Elektrooptische Kristalle als Speichermaterialien für die holographische Interferometrie

Holographische Verfahren stoßen im Bereich medizinischer Untersuchungen, wie beispielsweise der Elastizitätsprüfung und Differenzierung von Gewebe in-vivo oder der Qualitätsprüfung von Herzklappenprothesen, an die Grenzen derzeitig gebräuchlicher Aufnahmematerialien. Bei der klassischen holographischen Real-Time-Methode wird ein Referenzzustand des Objektes aufgenommen und mit dem sich ändernden Untersuchungsgegenstand verglichen. Die aufwendigen und zeitintensiven Sensibilisierungs- oder Entwicklungsprozeße der konventionellen Aufnahmematerialien (wie z.B. Silberhalogenidmaterial, Photothermoplaste) sind gerade bei den raschen, häufig nicht genau determinierbaren Veränderungen von biologischen Objekten ein Problem. Dadurch wird der Einsatzbereich dieser zerstörungsfreien und berührungslosen Meßtechnik bisher erheblich eingeschränkt. Hier bieten elektrooptische Kristalle als holographische Aufzeichnungsmaterialien einen Lösungsansatz. Sie ermöglichen einen reversiblen Aufzeichnungsprozeß, der keinen Sensibilisierungs- oder Entwicklungsprozeß erfordert. So kann man mit stroboskopartigen Aufnahmen Hologramme von den Objektzuständen in diesen Kristallen speichern. Ziel des Forschungsprojektes ist die Entwicklung eines holographischen Doppelbelichtungsinterferometers mit Video-Wiederholrate (25 Hz) auf der Basis photorefraktiver Kristalle zur Aufnahme von schnellen Bewegungssequenzen. Durch gezielte Auswahl und Dotierung der Kristalle, die insbesondere in Kooperation mit dem Fachbereich Physik der Universität Osnabrück durchgeführt wird, lassen sich die Speichereigenschaften der Kristalle über weite Bereiche variieren. Die Klärung grundlegender Fragen zum Ladungstransport und die holographische Charakterisierung der hier verwendeten Sillenit-Kristalle ermöglichen eine gezielte Auswahl für den Einsatz in dem beschriebenen Doppelbelichtungsinterferometer. Unter Einsatz zweier frequenzverdoppelter, gütegeschalteter Nd:YAG Laser wurde ein Doppelbelichtungsinterferometer realisiert, das mit einer Wiederholrate von 25 Interferogrammen pro Sekunde arbeitet. Mit diesem Interferometer konnten erste Untersuchungen an biologischen Objekten vorgenommen werden, wobei die gemäß Unfallverhütungsvorschrift für Laserstrahlung (VBG 93) maximal zulässige Bestrahlungsstärke für Hautoberflächen nicht überschritten wurde. Zur automatischen Auswertung der Interferogramme kommen verschiedene Verfahren, wie zum Beispiel das zeitliche, oder räumliche Heterodyn-, oder Phasenschiebe-Verfahren zum Einsatz. Zur Steigerung der Lichtausbeute und des lateralen Auflösungsvermögens werden die Kristalle außer in Transmissionsanordnung auch in Reflexionsgeometrie verwendet. Das so erzielte Bildauflösungsvermögen von 3.9 µm erlaubt holographisch, interferometriesche Untersuchungen auf mikroskopischer Ebene. So ist eine berührungslose und zerstörungsfreie, Analyse von Bewegungen, Elastizitäten und Phasenänderungen beispielwiese an Zellareale möglich. Auch holographisch aufgenommenen Proben können z. B. zur Zellstrukturanalyse (Holographische Biopsie) dienen.

Drittmittelgeber:

Deutsche Forschungsgemeinschaft SFB 225/D7

Beteiligte Wissenschaftler:

Prof. h.c. (Acad. Sci. UA) G. von Bally (Projektleiter), Dr. D. Dirksen, Dr. F. Rickermann, Dr. S. Riehemann, Dipl.-Phys. M. Weber, Dipl.-Phys. F. Abbing, Dipl.-Phys. B. Block, Prof. Dr. E. Krätzig (FB Physik, Universität Osnabrück), Prof. Dr. K. Ringhofer (FB Physik, Universität Osnabrück), Prof. Dr. K. Buse (FB Physik, Universität Bonn), Prof. Dr. W. Lange (Inst. f. Angewandte Physik), Prof. Dr. W. Lippe (Inst. f. Num. u. Instrument. Mathematik), Prof. Dr. S. Odoulov (Institute of Physics, Academy of Sciences, Kiev, Ukraine), Prof. Dr. V. Shepelevich (Laboratory of Coherent Optics & Holography, Mozyr State Pedagogical Institute, Mozyr, Republic of Belarus)

Veröffentlichungen:

Dirksen, D., F. Matthes, S. Riehemann, G. von Bally: Phase shifting holographic double expousure interferometry with fast photorefractive crystals, Opt. Com. 134, (1997), 310-316

Riehemann, S., F. Rickermann, V.V. Volkov, A.V. Egorysheva, G. von Bally: Optical and Photorefractive Properties of BTO Crystals Doped with Cd, Ca, Ga, and V, J. Nonlinear Opt. Phys. Mater., Vol. 6, No. 2, (1997), 235-249

von Bally, G., S. Riehemann, F. Rickermann: High-resolution imaging with refelction-type holograms in SBN:Ce, Opt. Com., 133, (1997), 305-309

Riehemann, S., G. von Bally, S.G. Odoulov, B.I. Sturman: Reflection holograms in iron-doped lithium niobate,Appl. Phys. B. 65, (1997), 535-539

Rickermann, F., S. Riehemann, G. von Bally, S. Breer, K. Buse: A high resolution real-time temporal heterodyne interferometer for refractive index topography, Opt. Com., 144, (1997), 173-179

Breer, S., K. Buse, F. Rickermann: Improved development of thermally fixed holograms in photorefractive LiNbO3 crystals with high intensity laser pulses, Opt. Lett. Vol. 23, No.1, (1998), 73-75

Rickermann, F., S. Riehemann, G. von Bally: Utilization of photorefractive crystals for holographic double-exposure interferometry with nanosecond laser pulses, Opt. Com., 155, (1998), 91-98

Weber, M., F. Rickermann, F. Abbing, G. von Bally: Performance Improvement of a Holographic Double-Exposure Interferometer by Heating of the Photorefractive Recording Crystal,Appl. Phys. B, 68, Vol. 5, (1999) 1069-1072

Weber, M., F. Rickermann, G. von Bally: Realization of a double-exposure interferometer with photorefractive crystals for biomedical applications,in: Fotakis C., Papazoglou T.G., Kalpouzos C.(Eds.): Optics within Live Science V: Optics and Lasers in Biomedicine and Culture, Springer, Berlin, (1999) 312-315

Shepelevich, V.V., N.N. Egorov, P.P. Khomutovskiy, G. von Bally, M. Weber, A.A. Firsov: Optimization of two-wave interaction efficiency in cubic photorefractive sillenite-type crystals with optical rotary power and piezoeffect in diffusion regime, Ferroelectrics, Vol. 234, (1999) 289-309

Weber, M., F. Rickermann, G. von Bally, A. Shumeliuk, S. Odoulov: Dynamic holography with photorefractive Sn2P2S6 Optik 111, Vol. 8, (2000) 333-338

Weber, M., E. Shamonina, K.H. Ringhofer, G. von Bally: Reflection holograms in sillenite crystals for double-exposure interferometry,Optical Materials (eingereicht) (2000)