Direkt zu
Kooperationen

SCoPE

SimTech

GSaME

Baden-Württemberg Stiftung

 

DFG

 

BMBF

twip optical solutions GmbH

 

 
Kontakt

Institut f. Technische Optik
Universität Stuttgart
Pfaffenwaldring 9
70569 Stuttgart
Deutschland

T: +49 (0)711/685-66074
F: +49 (0)711/685-66586

 

Digitale Kurzkohärenz-Holografie mit einem Femtosekunden-Frequenzkamm-Laser für die Viel-Ebenen-Schnittbild-Technik

Bereits 1967 etablierten J. W. Goodman und R. W. Lawrence die Digitale Holografie. E. N. Leith und N. Abramson beschäftigten sich schon in den 1960er und 1970er Jahren mit der Kurzpuls-Holografie.

Eine Kurzkohärenz-Holografie-Anordnung mit einem Laser geringer Kohärenzlänge ermöglicht von einem Objekt aus dessen Hologramm am optischen Gangunterschied null ein Schnittbild digital zu rekonstruieren. Durch eine schrittweise Verschiebung des Objekts mit Holo­gramm­aufnahme in jeder Position kann ein Hologramm-Stapel aufgenommen werden, der mittels numerischer Rekonstruktion zu einem Viel-Ebenen-Schnittbild verrechnet wird.

Prinzip der Frequenzkamm-Holografie

Ein Femtosekunden-Frequenzkamm-Laser besitzt eine periodische zeitliche Kohärenz­funktion. Wird ein Michelson-Interferometer mit Frequenzkamm-Licht als holografische Anordnung betrieben, führt diese Kohärenzfunktion zu je einem Kontrast­maximum der Interferenz nicht nur am optischen Gang­unterschied null, sondern auch an jedem Ort, der einem ganzzahligen Vielfachen des Pulsabstandes Y entspricht, s. Abb. 1. Durch Wahl eines Frequenz­kamm-Lasers mit einem für die Objekttiefe geeigneten Pulsabstand Y können beispielsweise von einem lichtstreuenden Kegel-Objekt die Informationen von mehreren Objektschnitten gleichzeitig in einem Hologramm gespeichert werden. Diese Schnitte befinden sich auf dem Kegel im Tiefenabstand Y/2. Die Schnittbilder werden digital rekonstruiert. Um die räumliche Dichte der Schnitte zu erhöhen, wird der Referenzspiegel nach jeder Hologramm­auf­nahme rechnergesteuert verschoben.


Abb. 1. Experimental-Aufbau für die linsenlose digitale Kurzkohärenz-Holografie mit einem Femto­sekunden-Frequenzkamm-Laser mit 532 nm Mittenwellenlänge und Y=50,00 mm Pulsabstand. Die Referenz stellt eine
Rubidium-Atomuhr dar.

Ergebnisse

Abb. 2 zeigt die numerische Rekonstruktion eines Kegel­s mit 80 mm Tiefenausdehnung aus einem Hologramm-Stapel. Der Pulsabstand Y beträgt hier Y=50,00 mm. Dabei liefert jedes einzelne Hologramm hier die Informationen für jeweils zwei Schnittebenen simultan und damit gleichzeitig sowohl Daten für den oberen als auch den unteren Teil des Kegelobjekts. Die Lücke in der Mitte resultiert hier aus der Schlittenverschiebung von nur 17 mm bei 25,00 mm Abstand (Y/2) der gleichzeitig detektierten Schnittebenen. 


Abb. 2. Numerische Rekonstruktion des oberen Teils eines rauen metallischen Kegels mit
einem halben Kegelwinkel von 12°.

Vorteile und Ausblick

Die linsenlose Frequenzkamm-Holografie kann bei Verfügbarkeit geeigneter Frequenz­kamm-Laser mit geringen Pulsabständen Y auch in der Mikroskopie eingesetzt werden. Die holografische Anordnung mit einem Frequenzkamm-Laser muss dabei nicht auf den optischen Gangunterschied null abgeglichen werden. Bei Nutzung von zwei Frequenz­kämmen kann sowohl die absolute Entfernung als auch die Form eines Objekts bestimmt werden. Ein Vorteil dieses Ansatzes ist, dass die Tiefeninformation über das Objekt von der Beobachtungsapertur der holografischen Anordnung weitgehend entkoppelt ist. Das stellt insbesondere bei weit entfernten Objekten einen Vorteil im Vergleich zur digitalen Holografie mit monochromatischem Licht dar.

Referenzen

  1. K. Körner, G. Pedrini, I. Alexeenko, T. Steinmetz, R. Holzwarth, W. Osten: “Short temporal coherence digital holography with a femtosecond frequency comb laser for multi-level optical sectioning”, Opt. Express, Vol. 20, Ausgabe 7, S. 7237-7242 (2012). http://dx.doi.org/10.1364/OE.20.007237 
  2. K. Körner, G. Pedrini, I. Alexeenko, W. Lyda, T. Steinmetz, R. Holzwarth, W. Osten, "Multi-level optical sectioning based on digital holography with a femtosecond frequency comb laser", Proc. SPIE 8430, 843004 (2012).
  3. K. Körner, G. Pedrini, C. Pruss, and W. Osten: „Verfahren und Anordnung zur Kurz-Kohärenz-Holografie“, Deutsches Patent DE 10 2011 016 660 B4.
  4.  K. Körner, G. Pedrini, C. Pruss, and W. Osten: „Verfahren und Anordnung zur Kurz-Kohärenz-Holografie“, WO 2012/136238 A1.
  5.  K. Körner, G. Pedrini, C. Pruss, and W. Osten: “Method and Arrangement for Short Coherence Holography” (wird 2014 veröffentlicht unter United States patent application number 14/110,100).