V. LA HOLOGRAF�A
LA HOLOGRAF�A se puede describir en muy pocas palabras como un sistema de fotograf�a tridimensional, sin el uso de lentes para formar la imagen. �sta es una de las t�cnicas �pticas que ya se ve�an te�ricamente posibles antes de la invenci�n del l�ser, pero que no se pudieron volver realidad antes de �l.
El inventor de la holograf�a fue Dennis Gabor (1900-1981), nacido en Budapest, Hungr�a. Estudi� y recibi� su doctorado en la Technische Hochschule en Charlottenburg, Alemania, y despu�s fue investigador de la compa��a Siemens & Halske en Berl�n, hasta 1933. Despu�s se traslad� a Inglaterra, donde permaneci� hasta su muerte. Viajaba muy frecuentemente a los Estados Unidos, donde trabajaba durante parte de su tiempo en los laboratorios CBS en Stanford, Conn. Dennis Gabor recibi� el premio Nobel de F�sica, en 1971.
En 1947, m�s de diez a�os antes de que se construyera el primer l�ser de helio-ne�n, Dennis Gabor buscaba un m�todo para mejorar la resoluci�n y definici�n del microscopio electr�nico, compensando por medios �pticos las deficiencias de su imagen. Gabor se propuso realizar esto mediante un proceso de registro fotogr�fico de im�genes al que llam� holograf�a, que viene del griego holos, que significa completo, pues el registro que se obtiene de la imagen es completo, incluyendo la informaci�n tridimensional. El m�todo ideado por Gabor consist�a en dos pasos, el primero de los cuales era el registro, en una placa fotogr�fica, del patr�n de difracci�n producido por una onda luminosa (o un haz de electrones en el caso del microscopio electr�nico) cuando pasa por el objeto cuya imagen se desea formar. El segundo paso era pasar un haz luminoso a trav�s del registro fotogr�fico, 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. Gabor no tuvo �xito con su prop�sito fundamental, que era mejorar las im�genes del microscopio electr�nico, pero si obtuvo un m�todo nuevo e interesante para formar im�genes. Hab�a formado el primer holograma, aunque obviamente era muy rudimentario si lo comparamos con los modernos. Para comenzar, la imagen era muy confusa debido a que las diferentes im�genes que se produc�an no se separaban unas de otras. Por otro lado, las fuentes de luz coherente de la �poca no permit�an una iluminaci�n razonablemente intensa del holograma, lo que hac�a muy dif�cil su observaci�n. Sin embargo, las bases de la holograf�a quedaron as� establecidas.
En 1950 Gordon Rogers explor� la t�cnica de Gabor, obteniendo una idea mucho
m�s clara de los principios �pticos que estaban en juego. Dos a�os m�s tarde,
en 1952, Ralph Kirkpatrick y sus dos estudiantes, Albert Baez y Hussein El-Sum,
se interesaron en la holograf�a y contribuyeron a ampliar los conocimientos
sobre ella. El-Sum produjo la primera tesis doctoral en holograf�a. Adolph Lomann
aplic� por primera vez en Alemania las t�cnicas de la teor�a de la comunicaci�n
a la holograf�a, y como consecuencia sugiri� lo que ahora se conoce como el
"m�todo de banda lateral sencilla", para separar las diferentes im�genes que
se produc�an en el holograma. As�, los conocimientos sobre holograf�a avanzaban
cada vez m�s, pero en todos estos estudios el obst�culo principal era la falta
de fuentes de luz coherentes suficientemente brillantes.
Figura 36. Esquemas de la exposici�n y reconstrucci�n de un holograma: (a)
exposici�n y (b) reconstrucci�n.
Desconociendo totalmente los trabajos sobre holografia, Emmett N. Leith, un
investigador en ingenier�a el�ctrica de la Universidad de Michigan, buscaba
en 1956 un m�todo para registrar y mostrar gr�ficamente la forma de onda de
las se�ales de radar, usando t�cnicas �pticas. En 1960, cuando ya pr�cticamente
ten�a la soluci�n a su problema, se enter� de los trabajos de Gabor y de sus
sucesores, d�ndose as� cuenta de que en realidad hab�an redescubierto la holograf�a.
A partir de entonces el objetivo de esos trabajos fue perfeccionar el m�todo.
La soluci�n que encontr� Leith, con la colaboraci�n de su colega Juris Upatnieks,
eliminaba el principal problema de la holograf�a de Gabor, de que no solamente
se produc�a una imagen del objeto deseado sino dos, una real y una virtual,
que mezcladas entre s� y con la luz incidente produc�an una imagen muy difusa.
La t�cnica inventada por Emmett N. Leith y Juris Upatnieks resuelve el problema,
pues encuentra la forma de separar estas im�genes. Como adem�s ya exist�a el
l�ser de gas, los resultados encontrados en poco tiempo fueron impresionantes.
Los logros de Leith y Upatnieks se publicaron en los a�os de 1961 y 1962.
Figura 37. Formaci�n de un holograma, sobre una mesa estable, en el Centro
de Investigaciones en �ptica.
El m�todo inventado por Leith y Upatnieks para hacer los hologramas consiste
primeramente en la iluminaci�n con el haz luminoso de un l�ser, del objeto cuya
imagen se quiere registrar. Se coloca despu�s una placa fotogr�fica en una posici�n
tal que a ella llegue la luz tanto directa del l�ser, o reflejada en espejos
planos, como la que se refleja en el objeto cuya imagen se desea registrar (Figura
36a). 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 fotogr�fica. La imagen que se obtiene despu�s de
revelar la placa es un patr�n de franjas de interferencia. Esta es una complicada
red de l�neas similares a las de una rejilla de difracci�n, pero bastante m�s
complejas pues no son rectas, sino muy curvas e irregulares.
Figura 38. Un holograma. (a) Imagen producida por el holograma y (b) franjas
de interferencia en el plano del holograma.
Ya revelado el holograma, para reconstruir la imagen se coloca �ste frente al haz directo del l�ser, en la posici�n original donde se coloc� para exponerlo, como se ilustra en la figura 36(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 direcci�n 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 posici�n donde estaba al tomar el holograma. El tercer haz tambi�n es difractado, pero en la direcci�n 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 37 muestra el proceso de exposici�n 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 peque��simas franjas de interferencia que forman el holograma no se pierdan. La figura 38(a) muestra la imagen producida por un holograma y la figura 38(b) muestra las franjas de interferencia que se observan en el plano del holograma.
Observando a trav�s 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 s�lo es tridimensional o estereosc�pica, sino que adem�s tiene perspectiva variable, dentro de los l�mites impuestos por el tama�o del holograma. As�, si nos movemos para ver el objeto a trav�s de diferentes regiones del holograma, el punto de vista cambia como si el objeto realmente estuviera ah�.
V.3. DIFERENTES TIPOS DE HOLOGRAMAS
La holograf�a ha progresado de una manera impresionante y r�pida debido a la gran cantidad de aplicaciones que se le est�n encontrando d�a a d�a. Los hologramas se pueden ahora hacer de muy diferentes maneras, pero todos con el mismo principio b�sico. Los principales tipos de hologramas son los siguientes:
a) Hologramas de Fresnel. �stos son los hologramas m�s simples, tal
cual se acaban de describir en la secci�n anterior. Tambi�n son los hologramas
m�s reales e impresionantes, pero tienen el problema de que s�lo pueden ser
observados con la luz de un l�ser.
Figura 39. Formaci�n de un holograma de reflexi�n.
b) Hologramas de reflexi�n. Los hologramas de reflexi�n, inventados por Y. N. Denisyuk en la Uni�n Sovi�tica, se diferencian de los de Fresnel en que el haz de referencia, a la hora de tomar el holograma, llega por detr�s y no por el frente, como se muestra en la figura 39. La imagen de este tipo de hologramas tiene la enorme ventaja de que puede ser observada con una l�mpara de tungsteno com�n y corriente. En cambio, durante la toma del holograma se requiere una gran estabilidad y ausencia de vibraciones, mucho mayor que con los hologramas de Fresnel. Este tipo de holograma tiene mucho en com�n con el m�todo de fotograf�a 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.
c) Hologramas de plano imagen. Un holograma de plano imagen es aquel en el que el objeto se coloca sobre el plano del holograma. Naturalmente, el objeto no est� f�sicamente colocado en ese plano, pues esto no ser�a posible. La imagen real del objeto, formada a su vez por una lente, espejo u otro holograma, es la que se coloca en el plano de la placa fotogr�fica. Al igual que los hologramas de reflexi�n, �stos tambi�n se pueden observar con una fuente luminosa ordinaria, aunque s� es necesario l�ser para su exposici�n.
d) Hologramas de arco iris. Estos hologramas fueron inventados por Stephen Benton, de la Polaroid Corporation, en 1969. Con estos hologramas no solamente se reproduce la imagen del objeto deseado, sino que adem�s se reproduce la imagen real de una rendija horizontal sobre los ojos del observador. A trav�s de esta imagen de la rendija que aparece flotando en el aire se observa el objeto holografiado, como se muestra en la figura 40. Naturalmente, esta rendija hace que se pierda la tridimensionalidad de la imagen si los ojos se colocan sobre una l�nea vertical, es decir, si el observador est� acostado. �sta no es una desventaja, pues generalmente el observador no est� en esta posici�n durante la observaci�n. Una segunda condici�n durante la toma de este tipo de hologramas es que el haz de referencia no est� colocado a un lado, sino abajo del objeto.
Este arreglo tiene la gran ventaja de que la imagen se puede observar iluminando
el holograma con la luz blanca de una l�mpara incandescente com�n. Durante la
reconstrucci�n se forma una multitud de rendijas frente a los ojos del observador,
todas ellas horizontales y paralelas entre s�, pero de diferentes colores, cada
color a diferente altura. Seg�n la altura a la que coloque el observador sus
ojos, ser� la imagen de la rendija a trav�s de la cual se observe, y por lo
tanto esto definir� el color de la imagen observada. A esto se debe el nombre
de holograma de arco iris.
Figura 40. Formaci�n de un holograma de arco iris.
Figura 41. Holograma prensado, fabricado por J. Tsujiuchi en Jap�n.
e) Hologramas de color. Si se usan varios l�seres de diferentes colores tanto durante la exposici�n como durante la observaci�n, se pueden lograr hologramas en color. Desgraciadamente, las t�cnicas usadas para llevar a cabo estos hologramas son complicadas y caras. Adem�s, la fidelidad de los colores no es muy alta.
f) 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 fotogr�fica, se usa una capa de una resina fotosensible, llamada Fotoresist, depositada sobre una placa de vidrio. Con la exposici�n a la luz, la placa fotogr�fica 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. Dicho de otro modo, la informaci�n en el holograma no queda grabada como un Sistema de franjas de interferencia obscuras, sino como un sistema de surcos microsc�picos. La figura 41 muestra un holograma prensado.
El siguiente paso es recubrir el holograma de Fotoresist, mediante un proceso qu�mico o por evaporaci�n, de un metal, generalmente n�quel. A continuaci�n se separa el holograma, para que quede solamente la pel�cula met�lica, 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 pel�cula de pl�stico transparente. Este pl�stico es el holograma final.
Este proceso tiene la enorme ventaja de ser adecuado para producci�n de hologramas en muy grandes cantidades, pues una sola pel�cula met�lica es suficiente para prensar miles de hologramas. Este tipo de hologramas es muy caro si se hace en peque�as cantidades, pero es sumamente barato en grandes producciones.
g) Hologramas de computadora. Las franjas de interferencia que se obtienen con cualquier objeto imaginario o real se pueden calcular mediante una computadora. Una vez calculadas estas franjas, se pueden mostrar en una pantalla y luego fotografiar. Esta fotogral�a ser�a un holograma sint�tico. Tiene la gran desventaja de que no es f�cil representar objetos muy complicados con detalle. En cambio, la gran ventaja es que se puede representar cualquier objeto imaginario. Esta t�cnica se usa mucho para generar frentes de onda de una forma cualquiera, con alta precisi�n. Esto es muy �til en interferometr�a.
V.4. LA HOLOGRAFIA DE EXHIBICI�N
�sta es la aplicaci�n m�s frecuente y popular de la holograf�a. Es muy conocida, por ejemplo, la exhibici�n que hizo una famosa joyer�a 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 provoc� la admiraci�n de much�simas personas, e incluso temor en algunas. Se dice que una anciana, al ver la imagen, se atemoriz� tanto que comenzo a tratar de golpear la mano con su bast�n, pero al no lograrlo, corri� despavorida.
Una aplicaci�n que se ha mencionado mucho es la de la exhibici�n de piezas arqueol�gicas o de mucho valor en museos. Esto se puede lograr con tanto realismo que s�lo un experto podr�a distinguir la diferencia.
Otra aplicaci�n que se ha explorado es la generaci�n de im�genes m�dicas tridimensionales, que no pueden ser observadas de otra manera. Como ejemplo, solamente describiremos ahora el trabajo desarrollado en Jap�n por el doctor Jumpei Tsujiuchi. El primer paso en este trabajo fue obtener una serie de im�genes de rayos X de una cabeza de una persona viva. Estas im�genes estaban tomadas desde muchas direcciones, al igual que se hace al tomar una tomograf�a. Todas estas im�genes se sintetizaron en un holograma, mediante un m�todo �ptico que no describiremos aqu�. El resultado fue un holograma que al ser iluminado con una l�mpara ordinaria produc�a una imagen tridimensional del interior del cr�neo. Esta imagen cubre 360 grados, pues el holograma tiene forma cil�ndrica. El observador pod�a moverse alrededor del holograma para observar cualquier detalle que desee. La imagen es realmente impresionante si se considera que se est� viendo el interior del cr�neo de una persona viva, que obviamente puede ser el mismo observador.
Otra aplicaci�n natural es la obtenci�n de la imagen tridimensional de una persona. Esto se ha hecho ya con tanto realismo que la imagen es increiblemente natural y bella. Sin duda �sta es la fotograf�a del futuro. 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.
Se podr�an mencionar muchas m�s aplicaciones de la holograf�a de exhibici�n, pero los ejemplos anteriores son suficientes para dar una idea de las posibilidades, que cada d�a se explotan m�s.
V.5. LA HOLOGRAF�A COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA
La holograf�a es tambi�n un instrumento muy �til, asociado con la interferometr�a (la cual ya se ha descrito antes en este libro), para efectuar medidas sumamente precisas.
La utilidad de la holograf�a proviene del hecho de que mediante ella es posible reconstruir un frente de onda de cualquier forma que se desee, para posteriormente compararlo con otro frente de onda generado en alg�n momento posterior. De esta manera es posible observar si el frente de onda original es id�ntico al que se produjo despu�s, o bien si tuvo alg�n cambio. Esto permite determinar las deformaciones de cualquier objeto con una gran exactitud, aunque los cambios sean tan peque�os como la longitud de onda de la luz. Para ilustrar esto con algunos ejemplos, mencionaremos los siguientes:
a) Deformaciones muy peque�as en objetos sujetos a tensiones o presiones. Mediante holograf�a interferom�trica ha sido posible determinar y medir las deformaciones de objetos sujetos a tensiones o presiones. Por ejemplo, las deformaciones de una m�quina, de un gran espejo de telescopio o de cualquier otro aparato se pueden evaluar con la holograf�a.
b) Deformaciones muy peque�as en objetos sujetos a calentamiento. De manera id�ntica a las deformaciones producidas mec�nicamente, se pueden evaluar las deformaciones producidas por peque�os calentamientos. Ejemplo de esto es el examen de posibles zonas calientes en circuitos impresos en operaci�n, en partes de maquinaria en operaci�n, y muchos m�s.
c) Determinaci�n de la forma de superficies �pticas de alta calidad. Como ya se ha comentado antes, la uni�n de la interferometr�a con el l�ser y las t�cnicas hologr�ficas les da un nuevo vigor y poder a los m�todos interferom�tricos para medir la calidad de superficies �pticas.
V.6. LA HOLOGRAF�A COMO ALMAC�N DE INFORMACI�N
La holograf�a tambi�n es �til para almacenar informaci�n. Esta se puede registrar como la direcci�n del rayo que sale del holograma, donde diferentes direcciones corresponder�an a diferentes valores num�ricos o l�gicos. Esto es particularmente �til, ya que existen materiales hologr�ficos que se pueden grabar y borrar a voluntad, de forma muy r�pida y sencilla. Con el tiempo, cuando se resuelvan algunos problemas pr�cticos que no se ven ahora como muy complicados, ser� sin duda posible substituir las memorias magn�ticas o las de estado s�lido que se usan ahora en las computadoras, por memorias hologr�ficas.
V.7. LA HOLOGRAF�A COMO DISPOSITIVO DE SEGURIDAD
Hacer un holograma no es un trabajo muy simple, pues requiere en primer lugar de conocimentos y en segundo lugar de un equipo que no todos poseen, como l�seres y mesas estables. Esto hace que los hologramas sean dif�ciles de falsificar, pues ello requerir�a, adem�s, que el objeto y todo el proceso para hacer el holograma fueran id�nticos, lo que obviamente en algunos casos puede ser imposible. Por ejemplo, el objeto puede ser un dedo con sus huellas digitales. Esto hace que la holograf�a sea un instrumento ideal para fabricar dispositivos de seguridad.
Un ejemplo es el de 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 s�lo 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 tambi�n se coloca el dedo pulgar. El aparato compara la huella digital del holograma con la de la persona. Si las huellas no son id�nticas, la entrada es negada. De esta manera, aunque se extrav�e la tarjeta, ninguna otra persona podr�a usarla.
Otro ejemplo muy com�n son los peque�os hologramas prensados que tienen las nuevas tarjetas de cr�dito. Estos hologramas, por ser prensados, son de los m�s dif�ciles de reproducir, por lo que la falsificaci�n de una tarjeta de cr�dito se hace casi imposible. Si alguien con los conocimientos y el equipo quisiera falsificar estos hologramas lo podr�a hacer, pero su costo ser�a tan elevado que ser�a totalmente incosteable, a menos que lo hiciera en cantidades muy grandes a fin de que el costo se repartiera.
