Holografia

Introducción

El reconocido científico del MIT Stephen Benton, uno de los pioneros de la holografía, señaló en más de una ocasión que "es la intersección de ciencia, arte y tecnología lo que hace la holografía tan interesante". De hecho, la holografía es una de las ramas más importantes de la óptica moderna y ha permitido un gran número de aplicaciones tanto científicas como tecnológicas, proporcionado también técnicas que pueden utilizarse en diversas áreas de investigación bien sea pura o aplicada. Por si fuera poco, la holografía refiere un campo científico que proporciona además un espacio para el arte.

Sin lugar a dudas, la reconstrucción de una imagen en tres dimensiones dando la sensación perfecta de relieve, es uno de los logros más significativos y conocidos de la holografía, pero existen otras muchas aplicaciones en diferentes ámbitos, a saber:

• La interferometría holográfica
• Los elementos ópticos holográficos
• Las memorias holográficas
• El procesado óptico de información
• Los hologramas generados por ordenador
• La holografía digital
• La litografía holográfica o los hologramas de seguridad

Los anteriores constituyen una muestra de las numerosas aplicaciones científicas y técnicas basadas en el método holográfico. Además, la holografía no sólo se limita hoy en día al espectro visible, sino que pueden hacerse hologramas utilizando ondas de otras regiones del espectro electromagnético dando lugar a la holografía infrarroja, ultravioleta, de microondas o de rayos X.

También se han desarrollado una holografía acústica, una holografía de electrones o una holografía de neutrones que permite, por ejemplo, obtener imágenes holográficas de átomos utilizando neutrones térmicos. Son numerosas las aplicaciones de la holografía en medicina dentro de la oftalmología, odontología, otología, ortopedia y endoscopia.

Incluso se han investigado conexiones de la holografía y la teoría especial de la relatividad, derivando en un concepto denominado "universo holográfico" que se relaciona con los agujeros negros y la cosmología.

Además de en la física, la holografía se ha aplicado con éxito a campos tan diversos como la arqueología, paleontología, geografía, música, geología, biología, química, medicina, arquitectura, ingenierías civil, industrial, aeronáutica, naval, de telecomunicación, agrónoma, etc.

A la vista de todo lo anterior, puede verse como la holografía se expande en áreas de investigación muy amplias y diversas. Por esta razón, el alcance del presente trabajo tocara sólo los siguientes aspectos: Presentación de sus conceptos y aspectos básicos.  Revisión de los orígenes y posterior desarrollo de la holografía, enfocado en sus tres principales protagonistas: Gabor, Denisyuk y Leith. Finalmente, se puntualizaran algunas de las aplicaciones claves de la holografía en diversas áreas de la ciencia, arte y tecnología.

Concepto

La holografía es una técnica especial de producción de fotografías tridimensionales de un objeto. El termino holograma fue acuñado por el inventor de la holografía, el científico húngaro Dennis Gabor, a partir de las palabras “grama” (mensaje), y “halos” (toda, completa). En realidad un holograma contiene más información sobre la forma de un objeto que una fotografía simple, ya que permite verla en relieve, y variando la posición del observador, obtener diferentes perspectivas del objeto holografiado.

Se puede también decir que la holografía es "una fotografía sin lentes", en la que se captura una imagen, no como la imagen que se enfoca en el cine, sino como un patrón de interferencia sobre una película. Normalmente, la luz coherente de un láser es reflejada por un objeto y combinada en la película con la luz de un haz de referencia. Este patrón de interferencia registrado, en realidad contiene mucha más información que una imagen enfocada, y permite al espectador ver una verdadera imagen tridimensional que muestra paralaje. Es decir, la imagen va a cambiar su apariencia si se mira desde un ángulo diferente, como si se estuviera mirando un objeto 3D real. En el caso de un holograma de transmisión, se mira a través de la película y se ve la imagen en tres dimensiones suspendida en el aire, en un punto que corresponde a la posición real del objeto que fue fotografiado.

Cronología y orígenes

En el devenir de la holografía, sobre todo en sus inicios, pueden encontrarse varios precursores, sin embargo es justo reconocer que sus principales precursores fueron tres prominentes estudiosos.

En primer lugar se debe mencionar a Dennis Gabor (1900-1979), ingeniero húngaro establecido posteriormente en Inglaterra, y definitivamente el inventor de la técnica holográfica a la cual denominó “reconstrucción del frente de onda”; y por la que recibiría en 1971 el premio Nobel de Física.

Sin embargo, esta notable idea cristaliza sus revolucionarias aplicaciones con la aparición de dos nuevos actores: Yuri Denisyuk (1927-2006) en la antigua Unión Soviética y, destacadamente, Emmett Leith (1927-2005) en los Estados Unidos.

De hecho, también fueron tres las latitudes en las que la holografía inicio sus pasos: el laboratorio industrial de una empresa de ingeniería eléctrica en Rugby (Inglaterra); un instituto científico estatal en lo que era entonces Leningrado, (antigua Unión Soviética); y un laboratorio de investigación clasificado de la Universidad de Michigan (EUA) que trabajaba en proyectos para el ejército de los Estados Unidos.

Aunque se hace referencia a tres protagonistas en la ciencia holográfica, existe un protagonista adicional que reactivo la aplicación de esta ciencia en la década de 1960, enmarcado en el novedoso (para la época): láser. El referido científico fue Theodore Maiman (1927-2007), un físico de los laboratorios de investigación Hughes, quien en mayo de 1960 obtuvo su primera emisión láser. Poco después, Mainman inventaría el láser de rubí. Junto con el renacer de la holografía, el láser dio lugar a un desarrollo nuevo y vigoroso de la óptica en campos como la optoelectrónica, la óptica no lineal o las comunicaciones ópticas, desarrollo que continúa en la actualidad.

A continuación se presentaran reseñas sobre los particulares avances generados por los precursores de la holografía.

La "reconstrucción del frente de onda" de Gabor

Dennis Gabor (Fig. 1) nació en 1900 en Budapest. De ascendencia judía, su familia paterna provenía de Rusia mientras que su familia materna de España. Julio Verne y Thomas Edison, fueron los ídolos en su niñez. Aunque la física era su fascinación decidió estudiar ingeniería, de hecho él mismo escribió alguna vez "ser físico no era todavía una profesión en Hungría…".

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Figura 1. Dennis Gabor (1900-1979)

Gabor inició estudios de ingeniería mecánica en la Universidad Politécnica de Budapest que concluyó en la Universidad de Berlín donde obtuvo el Diploma en Ingeniería Eléctrica (1923), y el Título de Doctor Ingeniero (1927). Ese mismo año comenzó a trabajar en uno de los laboratorios de física de la compañía Siemens (Berlín), donde desarrollaría algunos de sus múltiples inventos; completando 62 patentes entre 1928 y 1971 (Fig. 2).

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Figura 2. Patente del microscopio electrónico de Dennis Gabor (1949)

En 1933, y tras le llegada de Hitler al poder, a Gabor no le fue renovado su contrato con la compañía Siemens debido a su origen judío, por lo que tuvo que abandonar Alemania. Tras una breve estancia en Budapest, regresa a Inglaterra en 1934 donde comenzó a trabajar en la British Thomson Houston Company. Durante la Segunda Guerra Mundial su compañía se dedicó a desarrollar distintos dispositivos para la mejora del microscopio electrónico.

En ese campo, Gabor se planteó la siguiente pregunta: "¿por qué no tomar una mala imagen electrónica, pero que contenga la información 'total', reconstruir la onda y corregir por métodos ópticos?". En 1947 logra dar solución al dilema basado en dos etapas. En la primera: el registro, con el haz de electrones del microscopio electrónico (haz de referencia), imagen que registraría en una placa fotográfica. A lo anterior lo llamó holograma, de la palabra griega holos, “el todo”, ya que contiene la información total (la amplitud y la fase) de la onda objeto. En la segunda etapa: la reconstrucción, que mediante luz visible reconstruiría el frente de onda original para obtener una buena imagen. Como ya se ha señalado anteriormente.

Para mejorar la imagen, en 1948 Garbor generó el primer holograma utilizando como fuente de iluminación una lámpara de mercurio, que constituía una de las mejores fuentes de luz coherente antes del láser. El objeto que utilizó Gabor para realizar el primer holograma fue una diapositiva circular transparente de apenas 1,4 mm de diámetro y que contenía el nombre de tres físicos a los que el cientifico consideraba importantes por haber puesto los fundamentos físicos de su técnica de reconstrucción del frente de onda: Huygens, Young y Fresnel. Los resultados fueron presentados en Londres en una conferencia sobre microscopía electrónica en 1948 (Fig. 3).

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