Holografia

A holografia é um ramo da óptica, a qual é uma disciplina da Física que trata das propriedades e comportamentos da luz, quer no vazio, quer em interacção com outros meios.

O que é um holograma?

Um holograma é um registo fotográfico que consegue conservar informação não só da intensidade, mas também da fase da luz.

Compreenda-se por intensidade, toda a informação sobre cores (cromaticidade), luminosidade, etc. – tudo o que uma fotografia “normal” consegue registar. A fase indica as diferenças de tempo com que a luz nos chega aos olhos. Por exemplo, a sensação de tridimensionalidade provém do facto da luz não vir toda do mesmo plano, ou seja, se imaginarmos uma cadeira, a luz que provém das pernas mais perto de nós chega-nos primeiro aos olhos que a que vem das pernas mais afastadas, visto que a luz tem que percorrer um maior caminho (é claro que o facto de termos visão binocular também está intimamente relacionado a criação da tridimensionalidade na nossa percepção visual). Esta fase não é gravada numa fotografia “normal”, nesta só conseguimos compreender a tridimensionalidade da imagem porque sabemos à partida que ela está lá implícita (bem como por questões de perspectiva, sombra, etc.).

Como se grava a fase no holograma?

Para quem souber um pouco de óptica elementar sabe que, por exemplo, se se fizer interferir dois feixes de luz LASER, estes vão produzir um padrão de interferência (aconselho a leitura do artigo sobre o Carácter Dual da Luz e Matéria), o qual está intimamente relacionado com a fase da luz interveniente. Se a fase mudar (mudando, por exemplo, a distância a que está um dos LASERs), o padrão altera-se!

Para fazer um holograma faz-se interferir luz LASER e luz proveniente de um objecto (que se quer gravar).

Existem dois tipos gerais de configuração de montagem: hologramas de reflexão e de transmissão. Diferem entre si apenas no aspecto de que nos primeiros o feixe de LASER – normalmente denominado de feixe referência – “vem” de um lado do holograma, enquanto que o feixe de luz proveniente do objecto – feixe objecto – “vem” do outro lado do holograma; no caso dos hologramas de transmissão os dois feixes vêm do mesmo lado. No exemplo seguinte trata-se, como devem identificar, de um holograma de reflexão:

Notar que o objecto não emite luz, portanto ter-se-á que ter luz a incidir nele, sendo parte dela reflectida em direcção ao holograma. No exemplo de cima é fácil de observar que a luz LASER passa pelo holograma (que são as chapas de vidro e a emulsão holográfica, em que as primeiras servem de suporte a esta última) e vai incidir no objecto, o qual reflete a luz para “trás” – em direcção ao holograma, de tal modo que a luz do LASER interfere com a luz reflectida do objecto no holograma.

Eis alguns exemplos de padrões de interferência (projectados num plano):

Os padrões podem ser bem mais complexos que estes. Como podem verificar, o padrão em si tem a informação “codificada”.

Como é que é gravada uma coisa destas no holograma? Como dito anteriormente, junto com os vidros tem-se uma emulsão de haletos de prata, os quais têm a propriedade de serem fotossensíveis, o que significa que em contacto com a luz eles reagem. Assim, nas partes que correspondem a máximos de luminosidade do padrão (na imagem de cima são as “riscas” vermelhas) ficaremos com haletos de prata que reagiram, enquanto que na parte dos mínimos (zonas entre as riscas) ficam os haletos de prata “normais”, sem terem sofrido reacção. 

Porquê LASER?

LASER é a sigla para Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, ou seja, amplificação de luz por emissão estimulada de radiação. Usa-se LASER porque esta luz tem a particularidade de ser coerente temporalmente, quer isto dizer que a sua fase é constante. Que significa isto e o que importa? Convém ter em mente que a luz é uma onda electromagnética, ou seja, são campos eléctricos e magnéticos que oscilam ao longo do tempo; a relação entre estas oscilações e o tempo dá-nos a fase, a qual é importante, pois, como antes referi, o processo fundamental para gravar o holograma é a interferência entre os feixes, em que o padrão produzido depende directamente da diferença de fases entre o feixe que provém do objecto e aquele que provém do dispositivo LASER, deste modo esta diferença de fases tem que ser constante, pois só deste modo teremos um só padrão gravado. Uma fase não constante iria produzir um holograma distorcido (ou se preferirem, vários sobrepostos). Notar que para que isto funcione, a luz que provém do objecto também tem que ser coerente. Isto é facilmente conseguido se esta for a reflexão da luz LASER, como expliquei em cima (primeira imagem).

 E para que é que era a lente na primeira imagem?

A função da lente divergente é simples: fazer divergir o feixe LASER. A luz LASER, como já devem ter visto, ilumina sempre uma área bastante reduzida, por isso usa-se então a lente para fazer com que esta área aumente de modo a que o objecto seja iluminado numa área superior, bem como para que a área onde se dá a interferência no holograma seja maior, de modo a que fique registada mais informação do objecto.

E as distâncias entre o dispositivo LASER, holograma, e objecto são aleatórias?

Não. Além da coerência temporal antes salientada, é necessário também coerência espacial. Não querendo entrar em pormenores um pouco mais complexos, podem ficar com a ideia de que a luz LASER só se comporta como luz coerente (temporalmente) até uma dada distância, o chamado comprimento de coerência, assim tem-se que ter o cuidado de que a diferença de caminhos entre a luz LASER até ao holograma e a luz LASER que vai ao objecto e reflecte para o holograma tenham um comprimento inferior a esse comprimento de coerência. Caso tal condição não seja verificada, volta-se à questão antes referida de que no holograma não haverá diferenças de fase constantes e como tal o holograma ficará distorcido.

Todos estes factos da coerência podem começar a levar-vos a supor (e bem) que estes sistemas que se criam para registar os hologramas são muito sensíveis. A fase é algo que está relacionado com o comprimento de onda, o qual no visível está compreendido entre cerca de 330 e 780 nm ( – mil milhões de vezes inferior ao metro), o que significa que as “medidas” envolvidas são minúsculas. Assim, uma leve perturbação no momento de gravação do holograma pode conduzir de imediato a um holograma danificado, pois é gravado um padrão deturpado. Quando digo pequena perturbação, estas podem provir por exemplo das ondas mecânicas geradas pelo som da vossa voz! A mesa a usar para uma montagem deste tipo não pode ser “normal”: usam-se mesas com pneumáticos para amortecer as vibrações que podem ocorrer no chão.

Temos um holograma com um padrão, e agora o que fazemos com ele?

Para que se possa visualizar a imagem gravada no holograma usa-se uma outra propriedade óptica também discutida no meu artigo sobre o Carácter Dual da Luz e Matéria: difracção.

A ideia está representada na imagem seguinte:

Faz-se incidir luz sobre o holograma e esta difracta no padrão gravado. Como explicado no outro artigo, a luz quando se depara com um obstáculo (com dimensão da ordem de grandeza do comprimento de onda incidente) vai “contorná-lo” – neste caso, tratando-se de um padrão de franjas (máximos e mínimos como antes referido), a luz irá difractar por todas elas. O resultado, como devem supor, é a reconstrução da imagem do objecto que deu origem ao padrão. (Para que a reconstrução seja “perfeita” dever-se-á usar luz LASER equivalente àquela que foi usada para gravar o holograma.) Esta imagem como tem informação da fase não se forma sobre um plano, mas sim sobre vários, dependendo da forma do objecto. Como podem pensar, tendo em conta a configuração antes discutida, apenas a frente do objecto virada para o holograma é gravada. Este facto por vezes desilude as pessoas, que esperavam uma imagem 3D com informação de vários lados do objecto. Para isso são necessárias configurações bastante mais complicadas do que aquela que apresentei.

Para finalizar, faço a ressalva de que existem outros fenómenos ópticos que podem parecer holografia, sem de facto o serem. Às vezes são até simples ilusões de óptica, ainda que por vezes sejam “vendidos” como sendo holografia.