Vermutlich kennt jeder die berühmte Szene aus “Krieg der Sterne”, in der Prinzessin Leia ihren holographischen Hilferuf sendet.
Obwohl 3D-Kinofilme zwar inzwischen alltäglich sind (“Avatar” war optisch cool (mit dämlicher Handlung), “Drachenzähmen leicht gemacht” war genial, danach fand ich es eigentlich ausgereizt), sind sie natürlich keine echten Hologramme, die man aus unterschiedlichen Richtungen anschauen kann.
Doch jetzt ist es gelungen, einen echten holographischen Film zu produzieren.
Ein Hologramm funktioniert durch Interferenz: Eine Lichtwelle fällt auf die holographische Aufnahme und durch Interferenz und Beugung an den hellen und dunklen Stellen der Fotoplatte entsteht das Bild:
(Bild von Wikipedia, Bob Mellish, public domain)
Für ein Hologramm (das ist hier ein “normales” Hologramm, das mit einem Laser angeleuchtet wird – es gibt auch Weißlichthologramme, die man in gewöhnlichem Licht angucken kann, die sind heute für uns aber nicht so relevant) braucht man also etwas wie einen fotographischen Film mit einem entsprechenden Muster aus hellen und dunklen Bereichen.
Wenn man einen holographischen Film zeigen will, dann muss man in der Lage sein, dieses Hell-Dunkel-Muster möglichst schnell zu verändern, möglichst mit so etwa 25 Bildern pro Sekunde, damit der Eindruck eines Films entsteht.
Genau das ist jetzt tatsächlich technisch gelungen. Im Detail ist die Konstruktion ziemlich trickreich (und da ich einerseits nicht so der Optik-Experte bin und andererseits auch zur zeit wenig Zeit habe, habe ich mir zugegebenermaßen nicht die Mühe gemacht, die technischen Details ganz genau nachzuvollziehen, die Idee hinter dem Funktionsprinzip sollte aber stimmen).
Wie bei modernen Computeranzeigen üblich, verwendet man einen Flüssigkristall. Flüssigkristalle habe ich vor einiger Zeit schon mal erklärt – da ging es um lichtempfindliche Flüssigkristalle, also solche, die ihre Eigenschaften ändern, wenn sie von Licht bestrahlt werden. Generell ist es bei Flüssigkristallen so, dass sie aus Molekülen bestehen, die sich ausrichten, weil das energetisch günstiger ist. Meist sind diese Moleküle länglich und man kann sich leicht vorstellen, dass sich längliche Moleküle lieber parallel zueinander anordnen, statt irgendwie wild durcheinander zu purzeln. Für unseren holographischen Film brauchen wir einen Flüssigkristall in der Struktur mit dem schönen Namen “smektisch C” – wie praktisch, dass ich gerade einige Zeit mit Blender verbracht habe, um Bilder für mein Vorlesungsskript zu bauen, aus dem demnächst hoffentlich ein Buch wird, so kann ich euch ein hübsches Bild einer solchen Struktur zeigen:
Wie ihr seht, ordnen sich die Moleküle in Schichten an und liegen innerhalb dieser Schichten alle geneigt zur Ebene der Schichten.
Um ein Hologramm mit einem solchen Flüssigkristall zu bauen, muss man seine Struktur irgendwie beeinflussen. Dazu fügt man als zweite Komponente Moleküle hinzu, die auf ein elektrisches Feld reagieren können. Strahlt man Licht auf solche Moleküle, ändern sie ihre elektrische Leitfähigkeit. Das wiederum beeinflusst die Orientierung der Flüssigkristallmoleküle und ändert damit deren Brechungsindex. Hier die entsprechende Grafik aus dem paper – wie gesagt, ich spare mir die Details, aber man erkennt beim Vergleich zwischen dem ersten und letzten Bild, wie sich die Flüssigkristalle umorientieren:
Aus Sasaki et al. , s.u.
Durch Einstrahlen von Licht kann man also den Brechungsindex des Flüssigkristalls ändern.
Bestrahlt man den Flüssigkristall gezielt mit Laserlicht, kann man also ein Muster aus Bereichen mit unterschiedlichem Brechungsindex erzeugen – und genau das kann man dann ausnutzen, um ein Hologramm zu erzeugen. So sieht der technische Aufbau des Ganzen aus:
Aus Sasaki et al. , s.u.
Das Gelbe unten in der Mitte (“sample”) ist der Flüssigkristall, die Laser sorgen für die Ausrichtung der Moleküle und für die Erzeugung des Hologramms.
Unten im Bild seht ihr schon, dass man von einer wunderschönen Prinzessin noch ein bisschen entfernt ist, die erzeugten Bilder sind Tetraeder:
Aus Sasaki et al. , s.u.
Unten seht ihr den Zeitindex – die Bilder verändern sich mit einer Geschwindigkeit, die ausreicht, um einen echten Filmeindruck zu erzeugen. Natürlich könnt ihr das auch als echtes Video anschauen, wenn ihr wollt, dazu klickt ihr hier. Im Film seht ihr zwei Bilder – das Blaue entsteht durch den Laser, der das Muster auf den Flüssigkristall schreibt, das rote ist das ausgelesene Hologramm.
Es ist zwar nicht das erste mal, dass es gelungen ist, einen holographischen Film zu erzeugen, aber zum ersten Mal ist die Bildfrequenz mit einer Bildrate von 8 Millisekunden hoch genug, dass man einen echten Filmeindruck bekommt – auch wenn man am Drehbuch noch etwas arbeiten sollte…
Takeo Sasaki, Masashi Ikegami, Tatsuya Abe, Daisuke Miyazaki, Satoshi Kajikawa, and Yumiko Naka
Real-time dynamic hologram in photorefractive ferroelectric liquid crystal with two-beam coupling gain coefficient of over 800 cm–1 and response time of 8 ms
APPLIED PHYSICS LETTERS 102, 063306 (2013)
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