Holographie bezeichnet ein kohärentes bildgebendes Verfahren, bei dem sowohl Intensität als auch Phase einer Wellenfront aufgezeichnet und rekonstruierbar gemacht werden. Anders als in der klassischen Fotografie, die nur Intensitätsinformationen erfasst, speichert die Holographie die vollständige komplexe Amplitude, was eine dreidimensionale Rekonstruktion des Objekts ermöglicht.

In der Werkstoffforschung basiert die optische Holographie typischerweise auf Laserlicht. Ein Referenzstrahl interferiert mit dem vom Objekt gestreuten Objektstrahl; das resultierende Interferenzmuster wird auf einem Aufnahmemedium (Fotoplatte, CCD/CMOS-Sensor) als Hologramm gespeichert. Bei der Rekonstruktion beleuchtet ein geeigneter Strahl das Hologramm und erzeugt eine Wellenfront, die der ursprünglichen Objektwelle äquivalent ist. So lassen sich Form, Defekte, Verformungen und Schwingungen von Bauteilen dreidimensional und mit hoher Empfindlichkeit erfassen.

Für die Materialcharakterisierung besonders relevant ist die Elektronenholographie, bei der eine kohärente Elektronenwelle in einem Transmissionselektronenmikroskop genutzt wird. Sie ermöglicht die quantitative Bestimmung elektro- und magnetostatischer Potentialverteilungen im Inneren von Kristallen, Dünnschichten und Nanostrukturen mit nanometrischer Auflösung.

Volumenholographie nutzt dicke, volumenaktive Speichermedien, in denen Beugung an dreidimensionalen Brechungsindexmodulationen erfolgt. Dies wird u. a. zur spektralen und winkelabhängigen Filterung sowie zur Speicherung großer Datenmengen in optischen Speichern eingesetzt. Computergenerierte Hologramme (CGH) kodieren die gewünschte Wellenfront numerisch und werden etwa mittels Lithographie oder digitalen Mikrospiegeln realisiert; sie erlauben die synthetische Gestaltung komplexer Strahlformen für Mikromanipulation, strukturierte Beleuchtung und metrologische Anwendungen.