Untersuchungen zur digitalen Holographie mit dem aus ultrakurzen Pulsen gewonnenen örtlich aufgefächerten kontinuierlichen Spektrum
Final Report Abstract
Im Rahmen des Vorhabens konnte grundsätzlich nachgewiesen werden, dass es möglich ist, das in ultrakurzen Pulsen enthaltene, aber auch von einigen Diodenlasern emittierte breitbandige Spektrum örtlich aufzufächern und in einer einzigen Aufnahme ein digitales Hologramm zu generieren, in dem streifenweise mit unterschiedlicher Wellenlänge die Mikrointerferenz erzeugt ist. Aus einzelnen Streifen lässt sich das komplexe Objektwellenfeld wieder numerisch rekonstruieren, wenn auch prinzipbedingt mit breiteren Speckles und niedrigerem Kontrast als im Fall der Rekonstruktion über die gesamte Breite und einer scharfen Wellenlänge. Die dadurch erhaltene Redundanz kann, wie experimentell nachgewiesen wurde, zum holographischen Zweiwellenlängen-Contouring verwendet werden. Neben dem Erreichen dieses Gesamtziels wurden eine Reihe weiterer Ergebnisse erzielt: • In die frequenzanalytische Untersuchung des Übertragungssystems für komplexe Wellenfelder, bestehend aus digital-holographischer Aufnahme mit spektral aufgefächerter Referenzwelle und numerischer Rekonstruktion des Wellenfeldes, gehen nicht nur Breite und Periode der Einzelpixel, sondern auch die Breite der zur Auswertung herangezogenen streifenförmigen Teilhologramme als Apertur ein. Diese Breite erzeugt einen sinc-Anteil in der Übertragungsfunktion, die die Specklebreite beschreibt und Rückschlüsse auf die optimale Streifenbreite zulässt. • Da an jedem Punkt des Hologramms alle Wellenlängen der Objektwelle, aber nur eine definierte Wellenlänge der Referenzwelle überlagert werden, ergeben sich außer dem zeitlich stationären Interferenzmuster auch Schwebungen. Es wurde theoretisch gezeigt, dass bei den gewählten Kamerabelichtungszeiten >2,8 ns die Schwebung als gleichmäßiger Hintergrund erscheint und vernachlässigt werden kann. • Da in jedem senkrechten Streifen des Hologramms, welcher mehr als 1 Pixel breit ist, Objektwellen mehrerer Wellenlängen überlagert sind, ergibt sich bei Rekonstruktion mit der Fresnel-Transformation ein heller, breiter, störender Gleichanteil. Dieser kann durch Ausmaskieren in der Fourierebene eliminiert werden. • Die aus verschiedenen Streifenhologrammen rekonstruierten Wellenfelder sind bei Verwendung der Fresnel-Transformation aufgrund der unterschiedlichen Wellenlängen gegenseitig verschoben und unterschiedlich skaliert. Vor einer Verknüpfung der Wellenfelder - z. B. für ein Zwei- oder Multiwellenlängen-Contouring - sind diese numerisch bekannten Verschiebungen und Pixelgrößen gegenseitig anzugleichen. • Die Erzeugung von Konti-λ-Hologrammen beschränkt sich nicht nur auf die Verwendung von Femtosekundenlasern, sondern ist auch mit breitbandigen Diodenlasern möglich. Für zeitkritische Anwendungen ist der Femtosekundenlaser im Pulsbetrieb zu empfehlen, edoch ist seine Intensität dann sehr gering, so dass für Messungen an nicht zeitkritischen Prozessen der breitbandige Diodenlaser vorzuziehen ist. Um das Multiwellenlängen-Verfahren der digitalen Holographie mit örtlich aufgefächertem Wellenlängenspektrum weiterzuentwickeln und langfristig zu vermarktbaren Verfahren, Geräten und Anlagen zu kommen, sind Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zu folgenden Thematiken durchzuführen: • Automatische Berechnung und Kompensation der Verschiebung der einzelnen rekonstruierten Wellenfelder, um Contouring auch mit geringerer synthetischer Wellenlänge zu ermöglichen. • Numerische Anpassung der Referenzwelle an die realen Gegebenheiten. Im bisherigen Projektverlauf wurde sie als ebene Welle angenommen, wodurch es zu Ungenauigkeiten im Rekonstruktionsverfahren kommt, da hier genaue Abstände eingegeben werden müssen. • Übergang vom Zwei-Wellenlängen-Contouring zum Mehr-Wellenlängen-Contouring. Hierbei sind besonders die Demodulation der 2π-Phasensprünge zu berücksichtigen und statistische Verfahren zu entwickeln, aus statistisch unabhängigen Interferenzphasenverteilungen zu verschiedenen synthetischen Wellenlängen eine effektive Rauschunterdrückung zu gewährleisten. Neben der digital-holographischen Form- und Verformungsmessung ist auch die Refraktometrie eine vielversprechende Anwendung. So können Brechzahlverteilungen in Gasen, Flüssigkeiten und transparenten Festkörpern gemessen werden und damit auch solche physikalischen Größen, die die Brechzahl in bekannter Weise verändern. Grundsätzlich sollte untersucht werden, welche physikalischen Größenwellenlängenabhängig unterschiedliche Hologramme und holographische Interferenzmuster erzeugen, hier können sich eventuell neuartige holographische berührungslose Messtechniken ergeben, da mit einer Aufnahme nun viele mit unterschiedlichen Wellenlängen aufgenommene Hologramme vorliegen.
Publications
- "Digital holographic recording using spatially resolved multiwavelengths“ Optical Data Storage 2010, edited by Susanna Orlic, Ryuichi Katayama, Proc. SPIE, Vol. 7730, SPIE, 773005 (2010)
Huferath-von Luepke, S.; von Kopylow, C.; Geldmacher, J.; Kreis, Th.
(See online at https://doi.org/10.1117/12.859138)
