Óptica - LD Didactic

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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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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LD Hojas de Física
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.
−
−
−
−
−
−
−
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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