Verfahren sowie Anordnung zur Herstellung eines Hologramms
Technisches Gebiet:
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Anordnung zur Herstellung eines Hologramms.
Stand der Technik:
Hologramme sind diffraktive Strukturen, d.h. spezielle Beugungsgitter, die flächig oder räumlich angeordnet sind und ein Objekt bei Beleuchtung als Raumbild rekonstruieren. Zur Herstellung eines Hologramms wird kohärentes Licht - insbesondere Laserlicht - üblicherweise durch einen Strahlteiler in zwei Teilstrahlen zerlegt, wovon der erste als Beleuchtungsstrahl auf das Objekt gerichtet wird und dieses beleuchtet, und der zweite, Referenzstrahl oder Referenzlicht genannt, mit dem auf Grund der Beleuchtung durch den Beleuchtungsstrahl vom Objekt kommenden Licht, auch Objektlicht genannt, in einem Interferenzfeld zur Interferenz gebracht wird. Zur Herstellung des Hologramms wird also im Prinzip ein Zweistrahlinterferometer benutzt, wobei dem vom Objekt kommenden Licht z.B. durch die Reflexion oder Streuung an der Objektoberfläche die Amplituden- und Phasenstruktur des Objekts aufgeprägt wird. Bei einer Registrierung mit einer Video-Kamera betrachtet man das Hologramm direkt, oder man überträgt es auf einen Bildschirm, z.B. ein Flüssigkristalldisplay.
Das Feld der Überlagerung der beiden Teilstrahlen, das Interferenzfeld, wird durch eine Photoplatte oder sonstigen zweidimensional auflösenden Detektor aufgenommen, wodurch man das Hologramm erhält. Als derartige Detektoren sind z.B. Videokameras geeignet, wobei das von dieser gelieferte Holgramm z.B. auf einem LCD-Display dargestellt werden kann.
Zur Betrachtung des Hologramms wird dieses mit Licht beleuchtet, welches nicht notwendigerweise kohärent zu sein braucht. Da die Hologramme die vollständige räumliche Information der Objektoberfläche enthalten, können sie zur dreidimensionalen Dokumentation des Objekts verwendet werden. Im Gegensatz zu
gewöhnlichen Photographien weisen holographisch dargestellte Bilder eine große Tiefenschärfe auf; sie zeigen die Raumstruktur des Objekts und erlauben z.B. den sehr schnellen Vergleich mit einem vorgegebenen Muster mit Hilfe von fourier- optischen Methoden. Daher können Hologramme sehr vorteilhaft zur auto- matischen Objekterkennung sowie zur Überwachung und Qualitätskontrolle in der Massenproduktion verwendet werden.
Eine spezielle Anwendung der Holographie ist die Speckle-Interferometrie; diese lässt sich zur Überprüfung der Form von hochbelasteten technischen Bauteilen wie z.B. Autoreifen oder Turbinenschaufeln einsetzen. Beispiele finden sich in dem Beitrag "Holography" von L. Huff in dem Buch von M.Bass: "Handbook of Optics", Vol II, Seite 23.1 ff, New York 1995.
Wie in der gesamten Interferometrie ist auch in der Holographie die erzielbare räumliche Auflösung von der Wellenlänge des verwendeten Lichts abhängig. Die Auflösung nimmt proportional zur Wellenlänge des Lichts ab. Durch eine Halbierung der Wellenlänge wird daher die Auflösung verdoppelt.
Eine andere Anwendung der Holographie besteht darin, Masken für die Photolithographie zur Herstellung von Halbleiterbauelementen holographisch zu erzeugen. In der modernen Photolithographie werden heute Techniken mit Licht von 240nm Wellenlänge verwendet; die Verwendung von Licht mit einer Wellenlänge von 200nm wird bereits angestrebt. Zum Zweck der Verbesserung der Auflösung werden aufwendige Technologien entwickelt, welche es ermöglichen sollen, die Wellenlänge des verwendeten Lichts weiter zu verringern. Als Grenze nach unten gilt Licht mit einer Wellenlänge von 150nm, da die Substrate der Lithographiemasken bei noch kürzeren Wellenlängen nicht mehr transparent sind.
Um dennoch eine noch höhere Auflösung zu erzielen, wurde vorgeschlagen, die Fähigkeit bestimmter optisch nichtlinearer Materialien auszunutzen, eingestrahltes Licht der Wellenlänge λ in Licht der halben Wellenlänge λ/2 zu verwandeln, wobei aus zwei eingestrahlten Photonen der Wellenlänge λ jeweils ein Photon der
Wellenlänge λ/2 entsteht ("zweite harmonische Mode"). Diese Erzeugung von jeweils einem Photon der halben Wellenlänge λ/2 aus je zwei Photonen der Wellenlänge λ ist aus der so genannten 2-Photonen-Mikroskopie bekannt (L. Moreaux et al. in Optics Letters 2000, Band 25, S.320). Nachteile dieser Methode bestehen darin, dass nur wenige Materialien zur Erzeugung der zweiten harmonischen Mode geeignet sind und dass hierzu sehr hohe Pumplaser- Leistungen notwendig sind, die unter Umständen das Untersuchungsobjekt schädigen können.
Es sind verschiedene Methoden zur Erzeugung von Photonenpaketen bekannt, deren jedes aus einer Mehrzahl von untereinander quantenmechanisch korrelierten Photonen besteht, welche gemeinsam einen Mehrphotonen-Fock- Zustand bilden. Die Photonenpakete können insbesondere Photonenpaare sein, deren beide Mitglieder gemeinsam einen Zweiphotonen-Fock-Zustand bilden.
Eine Methode beruht auf der nichtlinearen Optik. Es wird ein quantenoptischer Effekt ausgenutzt, der auf optischer parametrischer Fluoreszenz beruht. Dieser Prozess kann so geführt werden, dass es zur Ausbildung von so genannten „Mehrphotonen-Fock-Zuständen" kommt. Hierzu werden Photonen aus einem Laser, im folgenden als Primärphotonen bezeichnet, in einen für die nichtlineare Optik geeigneten Kristall eingestrahlt. Der Kristall kann z.B. aus Beta-Barium- Borat, aus Kalium-Deuterium-Phosphat oder aus Lithium-Niobat bestehen. Das Primärphoton wird beim Durchgang durch den Kristall mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit durch optische parametrische Fluoreszenz in ein Paar aus zwei sekundären, "verschränkten" Photonen umgewandelt, deren Gesamtenergie der Energie des Primärphotons entspricht. Die Wellenlänge jedes Sekundärphotons ist daher größer als diejenige des Primärphotons.
Im Gegensatz zur oben erwähnten 2-Photonen-Mikroskopie wird also nicht aus zwei eingestrahlten Photonen ein ausgestrahltes Photon von geringerer Wellenlänge erzeugt, sondern es werden aus einem eingestrahlten Photon zwei ausgestrahlte Photonen von jeweils größerer Wellenlänge erzeugt.
In der Literatur wird das sekundäre Photon mit der größeren Energie als „Signalphoton", dasjenige mit der kleineren Energie als „Mitläufer" oder „Idler" bezeichnet. Eine nähere Beschreibung des genannten Effektes liefert die Veröffentlichung „Quantenphänomene in der Welt des Lichtes" von J. Brendel, Reihe Physik Band 28, Seiten 41 ff. Die Photonenpakete können ohne weiteres auf herkömmliche Weise in Lichtwellenleiter eingeleitet werden.
Eine andere Methode zur Erzeugung von Photonenpaaren besteht in der Verwendung eines Zweiphotonen-Lasers als Lichtquelle. Ein Zweiphotonen-Laser ist z.B. in der Veröffentlichung „Polarization Instabilities in a Two-Photon Laser" von O. Pfister et al., Physical Review Letters, Vol. 86, Nr. 20, S. 4512- 4515, Mai 2001 , beschrieben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Anordnung sowie ein Verfahren zu schaffen, welche die Herstellung von Hologrammen mit erhöhter Auflösung erlauben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Hologramms eines Objekts, bei welchem zur Beleuchtung des Objekts sowie als Referenzlicht Photonenpakete verwendet werden, deren jedes aus einer Mehrzahl von untereinander quantenmechanisch korrelierten Photonen besteht, welche gemeinsam einen Mehrphotonen-Fock-Zustand bilden, wobei ein Teil der Photonenpakete zur Beleuchtung des Objekts und ein Teil der Photonenpakete als Referenzlicht verwendet wird, - vom Objekt kommende Photonenpakete mit dem Referenzlicht in einem Interferenzfeld zur Interferenz gebracht werden, und die Helligkeitsverteilung im Interferenzfeld oder einem Teil desselben mittels eines Detektors registriert wird.
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Anordnung zur Herstellung eines Hologramms eines Objekts, mit einer Lichtquelle, welche Photonenpakete zu emittieren imstande ist, deren jedes aus einer Mehrzahl von untereinander quantenmechanisch korrelierten Photonen besteht, welche gemeinsam einen
Mehrphotonen-Fock-Zustand bilden, wobei ein Teil der von der Lichtquelle emittierten Photonenpakete das Objekt zu beleuchten und ein Teil dieser Photonenpakete als Referenzlicht zu fungieren imstande ist, - vom Objekt kommende Photonenpakete mit dem Referenzlicht in einem Interferenzfeld zu interferieren imstande sind, und die Helligkeitsverteilung im Interferenzfeld oder einem Teil desselben mittels eines Detektors registrierbar ist. Die vom Objekt kommenden Photonenpakete sind solche, die zur Beleuchtung des Objekts verwendet wurden, von diesem z.B. reflektiert, gestreut, gebeugt oder gebrochen wurden und daher vom Objekt als Objektlicht ausgehen. D.h., das Objektlicht geht auf Grund der Beleuchtung des Objekts durch Photonenpakete vom Objekt aus.
Im Interferenzfeld kommt es auf Grund der Interferenz des aus Photonpaketen bestehenden Referenzlichts mit vom Objekt kommenden Photonenpaketen zur Ausbildung einer Helligkeitsverteilung, nämlich eines Interferenzmusters, welches mittels des Detektors als Hologramm aufgenommen wird.
Die Mitglieder derartiger Photonenpakete verhalten sich spektroskopisch und bezüglich ihrer Transmissionseigenschaften so, wie es ihren jeweiligen Wellenlängen entspricht. Interferometrisch verhält sich ein derartiges Photonenpaket jedoch so, wie es einem Photon entspricht, dessen Energie gleich der Energiesumme aller Einzelphotonen des Photonenpaketes ist. Wenn mit Hilfe derartiger Photonenpakete Hologramme hergestellt werden, erreicht man daher eine Auflösung, welche wesentlich höher ist als diejenige, welche man bei Verwendung von herkömmlichem Licht derselben Wellenlänge wie die Paketphotonen erhalten würde.
Die Erfindung lässt sich daher z.B. sehr vorteilhaft in der Photolithographie zur Herstellung von Halbleiterbauelementen anwenden. Bei Verwendung von z.B. Photonenpaketen, welche aus je zwei Photonen von je 200nm Wellenlänge
bestehen, wird eine Auflösung erreicht, welche einer Wellenlänge von 100nm entspricht, ohne dass die Transparenz der Substrate der Lithographiemasken gegenüber der Verwendung von herkömmlichem Licht von 200nm Wellenlänge abnimmt.
Ähnliche Vorteile ergeben sich durch die Erfindung z.B. dann, wenn bei der Herstellung eines Hologramms das Licht zur Beleuchtung des Objekts und/oder das Referenzlicht durch Lichtleiter geschickt werden sollen. Auch hier kann erfindungsgemäß solches Licht verwendet werden, welches von den Lichtleitern noch verlustarm transmittiert wird, und dennoch eine Auflösung erreicht werden, welche einer wesentlich kürzeren, von den Lichtleitern nicht mehr bzw. nur noch verlustreich transmittierten Wellenlänge entspricht.
Mit Hilfe der Erfindung lassen sich beliebige Objekte z.B. mit Licht einer Wellenlänge λ holographisch vermessen, als würde - falls die Photonenpakete z.B. Photonenpaare sind - Licht der halben Wellenlänge, d.h. solches der Wellenlänge λ/2, verwendet, d.h. bei doppelter Auflösung. Dies kann mittels quantenmechanisch korrelierten Photonenpaaren erfolgen, welche sich wie Einzelphotonen der halben Wellenlänge λ/2 verhalten.
Durch die erfindungsgemäße Verwendung von Photonenpaketen, welche aus jeweils mehr als zwei Photonen bestehen, kann die Auflösung entsprechend weiter gesteigert werden. Die Erhöhung der Auflösung erreicht allgemein einen Faktor N, wobei N die Zahl der korrelierten Photonen pro Photonenpaket ist.
Zur Beleuchtung des Objekts und als Referenzlicht werden bevorzugt Photonenpakete, welche aus derselben Lichtquelle stammen, verwendet. Bevorzugt wird zur Erzeugung der Photonenpakete eine solche Lichtquelle verwendet, welche imstande ist, einen kohärenten Strahl von derartigen Photonenpaketen zu emittieren. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung ist daher die Lichtquelle imstande, einen kohärenten Strahl von derartigen Photonenpaketen zu emittieren.
Alternativ kann zur Erzeugung der Photonenpakete eine solche Lichtquelle verwendet werden, welche imstande ist, eine Mehrzahl von untereinander kohärenten Strahlen von derartigen Photonenpakete zu emittieren. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist daher die Lichtquelle imstande, eine Mehrzahl von untereinander kohärenten Strahlen von derartigen Photonenpaketen zu emittieren. Jedes Photonenpaket, z.B. Photonenpaar, wird in diesem Fall in einem aus einer Mehrzahl von Kanälen erzeugt, wobei nicht vorhersagbar ist, in welchem.
Hierbei wird bevorzugt mindestens einer der Strahlen von Photonenpaketen zur Beleuchtung des Objekts und mindestens ein anderer der Strahlen von Photonenpaketen als Referenzlicht oder zur Bildung desselben verwendet. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist daher mindestens einer der Strahlen von Photonenpaketen das Objekt zu beleuchten und mindestens ein anderer der Strahlen von Photonenpaketen als Referenzlicht zu fungieren oder dasselbe zu bilden imstande; beispielsweise kann das Referenzlicht durch Aufweitung desjenigen Strahls oder derjenigen Strahlen von Photonenpaketen, welche als Referenzlicht zu fungieren oder das Referenzlicht zu bilden imstande sind, gebildet werden.
Als Lichtquelle wird bevorzugt eine solche verwendet, welche als Photonenpakete Photonenpaare erzeugt, deren beide Mitglieder jeweils untereinander quantenmechanisch korreliert sind und sich gemeinsam in einem Zweiphotonen- Fock-Zustand befinden; in diesem Fall werden als Photonenpakete also Photonenpaare verwendet. Die Lichtquelle ist daher bevorzugt eine solche, welche als Photonenpakete Photonenpaare erzeugt, deren beide Mitglieder jeweils untereinander quantenmechanisch korreliert sind und sich gemeinsam in einem Zweiphotonen-Fock-Zustand befinden.
Als Lichtquelle kann hierbei insbesondere eine solche verwendet werden, in welcher die Photonenpakete erzeugt werden, indem Primär-Photonen der mittleren Wellenlänge λ aus einer Primär-Lichtquelle, insbesondere Laser, in einen optisch nichtlinearen Kristall eingestrahlt werden, welcher so beschaffen
und orientiert ist, dass die Photonenpakete in dem optisch nichtlinearen Kristall aus eingestrahlten Primär-Photonen durch optische parametrische Fluoreszenz entstehen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist daher die Lichtquelle eine Primär-Lichtquelle, insbesondere Laser, und einen optisch nichtlinearen Kristall auf, wobei die Primär-Lichtquelle Primär-Photonen der mittleren Wellenlänge λ in den Kristall einstrahlt und dieser so beschaffen und orientiert ist, dass er die Photonenpakete aus eingestrahlten Primär-Photonen durch optische parametrische Fluoreszenz erzeugt.
Die Energieaufteilung zwischen dem Signal- und dem Idlerphoton des Photonenpaares ist nicht immer dieselbe, sondern statistisch verteilt und durch eine Wahrscheinlichkeitsverteilung gegeben. Insbesondere können die Sekundärphotonen die gleiche Energie besitzen, was bedeutet, dass beide jeweils die halbe Wellenlänge des Primärphotons aufweisen. Mittels eines zwischengeschalteten Monochromators können solche Photonen, deren Wellenlänge um mehr als einen bestimmten Betrag von der halben Wellenlänge des Primärphotons abweicht, ausgefiltert werden, so dass nur solche Photonenpaare passieren können, deren beide Mitglieder annähernd dieselbe Wellenlänge besitzen.
Gemäß einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Lichtquelle eine solche verwendet, welche folgende Komponenten aufweist: a) eine Primär-Lichtquelle, insbesondere Laser, welche einen Strahl von Primär-Photonen der mittleren Wellenlänge λ emittiert, b) einen optisch nichtlinearen Kristall, welcher so beschaffen, angeordnet und orientiert ist, dass mindestens ein Teil der Primär-Photonen in den Kristall einfällt und in demselben durch optische parametrische Fluoreszenz je ein Paar von aus dem Kristall austretenden Sekundär-Photonen, nämlich ein Signal- und ein zu diesem zugehöriges und mit diesem quantenmechanisch korreliertes Idlerphoton, erzeugt, c) ein Interferometer mit zwei Armen, zwischen welchen ein optischer Weglängenunterschied besteht, welcher sowohl kleiner ist als die Kohärenzlänge des Signalphotons als auch kleiner ist als die
Kohärenzlänge des Idlerphotons, wobei mindestens ein Teil der Paare von Sekundärphotonen so in das Interferometer einfällt, dass jeweils das Signalphoton den ersten Arm und das jeweils zugehörige Idlerphoton den zweiten Arm durchläuft, d) einen Strahlkoppler mit einem ersten und einem zweiten Kopplerausgang, wobei die Signalphotonen und die jeweils zu diesen zugehörigen Idlerphotonen nach Durchlaufen des Interferometers in den Strahlkoppler einfallen können, - das Signalphoton jedes in den Strahlkoppler eingefallenen Paares von Sekundär-Photonen mit dem zu ihm zugehörigen Idlerphoton in dem Strahlkoppler interferieren kann, nach dieser Interferenz jedes Signalphoton und jedes Idlerphoton den Strahlkoppler sowohl durch den ersten als auch durch den zweiten Kopplerausgang verlassen können, so dass das Signalphoton und das zu ihm zugehörige Idlerphoton den Strahlkoppler entweder getrennt voneinander durch verschiedene Kopplerausgänge verlassen können, - oder beide gemeinsam als Photonenpaar, dessen Mitglieder untereinander quantenmechanisch korreliert sind und sich gemeinsam in einem Zweiphotonen-Fock-Zustand befinden, durch jeden der beiden Kopplerausgänge verlassen können, und somit durch den ersten Kopplerausgang ein erster Strahl und durch den zweiten Kopplerausgang ein zweiter Strahl von derartigen Photonenpaaren austritt, so dass zwei Strahlen von derartigen Photonenaaren erzeugt werden.
Daher weist die Lichtquelle gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung folgende Komponenten auf: a) eine Primär-Lichtquelle, insbesondere Laser, welche einen Strahl von Primär-Photonen der mittleren Wellenlänge λ emittiert, b) einen optisch nichtlinearen Kristall, welcher so beschaffen und angeordnet
ist, dass mindestens ein Teil der Primär-Photonen in den Kristall einfällt und in demselben durch optische parametrische Fluoreszenz je ein Paar von aus dem Kristall austretenden Sekundär-Photonen, nämlich ein Signal- und ein zu diesem zugehöriges und mit diesem quantenmechanisch korreliertes Idlerphoton, erzeugt, c) ein Interferometer mit zwei Armen, zwischen welchen ein optischer Weglängenunterschied besteht, welcher sowohl kleiner ist als die Kohärenzlänge des Signalphotons als auch kleiner ist als die Kohärenzlänge des Idlerphotons, wobei mindestens ein Teil der Paare von Sekundärphotonen so in das Interferometer einfällt, dass jeweils das Signalphoton den ersten Arm und das jeweils zugehörige Idlerphoton den zweiten Arm durchläuft, d) einen Strahlkoppler mit einem ersten und einem zweiten Kopplerausgang, wobei - die Signalphotonen und die jeweils zu diesen zugehörigen Idlerphotonen nach Durchlaufen des Interferometers in den Strahlkoppler einfallen können, Signalphoton jedes in den Strahlkoppler eingefallenen Paares von Sekundär-Photonen mit dem zu ihm zugehörigen Idlerphoton in dem Strahlkoppler interferieren kann, nach dieser Interferenz jedes Signalphoton und jedes Idlerphoton den Strahlkoppler sowohl durch den ersten als auch durch den zweiten Kopplerausgang verlassen können, so dass das Signalphoton und das zu ihm zugehörige Idlerphoton den Strahlkoppler entweder getrennt voneinander durch verschiedene Kopplerausgänge verlassen können, oder beide gemeinsam als Photonenpaar, dessen Mitglieder untereinander quantenmechanisch korreliert sind und sich gemeinsam in einem Zweiphotonen-Fock-Zustand befinden, durch jeden der beiden Kopplerausgänge verlassen können, und somit die Lichtquelle durch den ersten Kopplerausgang einen ersten Strahl und durch den zweiten Kopplerausgang einen zweiten Strahl von
-liderartigen Photonenpaaren abzugeben imstande ist.
Diese Strahlen können z.B. im Fall eines sehr kleinen Objekts direkt zur Beleuchtung desselben bzw. als Referenzlicht verwendet werden, oder sie können zur Beleuchtung des Objekts bzw. zur Bildung des Referenzlichts aufgeweitet werden.
Beide Arme des Interferometers vereinigen sich in dem Strahlkoppler. Der hier vorteilhaft ausgenutzte Prozeß der optischen parametrischen FLuoreszenz lässt sich insbesondere so führen, dass die beiden Photonen eines Photonenpaares in verschiedenen Richtungen aus dem Kristall austreten, so dass es möglich ist, mit einem nur geringen apparativen Aufwand das erste Photon jedes Paares in den ersten Arm und das zweite Photon in den zweiten Arm des Interferometers einzukuppeln. Die Primär-Lichtquelle kann insbesondere ein Laser sein, welcher in diesem Fall auch als "Pump-Laser" bezeichnet wird und ein Dauerlicht-Laser oder ein Puls-Laser sein kann.
Die Photonen eines so erzeugten Photonenpaares sind auf mehrere Arten miteinander korreliert und verschränkt. Die entsprechenden Lichtwege, d.h. die zugehörigen Interferometerarme, werden oft Signal- und Idlerarm genannt. Die Kohärenzlänge des ersten bzw. zweiten Photons kann bei Verwendung derartiger Photonenpaar-Quellen typischerweise 10...500μm, die Wellenlänge des ersten bzw. zweiten Photons kann z.B. jeweils 1.3μm betragen.
Als Strahlkoppler kann insbesondere ein Strahlteiler verwendet werden, z.B. eine Strahlteilerplatte. Der Strahlkoppler kann ferner z.B. ein polarisierender Strahlteiler oder ein Schmelzkoppler sein. Bevorzugt ist der Strahlkoppler so eingerichtet, dass kein Kopplerausgang gegenüber dem anderen Kopplerausgang bevorzugt ist.
Als optisch nichtlinearer Kristall kann insbesondere ein solcher verwendet werden, welcher aus Beta-Barium-Borat, aus Kalium-Deuterium-Phosphat oder aus Lithium-Niobat besteht.
Quantenmechanisch betrachtet verläßt kein Photonenpaar, dessen Mitglieder untereinander quantenmechanisch korreliert sind und sich gemeinsam in einem Zweiphotonen-Fock-Zustand befinden, den Strahlenkoppler, wie es klassisch zu erwarten wäre, nur durch den ersten oder nur durch den zweiten Kopplerausgang. Vielmehr sind die Photonenpaare in beiden Kopplerausgängen verschränkt, d.h. es verlassen beide Mitglieder jedes derartigen Photonenpaares den Strahlenkoppler gemeinsam sowohl durch den ersten als auch zugleich durch den zweiten Kopplerausgang. Dies ist eine Folge des Wellencharakters der beteiligten Teilchen. Jedoch ist das Photonenpaar selbstverständlich nur in einem der beiden Kopplerausgänge nachweisbar. Wird es im ersten Kopplerausgang nachgewiesen, so ist es im zweiten Kopplerausgang nicht mehr nachweisbar, und umgekehrt.
Bevorzugt wird der erste Strahl von Photonenpaaren zur Beleuchtung des Objekts verwendet und der zweite Strahl von Photonenpaaren als Referenzlicht oder zur Bildung desselben verwendet, oder umgekehrt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist daher der erste Strahl von Photonenpaaren das Objekts zu beleuchten imstande, und der zweite Strahl von Photonenpaaren als Referenzlicht zu fungieren oder dasselbe zu bilden imstande, oder umgekehrt.
In diesem Fall kann daher auf den Strahlteiler, welcher im Stand der Technik üblicherweise das zur Herstellung eines Hologramms erforderliche kohärente Licht in den Beleuchtungsstrahl und den Referenzstrahl bzw. das Referenzlicht zerlegt, verzichtet werden, da die Lichtquelle gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung bereits von vornherein zwei kohärente Teilstrahlen abgibt, von denen sich der eine zur Beleuchtung des Objekts und der andere als Referenzstrahl oder z.B. durch Aufweitung zur Bildung desselben verwenden läßt.
Vorzugsweise ist in mindestens einem der Interferometerarme eine verstellbare Verzögerungsstrecke optisch zwischengeschaltet, so dass ein bestimmter optischer Weglängenunterschied D zwischen den Interferometerarmen gewählt
werden kann. Die Wahrscheinlichkeit W, dass das Signal- und das Idlerphoton im Strahlkoppler so interferieren, dass sie den Strahlkoppler nicht getrennt voneinander durch verschiedene Kopplerausgänge, sondern gemeinsam durch denselben Kopplerausgang verlassen, hängt nämlich stark vom optischen Weglängenunterschied D ab, d.h. Effizienz der Erzeugung der Photonenpaare kann durch geeignete Wahl des Weglängenunterschiedes optimiert werden.
Diese Abhängigkeit der genannten Wahrscheinlichkeit W vom optischen Weglängenunterschied D ist relativ kompliziert. Trägt man die Wahrscheinlichkeit W gegen den optischen Weglängenunterschied als Kurve W(D) auf, so zeigt diese Kurve einen stetigen Verlauf mit einigen Minima und Maxima, d.h. von Extremwerten. Man erhält aufgrund der Photonenpaar-Interferenz ein so genanntes Interferenzmuster vierter Ordnung, die auch als "Hong-Ohu-Mandel- Interferenz" bezeichnet wird., Das Signal- und das zu ihm zugehörige Idlerphoton besitzen paarweise die Fähigkeit, in einer derartigen Interferenz vierter Ordnung zu interferieren. Hierbei existiert bei verschwindendem Weglängenunterschied D, d.h. für den Wert D=0, ein Hauptmaximum, in welchem die Wahrscheinlichkeit W einen Wert von theoretisch 100% erreicht. In der Praxis läßt sich für die Wahrscheinlichkeit W ohne weiteres ein Wert von über 95% erreichen.
Bevorzugt wird daher der Betrag des zwischen dem ersten und dem zweiten Arm des Interferometers bestehenden optischen Weglängenunterschiedes D kleiner als 5λ gewählt wird, wobei λ die mittlere Wellenlänge der Primär-Photonen ist. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist daher die erfindungsgemäße Anordnung so eingerichtet, dass der Betrag des zwischen dem ersten und dem zweiten Arm des Interferometers bestehenden optischen Weglängenunterschiedes D kleiner ist als 5λ, wobei λ die mittlere Wellenlänge der Primär- Photonen ist.
Gemäß einer bevorzugten Variante wird die Effizienz der Erzeugung der Photonenpaare optimiert, indem der zwischen dem ersten und dem zweiten Arm des Interferometers bestehende optische Weglängenunterschied D so gewählt wird, dass das Verhältnis der Anzahl der Fälle, in welchen das Signalphoton und
das zu diesem zugehörige Idlerphoton den Strahlkoppler beide gemeinsam durch denselben Kopplerausgang verlassen, zu der Anzahl der Fälle, in welchen das Signalphoton und das zu diesem zugehörige Idlerphoton den Strahlkoppler getrennt voneinander durch verschiedene Kopplerausgänge verlassen, im zeitlichen Mittel ein Maximum erreicht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Anordnung ist der zwischen dem ersten und dem zweiten Arm des Interferometers bestehende optische Weglängenunterschied D daher so gewählt, dass das Verhältnis der Anzahl der Fälle, in welchen das Signalphoton und das zu diesem zugehörige Idlerphoton den Strahlkoppler beide gemeinsam durch denselben Kopplerausgang verlassen, zu der Anzahl der Fälle, in welchen das Signalphoton und das zu diesem zugehörige Idlerphoton den Strahlkoppler getrennt voneinander durch verschiedene Kopplerausgänge verlassen, im zeitlichen Mittel ein Maximum aufweist.
Verwendet man anstelle der Photonenpaare Photonenpakete mit jeweils n Mitgliedern, so erhält man anstelle der Interferenz 4. Ordnung eine Interferenz der Ordnung 2n.
Ein Strahl oder Strahlen von Photonenpaare können auch auf andere Weise erzeugt werden. Gemäß einer Variante wird als Lichtquelle eine solche verwendet, in welcher die Photonenpaare durch in der Lichtquelle stattfindende Quadrupolübergänge oder Kaskadenübergänge erzeugt werden. Gemäß einer anderen Variante wird als Lichtquelle eine solche verwendet, in welcher die Photonenpaare mittels eines Zweiphotonen-Lasers erzeugt werden. Gemäß einer weiteren Variante wird als Lichtquelle eine solche verwendet, in welcher die Photonenpaare durch einen in der Lichtquelle stattfindenden Coulomb-Blockade- Effekt erzeugt werden.
Der Strahl von Photonenpaketen kann in eine Mehrzahl von untereinander kohärenten Photonenpaket-Teilstrahlen aufgespalten werden, oder es können dem Strahl von Photonenpaketen eine Mehrzahl von untereinander kohärenten
Photonenpaket-Teilstrahlen entnommen werden, wobei mindestens einer der Photonenpaket-Teilstrahlen zur Beleuchtung des Objekts und mindestens ein anderer der Photonenpaket-Teilstrahlen als Referenzlicht oder zur Bildung desselben herangezogen wird. Hierbei kann vorteilhaft zur Beleuchtung des Objekts eine größere Anzahl von Photonenpaket-Teilstrahlen herangezogen wird als zur Bildung des Referenzlichts, beispielsweise um Reflexionsverluste des Beleuchtungsstrahls am Objekt auszugleichen und um zu erreichen, dass im bereich des Interferenzfeldes das vom Objekt kommende Licht, in der Literatur auch als Objektstrahl bezeichnet, von möglichst ähnlicher Intensität ist wie das Referenzlicht.
Als Lichtquelle kann ferner eine solche verwendet werden, welche eine Mehrzahl von Strahlen von Photonenpaketen erzeugt, indem in eine Mehrzahl von optisch nichtlinearen Kristallen jeweils Primär-Photonen der mittleren Wellenlänge λ aus einer Primär-Lichtquelle, insbesondere Laser, eingestrahlt werden, wobei die Kristalle jeweils so beschaffen, angeordnet und orientiert sind, dass in jedem der Kristalle aus eingestrahlten Primär-Photonen durch optische parametrische Fluoreszenz einer der Strahlen von Photonenpaketen entsteht. Bei Verwendung derartiger Lichtquellen besteht keine Notwendigkeit, den Strahl von Photonen- paketen in Teilstrahlen aufzuspalten, da bereits von vornherein eine Mehrzahl von Strahlen von Photonenpaketen erzeugt wird. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Lichtquelle daher eine Primär-Lichtquelle, insbesondere Laser, sowie eine Mehrzahl von optisch nichtlinearen Kristallen auf, wobei die Primär-Lichtquelle in jeden der Kristalle Primär-Photonen der mittleren Wellenlänge λ einstrahlt und die Kristalle so beschaffen und orientiert sind, dass in jedem der Kristalle aus eingestrahlten Primär-Photonen durch optische parametrische Fluoreszenz je einer der Strahlen von Photonenpaketen entsteht. Jedes Photonenpaket, z.B. Photonenpaar, wird somit in einem aus einer Mehrzahl von Kanälen erzeugt, wobei nicht vorhersagbar ist, in welchem.
Gemäß einer vorteilhaften Variante der Erfindung ist die Anzahl der Photonenpaket-Teilstrahlen bzw. von Strahlen von Photonenpaketen, welche zur Beleuchtung des Objekts verwendet werden, größer als die Anzahl der
Photonenpaket-Teilstrahlen bzw. von Strahlen von Photonenpaketen, welche als Referenzlicht verwendet werden, z.B. um zu erreichen, dass im Bereich des Interferenzfeldes das vom Objekt kommende Licht von möglichst ähnlicher Intensität ist wie das Referenzlicht.
Als optisch nichtlinearer Kristall oder als optisch nichtlineare Kristalle können insbesondere solche verwendet werden, welche aus Beta-Barium-Borat, aus Kalium-Deuterium-Phosphat oder aus Lithium-Niobat bestehen. Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung kann besteht daher der optisch nichtlineare Kristall bzw. bestehen daher die optisch nichtlinearen Kristalle aus Beta-Barium-Borat, aus Kalium-Deuterium-Phosphat oder aus Lithium-Niobat.
Als optisch nichtlinearer Kristall oder als optisch nichtlineare Kristalle können z.B. solche verwendet werden, welche als Lichtwellenleiter ausgebildet sind. Gemäß einer Variante der Erfindung ist daher der optisch nichtlinearer Kristall oder sind daher die optisch nichtlinearen Kristalle als Lichtwellenleiter ausgebildet.
Als Primär-Lichtquelle kann hierbei eine solche verwendet werden, welche einen Strahl von Primär-Photonen der mittleren Wellenlänge λ abgibt, wobei der Strahl von Primär-Photonen in eine Mehrzahl von untereinander kohärenten Teilstrahlen von Primär-Phototonen aufgespalten wird, oder dem Strahl von Primär-Photonen eine Mehrzahl von untereinander kohärenten Teilstrahlen von Primär-Phototonen entnommen wird, und jeder der so erzeugten Teilstrahlen von Primär-Phototonen in je einen der optisch nichtlinearen Kristalle eingestrahlt wird. In diesem Fall wird also bereits der Strahl von Primär-Photonen in Teilstrahlen aufgespalten.
Aus dem Strahl vom Photonenpaketen bzw. dem Strahl von Primär-Photonen kann auf verschiedene Weisen eine Mehrzahl von Photonenpaket-Teilstrahlen bzw. eine Mehrzahl von Teilstrahlen von Primär-Photonen gewonnen werden Gemäß einer Variante wird der Strahl von Photonenpaketen bzw. der Strahl von Primärphotonen durch mindestens ein in denselben eingebrachtes Hindernis oder eine in denselben eingebrachte Blende mit einer Mehrzahl von Löchern oder mindestens einen in denselben eingebrachten Strahlteiler in eine Mehrzahl von
Photonenpaket-Teilstrahlen bzw. eine Mehrzahl von Teilstrahlen von Primär- Photonen aufgespalten.
Gemäß einer anderen Variante wird der Strahl von Photonenpaketen bzw. der Strahl von Primärphotonen durch eine in denselben eingebrachte Phasenplatte in eine Mehrzahl von zumindest teilweise gegeneinander phasenverschobenen Photonenpaket-Teilstrahlen bzw. Teilstrahlen von Primär-Photonen aufgespalten.
Gemäß einer Variante wird hierbei als Phasenplatte eine solche verwendet, welche den Strahl von Photonenpaketen in zwei Photonenpaket-Teilstrahlen aufspaltet, zwischen denen ein Phasenunterschied von (2n+1)*π/Z besteht, wobei n eine ganze Zahl und Z die Anzahl der Photonen pro Photonenpaket ist.
Gemäß einer anderen Variante wird als Phasenplatte eine Zonenplatte mit einer ersten und einer zweiten Zonengruppe verwendet, welche so ausgebildet ist, dass von jeder Zone der ersten Zonengruppe ein Photonenpaket-Teilstrahl ausgeht, so dass von der Zonenplatte eine erste Gruppe von Photonenpaket-Teilstrahlen ausgeht, welche dadurch definiert ist, dass jeder Photonenpaket-Teilstrahl dieser ersten Gruppe eine der Zonen der ersten Zonengruppe durchlaufen hat, und von jeder Zone der zweiten Zonengruppe ein Photonenpaket-Teilstrahl ausgeht, so dass von der Zonenplatte eine zweite Gruppe von Photonenpaket-Teilstrahlen ausgeht, welche dadurch definiert ist, dass jeder Photonenpaket-Teilstrahl dieser zweiten Gruppe eine Zone der zweiten Zonengruppe durchlaufen hat, und die
Photonenpaket-Teilstrahlen der ersten Gruppe gegenüber denjenigen der zweiten Gruppe einen Phasenunterschied von (2m+1)*π/Z aufweisen, wobei m eine ganze
Zahl und Z die Anzahl der Sekundärphotonen pro Photonenpaket ist.
Aufgrund des Phasenunterschiedes kommt es unmittelbar hinter der Phasenplatte im Grenzbereich zwischen den Photonenpaket-Teilstrahlen zu Interferenz, durch welche die Lichtintensität im Grenzbereich abnimmt, wobei die Gesamtintensität der Teilstrahlen vorteilhafterweise nicht abnimmt, da den Teilstrahlen keine Photonen entnommen werden. Wenn der Phasenunterschied so gewählt wird, dass die Photonenpaket-Teilstrahlen gegenphasig sind, ist die Intensität im
Grenzbereich gleich Null.
Gemäß einer weiteren Variante wird zur Entnahme einer Mehrzahl von Photonenpaket-Teilstrahlen aus dem Strahl von Photonenpaketen bzw. zur Entnahme einer Mehrzahl von Teilstrahlen von Primär-Phototonen aus dem Strahl von Primärphotonen je ein Lichtwellenleiter verwendet, welcher so in den Strahl von Photonenpaketen eingebracht wird, dass in jeden Lichtwellenleiter ein Teil des Strahls von Photonenpaketen bzw. ein Teil des Strahls von Primär-Photonen eingekoppelt wird.
Als Primär-Lichtquelle kann ferner eine solche verwendet werden, welche eine Mehrzahl von Strahlen von Primär-Photonen jeweils der mittleren Wellenlänge λ abgibt, deren jeder in je einen der optisch nichtlinearen Kristalle so eingestrahlt wird, dass in jedem der Kristalle aus einem der eingestrahlten Strahlen von Primär-Photonen durch optische parametrische Fluoreszenz einer der Strahlen von Photonenpaketen entsteht. Gemäß einer Ausführungsform ist daher die Primär-Lichtquelle imstande, eine Mehrzahl von Strahlen von Primär-Photonen jeweils der mittleren Wellenlänge λ abzugeben und diese so in je einen der optisch nichtlinearen Kristalle einzustrahlen, dass in jedem der Kristalle aus einem der eingestrahlten Strahlen von Primär-Photonen durch optische parametrische Fluoreszenz einer der Strahlen von Photonenpaketen entsteht.
Es können als Primär-Lichtquellen solche verwendet werden, welche von vornherein zwei oder mehrere kohärente Strahlen von Primär-Photonen abgeben, so dass die Aufspaltung in oder die Entnahme von Teilstrahlen nicht erforderlich ist.
Gemäß einer Variante wird daher als Primär-Lichtquelle ein solcher Laser verwendet, in welchem sich eine Transversalmode oder eine Spiralmode ausbildet, welche dazu führen, dass in dem Laser mindestens zwei voneinander getrennte Helligkeitszonen entstehen, deren jede einen der Strahlen von Primär- Photonen emittiert. Gemäß einer anderen Variante wird als Primär-Lichtquelle ein
Kaleidoskop-Laser verwendet, in welchem sich eine Mehrzahl von voneinander getrennten Helligkeitszonen ausbilden, deren jede einen der Strahlen von Primär- Photonen emittiert.
Gemäß einer Variante werden mindestens zwei der Strahlen von Photonenpaketen zur Beleuchtung des Objekts verwendet und vor Erreichen desselben so zu Beleuchtungsstrahlen aufgeweitet, dass jeder Beleuchtungsstrahl das Objekt vollständig erfasst.
Gemäß einer anderen Variante werden mindestens zwei der Strahlen von Photonenpaketen zur Beleuchtung des Objekts verwendet und vor Erreichen desselben so zu Beleuchtungsstrahlen aufgeweitet, dass jeder Beleuchtungsstrahl nur einen Teil des Objekts erfasst, und alle Beleuchtungsstrahlen zusammen das gesamte Objekt erfassen. Die Aufweitung kann z.B. durch eine entsprechende Anzahl von Linsen oder eine Areal von Linsen, welche vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise als Zerstreuungslinsen ausgebildet sind, oder durch Beugungsgitter erfolgen.
Gemäß einer bevorzugten Variante der Erfindung wird als Lichtquelle zur Erzeugung der Photonenpakete eine solche verwendet, welche so eingerichtet ist, dass das Objektlicht und das Referenzlicht im Interferenzfeld dieselbe Amplitude, d.h. dieselbe Intensität aufweisen.
Gemäß einer Variante der Erfindung werden mindestens zwei der Strahlen von Photonenpaketen zu Bildung des Referenzlichts verwendet, indem sie Erreichen des Detektors jeweils so zu Referenzstrahlen aufgeweitet, dass sich die Referenzstrahlen in einem Bereich, welcher mindestens 90% des Interferenzfeldes einnimmt, alle überlappen.
Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung werden mindestens zwei der Strahlen von Photonenpaketen zur Bildung des Referenzlichts verwendet, indem sie vor Erreichen des Detektors jeweils so zu Referenzstrahlen aufgeweitet werden, dass sich jeder der Referenzstrahlen in einem Bereich, welcher
höchstens 10% des Interferenzfeldes einnimmt, mit einem oder mehreren der anderen Referenzstrahlen überlappt.
Zur Registrierung des Interferenzfeldes wird vorzugsweise ein zweidimensional ortsauflösender Detektor, welcher insbesondere z.B. eine Videokamera mit oder ohne Objektiv sein kann, verwendet. Der Detektor kann ferner z.B. eine Fotoplatte sein. Ferner kann als Detektor z.B. ein solcher verwendet werden, welcher ein zweidimensionales Array aus einer Vielzahl von lichtempfindlichen Sensor- Elementen, welche insbesondere CCD-Elemente sein können, umfaßt.
Die Verwendung eines zweidimensional ortsauflösenden Detektors ist jedoch nicht zwingend. Gemäß einer Variante wird als Detektor ein solcher verwendet, welcher ein lichtempfindliches Sensorelement umfaßt, welches das Interferenzfeld abzuscannen imstande ist. Das Sensorelement kann z.B. ein CCD-Element sein oder aus einer starr aneinander angeordneten Mehrzahl von solchen zusammengesetzt sein. Ein derartiger Detektor ist zu keinem Zeitpunkt ortsauflösend; eine Ortsauflösung wird erst durch den Scan-Vorgang erreicht.
Gemäß einer weiteren Variante wird als Detektor ein solcher verwendet, welcher zwei lichtempfindliche Sensorelemente umfaßt, welche voneinander abhängig oder unabhängig jeweils das Interferenzfeld abzuscannen imstande sind; auch in diesen Fall entsteht ein zweidimensionales Bild erst durch den Scan-Vorgang.
Gemäß einer weiteren Variante wird als Detektor ein solcher verwendet wird, welcher folgende Komponenten umfaßt: (a) einen Detektor-Strahlteiler, welcher so angeordnet ist, dass vom Objekt kommende Photonen und Photonen des Referenzstrahls jeweils auf den Detektor-Strahlteiler auftreffen können, - und imstande ist, einen Teil dieser Photonen durchzulassen und einen anderen Teil dieser Photonen abzulenken, (b) ein erstes lichtempfindliches Sensorelement, welches so angeordnet ist, dass nur vom Detektor-Strahlteiler durchgelassene Photonen in dasselbe
einfallen können, (c) sowie ein zweites lichtempfindliches Sensorelement, welches so angeordnet ist, dass nur vom Detektor-Strahlteiler abgelenkte Photonen in dasselbe einfallen können, - und das Interferenzfeld abzuscannen imstande ist.
Auch dieser Detektor besitzt somit keinerlei intrinsische Ortsauflösung; Ortsauflösung wird ebenfalls erst durch den Scan-Vorgang erreicht.
Um Hintergrundrauschen, welches den Kontrast des Hologramms verschlechtern würde, zu unterdrücken, wird als Detektor vorzugsweise ein solcher verwendet, welcher nur dann anspricht, wenn eines der Photonenpakete in den Detektor einfällt, und nicht anspricht, wenn ein einzelnes Photon allein in denselben einfällt.
Gemäß einer anderen Variante wird als Detektor ein solcher verwendet, welcher auf einzelne in den Detektor einfallende Photonen anzusprechen imstande ist.
Gemäß einer vorteilhaften Variante wird als Detektor ein solcher verwendet, welcher nur dann anspricht, wenn innerhalb einer vorgebbaren Fenster- Zeitspanne zwei Photonen in den Detektor einfallen, deren Energie jeweils größer ist als ein bestimmter unterer Schwellenwert. Auf diese Weise können solche Photonen, die z.B. aus der Hintergrund-Wärmestrahlung oder z.B. von der Raumbeleuchtung stammen, sicher unterdrückt werden.
Als Detektor kann hierbei z.B. ein solcher verwendet werden, welcher ferner nur dann anspricht, wenn zusätzlich die Energie der beiden Photonen jeweils kleiner ist als ein bestimmter erster oberer Schwellenwert. Auf diese Weise können, wenn die Photonpakete mittels optischer parametrischer Fluoreszenz erzeugt werden, z.B. Primär-Photonen, die unerwünschterweise auf den Detektor gelangen, unterdrückt werden, da die Energie jedes durch optische parametrische Fluoreszenz erzeugten Paketphotons kleiner ist als diejenige der Primär- Photonen.
Als Detektor kann des Weiteren ein solcher verwendet werden, welcher ferner nur
dann anspricht, wenn zusätzlich die Energiesumme der beiden Photonen kleiner ist als ein bestimmter zweiter oberer Schwellenwert. Als Detektor kann alternativ hierzu ein solcher verwendet werden, welcher ferner nur dann anspricht, wenn zusätzlich die Energiesumme der beiden Photonen innerhalb einer vorgegebenen Bandbreite liegt. Auch auf diese Weisen kann jeweils Hintergrundstrahlung wirkungsvoll unterdrückt werden.
Gemäß einer Variante wird als Detektor ein solcher verwendet, welcher ferner nur dann anspricht, wenn zusätzlich die beiden Photonen in zwei verschiedene der Sensorelemente einfallen. Auf diese Weise wird verhindert, daß der Detektor auch dann ansprechen kann, wenn ein einzelnes Photon auf den Detektor einfällt.
Gemäß einer weiteren Variante wird als Detektor ein solcher verwendet, welcher ferner nur dann anspricht, wenn zusätzlich die beiden Photonen in ein- und dasselbe Sensorelement einfallen. Auf diese Weise können solche Photonenpaare selektiert werden, deren Mitglieder eine geringe räumliche Dispersion aufweisen, d.h. ein "enges" Photonenpaar bilden.
Gemäß einer Variante der Erfindung wird eine abbildendes Element, insbesondere Sammellinse verwendet, welches das Objekt oder einen Teil desselben auf das interferenzfeld abbildet
Gemäß einer weiteren Variante wird eine Lochblende verwendet, welche den Einfallswinkel, unter welchem vom Objekt kommende Photonenpakete auf den Detektor einfallen können, begrenzt.
Bevorzugt wird die Intensität des zur Beleuchtung des Objekts verwendeten Lichts und des Referenzlichts jeweils so gering gewählt, daß das Auftreffen zweier Photonenpakete auf den Detektor innerhalb der Fenster-Zeitspanne gering ist, z.B. geringer als 1% oder z.B. geringer als 0,1%.
Das Hologramm kann zu dessen Betrachtung mit solchen Photonenpaketen,
deren jedes aus einer Mehrzahl von untereinander quantenmechanisch korrelierten Photonen besteht, welche gemeinsam einen Mehrphotonen-Fock- Zustand bilden, beleuchtet werden.
Kurzbeschreibung der Figuren, in welcher schematisch zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Herstellung eins Hologramms eines Objekts, mit einer Lichtquelle, welche zwei Strahlen von Photonenpaketen erzeugt, wovon einer zur Beleuchtung des Objekts und der andere zur Bildung des Referenzlichts verwendet wird, und mit einem Detektor, auf welchen das vom Objekt kommende Licht und das Referenzlicht unter verschiedenen Winkeln auftreffen,
Fig. 2 ein anderes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung, mit einer Lichtquelle, welche drei Strahlen von Photonenpaaren erzeugt, wovon zwei Strahlen zur Beleuchtung des Objekts und ein Strahl zur Bildung des Referenzlichts verwendet werden,
Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung, mit der Lichtquelle und dem Detektor von Fig. 1 , wobei das vom Objekt kommende Licht und das Referenzlicht koaxial auf den Detektor auftreffen,
Fig. 4 einen Detektor, welcher in den Anordnungen von Fig.1 bis Fig.3 einsetzbar ist,
Fig. 5 einen anderen Detektor, welcher in den Anordnungen von Fig.1 bis Fig.3 einsetzbar ist, und
Fig. 6 einen nochmals anderen Detektor, weicher in den Anordnungen von Fig.1 bis Fig.3 einsetzbar ist.
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Herstellung eins Hologramms eines Objekts 4, mit einer Lichtquelle LQ1 , welche zwei Strahlen S3, S4 von Photonenpaketen erzeugt, wovon einer, nämlich der Strahl S4, zur Beleuchtung des Objekts 4, und der andere, nämlich der Strahl S3, zur Bildung des Referenzlichts verwendet wird, und mit einem Detektor, auf welchen das vom Objekt kommende Licht und das Referenzlicht unter verschiedenen Winkeln auftreffen.
Das vom Objekt 4 kommende Licht OL1 und das Referenzlicht R interferieren in einem Interferenzfeld, dessen Helligkeitsverteilung durch einen Detektor 5, auf welchen das vom Objekt 4 kommende Licht OL1 und das Referenzlicht R im Beispiel der Anordnung von Fig. 1 unter verschiedenen Winkeln auftreffen, registriert wird.
Erfindungsgemäß werden zur Herstellung eines Hologramms des Objekts 4 zur Beleuchtung des Objekts 4 sowie zur Bildung des Referenzlichts R Photonenpakete verwendet, deren jedes aus einer Mehrzahl von untereinander quantenmechanisch korrelierten Photonen besteht, welche gemeinsam einen Mehrphotonen-Fock-Zustand bilden. Im Beispiel der Anordnung von Fig. 1 werden als Photonenpakete Photonenpaare verwendet, deren jedes aus zwei untereinander quantenmechanisch korrelierten Photonen besteht, welche gemeinsam einen Zweiphotonen-Fock-Zustand bilden.
Daher weist die Anordnung von Fig. 1 eine Lichtquelle LQ1 auf, welche zwei Strahlen S3, S4 von solchen Photonenpaaren zu emittieren imstande ist, wovon erfindungsgemäß einer zur Bildung des Beleuchtungsstrahls B und der andere zur Bildung des Referenzlichts R herangezogen wird. Die Lichtquelle LQ1 weist folgende Komponenten auf: a) eine Primär-Lichtquelle 1 , b) einen optisch nichtlinearen Kristall 2, c) ein Interferometer mit zwei Armen und d) einen Strahlkoppler 3 mit einem ersten Kopplereingang 3E1 , einem zweiten Kopplereingang 3E2, einem ersten Kopplerausgang 3A1 und einem zweiten Kopplerausgang 3A2.
a) Als Primär-Lichtquelle 1 dient in der Anordnung von Fig. 1 ein Laser 1 , weicher einen Strahl P von Primär-Photonen der mittleren Wellenlänge λ emittiert.
b) Der optisch nichtlineare Kristall 2 ist so beschaffen, angeordnet und orientiert, dass mindestens ein Teil der Primär-Photonen in den Kristall 2 einfällt und in demselben durch optische parametrische Fluoreszenz je ein Paar von aus dem Kristall 2 austretenden Sekundär-Photonen, nämlich ein Signal- und ein zu diesem zugehöriges und mit diesem quantenmechanisch korreliertes Idlerphoton,
auch Mitläuferphoton genannt, erzeugt. Dieser Prozeß ist in der Lichtquelle LQ1 so geführt, dass die Signal-Photonen in einem Strahl S1 und die Idler-Photonen in einem Strahl S2 aus dem Kristall 2 austreten, wobei die beiden Strahlen S1 und S2 verschiedene Richtungen aufweisen; dies lässt sich durch entsprechende Orientierung des Kristalls 2 erreichen. Der Strahl S1 wird in den ersten und der Strahl S2 in den zweiten Arm des Interferometers eingekoppelt.
Der optisch nichtlineare Kristall 2 kann z.B. aus Beta-Barium-Borat, aus Kalium- Deuterium-Phosphat oder aus Lithium-Niobat bestehen. Die Gesamtenergie des Photonenpaares entspricht der Energie des Primärphotons. Die Wellenlänge jedes Sekundärphotons ist daher größer als diejenige des Primärphotons.
c) Das Interferometer ist in der Anordnung von Fig. 1 durch zwei Umlenkspiegel Sp1 , Sp2 sowie eine in Fig. 1 nicht gezeigte optische Verzögerungseinrichtung gebildet. Der Umlenkspiegel Sp1 befindet sich im ersten Arm des Interferometers und lenkt den Strahl S1 so um, dass die Signalphotonen durch den ersten Eingang 3E1 in den Strahlkoppler 1 einfallen. Der Umlenkspiegel Sp2 befindet sich im zweiten Arm des Interferometers und lenkt den Strahl S2 so um, dass die Idlerphotonen durch den zweiten Eingang 3E2 in den Strahlkoppler 1 einfallen. Beide Arme des Interferometers vereinigen sich somit in dem Strahlkoppler 3. Die Arme des Interferometers können durch Lichtleiter gebildet sein.
Die nicht gezeigte optische Verzögerungseinrichtung ist in einem der Arme zwischengeschaltet so eingerichtet, dass sie eine stufenlose Verstellung des Weglängenunterschiedes D zwischen dem ersten und dem zweiten Arm des Interferometers erlaubt, wobei der Weglängenunterschied D so einstellbar ist, dass er kleiner ist als die Kohärenzlänge des Signalphotons als auch kleiner ist als die Kohärenzlänge des Idlerphotons, und insbesondere auch auf den Wert D=0 einstellbar ist. Die Verzögerungseinrichtung kann z.B. dadurch gebildet sein, dass einer der Umlenkspiegel Sp1, Sp2 in Richtung senkrecht zu seiner Oberfläche verstellbar ist. Die Verzögerungseinrichtung kann ferner z.B. durch ein verstellbares Spiegelsystem gebildet sein, welches in einem der Interferometerarme optisch zwischengeschaltet ist. Die Verzögerungseinrichtung kann ferner
z.B. durch ein elektrisch steuerbares doppelbrechendes Verzögerungselement gebildet sein, welches in einem der Interferometerarme optisch zwischengeschaltet ist.
d) In dem Strahlkoppler 3 können die Signalphotonen mit den jeweils zu diesen zugehörigen Idlerphotonen interferieren. Nach dieser Interferenz kann jedes Signalphoton und jedes Idlerphoton den Strahlkoppler 3 sowohl durch den ersten Kopplerausgang 3A1 als auch durch den zweiten Kopplerausgang 3A2 verlassen. Daher können das Signalphoton und das zu ihm zugehörige Idlerphoton nach dieser Interferenz den Strahlkoppler 3 entweder getrennt voneinander durch verschiedene Kopplerausgänge 3A1 ,3A2 verlassen, oder sie können den Strahlkoppler 3 beide gemeinsam als Photonenpaar, dessen Mitglieder untereinander quantenmechanisch korreliert sind und sich gemeinsam in einem Zweiphotonen-Fock-Zustand befinden, in einer so genannten Hong-Ohu-Mandel- Interferenz durch jeden der beiden Kopplerausgänge 3A1 , 3A2 verlassen, so dass die Lichtquelle durch den ersten Kopplerausgang 3A1 einen ersten Strahl S3 und durch den zweiten Kopplerausgang 3A2 einen zweiten Strahl S4 von derartigen Photonenpaaren abzugeben imstande ist.
Somit tritt durch jeden der beiden Kopplerausgänge 3A1 ,3A2 je ein Strahl von derartigen Photonenpaaren aus. Bevorzugt ist der Strahlkoppler so eingerichtet, dass im zeitlichen Mittel durch jeden der Kopplerausgänge 3A1 , 3A2 gleich viele Photonenpaare austreten, so dass keiner der Kopplerausgänge 3A1 , 3A2 bevorzugt ist. Als Strahlkoppler 3 kann insbesondere ein Strahlteiler verwendet werden, z.B. eine Strahlteilerplatte.
Die Wahrscheinlichkeit W, dass das Signal- und das Idlerphoton den Strahlkoppler 3 gemeinsam durch denselben Kopplerausgang 3A1 oder 3A2 verlassen, hängt in komplizierter Weise vom optischen Weglängenunterschied D ab. Durch entsprechende Wahl des Weglängenunterschiedes läßt sich daher die Ausbeute an derartigen Photonenpaaren maximieren. Die höchstmögliche Ausbeute an derartigen Photonenpaaren, nämlich theoretisch 100%, und daher zugleich auch den geringsten Anteil an solchen Fällen, in welchen das Signal-
und das zu ihm zugehörige Idlerphoton den Strahlkoppler 3 getrennt voneinander durch verschiedene Kopplerausgänge 3A1, 3A2 verlassen., nämlich theoretisch 0%, erhält man für den Wert D=0.
Erfindungsgemäß wird ein Teil der so erzeugten Photonenpaare, nämlich im Beispiel der Anordnung von Fig. 1 der Strahl S4, zur Beleuchtung des Objekts 4 verwendet. Hierzu wird der Photonenpaar-Strahl S4 mittels einer Zerstreuungslinse L2 zu einem Beleuchtungsstrahl B aufgeweitet, welcher das Objekt 4 erfasst. Auf Grund der Beleuchtung durch den Beleuchtungsstrahl B gehen von dem Objekt 4 Photonenpaare aus, welche den Detektor 5 als Objektlicht OL1 erreichen. Falls das Objekt 4 hinreichend klein ist oder nur ein hinreichend kleiner Teil des Objekts 4 durch das Hologramm erfasst werden soll, braucht der Photonenpaar-Strahl S4 nicht aufgeweitet zu werden; vielmehr kann in diesem Fall der Strahl S4 direkt als Beleuchtungsstrahl dienen.
Erfindungsgemäß wird ferner ein Teil der so erzeugten Photonenpaare, nämlich im Beispiel der Anordnung von Fig. 1 der Photonenpaar-Strahl S3, zur Bildung des Referenzlichts R verwendet. Hierzu wird der Photonenpaar-Strahl S3 mittels weiterer Umlenkspiegel Sp3, Sp4 in Richtung des Detektors 5 gelenkt und mittels einer Zerstreuungslinse L1 zu dem Referenzlicht R aufgeweitet., d.h. das Referenzlicht R wird aus dem Strahl S3 durch Aufweitung desselben gebildet
Vom Objekt 4 kommende, aus dem Beleuchtungsstrahl B und somit aus der Lichtquelle LQ1 stammende Photonenpakete, nämlich das Objektlicht OL1 , interferieren mit dem Referenzlicht R in dem Interferenzfeld. Die Helligkeitsverteilung im Interferenzfeld oder in einem Teil desselben wird mittels des Detektors 5 als Hologramm des Objekts 4 registriert. Um einen möglichst starken Kontrast des Hologramms zu erreichen, wird gemäß einer nicht gezeigten Variante der Anordnung von Fig. 1 das Referenzlicht R vor Auftreffen auf den Detektor 5 mittels eines Abschwächers so abgeschwächt, dass die mittleren Intensitäten des Referenzlichts R und des Objektlichts OL1 im Interferenzfeld im wesentlichen gleich groß sind.
Gemäß einer bevorzugten Variante der Erfindung wird als Lichtquelle jedoch eine solche verwendet, welche so eingerichtet ist, dass das Objektlicht und das Referenzlicht im Interferenzfeld dieselbe Amplitude, d.h. dieselbe Intensität aufweisen.
Der Strahlkoppler 3 ersetzt den Strahlteiler, welcher im Stand der Technik üblicherweise das zur Herstellung eines Hologramms erforderliche kohärente Licht in den Beleuchtungsstrahl und den Referenzstrahl zerlegt da die Lichtquelle LQ1 mit Hilfe des Strahlkopplers 3 bereits von vornherein zwei kohärente Teilstrahlen abgibt, wovon sich der eine zur Beleuchtung des Objekts und der andere als Referenzlicht oder zu Bildung desselben verwenden lässt.
Fig. 2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung, mit einer Lichtquelle LQ2, welche zwei Beleuchtungsstrahlen B1 , B2 zur Beleuchtung des Objekts 4 und als Referenzlicht einen Referenzstrahl R1 erzeugt. Das vom Objekt 4 kommende Licht OL2 und der Referenzstrahl R1 interferieren in einem Interferenzfeld, dessen Helligkeitsverteilung durch den Detektor 5 registriert wird.
Die Anordnung von Fig. 2 weist eine Lichtquelle LQ1 auf, welche drei Strahlen S5, S6, S7 von jeweils solchen Photonenpaaren zu emittieren imstande ist, deren jedes aus zwei untereinander quantenmechanisch korrelierten Photonen besteht, welche gemeinsam einen Zweiphotonen-Fock-Zustand bilden. Zwei der Strahlen von Photonenpaketen, nämlich S5 und S6, werden zur Beleuchtung des Objekts und der dritte der Strahlen von Photonenpaketen, nämlich der Strahl S7, wird zur Bildung des Referenzlichts R1 verwendet.
Die Lichtquelle LQ1 weist folgende Komponenten auf: die Primär-Lichtquelle 1 von Fig. 1 und drei optisch nichtlineare Kristalle 2A, 2B, 2C.
Die optisch nichtlinearen Kristalle 2A, 2B, 2C sind jeweils so beschaffen, angeordnet und orientiert, dass in jeden derselben ein Teil der Primär-Photonen einfällt und in jedem der Kristalle 2A, 2B, 2C aus eingestrahlten Primär-Photonen
durch optische parametrische Fluoreszenz je einer der Photonenpaar-Strahlen S5, S6, S7 von Photonenpaaren entsteht. Jedes der so erzeugten Photonenpakete besteht aus zwei Sekundär-Photonen, nämlich einem Signal- und einem zu diesem zugehörigen und mit diesem quantenmechanisch korreliertes Idlerphoton. Dieser Prozeß ist in der Lichtquelle LQ2 so geführt, daß Signal- und die Idlerphotonen im wesentlichen jeweils parallel zueinander aus den Kristallen 2A, 2B, 2C austreten, d.h. jeder der Photonenpaar-Strahlen S5, S6, S7 enthält sowohl Signal- als auch Idlerphotonen. Dies läßt sich durch entsprechende Orientierung der Kristalle 2A, 2B, 2C erreichen. Die optisch nichtlinearen Kristalle 2A, 2B, 2C können z.B. aus Beta-Barium-Borat, aus Kalium-Deuterium-Phosphat oder aus Lithium-Niobat bestehen.
Jedes Photonenpaar wird somit in einem von drei Kanälen erzeugt, wobei nicht vorhersagbar ist, in welchem.
Vorzugsweise sind die Kristalle 2A, 2B, 2C jeweils voneinander beabstandet, damit die Photonenpaar-Strahlen S5, S6, S7 voneinander räumlich getrennt verlaufen; diese gegenseitige Beabstandung der Kristalle 2A, 2B, 2C ist in Fig. 2 nicht dargestellt. Falls der Durchmesser des Primärphotonen-Strahls P zu klein ist, um alle Kristalle 2A, 2B, 2C zu erfassen, kann der Primärphotonen-Strahl P vor Erreichen der Kristalle 2A, 2B, 2C entsprechend aufgeweitet werden; eine derartige Aufweitung ist in Fig. 2 nicht gezeigt. Die Kristalle 2A,2B,2C können z.B. als optisch nichtlineare Wellenleiter ausgebildet sein.
Erfindungsgemäß wird ein Teil der so erzeugten Photonenpaare, nämlich im Beispiel der Anordnung von Fig. 2 die Photonenpaar-Strahlen S5 und S6, zur Beleuchtung des Objekts 4 verwendet. Hierzu werden die Photonenpaar-Strahlen S5 und S6 mittels eines Zerstreuungslinsen-Arrays LA zu je einem Beleuchtungsstrahl B1 bzw. B2 aufgeweitet, welche im Beispiel von Fig. 2 jeweils das gesamte Objekt 4 erfassen.
Erfindungsgemäß wird ferner ein anderer Teil der von der Lichtquelle LQ2 erzeugten Photonenpaare, nämlich im Beispiel der Anordnung von Fig. 2 der
Strahl S7, zur Bildung des Referenzstrahls R1 verwendet. Hierzu wird der Photonenpaar-Strahl S7 mittels eines Umlenkspiegel Sp5 in Richtung des Detektors 5 gelenkt und mittels einer Zerstreuungslinse L3 zu dem Referenzstrahl R1 aufgeweitet.
Durch Beleuchtung durch die Beleuchtungsstrahlen B1 , B2 gehen von dem Objekt 4 z.B. auf Grund von Reflexion und Streuung der Beleuchtungsstrahlen B1 , B2 an der Oberfläche des Objekts 4 Photonenpaare aus, welche das Interferenzfeld, weiterhin in Form von Photonenpaaren, als vom Objekt kommendes Licht OL2 erreichen und dort mit dem Referenzstrahl R1 interferieren. Die Helligkeitsverteilung im Interferenzfeld oder in einem Teil desselben wird mittels des Detektors 5 als Hologramm des Objekts 4 registriert.
An der Anordnung von Fig. 2 ist besonders vorteilhaft, dass von vornherein mehr Photonenpakete zur Beleuchtung des Objekts 4 dienen als zur Bildung des Referenzstrahls R1. Auf diese Weise wird die Intensität des Objektlichts OL2 gegenüber derjenigen des Referenzstrahls R1 erhöht, so daß auf einen Abschwächer zur Verminderung der Intensität des Referenzstrahls R1 in vielen Fällen verzichtet werden kann.
Gemäß weiterer Varianten der Erfindung (nicht gezeigt) ist die Anordnung von Fig. 2 so modifiziert, daß mehr als drei Photonenpaket-Teilstrahlen erzeugt werden, von denen einer oder einige zur Bildung des Referenzstrahls und sie übrigen zur Beleuchtung des Objekts dienen.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung, mit der Lichtquelle LQ1 und dem Detektor 5 von Fig. 1 , wobei das vom Objekt 4 kommende Licht OL3 und der Referenzstrahl R3 koaxial auf den Detektor 5 auftreffen.
Die Arbeitsweise der Lichtquelle LQ1 wurde bereits unter Bezug auf Fig. 1 erläutert. Die Lichtquelle LQ1 gibt zwei zueinander nicht parallele Photonenpaar-
Strahlen S3. S4 ab. Der Photonenpaar-Strahl S3 wird durch eine Linse L4 zu einem Beleuchtungsstrahl B3 aufgeweitet, welcher das ganze Objekt 4 erfaßt. Auf Grund dieser Beleuchtung geht von dem Objekt 4 Objektlicht OL3 in Form von vom Objekt 4 kommenden Photonenpaaren aus, welche das Interferenzfeld nach Passieren einer Sammellinse 6 und einer Lochblende 7 sowie nach Durchdringen einer Strahlteilerplatte 8 erreichen. Die Sammellinse 6 dient zur Abbildung des Objekts 4 auf den Detektor 5. Die Lochplatte 7 dient dazu, den Öffnungswinkel, unter der die Strahlteilerplatte 8 passierende Teil des Objektlichts OL3 auf den Detektor 5 einfällt, an den Öffnungswinkel anzugleichen, unter welchem der von der Strahlteilerplatte reflektierte Teil des Referenzlichts R3 auf den Detektor einfällt.
Der Photonenpaar-Strahl S4 wird durch einen Umlenkspiegel Sp6 auf eine Strahlteilerplatte 8 gelenkt. Zwischen dem Umlenkspiegel Sp6 und der Strahlteilerplatte befindet sich eine Zerstreuungslinse L5, welche den Photonenpaket-Strahl S4 zum Referenzlicht R3 aufweitet, d.h. der Strahl S4 wird zur Bildung des Referenzlichts R3 verwendet. Die Strahlteilerplatte 8 reflektiert einen Teil des Referenzlichts R3 in das Interferenzfeld, wo dieser Teil mit dem von der Strahlteilerplatte 8 durchgelassenen Teil des Objektlichts OL3 interferiert.
Die Stellung des Objekts 4, des Umlenkspiegels Sp6 und der Strahteilerplatte 8 sind hierbei so gewählt, dass der von der Strahlteilerplatte 8 durchgelassene Teil des Objektlichts OL3 und er von der Strahlteilerplatte reflektierte Teil des Referenzlichts R3 koaxial in das Interferenzfeld und auf den Detektor 5 einfallen, was eine Angleichung der Einfallswinkel der vom Objekt 4 kommenden Photonenpaare und des Referenzlichts R3 auf den Detektor 5 bedeutet und sich vorteilhaft z.B. auf die Auflösung des Hologramms auswirkt. Die Helligkeitsverteilung im Interferenzfeld oder in einem Teil desselben wird mittels des Detektors 5 als Hologramm des Objekts 4 registriert.
Selbstverständlich kann der Detektor 5 alternativ so angeordnet sein, dass der von der Strahlteilerplatte 8 reflektierte Teil des Objektlichts OL3 und der von der
Strahlteilerplatte 8 durchgelassene Teil des Referenzlichts R3 koaxial auf den Detektor 5 einfallen; in diesem Fall ist der Detektor 5 in Fig. 3 unterhalb der Strahlteilerplatte 8 anzuordnen (nicht gezeigt).
Der Detektor 5 der Figuren 1 bis 3 kann z.B. eine Fotoplatte sein. Der Detektor 5 kann ferner z.B. ein CCD-Detektor sein; in diesem Fall gehört zu dem Detektor 5 eine Auswerteschaltung, welche in den Fig. 1 bis 3 nicht dargestellt ist.
Fig. 4 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Detektors 5A, welcher in den Anordnungen von Fig.1 bis Fig.3 anstelle des dort gezeigten Detektors 5 einsetzbar ist. Der Detektor 5A umfaßt eine Vielzahl von lichtempfindlichen Sensorelementen E5A, welche jeweils als CCD-Einzelelemente E5A ausgebildet und als zweidimensionale Matrix auf einer Fassung F5A angeordnet sind. Sie bilden somit eine zweidimensionale CCD-Matrix, so daß der Detektor 5A zweidimensional ortsauflösend ist. Die CCD-Einzelelemente E5A sind über einen Kabelsatz KA mit einer Auswerteschaltung 10A verbunden.
Der Detektor 5A ist vorzugsweise so eingerichtet, daß er nur dann anspricht, wenn innerhalb einer vorgebbaren Fenster-Zeitspanne zwei Photonen in den Detektor 5A einfallen, deren Energiesumme innerhalb einer vorgegebenen Bandbreite liegt, so daß der Detektor 5A im wesentlichen nur dann anspricht, wenn eines der Photonenpaare in den Detektor 5A einfällt, und nicht anspricht, wenn ein einzelnes Photon allein in denselben einfällt.
Fig. 5 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Detektors 5B, welcher ebenfalls in den Anordnungen von Fig.1 bis Fig.3 anstelle des dort gezeigten Detektors 5 einsetzbar ist Der Detektor 5B umfaßt zwei lichtempfindliche Sensorelemente E5A, welche jeweils als Einzel-CCD-Elemente E5B ausgebildet, jeweils in einer Fassung F5B angeordnet und voneinander abhängig oder unabhängig jeweils das Interferenzfeld abzuscannen imstande sind.
Die beiden Einzel-CCD-Elemente E5B sind über einen Kabelsatz KB mit einer Auswerteschaltung 10B verbunden.
Der Detektor 5B ist vorzugsweise so eingerichtet, dass er nur dann anspricht, wenn innerhalb einer vorgebbaren Fenster-Zeitspanne in jedes der beiden Einzel- CCD-Elemente E5B je ein Photon einfällt und die Energiesumme dieser beiden Photonen innerhalb einer vorgegebenen Bandbreite liegt, so dass auch der Detektor 5B im wesentlichen nur dann anspricht, wenn eines der Photonenpaare in den Detektor 5B einfällt, und nicht anspricht, wenn ein einzelnes Photon allein in denselben einfällt.
Insbesondere spricht der Detektor 5B vorteilhafterweise dann nicht an, wenn ein einzelnes Photon in den Detektor 5B einfällt, dessen Energie innerhalb der vorgegebenen Bandbreite liegt. Jedoch spricht der Detektor 5B nicht auf solche Photonenpaare an, deren Mitglieder einen so geringen gegenseitigen Abstand aufweisen, dass beide Photonen des Photonenpaares in dasselbe Einzel-CCD- Element einfallen. Somit spricht der Detektor 5B nur auf "weite" Photonenpaare an.
Fig. 6 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Detektors 5C, welcher ebenfalls in den Anordnungen von Fig.1 bis Fig.3 anstelle des dort gezeigten Detektors 5 einsetzbar ist und welcher nur auf "enge" Photonenpaare anspricht. Der Detektor 5C umfaßt einen Detektor-Strahlteiler 11 , welcher so angeordnet ist, dass vom Objekt 4 kommende Photonen und Photonen des Referenzstrahls jeweils auf den Detektor-Strahlteiler 11 auftreffen können, und imstande ist, eine Teil dieser Photonen durchzulassen und einen anderen Teil dieser Photonen abzulenken.
Der Detektor 5C umfaßt ferner zwei lichtempfindliche Sensorelemente E5C1 , E5C2, nämlich ein erstes Einzel-CCD-Element E5C1 und ein zweites Einzel-CCD- Einzelement E5C2, die in einer gemeinsamen Fassung F5C angeordnet und das Interferenzfeld gemeinsam, d.h. in gleichbleibender gegenseitiger Anordnung, abzuscannen imstande sind.
Das erste Einzel-CCD-Element E5C1 ist hierbei so angeordnet ist, dass nur vom
Detektor-Strahlteiler 11 durchgelassene Photonen in dasselbe einfallen können. Das zweite Einzel-CCD-Element E5C2 ist so angeordnet, dass nur vom Detektor- Strahlteiler 11 abgelenkte Photonen in dasselbe einfallen können. Die beiden CCD-Einzelelemente E5C1 , E5C2 sind somit über den Strahlteiler 11 miteinander optisch gekoppelt und über einen Kabelsatz KC mit einer Auswerteschaltung 10C verbunden.
Auch der Detektor 5C ist vorzugsweise so eingerichtet, dass er nur dann anspricht, wenn innerhalb einer vorgebbaren Fenster-Zeitspanne in jedes der beiden Einzel-CCD-Elemente E5C1 , E5C2 je ein Photon einfällt und die Energiesumme dieser beiden Photonen innerhalb einer vorgegebenen Bandbreite liegt, so dass auch der Detektor 5C im wesentlichen nur dann anspricht, wenn eines der Photonenpaare in den Detektor 5C einfällt, und nicht anspricht, wenn ein einzelnes Photon allein in denselben einfällt. Insbesondere spricht daher auch der Detektor 5C vorteilhafterweise dann nicht an, wenn ein einzelnes Photon in den Detektor 5C einfällt, dessen Energie innerhalb der vorgegebenen Bandbreite liegt.
Ein Nachteil des Detektors 5C besteht darin, dass dieser nicht anspricht, wenn die beiden Mitglieder des Photonenpaares am Detektor-Strahlteiler 11 nicht getrennt werden, sondern dort entweder beide abgelenkt oder beide durchgelassen werden. Hierdurch ist die Effizienz des Detektors 5C um im Mittel 50% verringert.
Der Detektor 5C spricht vorteilhafterweise nur auf solche Photonenpaare an, welche die Eigenschaft besitzen, daß die Projektion ihres gegenseitigen Abstandes auf den Detektor 5C kleiner ist als ein bestimmter Maximalwert, welcher durch die Geometrie des Detektors 5C festgelegt ist; andernfalls würde nämlich mindestens eines der Mitglieder des Paares keines der Einzel-CCD- Elemente E5C1 , E5C2 treffen. Somit spricht der Detektor 5C nur auf "enge" Photonpaare an. Auf diese Weise können solche Photonenpaare selektiert werden, deren Mitglieder eine geringe räumliche Dispersion aufweisen, ohne dass der Einfall eines einzelnen Photons den Einfall eines Photonenpaares vortäuschen kann. Der genannte Maximalwert ist im Beispiel von Fig. 6 durch eine dem Detektor 5C optisch vorgeschaltete Lochblende 9 weiter verringert.
Erfindungsgemäß wird als Lichtquelle zur Herstellung von Hologrammen z.B. eine solche verwendet, welche quantenmechanisch korrelierte Photonenpaare erzeugt, wie sie z.B. in dem Buch von J. Brendel "Quantenphänomene in der Welt des Lichtes", Kapitel 4.1 , Frankfurt(Main) 1994, beschrieben sind. Auch andere Photonenpaarquellen, z.B. Atomkaskadenquellen, können erfindungsgemäß verwendet werden, wenn sie korrelierte Photonenpaare erzeugen. Mit Photonenpaketen, welche jeweils mehr als zwei korrelierte Photonen enthalten, läßt sich die Auflösung weiter verbessern, jedoch sind die bisher bekannten Quellen für Photonenpakete mit jeweils mehr als zwei korrelierten Photonen sehr schwach, so daß die Erzeugung eines Hologramms mit Hilfe derartiger Quellen viel Zeit erfordert.
Die Mitglieder der Photonpaare können an einem Strahlteiler zu einem interferenzfähigen Paar konditioniert und anschließend in einen herkömmlichen Holgraphieaufbau eingespeist werden. Licht, welches z.B. aus einem Laser, auch als Pumplaser bezeichnet, stammt, fällt auf einen nichtlinearen optischen Kristall; ein Teil der so eingestrahlte Photonen, auch Pumpphotonen genannt, zerfällt im Kristall in je ein Signal- und ein Idlerphoton von jeweils im Mittel halber Energie und doppelter Wellenlänge. Dabei gilt der Energierhaltungssatz, d.h. die Summe von Signal- und Idlerphoton ist gleich der Energie des eingestrahlten Pumpphotons. Dieser Prozeß heißt "parametrische Fluoreszenz". Die beiden entstandenen Photonen, Signal- und Idlerphoton, fallen auf die beiden Eingänge eines 50:50 Strahlteilers und verlassen ihn als Pärchen in einem der beiden Ausgänge. Dabei muss der Gangunterschied zwischen Signal- und Idlerohoton so gewählt sein, dass die Wege der Photonen für die Fälle a) beide Photonen werden am Strahlteiler reflektiert oder b) beide Photonen werden vom Strahlteiler durchgelassen ununterscheidbar sind (siehe auch C.K. Hong et al.: "Measurement of Subpicosecond Time Intervals between Two Photons by Interference", Phys. Rev. Letters 59„ 2044 (1987).
Die beiden Ausgänge des Strahlteilers, durch die das Photonenpaare den Strahlteiler verlassen kann, wobei nicht festliegt, durch welchen der beiden
Ausgänge, sind die Eingänge des Interferometers, welches das Hologramm erzeugt. D.h., der eine Ausgang erzeugt den Beleuchtungsstrahl für das Objekt und der andere den Referenzstrahl bzw. das Referenzlicht. es gibt eine Vielfalt von möglichen Holographieanordnungen. In der Anordnung von Fig. 1 werden die beiden Strahlen in Kugelwellen verwandelt, wobei die eine das Objekt beleuchtet und dann, vom Objekt gestreut, sich mit der Referenzkugelwelle überlagert.
Das Überlagerungsgebiet ist das Interferenzfeld, welches, photographisch oder mittels eines sonstigen Detektors aufgenommen, das Hologramm ergibt. Eine größere Anzahl von möglichen Holographieanordnungen sind in dem oben bereits erwähnten Beitrag "Hologrpahy" von L. Huff in dem Buch von M.Bass: "Handbook of Optics", Voll II, Seite 23.1 ff, New York 1995, beschrieben; weitere sind in dem Buch von T. Kreis "Holographie Interferometry", Berlin 1996, zu finden.
Anstelle einer photographischen Platte können elektronische Registriereinrichtungen als Detektor verwendet werden. In diesem Fall muß das Hologramm zur Betrachtung auf einem geeigneten Display dargestellt werden, z.B. auf einem Flüssigkristalldisplay, die verwendeten Detektoren müssen Einzelphotonen oder Photonenpaare erkennen. Empfindliche Videokameras, auch in Verbindung mit Lichtverstärkern, können das Hologramm direkt aufnehmen. Von Vorteil ist auch die Koinzidenzdetektion, bei der die Registrierung nur erfolgt, wenn je zwei Bildpunkte gleichzeitig ansprechen. Kameras, die an einem Bildpunkt nur Photonenpaare registrieren, sind ebenfalls geeignet (vgl. z.B. Fig. 4).
Detektorpaare können das Interferenzfeld unabhängig voneinander abfahren und so das Hologramm aufnehmen (vgl. z.B. Fig. 5). Sind sie in Koinzidenz geschaltet, so werden nur Photonenpaare registriert. Möglich sind auch Detektorpaare, die mit Hilfe eines Strahlteilers zusammengekoppelt sind und das Interferenzfeld gemeinsam in Koinzidenz abfahren. Solche Detektoren sind in dem genannten Buch von J. Brendel beschrieben.
Die Registrierung der Hologrammen mit Videokameras wird oft durch die zu geringe Auflösung der Kamera erschwert. Die Strukturen des Hologramms
werden jedoch gröber und lassen sich daher besser aufnehmen, wenn Referenzstrahl und Objektstrahl (bzw. Referenzlicht und Objektlicht) koaxial verlaufen (vgl. Fig. 3).
Gewerbliche Anwendbarkeit:
Die Erfindung ist gewerblich anwendbar z.B. im Bereich der Repro-Technik, der holographischen Überwachung der Form von Serienbauteilen, der Photolithographie zur Erzeugung von Halbleiterbausteinen und der holograhischen Speicherung von Information.
Liste der Bezugszeichen:
I Primär-Lichtquelle 2,2A,2B,2C optisch nichtlineare Kristalle
3 Strahlkoppler 3E1 ,3E2 Eingänge von 3
3A1 ,3A2 Ausgänge von 3
4 Objekt 5,5A,5B,5C Detektoren
6 Sammellinse 7,9 Lochblenden
8 Strahlteilerplatte
10A,10B,10C Auswerteschaltungen
I I Detektor-Strahlteiler von 5C B,B1 ,B2,B3 Beleuchtungsstrahlen E5A Sensorelemente von 5A
E5B Sensorelemente von 5B
E5C1 ,E5C2 Sensorelemente von 5C
F5A Fassung von 5A
F5B Fassungen für E5B F5C Fassungen für E5C1 ,E5C2
KA,KB,KC Kabelsätze
L1 ,L2,L3,L4 Zerstreuungslinsen
LA Areal von Zerstreuungslinsen
LQ1 ,LQ2 Lichtquellen OL1 ,OL2,OL3 vom Objekt 4 kommendes Licht
P Strahl von Primär-Photonen
R,R1 ,R3 Referenzlicht
51 Strahl von Signalphotonen
52 Strahl von Idlerphotonen S3- S7 Photonenpaar-Strahlen
Sp1 -Sp6 Umlenkspiegel