La holografía

Introducción

Los hologramas se han integrado a los usos de la sociedad como un método idóneo para lograr fines específicos en investigación científica, industria, biología, medicina, publicidad, arte, entre otras. En este trabajo se abordaran temas como la interferometría holográfica que es la aplicación técnica más importante de la holografía, ya que implica un método de análisis no destructivo por el cual se detectan pequeñísimas deformaciones o movimientos ocurridos en la superficie de estructuras y objetos. También nos referiremos lo relativo con la gran capacidad de almacenamiento de los hologramas, hecho que ha permitido sustituir otros medios de almacenamiento con ventajas notorias, dado que un holograma es prácticamente imposible de copiar, lo convierte en un dispositivo de seguridad muy adecuado para tarjetas de crédito, de identificación o cualquier otro documento donde pueda existir un problema de falsificación. Profundizaremos en sus aplicaciones así como aspectos que se relacionan con la encriptación óptica de la información, los elementos ópticos holográficos y la holografía digital. Destacaremos su impacto en el arte generándose el desarrollo del arte holográfico, donde los artistas han usufructuado hacer hologramas de objetos de arte pero también se han compenetrado en las posibilidades únicas que la holografía ofrece. Se describirá el proceso de construcción de los hologramas y se comentarán básicamente los de transmisión, de reflexión y otras combinaciones entre ambos que cumplen funciones específicas. Por ejemplo, los hologramas de transmisión, visibles con luz blanca, la luz emitida por un objeto contiene la formación completa del tamaño y forma del objeto. Podemos considerar que la información se almacena en los frentes de ondas de la luz del objeto, específicamente en las variaciones de la intensidad y la fase de los campos electromagnéticos Si pudiéramos registrar esta información, podríamos reproducir una imagen tridimensional completa del objeto, no ocurriendo así con las películas fotográficas solo registran las variaciones de la intensidad; las películas no son sensibles a las variaciones de fase. Por tanto no es posible emplear un negativo fotográfico para reconstruir una imagen tridimensional.

Resumen

La holografía es una técnica avanzada de fotografía, que consiste en crear imágenes tridimensionales. Para esto se utiliza un rayo láser, que graba microscópicamente una película fotosensible. Ésta, al recibir la luz desde la perspectiva adecuada, proyecta una imagen en tres dimensiones. La holografía fue inventada en el año 1947 por el físico húngaro Dennis Gabor, que recibió por esto el Premio Nobel de Física en 1971. Recibió la patente GB685286 por su invención. Sin embargo, se perfeccionó años más tarde con el desarrollo del láser, pues los hologramas de Gabor eran muy primitivos a causa de las fuentes de luz tan pobres que se utilizaban en sus tiempos. Originalmente, Gabor sólo quería encontrar una manera para mejorar la resolución y definición de las imágenes del microscopio electrónico. Llamó a este proceso holografía, del griego holos, "completo", ya que los hologramas mostraban un objeto completamente y no sólo una perspectiva. Los primeros hologramas que verdaderamente representaban un objeto tridimensional bien definido fueron hechos por Emmett Leith y Juris Upatnieks, en Estados Unidos en 1963, y por Yuri Denisyuk en la Unión Soviética. Uno de los avances más prometedores hechos recientemente ha sido su uso para los reproductores de DVD y otras aplicaciones. También se utiliza actualmente en tarjetas de crédito, billetes y discos compactos, además de su uso como símbolo de originalidad y seguridad.

Desarrollo

Historia

Los principios teóricos de la holografía fueron desarrollados por el físico británico de origen húngaro Dennis Gabor en 1947 el cual buscaba un método para mejorar la resolución y definición del microscopio electrónico, compensando por medios ópticos las deficiencias de su imagen se propuso realizar esto mediante un proceso de registro fotográfico de imágenes al que llamó holografía. El ideó un método conformado por dos pasos, en el primero consistía en un registro, en una placa fotográfica, del patrón de difracción producido por una onda luminosa cuando pasa por el objeto cuya imagen se desea formar. El segundo paso era pasar un haz luminoso a través del registro fotográfico, una vez revelado la luz al pasar por esta placa, se difractaba de tal manera que en una pantalla colocada adelante se formaba una imagen del objeto. Este primer holograma, obviamente era muy rudimentario si lo comparamos con los modernos su imagen era muy confusa debido a que las diferentes imágenes que se producían no se separaban unas de otras también las fuentes de luz coherente de la época no permitían una iluminación razonablemente intensa del holograma, lo que hacía muy difícil su observación.

Gordon Rogers en 1950 se dedicó a estudiar la técnica de Gabor. Dos años más tarde, en 1952, Ralph Kirkpatrick y sus dos estudiantes, Albert Baez y Hussein El-Sum, se interesaron en la holografía y contribuyeron a ampliar los conocimientos sobre ella. Por lo que los conocimientos sobre holografía avanzaban cada vez más, pero en todos estos estudios el obstáculo principal era la falta de fuentes de luz coherentes suficientemente brillantes.

Desconociendo totalmente los trabajos sobre holografía, Emmett N. Leith, un investigador en ingeniería eléctrica de la Universidad de Michigan, buscaba en 1956 un método para registrar y mostrar gráficamente la forma de onda de las señales de radar, usando técnicas ópticas. En 1960, cuando ya prácticamente tenía la solución a su problema, se enteró de los trabajos de Gabor y de sus sucesores, dándose así cuenta de que en realidad había redescubierto la holografía. A partir de entonces el objetivo de esos trabajos fue perfeccionar el método. La solución que propuso fue eliminar el principal problema de la holografía de Gabor, de que no solamente se producía una imagen del objeto deseado sino dos, una real y una virtual, que mezcladas entre sí y con la luz incidente producían una imagen muy difusa.

La holografía es una técnica avanzada de fotografía, que consiste en crear imágenes tridimensionales. Para esto se utiliza un rayo láser, que graba microscópicamente una película fotosensible. Ésta, al recibir la luz desde la perspectiva adecuada, proyecta una imagen en tres dimensiones.

Bases de la holografía

El método inventado por Leith y Upatnieks para hacer los hologramas consiste primeramente en la iluminación con el haz luminoso de un láser, del objeto cuya imagen se quiere registrar. Se coloca después una placa fotográfica en una posición tal que a ella llegue la luz tanto directa del láser, o reflejada en espejos planos, como la que se refleja en el objeto cuya imagen se desea registrar (Figura 1a). Al haz directo que no proviene del objeto se le llama haz de referencia y al otro se le llama haz del objeto. Estos dos haces luminosos interfieren al coincidir sobre la placa fotográfica. La imagen que se obtiene después de revelar la placa es un patrón de franjas de interferencia. Esta es una complicada red de líneas similares a las de una rejilla de difracción, pero bastante más complejas pues no son rectas, sino muy curvas e irregulares.

Para construir la imagen se espera que este revelado el holograma y se coloca frente al haz directo del láser, en la posición original donde se colocó para exponerlo, como se ilustra en la figura 1(b). La luz que llega al holograma es entonces difractada por las franjas impresas en el holograma, generando tres haces luminosos. Uno de los haces es el que pasa directamente sin difractarse, el cual sigue en la dirección del haz iluminador y no forma ninguna imagen. El segundo haz es difractado y es el que forma una imagen virtual del objeto en la misma posición donde estaba al tomar el holograma. El tercer haz también es difractado, pero en la dirección opuesta al haz anterior con respecto al haz directo. Este haz forma una imagen real del objeto. Estos tres haces son los que se mezclaban en los hologramas de Gabor.

La figura 2 muestra el proceso de exposición de un holograma sobre una mesa estable. La mesa debe ser necesariamente estable, es decir, aislada de las vibraciones del piso, a fin de que las pequeñísimas franjas de interferencia que forman el holograma no se pierdan.

La figura 3(a) muestra la imagen producida por un holograma y la figura 3(b) muestra las franjas de interferencia que se observan en el plano del holograma.

Observando a través del holograma como si fuera una ventana, se ve la imagen tridimensional del objeto (la imagen virtual) en el mismo lugar donde estaba el objeto originalmente. La imagen es tan real que no sólo es tridimensional o estereoscópica, sino que además tiene perspectiva variable, dentro de los límites impuestos por el tamaño del holograma. Así, si nos movemos para ver el objeto a través de diferentes regiones del holograma, el punto de vista cambia como si el objeto realmente estuviera ahí.

Tipos de hologramas

La holografía gracias a la cantidad de aplicaciones que se le han encontrado ha podido progresar de manera impresionante. Los hologramas se pueden ahora hacer de muy diferentes maneras, pero todos con el mismo principio básico. Podemos encontrar diferentes tipos de hologramas como:

Hologramas de Fresnel: Éstos son los hologramas más simples, reales e impresionantes, pero sólo pueden ser observados con la luz de un láser.

Hologramas de reflexión: Estos fueron inventados por Y. N. Denisyuk en la Unión Soviética, se diferencian de los de Fresnel en que el haz de referencia, a la hora de tomar el holograma, llega por detrás y no por el frente, como se muestra en la figura 5. Este tipo de hologramas tienen una gran ventaja ya que puede ser observada con una lámpara de tungsteno común y corriente. En cambio en la toma del holograma se necesita gran mucha estabilidad y no pueden haber vibraciones, mucho mayor que con los hologramas de Fresnel. Este tipo de holograma tiene mucho en común con el método de fotografía a color por medio de capas de interferencia, inventado en Francia en 1891 por Gabriel Lippmann, y por el cual obtuvo el premio Nobel en 1908.

Hologramas de plano imagen: Este es aquel en el que el objeto se coloca sobre el plano del holograma. Naturalmente el objeto no puede colocarse físicamente ya que esto no puede ser posible, la imagen real del objeto, la cual se encuentra formada por una lente o cualquier otro holograma, es la que se coloca en el plano fotográfico. Al igual que los hologramas de reflexión, se pueden observar con una fuente luminosa ordinaria, aunque sí es necesario un láser para su exposición.

Hologramas de arco iris: Estos hologramas fueron inventados por Stephen Benton, de la Polaroid Corporation, en 1969. Con estos no solamente se reproduce la imagen del objeto deseado, sino que además se reproduce la imagen real de una rendija horizontal sobre los ojos del observador. A través de esta imagen de la rendija que aparece flotando en el aire se observa el objeto holografiado, como se muestra en la figura 6. Naturalmente, esta rendija hace que se pierda la tridimensionalidad de la imagen si los ojos se colocan sobre una línea vertical, es decir, si el observador está acostado. Como segunda condición el haz de referencia debe estar colocado abajo del objeto.

Esto nos permite que la imagen se pueda observar iluminando el holograma con la luz blanca de una lámpara incandescente común. Durante la reconstrucción se forma una multitud de rendijas frente a los ojos del observador, todas ellas horizontales y paralelas entre sí, pero de diferentes colores, cada color a diferente altura. El color de la imagen observada depende de la altura a que coloque los ojos el observador. A esto se debe el nombre de holograma de arco iris.

Hologramas de color: Esto se obtienen mediante la utilización de varios láseres de diferentes colores tanto durante la exposición como la observación. Tiene como desventaja que las técnicas usadas para llevar a cabo estos hologramas son complicadas y caras y además la fidelidad de los colores no es muy alta.

Hologramas prensados: Estos hologramas son generalmente de plano imagen o de arco iris, a fin de hacerlos observables con luz blanca ordinaria. Sin embargo, el proceso para obtenerlos es diferente. En lugar de registrarlos sobre una placa fotográfica, se usa una capa de una resina fotosensible, llamada Fotoresist, depositada sobre una placa de vidrio. Con la exposición a la luz, la placa fotográfica se ennegrece. En cambio, la capa de Fotoresist se adelgaza en esos puntos. Este adelgazamiento, sin embargo, es suficiente para difractar la luz y poder producir la imagen. La figura 7 muestra un holograma prensado.

El siguiente paso es recubrir el holograma de Fotoresist, mediante un proceso químico o por evaporación, de un metal, generalmente níquel. A continuación se separa el holograma, para que quede solamente la película metálica, con el holograma grabado en ella. El paso final es mediante un prensado con calor: imprimir este holograma grabado en la superficie del metal, sobre una película de plástico transparente. Este plástico es el holograma final.

Este proceso tiene la enorme ventaja de ser adecuado para producción de hologramas en muy grandes cantidades, pues una sola película metálica es suficiente para prensar miles de hologramas. Este tipo de hologramas es muy caro si se hace en pequeñas cantidades, pero es sumamente barato en grandes producciones.

Hologramas de computadora: Las franjas de interferencia que se obtienen con cualquier objeto imaginario o real se pueden calcular mediante una computadora. Luego se pueden mostrar en una pantalla y fotografiar dichas franjas lo que sería un holograma sintético. Tiene la gran desventaja de que no es fácil representar objetos muy complicados con detalle, y la ventaja es que se puede representar cualquier objeto imaginario. Esta técnica se usa mucho para generar frentes de onda de una forma cualquiera, con alta precisión. Esto es muy útil en interferometría.

Aplicaciones de la holografía

Los hologramas tienen una gran variedad de usos y aplicaciones, se utilizan para la realización de empaques y promocionales, pero también son empleados en la protección y autentificación de documentos y productos entre sus usos más comunes podemos citar

La holografía de exhibición: es la aplicación más frecuente y popular de la holografía, se utiliza en exhibiciones de piezas arqueológicas o de mucho valor en museos, así se puede lograr una imagen muy real que solo un experto podría distinguir la diferencia, por ejemplo, la exhibición que hizo una famosa joyería de la Quinta Avenida de Nueva York, donde por medio de un holograma sobre el vidrio de un escaparate se proyectaba hacia la calle la imagen tridimensional de una mano femenina, mostrando un collar de esmeraldas. La imagen era tan real que provocó la admiración de muchísimas personas, e incluso temor en algunas. Se dice que una anciana, al ver la imagen, se atemorizó tanto que comenzó a tratar de golpear la mano con su bastón, pero al no lograrlo, corrió despavorida.

En el campo de la medicina se ha estudiado la generación de imágenes médicas tridimensionales que no pueden ser observadas de otra manera. Ejemplo, el trabajo desarrollado en Japón por el doctor Jumpei Tsujiuchi donde el primer paso fue obtener una serie de imágenes de rayos X de una cabeza de una persona viva. Estas imágenes estaban tomadas desde muchas direcciones, al igual que se hace al tomar una tomografía. El resultado fue un holograma que al ser iluminado con una lámpara ordinaria producía una imagen tridimensional del interior del cráneo. Esta imagen cubre 360 grados, pues el holograma tiene forma cilíndrica. El observador podía moverse alrededor del holograma para observar cualquier detalle que desee. La imagen es realmente impresionante si se considera que se está viendo el interior del cráneo de una persona viva, lamentablemente, por el momento es tan alto el costo, sobre todo por el equipo que se requiere, que no se ha podido comercializar y hacer popular.

Esto permite determinar las deformaciones de cualquier objeto con una gran exactitud, aunque los cambios sean tan pequeños como la longitud de onda de la luz, Ejemplos

• 1. Deformaciones muy pequeñas en objetos sujetos a tensiones o presiones. Mediante holografía interferométrica ha sido posible determinar y medir las deformaciones de objetos sujetos a tensiones o presiones. Por ejemplo, las deformaciones de una máquina, de un gran espejo de telescopio o de cualquier otro aparato se pueden evaluar con la holografía.

• 2. Deformaciones muy pequeñas en objetos sujetos a calentamiento. De manera idéntica a las deformaciones producidas mecánicamente, se pueden evaluar las deformaciones producidas por pequeños calentamientos. Ejemplo de esto es el examen de posibles zonas calientes en circuitos impresos en operación, en partes de maquinaria en operación, y muchos más.

• 3. Determinación de la forma de superficies ópticas de alta calidad. Como ya se ha comentado antes, la unión de la interferometría con el láser y las técnicas holográficas les da un nuevo vigor y poder a los métodos interferométricos para medir la calidad de superficies ópticas.

La holografía también es útil para almacenar información. Esta se puede registrar como la dirección del rayo que sale del holograma, donde diferentes direcciones corresponderían a diferentes valores numéricos o lógicos. Esto es particularmente útil, ya que existen materiales holográficos que se pueden grabar y borrar a voluntad, de forma muy rápida y sencilla. Con el tiempo, cuando se resuelvan algunos problemas prácticos que no se ven ahora como muy complicados, será sin duda posible substituir las memorias magnéticas o las de estado sólido que se usan ahora en las computadoras, por memorias holográficas.

La holografía como dispositivo de seguridad: Hacer un holograma no es un trabajo muy simple, pues requiere en primer lugar de conocimientos y en segundo lugar de un equipo que no todos poseen, como láseres y mesas estables. Esto hace que los hologramas sean difíciles de falsificar por lo que se utilizan en dispositivos de seguridad, ejemplo una tarjeta para controlar el acceso a ciertos lugares en los que no se desea permitir libremente la entrada a cualquier persona. La tarjeta puede ser tan sólo un holograma con la huella digital de la persona. Al solicitar la entrada al lugar con acceso controlado, se introduce la tarjeta en un aparato, sobre el que también se coloca el dedo pulgar. El aparato compara la huella digital del holograma con la de la persona. Si las huellas no son idénticas, la entrada es negada. De esta manera, aunque se extravíe la tarjeta, ninguna otra persona podría usarla.

Otro ejemplo muy común son los pequeños hologramas prensados que tienen las nuevas tarjetas de crédito

Ejemplos de dispositivos holográficos que podremos encontrar en la actualidad

• El dispositivo "Cheoptics 360", desarrollado por las empresas viZoo y Ramboll, es un sistema de vídeo holográfico. Consiste en un proyector formado por una pirámide invertida que es capaz de generar imágenes tridimensionales dentro de su espacio de proyección. La imagen proyectada se ve totalmente tridimensional desde cualquier ángulo de observación. Hay proyectores en cada extremo del sistema que se combinan para generar la imagen en el centro, provocando una sensación de total realismo en el espectador. Se pueden proyectar imágenes desde 1,5 hasta 30 metros de altura con cualquier condición lumínica ambiental (interior o exterior). También permite reproducir vídeos de películas o desde PC.

• Heliodisplay es una tecnología creada por la empresa IO2Technology que reproduce hologramas en dos dimensiones sin utilizar un medio físico como una pantalla. Permite proyectar una imagen estática o en movimiento con una cierta calidad, de unas 27´´ de tamaño, sin utilizar medios alternativos como humo o agua, y puede ser utilizado en cualquier entorno sin instalaciones adicionales.

• Mark II es un proyecto de vídeo holográfico que se está desarrollando por el Instituto Tecnológico de Massachusetts (M.I.T.) por un grupo de investigadores encabezado por el profesor S.Benton. El sistema se basa en el cálculo mediante ordenador de las franjas de interferencia que producirían imágenes sintéticas. Al sintetizar estas franjas mediante complejos modelos matemáticos, se consigue una reducción importante en el número de muestras de los hologramas sintéticos, restringiendo así el paralaje de movimiento a las direcciones con más interés. En este dispositivo sólo se codifica la información de paralaje horizontal, porque se supone que será el movimiento más realizado por el espectador. Con esto se reduce el número de muestras de las franjas de interferencia en un factor de 100.

Conclusiones

La holografía es simplemente un sistema de fotografía tridimensional, sin el uso de lentes para formar la imagen. Ésta es una de las técnicas ópticas que ya se veían teóricamente posibles antes de la invención del láser, pero que no se pudieron volver realidad antes de él.

La utilización de las técnicas holográficas en sistemas de vídeo es un proceso bastante complejo que supone un reto a nivel tecnológico. Siguen apareciendo dispositivos en el mercado como pantallas planas, y para ellas se requiere una tarjeta de tratamiento gráfico que puede resolver estos retos. Podría convertirse en el sistema que se utilizaría en una futura televisión tridimensional; sin embargo, no existen estándares ni grupos de trabajo sectoriales, algo que dificulta su avance y popularización. Hoy en día aún existen problemas para registrar escenas reales porque requieren unas condiciones lumínicas muy complejas, así como también es necesario disponer de dispositivos electrónicos que permitan captar franjas de interferencia con una resolución más elevada de la que podemos encontrar hoy en día. Otro de los problemas que se tendrán que solucionar en un futuro para poder implementar esta tecnología es el del ancho de banda tan grande que se tiene que utilizar para la transmisión de una señal de estas características.

Anexos

Figura 1. Esquemas de la exposición y reconstrucción de un holograma: (a) exposición y (b) reconstrucción.

Figura 2. Formación de un holograma, sobre una mesa estable, en el Centro de Investigaciones en Óptica

Figura 3. Un holograma. (a) Imagen producida por el holograma y (b) franjas de interferencia en el plano del holograma.

Figura 5. Formación de un holograma de reflexión.

Figura 6. Formación de un holograma de arco iris.

Figura 7. Holograma prensado, fabricado por J. Tsujiuchi en Japón

Bibliografía

• Holography. En línea. Disponible en : http://en.wikipedia.org Consultado: 9/10/2013

• Sears, Francis W; Mark W Zemansky, Hugh D. Young y Roger A. Freedman. Física Universitaria. Volumen II. Parte II. Editorial ¨Félix Varela¨. La Habana, 2008.

Autor:

Yainyt Alcazar Delgado

Erick Almeida Guerra

Enviado por:

NiurkaGuerra

Tutor: Tomás Espinosa Achong