Erklärungen zu vereinfachen, betrachten wir im Folgenden den Fall, dass der holografierte Gegenstand nur aus einem Punkt besteht. Dann können wir die Objektwelle als Kugelwelle annehmen.

Transmissionshologramme

Bei der Aufnahme eines Transmissionshologramms fallen Referenz- und Objektwelle von der gleichen Seite auf den Holografiefilm. Es bilden sich als Interferenzmuster einer ebenen und einer Kugelwelle konzentrische Kreise aus. Betrachtet man das Hologramm im Querschnitt, so sieht man, dass die Ringe das Hologramm als Schichten durchziehen. Diese Schichten hoher Intensität sind nahezu senkrecht zur Oberfläche des Films.

Eine Oberfläche mit einem Kreismuster wie dem auf dem Hologramm nennt man Fresnelsche Zonenplatte. Ein solches Ringmuster bündelt wie eine Konvexlinse parallel eingestrahltes Licht auf einen einzigen Punkt (s. Abb. 1).

Abb. 1: Skizze: Entstehung eines Transmissionshologramms

Die Wirkungsweise der Fresnelschen Zonenplatte lässt sich mit Hilfe der Beugung am Gitter anschaulich verstehen (die Beugung am Gitter wird im Schülerlabor im Versuch „Das Spektrometer“ ausführlich behandelt): Fällt paralleles Licht auf ein Gitter, so wird es gebeugt, da die verschiedenen Teilstrahlen aus den unterschiedlichen Gitteröffnungen miteinander interferieren und sich dabei teils verstärken, teils gegenseitig auslöschen. Es entsteht ein Beugungsmuster mit mehreren Haupt- und Nebenmaxima unter verschiedenen Winkeln. Je enger die Gitterspalten zusammen liegen, desto stärker wird das Licht gebeugt, desto größer ist also der Winkel θ, unter dem ein Maximum auftritt.

Bei einer Fresnelschen Zonenplatte beugen alle Teile der Platte, die gleich weit vom Mittelpunkt entfernt sind, das Licht zum gleichen Punkt P, in dem das erste Maximum liegt. Die Abstände der Ringe, die man auch Fresnelsche Zonen nennt, werden nach außen hin kleiner, die Ablenkung des Lichts größer. Der Winkel θ, unter dem das erste Maximum auftritt, nimmt also zu. Die Zonen sind dabei genau so angeordnet, dass alle Teile der Platte das Licht im ersten Maximum zum selben Punkt P hin beugen.

Bei der Holografie einer punktförmigen Lichtquelle entsteht also eine Fresnelsche Zonenplatte, die parallel einfallende Lichtstrahlen in einem Punkt P bündelt. Hat das einfallende Licht die gleiche Wellenlänge wie das bei der Aufnahme des Hologramms verwendete, so ist der Punkt P genauso weit von der Platte entfernt wie die ursprüngliche Lichtquelle. Bestrahlt man das Hologramm also mit der ursprünglichen Referenzwelle, so erhält man ein Abbild des holografierten Objekts, in diesem Fall des Lichtpunkts. Man sagt, das Objekt wird rekonstruiert (s. Abb.2).

Ein echter, ausgedehnter Gegenstand kann nun nach dem gleichen Prinzip abgebildet werden. Bei der Reflexion von Laserlicht an einem Objekt geht von jedem seiner Punkte eine Kugelwelle aus. Wir können den beleuchteten Gegenstand also als Konstrukt aus punktförmigen Lichtquellen betrachten, von denen jede einzelne Fresnelsche Zonen erzeugt. Die Überlagerung aller Zonen bildet das Hologramm. Bestrahlt man dieses nach der Entwicklung mit der Referenzwelle, so ergibt sich zu jeder einzelnen Ringstruktur ein Bildpunkt, wir erhalten also eine vollständige dreidimensionale Rekonstruktion des Objekts.

Abb. 3 zeigt das abfotografierte Transmissionshologramm eines Schlüssels und eines Flaschenöffners auf einer Glasplatte mit holografischem Filmmaterial, das von hinten mit dem Laser beleuchtet wird.

Reflexionshologramme

Bei der Aufnahme eines Reflexionshologramms fallen Referenz- und Objektwelle von verschiedenen Seiten auf den Holografiefilm. Bei der Überlagerung der ebenen und der Kugelwelle bilden sich stehende Wellen aus. Sie erzeugen als Interferenzmuster Schichten hoher Intensität im Film, die nahezu parallel zueinander und zur Oberfläche verlaufen (s. Abb. 4).

An diesen Schichten findet Reflexion statt. Man kann diese erklären, indem man als Analogie ein Bragg-Gitter betrachtet: Röntgenstrahlung, die auf einen Kristall auftrifft, durchläuft diesen zu einem großen Teil ungehindert. Nur ein ganz bestimmter Teil der Strahlung wird vom Kristall zurückgeworfen, die Schichten des Kristalls (Netz- oder Gitterebenen genannt), wirken also hier wie halbdurchlässige Spiegel.

Der Grund dafür ist, dass alle Wellen, die auf die Atome des Kristalls treffen, gestreut werden und dann miteinander interferieren. Dabei löschen sie sich größtenteils gegenseitig aus. Nur die Wellen, die einander aufgrund ihres Gangunterschieds maximal konstruktiv überlagern, werden als „reflektierte“ Strahlung wahrgenommen. Die Reflexion am Bragg-Gitter ist also, genau wie die am Reflexionshologramm, wellenlängen- und winkelabhängig.

Bestrahlt man ein fertiges Hologramm aus dem Winkel, aus dem auch der Referenzstrahl bei der Belichtung auftraf, so wird durch Reflexion an den Interferenzschichten das Bild des Gegenstands rekonstruiert. Das Hologramm reflektiert dabei aufgrund der Bragg-Bedingung nur die Wellenlänge, die auch bei der Aufnahme verwendet wurde. Wir können also ein solches Hologramm mit gewöhnlichem weißen Licht, das alle Wellenlängen enthält, rekonstruieren. Ein Reflexionshologramm wird daher auch Weißlichthologramm genannt.

In der Realität ist das Interferenzmuster, das im Holografie-Film entsteht, wesentlich komplexer als das oben beschriebene, da die Objektwelle eines ausgedehnten Gegenstands keine Kugelwelle, sondern eine komplizierte Wellenfront ist. Trotzdem entstehen im Hologramm stehende Wellen und dementsprechend Schichten hoher Intensität, die zwar sehr unregelmäßig geformt sein können, sich aber trotzdem mit der obigen Vereinfachung beschreiben lassen.