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