Óptica

LD Hojas de Física

Óptica ondulatoria Holografía de reflexión de luz blanca

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Producción de hologramas por reflexión de luz blanca en un banco de óptica láser Objetivos del experimento Producción de hologramas por reflexión de luz blanca. Diferenciación entre hologramas de amplitud y de fase, y entre sus respectivas elaboraciones fotoquímicas. Reconstrucción de hologramas por reflexión de luz blanca.

Fig. 1 Fotos de hologramas

Fundamentos En la fotografía, la imagen del objeto fotografiado es fijada en la película. Por el contrario, en la holografía se graban las ondas mismas de luz reflejadas en la superficie del objeto. La película traza no solamente la amplitud de la radiación de las ondas sino también su fase, con lo que el holograma graba la posición en el espacio de cada punto del objeto. Existen diversos tipos de holograma. Por su sencillez, el montaje para producir hologramas por reflexión de luz blanca es especialmente adecuado para el principiante en holografía. Para producir hologramas por reflexión de luz blanca, un rayo láser expandido atraviesa un medio fotosensible (película) e incide sobre un objeto que se encuentra atrás. En su viaje de vuelta, la luz, reflejada en la superficie irregular del objeto, alcanza al medio fotosensible, donde se superpone con las ondas de luz del rayo láser original. Dentro del medio fotosensible surgen, debido a la interferencia, ondas estacionarias, o sea, varios planos sucesivos de nodos y vientres con una distancia entre sí de λ/4. En los planos de los vientres se producen impresiones por exposición a la luz, en los planos de los nodos no. La impresión queda fija en forma de capas semitransparentes de plata. Se crea una rejilla tridimensional en la que se almacena información sobre el objeto en una especie de código óptico. En la reconstrucción, la luz que incide sobre el holograma ya listo es reflejada por las capas semitransparentes. Esta luz posee propiedades iguales a las de las ondas que originalmente vienen desde el objeto. Los paquetes de ondas que salen de las distintas capas se amplifican sólo cuando tienen idéntica fase. Esto hace que, en la reconstrucción de la imagen, ocurra una selección de longitudes de onda debida al holograma. Dado que la condición de igualdad de fase sólo se cumple para una determinada longitud de onda, es posible reconstruir la imagen con luz blanca. Luego, un holograma por reflexión de luz blanca posee la propiedad de seleccionar, entre toda la gama de longitudes de onda, sólo aquella que necesita para generar la imagen tridimensional del objeto original.

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LD Hojas de Física Según el tratamiento fotoquímico de la película expuesta se diferencian dos clases de hologramas:

Equipo 1 banco de óptica láser ................................ 1 láser de He-Ne, polarización lineal ............ 1 soporte de láser ........................................ 3 pies ópticos ............................................... 1 sostén de película ..................................... 1 sostén de objeto ....................................... 2 lentes esféricas, f = 2,7 mm ......................

473 40 471 840 473 41 473 42 473 44 473 45 473 47

1 escala de madera ...................................... 1 enchufe múltiple de 5 tomas ..................... 1 cronómetro II .............................................

311 03 663 615 597 41

1 bandeja moldeada de 6 compartimentos .. 3 botellas de polietileno, 1000 ml ................. 1 tijera con punta, 200 mm ...........................

649 11 661 234 667 016

1) 1 película para holografía .......................... 1 accesorio para cámara oscura .................. 2) 1 reactivo fotográfico ............................................

473 442 473 446 473 444

para producir hologramas de fase: Hierro (III)-nitrato-9-hidrato, 250 g ................ bromuro de potasio (KBr), 50 g ....................

671 891 672 491

Un holograma de amplitud consta de partes transparentes y no transparentes que son provocadas por los granos de plata que aparecen luego del revelado. En un holograma de fase, la capa revelada pierde su ennegrecimiento debido a un procedimiento de decoloración. Entonces, la información se conserva, según cuál sea el procedimiento de decoloración, por modificación del índice de refracción, por espesor o por ondulaciones con relieve de la superficie del holograma. Así, al reconstruir el holograma, las ondas de luz deben recorrer diferentes caminos geométricos y ópticos, con lo que surgen diferencias en la marcha de las distintas ondas. Entonces se dice que el holograma está modulado por fase. Dado que los hologramas de fase no absorben nada de la energía lumínica que ingresa en la reconstrucción, son notoriamente más luminosos que los ennegrecidos hologramas de amplitud. Es por eso que en las actuales aplicaciones tecnológicas se prefieren los hologramas de fase.

además: gotas de detergente para vajilla 1 apoyo absorbente, por ejemplo, un repasador preferentemente: 1) Agfa-Gevaert 2NFXQ HOLOFI 8E75 2) revelador para papel Agfa Neutol,

Advertencias preliminares

T3 HD NAH

Para producir buenos hologramas deben tomarse ciertos recaudos. Las influencias del ambiente y una manipulación incorrecta pueden impedir fácilmente la formación de un holograma o, al menos, provocar un detrimento de la calidad.

fijador Tetenal Superfix

Influencias del ambiente: Entre las interferencias más importantes figuran los movimientos incontrolables entre el campo de interferencia y el medio fotosensible. Ya una variación del camino óptico entre objeto y medio fotosensible del orden de λ/4 durante el registro destruye por completo el holograma. Estas interferencias pueden darse, por ejemplo, por vibraciones en el dispositivo montado o por corrientes de aire. En el presente experimento, estas influencias son sensiblemente menores, ya que se monta todo en el banco de óptica láser, que amortigua las vibraciones. El banco descansa sobre una cámara de aire que lo aísla de dichas vibraciones y posee, además, una cubierta para disminuir los efectos de la convección.

Indicaciones para la seguridad El láser de He-Ne satisface las “Exigencias de seguridad técnica para material didáctico – Láser, DIN58126 parte 6” para láser de clase 2. Observando en las instrucciones de uso las indicaciones correspondientes se evita todo peligro al experimentar con láser de He-Ne.

A pesar de un muy buen aislamiento es posible que se transmitan vibraciones mecánicas desde el ambiente hacia el montaje y que éstas tengan una intensidad tal que puedan influir en el campo de interferencia durante el registro. Esto puede producirse, por ejemplo, por el golpe de puertas al cerrarse o abrirse, por dar pisotones en el piso o por el funcionamiento de una máquina. Estas circunstancias deben ser evitadas.

No mirar de frente el haz directo ni el reflejado. Evitar pasar el límite de enceguecimiento (o sea, ningún observador debe sentir que se enceguece). Los reactivos fotográficos son, en parte, venenosos y agresivos.

También las variaciones de temperatura y presión del ambiente influyen en el campo de interferencia, ya que provocan cambios en el índice de refracción del aire. Por ello es que no resulta recomendable que haya aireaciones, corrientes de aire o aparatos de calefacción en las cercanías. Sus efectos son aún más perniciosos cuando comienzan a actuar con el experimento puesto en marcha. Pequeñas corrientes de aire pueden llegar a ser producidas por el mismo realizador del experimento. Es por ello que no debe situarse demasiado cerca del montaje en el momento del registro ni exhalar en él. Lo mismo vale, por cierto, para las

Tener en cuenta sin falta las indicaciones de seguridad del envoltorio de los reactivos. Usar gafas y guantes de protección y delantal. Los reactivos fotográficos ya usados son dañinos para el medio ambiente. No arrojarlos al desagüe. Evacuar los reactivos junto con la basura especial.

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LD Hojas de Física demás personas que se encuentren en la habitación del experimento. Utilizando la cubierta pueden disminuirse en buena medida los efectos negativos de estos factores.

Preparación

La influencia de las vibraciones mecánicas o de las corrientes de aire pueden observarse fácilmente con el interferómetro de Michelson, que también puede montarse en el banco de óptica láser (ver "Montaje de un interferómetro de Michelson en un banco de óptica láser"). El interferómetro de Michelson reacciona de manera más sensible que el presente montaje para holografía, con un movimiento del patrón de franjas de interferencia debido a las influencias mencionadas. Por este motivo constituye un aparato apto para que el realizador del experimento pondere las influencias del ambiente.

Dado que la película posee muy baja sensibilidad para una longitud de onda de 505 nm, puede trabajarse con una lámpara para cámara oscura de baja potencia color verde oscuro (o verde azulado).

Corte de la película:

Dentro de lo posible, no iluminar la película con luz directa. Tener cuidado con la cara recubierta de la película. La película cuenta con una marca en el borde. Si ésta se encuentra abajo a la derecha o arriba a la izquierda, significa que la que se está observando es la cara recubierta. Manipular la película con cuidado a fin de no maltratar el recubrimiento.

Elección del objeto:

El material de la película consiste en placas plásticas recubiertas (película plana) de 10,2 cm × 12,7 cm, que se deben recortar en un formato adecuado.

El objeto a representar por holografía debe ser suficientemente rígido. Por ello resultan adecuados materiales como, por ejemplo, metales, plásticos duros, madera, piedra, etc., e inadecuados otros como telas, papel o plantas, ya que pueden llegar a moverse (aunque sea levemente) durante el registro.

− Extraer la cantidad requerida de placas en un ambiente oscuro por completo y guardar la película sobrante nuevamente en recipientes opacos (si además son refrigerados, esto contribuye a una mejor conservación de la película). − Marcar los lugares de corte con, por ejemplo, un marcador fino y recortar luego con una tijera trozos de 42 mm × 51 mm (tolerancia: 1 mm) (ver instrucciones de uso para el Kit de óptica láser).

Los objetos que puedan tambalearse deben ser sujetados con el brazo del sostén de objetos a fin de que permanezcan algo más estables sobre el platillo portaobjetos. Los autos de juguete poseen generalmente amortiguación; por eso el platillo portaobjetos macizo del sostén de objetos viene con un puente delgado al costado sobre el que puede ubicarse el auto de manera que sus ruedas queden suspendidas en el aire.

− Guardar los recortes en recipientes absolutamente opacos (tener cuidado con la cara recubierta) y utilizar dentro de las siguientes semanas.

Solamente pueden generarse buenos hologramas por reflexión de luz blanca con objetos que reflejen mucha luz láser. Los objetos oscuros pueden ser acondicionados con tinturas en spray claras o plateadas. Cuanto mejor reflejen la luz sobre la película, más luminoso será el holograma. Es por esta razón que las monedas suelen dar muy buenos resultados.

Preparación de los reactivos fotográficos: − Limpiar bien los recipientes para conservación (botellas de polietileno). − Verter el revelador, según instrucciones de uso, en un recipiente para conservación y volcar una parte en el correspondiente compartimiento de la bandeja.

Manipulación de los componentes ópticos: También se dan fenómenos de interferencia de gran contraste por la presencia de partículas de polvo, raspaduras o huellas digitales que pueden encontrarse en la lente esférica por su manipulación inapropiada. La luz es difractada en las impurezas, con la consecuencia de que las zonas del holograma que corresponden a los máximos de difracción son impresionadas en exceso y las correspondientes a los mínimos de difracción son impresionadas en defecto. Por consiguiente, la calidad de la reconstrucción del holograma será menor. La lente esférica se debe manipular, entonces, de manera muy cuidadosa y debe estar libre de polvo. No se debe dañar su superficie ni ser tocada directamente con las manos.

Para producir hologramas de fase: − Verter el blanqueador, consistente en 100 g de hierro (III)nitrato-9-hidrato y 30 g de bromuro de potasio (KBr) en 1 l de agua (eventualmente destilada), en otro recipiente para conservación y volcar una parte en el correspondiente compartimiento de la bandeja. Y/O para producir hologramas de amplitud: − Verter el fijador, según el prospecto del fabricante, en un recipiente para conservación y volcar una parte en el correspondiente compartimiento de la bandeja.

−

Las lentes esféricas sucias pueden retirarse del sostén y limpiarse con un paño que no deje hilachas o con papel para limpiar lentes. En cualquiera de los casos, atender siempre a las instrucciones de uso.

Llenar con agua otro de los compartimentos (baño de paro).

− Llenar un compartimiento lavavajillas (sólo una gota).

con

agua

y

detergente

− Preparar cerca del agua corriente un compartimiento para el enjuague final.

Requisitos del sitio de experimentación: El ambiente donde se realice el experimento debe poder oscurecerse, ser ajeno a toda vibración mecánica, además de presentar una temperatura suficientemente estable. Además se requiere una conexión eléctrica para alimentar el láser y la lámpara de la cámara oscura, agua corriente para el enjuague final y una mesa estable no demasiado alta.

− Rotular cada compartimiento según su contenido.

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Lente esférica:

Fig. 2 Montaje del experimento para hologramas por reflexión de luz blanca en el banco de óptica láser, visto desde arriba a banco de óptica láser b cubierta c lente esférica d sostén de película e sostén de objeto

Indicaciones: El tamaño del área iluminada por los rayos láser se puede modificar con la distancia entre el sostén de película y la lente. Un holograma sólo puede aparecer en los lugares donde luego este así llamado rayo de referencia incide sobre la película. Por ello, la zona iluminada debe ser al menos tan grande como el objeto a registrar por holografía. Por otro lado, la intensidad lumínica se torna mayor cuanto menos se expande el rayo. De esta manera puede elegirse un tiempo de exposición más breve, para así también no exponer el montaje a influencias del medio durante el registro.

Montaje La disposición de los componentes ópticos en el banco de óptica láser se representa en la figura 2. Seguir los pasos siguientes para el montaje (sujetar bien los componentes en los sostenes):

La pureza del rayo expandido tiene una especial importancia para la calidad del holograma. Por ello debe evitarse, en la medida de lo posible, toda figura de difracción que pueda aparecer por un mal ajuste o por impurezas o daños de la superficie de la lente o el divisor de haz.

Banco de óptica láser y láser: − Inflar la cámara de aire. − Fijar la cubierta (b) al banco de óptica láser (a). − Ubicar el banco de óptica láser junto con la cámara de aire de forma horizontal y estable sobre la mesa de experimentación. − Montar el láser en su soporte. − Ubicar el láser en el margen izquierdo del banco de manera que la cubierta pueda cerrarse sin inconvenientes. − Conectar el láser al enchufe múltiple y encender. − Aflojar las tuercas de seguridad de los tres tornillos de ajuste del soporte de láser. − Ajustar la altura y la inclinación del láser con ayuda de los tornillos de ajuste de forma que su haz se desplace de manera perfectamente horizontal a 75 mm aproximadamente sobre el banco (de modo que entonces queda margen para un ajuste fino). Volver a medir con la escala de madera.

−

− Para ensanchar el haz de láser, ubicar la lente esférica (c) (con una menor abertura de entrada de haz del apoyo de lente mirando al láser) entre el láser y el sostén de la película.

− Ubicar la lente esférica lateralmente y arriba, de manera que pueda ser atravesada axialmente por el rayo láser. Elegir una distancia al láser lo suficientemente grande como para que la cubierta (b) pueda seguir cerrándose (ver figura 2).

Sostén de objeto: − Extraer el papel del sostén de película. − Según las posibilidades, fijar el objeto con el brazo de sostén al sostén de objeto (e). − Acercar lo más posible el sostén de objeto a la película, según muestra la figura 2. Cuidar que el objeto refleje mucha luz a la película y que reciba los rayos en el centro y con una buena exposición. − Procurar que la cubierta pueda seguir cerrándose. − Cambiar la potencia del láser a 1 mW y controlar la pureza y la marcha del rayo expandido; eventualmente ajustar la lente.

Apretar nuevamente las tuercas de seguridad.

Sostén de película: − Sujetar lo recortado y un trozo de papel blanco en el sostén de película (d), y ubicar éste, según muestra la figura 2, a 25 – 30 cm del láser e interponiéndose en la marcha de los rayos de modo que sea alcanzado en su centro por el láser, desde atrás.

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LD Hojas de Física Realización Colocación de la película: Se puede trabajar en la cámara oscura con la lámpara verde oscuro (o verde azulado). Aún así, cuidar de no iluminar la película directamente ni desde corta distancia. − Apagar el láser (para no mover el montaje luego durante la exposición a la luz, se corta la alimentación de la fuente con ayuda del interruptor del enchufe múltiple, sin usar la llave del láser). − Fijar con los dedos el pie óptico del sostén de película (d) y alejar cuidadosamente del montaje el sostén de película. − Oscurecer la habitación. − Extraer del recipiente opaco un trozo de película recortada teniendo cuidado de tocarlo sólo en sus márgenes a fin de no arruinar su recubrimiento de emulsión. − Abrir las mordazas de sujeción del sostén de película girando el tornillo de cabeza moleteada. − Deslizar la película dentro del sostén de manera que la cara con recubrimiento quede finalmente mirando al objeto. − Tensar cuidadosamente la película cerrando las mordazas de sujeción − Fijar con los dedos el pie óptico del sostén de película y volverlo a ubicar en el montaje. − Cerrar la cubierta. Exposición: El tiempo óptimo de exposición depende de la expansión del rayo láser, del objeto y de la clase de holograma. Se lo debe averiguar de manera empírica. Como valor de partida para hologramas de fase con 1 mW de potencia de láser puede emplearse un tiempo de entre 1 y 3 segundos aproximadamente. En los hologramas de amplitud, el tiempo de exposición es aproximadamente entre tres y cuatro veces menor. Para limitar la potencia del láser a 0,2 mW se usa un filtro gris que arruina la calidad del holograma mediante interferencias adicionales y hace elevar los tiempos de exposición aproximadamente al quíntuplo. − Esperar unos cinco minutos para que la película y las tensiones en el montaje se asienten. − Durante la exposición no tocar nada que pueda influir en el campo de interferencia sobre la superficie de la película (ver Advertencias preliminares). − Impresionar la película encendiendo y apagando el láser desde el enchufe múltiple, sin mover el montaje (por ejemplo, corriendo el cable de conexión del láser a la red). − Abrir la cubierta, alejar del montaje el sostén de película y tomar la película abriendo las mordazas de sujeción cuidando siempre de tocar la película sólo en sus bordes. Elaboración fotoquímica: Tras haber elegido correctamente los tiempos de exposición, luego del revelado los hologramas de fase aparecen en gris oscuro y los de amplitud en un gris suave. Quienes cuentan con experiencia en hologramas pueden variar el tiempo de exposición y lograr así resultados óptimos. Si se usan reveladores viejos o ya usados, aumentar el tiempo de revelado de manera acorde, ya que el revelador no tiene ya el mismo efecto.

− Sujetar la película en una esquina con una pinza de fotografía y moverla durante 60 segundos en el revelador.

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Detener el revelado moviendo la película durante dos minutos en el baño de paro. La fase sensible a la luz ya finalizó y, de ser necesario, puede volver a encenderse la luz normal. Para producir hologramas de fase, sumergir la película unos 5 minutos en el blanqueador y mover convenientemente al menos tanto tiempo como sea necesario para que deje de verse su ennegrecimiento; no pasar la película por fijador. Para los hologramas de amplitud, pasar la película por fijador según prospectos del fabricante. Enjuagar entre 5 y 10 minutos en agua corriente. Sumergir brevemente en agua con una gota de lavavajillas y evitar que se formen manchas durante el secado. En posición vertical para el secado, disponer el holograma sobre un apoyo absorbente. Limpiar bien la pinza de fotografía con agua.

Análisis Luego del secado puede reconstruirse el holograma con luz blanca. Para ello se lo debe exponer a la luz en la misma dirección que el rayo láser durante el registro. Esta es la misma dirección en la que debe ser observado. Los hologramas se muestran más nítidos si se los reconstruye con luz homogénea de igual divergencia que la del rayo láser expandido. Las fuentes de luz adecuadas para reconstruir hologramas son las lámparas de escritorio, las halógenas, la luz solar y también el rayo láser expandido. El holograma exhibe, si se mueve la fuente de luz durante la reconstrucción, propiedades de reflexión similares a las del objeto. Si se gira el holograma de manera que la luz le incida en la cara incorrecta, entonces se tiene la impresión de que el objeto (algo menos nítido) yace por delante del plano de la película.

Información adicional Los hologramas de fase son más fotosensibles que los hologramas fijos de amplitud. Además se decoloran más fácilmente. Su estabilidad con la luz puede ser mejorada a través de un baño en una solución de 2,5 g de yoduro de potasio (KI) y 1 litro de agua. Durante este proceso son levemente cubiertos de amarillo. Al hacer el registro del holograma, la película debe estar en una posición no perpendicular al rayo láser. Cuando ésta es dispuesta de manera torcida, durante la reconstrucción del holograma, el observador no es enceguecido por el reflejo de la fuente luminosa en la superficie de la película. Entonces, la película se puede iluminar mejor en toda su extensión.

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