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Holografía. Introducción al holograma. ES33

Contenido: Creación de hologramas. Holograma de reflexión. Holograma de transmisión. Formación de imágenes holográficas. Efectos de imágenes seudoscópicas. Proyección de imágenes dimensionales. Aberraciones en holografía.

Introducción al holograma (5° parte)

CREACIÓN DE HOLOGRAMAS

HOLOGRAMA DE REFLEXION

Precaución:

En la práctica se utiliza un láser de 40 mW, que si bien no produce quemaduras ni en la piel ni en la ropa, sí puede dañar la retina si el haz del láser entra en el ojo. Por ello debe evitarse mirar directamente al haz o a sus reflejos. Al colocar elementos ópticos en el camino de la luz hay que evitar que se produzcan reflejos directos. Nótese que el trabajo en oscuridad, al dilatar la pupila, aumenta en riesgo de daño en la retina.

- Elementos de la práctica

. Láser de He-Ne (Helio-Neón) de 40 mW de potencia de salida y con longitud de onda 632.8 nm (rojo).

. Obturador: Controla el tiempo de exposición.

. Filtro espacial: Formado por un objetivo de microscopio más un orificio de pequeño tamaño (25 micras de diámetro). Expande el haz y la hace uniforme (el objetivo de microscopio concentra el haz y el orificio limpia el 'ruido'). La sección del haz, los aumentos del objetivo y tamaño del orificio cumplen una relación óptima que ya se ha tenido en cuenta.

. Medidor de potencia óptica: Con él se mide la irradiancia que recibirá la placa (W/cm²).

. Placa holográfica (BB-640). Debe colocarse con la emulsión por el lado del objeto y a unos 25°- 30° con respecto al haz. Deberá estar perfectamente fijada.

. Objeto: Al igual que la placa debe estar perfectamente fijado para evitar cualquier movimiento relativo placa-objeto. Debe reflejar bien la luz. Para obtener buenos resultados la reflexión debe ser difusa (no son convenientes objetos con brillo metálico ni con colores complementarios a los del haz láser empleado). La reflexión difusa se puede conseguir usando un objeto normal pero recubierto con óxido de magnesio. Conviene usar objetos que de frente ocupen unos 6.6 cm, que son las dimensiones de las placas utilizadas.

- Procedimiento experimental

Sobre la mesa óptica se colocarán los diferentes elementos que se usan en la práctica tal y como se muestra en la figura. La colocación del filtro espacial puede ser algo laboriosa, ya que se trata de alinear un objetivo de microscopio lateralmente, en altura y en ángulos y a continuación centrar el orificio de 25 μm en x, y, z de modo que por él pase el haz muy enfocado que se ha conseguido con el objetivo de microscopio.

Se utilizará el siguiente procedimiento:

1. Antes de colocar el filtro espacial se marcará sobre una pantalla el punto de incidencia del haz.

2. Se retira el orificio del filtro espacial y se coloca el filtro procurando que el haz incida sobre el centro del objetivo de microscopio.

A continuación se alinea el objetivo de modo que la mancha circular de luz que se observa tenga en el centro el punto marcado anteriormente en la pantalla.

El centrado del objetivo es un proceso iterativo, y debe hacerse ajustándolo tanto lateralmente como en altura como en ángulos.

Para centrar el objetivo en altura y lateralmente se observará el desplazamiento del haz sobre la pantalla, y para centrarlo angularmente se observará el haz reflejado en la parte trasera del objetivo, que debe volver hacia el láser.

3. Por último se coloca el filtro espacial y mediante los tornillos micrométricos se desplaza el mismo siguiendo siempre la dirección que presente un incremento de la intensidad luminosa sobre la pantalla.

Por ejemplo, primero se ajustará el eje x hasta conseguir una mancha vertical con la máxima concentración posible de luz, luego se ajustará el eje y hasta llegar a una mancha horizontal y así sucesivamente hasta conseguir una mancha circular, posiblemente con anillos, centrados en el punto que marcamos en la pantalla.

Una vez centrado el orificio según los ejes x e y se ajustará el eje z hasta conseguir que desaparezcan los anillos de difracción. En ese momento el haz estará filtrado.

Una vez filtrado y expandido el haz se colocará el porta-placas a una distancia del filtro tal que cuando se coloque la placa en él ésta quede uniformemente iluminada. Se deberá comprobar que a la placa no llega luz parásita (luz no deseada que no procede directamente del filtro espacial). De existir este tipo de luz es aconsejable apantallarla. A continuación se calculará el tiempo de exposición que se utilizará.

- Tiempo de exposición

Las condiciones óptimas para la realización de este tipo de hologramas con la placa y el revelado elegidos se dan cuando la placa holográfica recibe una exposición de

1000 - 1500 μJ/cm²

El tiempo t calculado de este modo será el que se seleccione en el obturador. Si se obtiene un tiempo de exposición excesivamente alto (> 1 min) conviene tratar la superficie del objeto con óxido de magnesio para aumentar su reflectancia.

Para medir la irradiancia directa del haz se sitúa el medidor de potencia en la zona donde se colocará la placa y con el mismo ángulo que ésta. La luz reflejada por el objeto es muy poca, por lo que puede despreciarse a la hora de calcular el tiempo de exposición.

Nótese que el medidor tiene un área de 1 cm x 1 cm, por lo que la lectura directa es la potencia de luz por centímetro cuadrado que recibirá la placa.

Una vez obtenido el tiempo de exposición se coloca la placa en su sitio, se dispara el obturador y se procede al revelado de la placa siguiendo el procedimiento descrito, Laboratorio de revelado. Estas operaciones deben realizarse en completa oscuridad o con una luz verde tenue.

- Manejo de la placa holográfica

Las placas holográficas empleadas son sensibles a la luz son ortocromáticas con máxima sensibilidad en el rojo, por lo que deben manejarse en completa oscuridad o con una luz verde tenue. Una vez extraída la placa de su caja, ésta debe cerrarse herméticamente.

- Observación del holograma

El holograma puede ser observado a los pocos minutos de haber procedido al secado del mismo, si bien el secado completo tarda varias horas. Se puede utilizar una fuente de luz blanca (lámpara halógena, por ejemplo) o la luz solar. Cuanto puntual sea la fuente (más próxima en tamaño a un punto) mejores condiciones tendremos para la observación. Una fuente colimada, es decir con fuente en el infinito, también valdría. Se puede observar como varía el punto de vista e incluso el tamaño del objeto reconstruido según se modifica la geometría placa-fuente-observador.

Por ejemplo, se puede ir girando el holograma para ver como se pasa de observar la imagen virtual (ortoscópica: con la perspectiva correcta) a la imagen real (psudoscópica: con la perspectiva invertida), que se obtiene girando la placa 180°. También es interesante observar el holograma con una fuente pequeña como un LED o una bombillita para ver como cambia el tamaño del objeto según alejamos o acercamos la fuente de luz.

HOLOGRAMA DE TRANSMISIÓN

-Objetivo

. Realización de un holograma de transmisión

. Reconocimiento de la imagen real y virtual.

- Introducción

La disposición experimental que se utiliza para registrar un holograma de transmisión está indicada en la figura y es análoga a la de un interferómetro, aunque sin el divisor de haz final.

La luz proveniente de un láser de He-Ne que pasa a través de un obturador se divide en dos haces perpendiculares entre sí mediante un divisor de haz. En ambos caminos se sitúan sendos espejos con la finalidad de dirigir los dos haces para que interfieran sobre la placa holográfica.

El haz de referencia es expandido mediante un filtro espacial iluminando toda la superficie de la placa holográfica. El haz objeto se expande de la misma manera e incide sobre el objeto, de modo que la luz reflejada llega a la placa. De este modo en la placa holográfica se registra la interferencia de ambos haces.

- Procedimiento experimental

En todos los pasos que se indican a continuación hay que disponer los elementos ópticos en las posiciones y distancias indicadas en la figura.

1. Se sitúa el obturador a la salida del láser de He-Ne. Tras éste se coloca adecuadamente el separador de haz de modo que los dos haces que se obtienen sean aproximadamente perpendiculares entre sí.

2. Se colocan dos espejos como se indica en la figura, dirigiendo el haz de referencia hacia la placa holográfica y el haz objeto hacia el objeto. Debe ponerse especial cuidado en que el objeto no se interponga en la propagación del haz de referencia.

3. Con el fin de expandir los haces se sitúan los filtros espaciales en los dos brazos del difusor, a continuación de los espejos. Los filtros espaciales se alinearán siguiendo el procedimiento descrito.

4. El objeto y la placa se orientarán procurando que la reflexión obtenida al iluminar el objeto con el haz expandido incida sobre la placa holográfica. El haz de referencia se orientará de modo que incida directamente sobre la placa holográfica.

- Registro del holograma

Una vez montado el sistema se medirá la potencia del haz objeto sobre la placa holográfica en cinco posiciones distintas utilizando el detector óptico. Se realiza la media aritmética de estos registros y la llamamos potencia del haz objeto (PHO). Se repite esta operación para el haz de referencia y la media aritmética de las medidas de la potencia la llamamos potencia del haz de referencia (PHR).

Para un buen registro holográfico se debe cumplir que:

El tiempo de exposición del holograma será calculado de la siguiente operación:

Las potencias PHR y PHO se miden en mW/cm.²y el tiempo en segundos. Se ajustará el tiempo de apertura del obturador al valor obtenido.

En esta situación estamos en condiciones de realizar el holograma. Para ello se apagará la luz del laboratorio, se colocará la placa holográfica en su posición con la emulsión enfrentando al objeto y se activará el obturador.

El revelado de la placa se hará utilizando el procedimiento y los productos químicos especificados en el apartado (Laboratorio de revelado).

- Laboratorio de revelado

En el laboratorio vamos a usar placas holográficas BB-640. Se trata de placas fotográficas pero con unas características que las hacen especialmente adecuadas para grabar hologramas. En primer lugar su emulsión fotográfica (la película sensible que está depositada sobre el vidrio) tiene una resolución muy elevada comparada con la de películas más usuales.

En segundo lugar están especialmente diseñadas para trabajar con la luz roja de 632.8 nm de los láseres de He-Ne, de modo que alcanzan su máxima sensibilidad y resolución en torno a esa longitud de onda.

En cualquier caso, al tratarse de material fotográfico, se necesita un proceso de revelado para poder obtener finalmente un holograma. En nuestro caso el revelado de las placas va a hacerse en cuatro fases: comenzaremos sumergiendo las placas en un revelador, luego las lavaremos, pasaremos a un proceso de blanqueo y finalmente haremos un último lavado de las placas, para luego secarlas.

Con respecto al procesado clásico de películas en blanco y negro, que sería un procedimiento bastante análogo, vemos que hay dos diferencias: en primer lugar eliminamos el baño de paro, y en segundo lugar, y esto si que es importante, sustituimos el proceso de fijado por uno de blanqueado. Este último cambio aumenta mucho la eficiencia de los hologramas. En un proceso usual final de fijado las zonas que han recibido luz en la exposición quedan opacas, y las zonas no expuestas quedan transparentes, lo cual es adecuado para la fotografía en blanco y negro.

Sin embargo en un holograma lo que queremos es grabar (almacenar) las interferencias entre dos haces de luz, que dan lugar a una estructura dentro de la emulsión fotográfica. Si en vez de grabar esa estructura como zonas opacas-zonas transparentes lo hacemos como zonas de alto índice de refracción-zonas de bajo índice de refracción habremos conseguido grabar la estructura pero además ésta será transparente. La luz será redirigida pero no absorbida. Esto es lo que se consigue con el procedimiento de blanqueo.

El revelado, como la exposición, debe realizarse a oscuras, o en todo caso usando lo que se denomina "luz de seguridad". Esto es posible porque como se ha indicado antes las placas que usamos son solo sensibles en un rango limitado de longitudes de onda (lo mismo ocurre, por ejemplo, con algunos papeles para revelado en blanco y negro. Se habla de películas ortocromáticas).

En nuestro caso la emulsión es sensible en la zona del rojo, por lo que podemos utilizar luz con longitudes de onda en el verde. Además por seguridad el revelado debe hacerse con guantes y evitando tocar los líquidos de revelado. En el revelado la placa pasará por diversos baños, siempre con la emulsión hacia arriba y agitando, para que los líquidos actúen de modo uniforme. El procedimiento será el siguiente (a 20° C):

1. Revelador D-19 5 minutos

2. Lavado con agua desionizada 30 segundos

3. Blanqueado con la solución A+B (basada en bromuro potásico, dicromato potásico y ácido sulfúrico) 5 minutos

4. Lavado en agua 5 minutos

5. Foto-flo (humectante) 1 minuto

6. Secado: con secador, sin aplicar calor excesivo

De los tiempos indicados el único que es realmente estricto es el de revelado. El blanqueado depende del estado de los líquidos y de la exposición de la emulsión, y se deberá continuar hasta que la placa quede totalmente transparente. El lavado final con foto-flo hará que el secado sea más uniforme y rápido, sin manchas de gotas de agua.

Al acabar la sesión de laboratorio se deben guardar los líquidos en sus correspondientes contenedores y se deben lavar las cubetas utilizadas.

- Productos químicos

. Humectante: Las placas BB-640 no tienen humectantes y a las pocas semanas de su fabricación pierden gran parte de su sensibilidad. Por ello deben presensibilizarse: deben sumergirse durante dos o tres minutos en una solución humectante.

En el laboratorio usaremos una mezcla de agua destilada, foto-flo y TEA (trietanolamina) en las proporciones 500 ml: 10 ml: 15 ml. La mezcla se agitará bien y puede reutilizarse. Cuando saquemos la placa de la solución humectante deberemos secarla antes de realizar el holograma. La presensibilización durará unos días.

Holograma de trasmisión

Formación de imágenes Holográficas

Efectos de imágenes seudoscópicas Parece que resulta difícil captar la estructura de una imagen seudoscópica "con la parte de fuera hacia dentro". Los hologramas bien diseñados que muestran este efecto claramente, quizás de forma cuantitativa, serían estupendos.

Proyección de imágenes dimensionales ¿Qué ocurre si proyectamos una imagen tridimensional directamente en el aire o en una nube de humo? No funciona bien, pero puede ser interesante averiguar exactamente el por qué. Esto implicaría realizar unos cuantos hologramas de prueba y ver que se puede hacer con ellos en diferentes situaciones.

Aberraciones en holografía Unas cuantas demostraciones bien planificadas de astigmatismo, coma y aberraciones esféricas en holografía ayudarían a la gente a captar estos conceptos más fácilmente.

Hologramas de sombras Se pueden crear interesantes hologramas de arco iris en un sencillo paso óptico si los sujetos son sombras de objetos tridimensionales. El disparo es lo suficientemente rápido como para estimular la experimentación. Se pueden añadir elementos refractados para producir modulaciones de color fascinantes. Las matemáticas tampoco son complejas.

Hologramas del plano de la imagen de un sólo paso Se pueden utilizar grandes lentes y espejos para crear hologramas del plano de la imagen en una cámara holográfica de un sólo paso, que hace que sea más fácil experimentar con la imagen. Es importante controlar las distorsiones, por lo que será necesaria la exploración óptica.

Holografía de imagen reducida

La reducción de la imagen de un sujeto aporta cierto atractivo al holograma resultante. Aunque esto resulta más interesante en el caso de retratos con láser pulsado, se pueden explorar también los dispositivos ópticos con la holografía de sobremesa de onda continua. El principal problema parece ser la aberración esférica, que provoca una fuerte oscilación de la imagen.

Interferometría del holograma

Existen tres clases diferentes de interferometría con hologramas: 1) hologramas de "franjas en directo" 2) hologramas de exposición doble, con algo de estrés entre medias, y 3) hologramas de exposición continúa para objetos en continuo movimiento.

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