Haciendo Hologramas En La Escuela Y En La Casa

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Revista Brasileira de Ensino de Fı́sica, v. 32, n. 3, 3502 (2010)www.sbfisica.org.brHaciendo hologramas en la escuela y en la casa(Making holograms at school and at home)Rolando Serra Toledo1 , Alfredo Moreno Yeras1 , Daniel S.F. Magalhães2 ,Mikiya Muramatsu3 y José B. Lemus41Departamento de Fı́sica, Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverrı́a, Ciudad de la Habana, Cuba2Instituto de Fı́sica, Universidade Estadual de Campinas, Campinas SP, Brasil3Instituto de Fı́sica, Universidade de São Paulo, São Paulo, SP, Brasil4Departamento de Ciencias Básicas, Facultad de Ingenierı́a, Universidad Libre de Colombia, Bogotá, ColombiaRecebido em 28/10/2009; Aceito em 11/12/2009; Publicado em 17/2/2011La comunidad cientı́fica que se ocupa de los problemas relacionados con el proceso de enseñanza-aprendizajede la fı́sica, ha dedicado muchos esfuerzos en los últimos años al perfeccionamiento del mismo, motivado enprimera instancia, por las demandas de renovación que el impetuoso desarrollo cientı́fico-técnico le impone enla actualidad a la enseñanza de las ciencias. En los últimos años se ha producido un desarrollo vertiginoso enla fabricación de diodos láser que emiten en el espectro visible, esto ha permitido su utilización creciente enmúltiples aplicaciones y hace factible su utilización en la enseñanza aprendizaje de la fı́sica universitaria y enparticular de la holografı́a, por sus grandes ventajas frente a los láseres convencionales de gran costo y difı́cilmanipulación. En el trabajo se describen la instalación experimental portátil diseñada para la obtención dehologramas en la escuela y en la casa con la utilización de diodos láser, la metodologı́a de trabajo a seguir, losmétodos de procesamiento utilizados para diferentes tipos de emulsiones holográficas y un análisis de los defectosque pueden presentar los hologramas producidos y la forma de detectarlos y erradicarlos.Palavras-chave: holograma, diodo laser, fı́sica.The scientific community that deals with the problems related with the teaching-learning process of Physicshas devoted many efforts in its perfectioning in the last years motivated, in the first instance, by renewal demandsthat the rapidly scientific-technological development currently requests in the teaching of science. In the last fewyears a rapid development in the production of visible-emission diode lasers has been made, this has allowed theirincreasing use in many applications and makes possible their utilization in the teaching-learning of the physicsin the university and particularly of holography, for their great advantages over the high-cost conventional lasersand difficult handling. In this work we describe the portable experimental setup designed for the obtainmentof holograms at school and at home using diode laser, the working methodology to be followed, the processingmethods used for different types of holographic emulsions and an analysis of frequent defects in the recordingand how to detect and eradicate them.Keywords: holography, diode laser, physics.1. IntroducciónLa holografı́a es un método de recuperación integral dela información relativa al campo de irradiación difundido por un objeto real, por lo que permite obtenerimágenes ópticas tridimensionales de distintos tipos deobjetos [1].El holograma es el resultado del proceso holográfico,de manera similar a la foto que es el resultado del proceso fotográfico. Para que se pueda comprender conmayor facilidad que es un holograma, podemos decirque es una foto realizada con el empleo de un láser yque la principal caracterı́stica que posee es el caráctertridimensional de la imagen.1 E-mail:serra@electrica.cujae.edu.cu.Copyright by the Sociedade Brasileira de Fı́sica. Printed in Brazil.Al mirar un holograma el espectador tiene la impresión de ver, a través de una placa de vidrio un objetorealmente existente y puede observarlo desde diferentesángulos. El holograma refleja las zonas de luz y sombra,y la textura del material resulta visible, lo que acrecienta la impresión de relieve. En realidad el objeto noexiste en la placa holográfica, pero crea la ilusión ópticade su presencia ya que el holograma envı́a al espectadorondas luminosas idénticas a las que reflejarı́a el objetoreal. La singular cualidad que permite al hologramaproducir un duplicado óptico de un objeto, indujo a estudiar las posibilidades de su utilización como medio deenseñanza de la fı́sica [2, 3] (Ver Fig. 1).

3502-2Figura 1 - Holograma de la medalla del Premio Nobel de ErnestHemingway.La comunidad cientı́fica que se ocupa de los problemas relacionados con el proceso de enseñanza - aprendizaje de la fı́sica ha dedicado muchos esfuerzos en losúltimos años al perfeccionamiento del mismo motivadosen primera instancia, por las demandas de renovaciónque el impetuoso desarrollo cientı́fico- técnico le imponeen la actualidad a la enseñanza de las ciencias. Esto serefleja en el contexto cubano en varias tesis doctoralesdefendidas en los últimos 15 años [4-8].Entre las principales dificultades que se reportan enel mundo en la enseñanza - aprendizaje de la fı́sica(Conferencia Internacional sobre Educación en Fı́sica2003, Evento Universidad 2006 y 2008, Taller internacional sobre Enseñanza de la Fı́sica en Ingenierı́a 2004,2006 y 2008) podemos citar las siguientes: Poca motivación. Poca comprensión de los principios, leyes y conceptos que se estudian. Habilidades experimentales y de observación muylimitadas. Balance no adecuado entre las demostraciones yprácticas de laboratorio “reales” en relación con las virtuales. Muy poca utilización de medios de enseñanza enlas demostraciones en conferencias, clases prácticas yseminarios. No se analizan al nivel requerido las aplicacionesen la práctica profesional y en la vida cotidiana. Los estudiantes no sólo carecen de dominios conceptuales, procedimentales y actitudinales en esta disciplina, sino también de una actitud investigadora, creativa, crı́tica, autónoma e independiente.En este contexto, el desarrollo de nuevas propuestas didácticas para el diseño y la utilización de sistemasSerra et al.de experimentos en las diferentes formas de enseñanzaaprendizaje de la disciplina fı́sica, que incluyan el usode nuevos dispositivos tecnológicos desarrollados recientemente en el mundo, adquiere una gran importancia como contribución para lograr incrementar la comprensión de las leyes y conceptos estudiados, la motivación y al desarrollo de habilidades prácticas y deobservación en la enseñanza aprendizaje de esta disciplina.Las aplicaciones cotidianas de los láseres semiconductores son en la actualidad muy amplias por suutilización en las telecomunicaciones, reproductores ygrabadores de discos compactos, lectores de códigos debarras, impresoras y desde luego en los punteros láser,entre otras [9-11].Estos punteros láser están fabricados con diodosláser que emiten en el espectro visible, lo que hacefactible su utilización en la enseñanza aprendizaje de lafı́sica universitaria y en particular de la holografı́a, porsus grandes ventajas en relación con los láseres gaseososconvencionales como los de He-Ne de gran costo y difı́cilmanipulación (Ver Fig. 2).La realización de hologramas por los propios estudiantes en la escuela o incluso en la casa, permitirı́a lamejor comprensión de las leyes y conceptos de la fı́sicay en particular de la óptica relacionados con el proceso holográfico y además incrementar la motivaciónpor esta disciplina.En el trabajo se describen la instalación experimental portátil diseñada para la producción de hologramasen la escuela y en la casa con la utilización de diodosláser, la metodologı́a de trabajo a seguir, los métodos deprocesamiento utilizados para diferentes tipos de emulsiones holográficas y un análisis de los defectos quepueden presentar los hologramas producidos y la formade detectarlos y erradicarlos.Figura 2 - Puntero Láser utilizado para la obtención de los hologramas.

Haciendo hologramas en la escuela y en la casa3502-3Figura 3 - Dos vistas de la instalación experimental portátil para la obtención de hologramas.2.Diseño y construcción de la instalación para la producción de hologramas y metodologı́a a utilizar paraobtenerlosPara la obtención de los hologramas se construyó unainstalación experimental como se muestra en la Fig. 3.La caja cerrada, que evita la entrada de cualquierluz exterior, se coloca sobre dos cámaras de bicicletaspequeñas que permiten el aislamiento del sistema decualquier vibración exterior. La caja está diseñada deforma tal que permite introducir las dos manos parapoder manipular el sistema experimental en su interioren un ambiente iluminado.El esquema de registro holográfico recomendado porsu sencillez es el conocido como de Denisiuk que semuestra en la Fig. 4.En la Fig. 5 se muestra el esquema del proceso deregistro holográfico con una ampliación de la zona decontacto entre la emulsión holográfica y el objeto. Elfrente de onda proveniente del puntero láser (1) se divide en dos partes al incidir en la emulsión holográficatransparente (2), de forma tal que una de las partesconstituye el haz de referencia (4) y la otra parte queatraviesa la emulsión ilumina el objeto y se refleja enel mismo constituye el haz objeto (3). Al superponerseen la emulsión holográfica los haces objeto y referenciaforman como resultado un patrón de interferencia enforma de planos paralelos al de la emulsión (5).Figura 4 - Esquema de Denisiuk utilizado para el registroholográfico.Para el trabajo con el puntero láser, se debe retirarla lente delantera del mismo para lograr la expansióndel haz y la uniformidad en la iluminación del objetosin la necesidad de utilizar objetivos de microscopio yfiltros espaciales (ver Fig. 6).Figura 5 - Esquema del proceso de registro holográfico con una ampliación de la zona de contacto entre la emulsión holográfica y elobjeto.

3502-4Serra et al.Figura 6 - Haz proveniente del puntero láser sin la lente delantera.2.1.Metodologı́a para la obtención de los hologramas Encender el diodo láser y bloquear el haz con uncartón negro. Colocar la pelı́cula holográfica entre los vidrioscon la cara de la emulsión hacia el objeto (ver Fig. 7)y fijarlo con los prendedores por los extremos. Como lapelı́cula holográfica no es sensible al verde, se puede utilizar un Led de este color alimentado por baterı́as (verFig. 8) para permitir la observación en la oscuridad entodo el proceso de registro del holograma. Colocar el conjunto en la base y situar el objetoa holografiar apoyado en el vidrio por la parte trasera(ver Fig. 9). Es posible encentrar el objeto con relacióna la emulsión colocándolo sobre un pequeño soporte. Dejar reposar el sistema por 1 minuto, manteniendo el cartón negro que bloquea el haz láser en suspensión. Realizar la exposición retirando el cartón que bloquea el haz láser, teniendo cuidado en no tocar ningunaparte del sistema antes o durante la exposición. Bloquear el haz con el cartón negro al finalizar laexposición. Retirar con cuidado la pelı́cula holográfica de losvidrios y colocarla en una caja bien cerrada que impidala entrada de la luz. Preparar los productos quı́micos en las cubetasrespectivas para el procesamiento del holograma deacuerdo al tipo de emulsión utilizada como se indicaen el epı́grafe 3. Una vez finalizado todo el proceso de obtencióndel holograma, debe iluminarlo con una fuente de luzpuntual para observar la imagen holográfica del objeto.En dependencia de las condiciones después deobtenido el holograma, se puede realizar el procesamiento quı́mico del mismo en un cuarto oscuro conla ayuda de la iluminación del LED verde o tambiénse puede realizar el primer paso de revelado dentro dela propia caja negra cerrada y continuar el resto delproceso en un área iluminada.Figura 7 - Colocación de la pelı́cula holográfica entre dos vidriostransparentes.Figura 8 - LED verde acoplado a baterı́as.Figura 9 - Dos vistas de la colocación de la pelı́cula holográfica yel objeto a holografiar en el soporte.

Haciendo hologramas en la escuela y en la casa3502-5Figura 10 - En la parte superior se muestran los objetos holografiados y en la parte inferior los hologramas obtenidos.En los experimentos se utilizaron como objetosa holografiar una moneda cubana y un guerrero enminiatura. En la Fig. 10 se muestran los objetos holografiados y los hologramas obtenidos.3.3.1.Diferentes métodos de procesamiento para distintos tipos de emulsionesholográficasProcesamiento quı́mico de hologramas enemulsión 8E75 HD Agfa Gevaert (patentecubana) [12]a) ReveladoEl revelador esta formado por dos disoluciones distintas llamadas A y B. Cuando se va a utilizar se mezclan a partes iguales los lı́quidos A y B en la bandejade revelado inmediatamente antes de su uso.Solución A:10 g de pirogallol1 L de agua destiladaSolución B:60 g de carbonato de sodio1 L de agua destiladaTiempo de revelado - 2 min a 20 CEnjuague - 2 min a 20 CUn parámetro muy importante que debe ser controlado es la densidad del holograma que representa lacantidad de plata metálica producida en la emulsiónpor su exposición y revelado antes del proceso de blanqueado. Este parámetro indica el grado de opacidad dela emulsión y se expresa como el logaritmo del inversode la transparencia.En hologramas de reflexión la densidad óptima esde 2,5.b) BlanqueadoPrimer blanqueador:Dicromato de amonio - 3 gÁcido sulfúrico (96%) - 4 mLAgua destilada - 1 lTiempo de blanqueado- 2 min a 20 CEnjuague- 2 min a 20 CSegundo blanqueador:Permanganato de potasio - 0,8 gÁcido sulfúrico (96%) - 10 mLAgua destilada - 1 lTiempo de blanqueado - 2 min a 20 CEnjuague - 3 min a 20 Cc) EscurrimientoIntroducir la placa holográfica en una disolución (deltipo Photo-Flo de Kodak o Agepon de Agfa Gevaert)que permita lograr un escurrimiento adecuado y evitarla formación de gotas.d) SecadoSi utiliza un secador manual de pelo, la corrientede aire caliente se aplica a una distancia no menor de40 cm por la superficie de vidrio y no por la emulsióndirectamente, para evitar la incrustación de partı́culasde polvo e impurezas.e) ConservaciónAplicar pintura negra mate por la cara de laemulsión. La pintura spray debe aplicarse a una dis-

3502-6Serra et al.tancia mayor de 20 cm para evitar que penetre en laemulsión y ocasione un daño irreparable. Se debendar 2 manos con secado intermedio para garantizar ungrado de opacidad adecuado.3.2.Procesamiento quı́mico de emulsiónPFG-03 Slavich (metodologı́a cubana) [13]a) ReveladoSe utilizó revelador GP-2 modificado en proporciónde 40 mL de la solución concentrada en 1l de agua destilada a temperatura de 20 CGP-2 modificadoMetilfenidona - 0,2 gTiocianato de amonio - 12 gSulfito de sodio - 100 gHidróxido de potasio - 5 gTiocianato de amonio - 12 gCompletar 1l de agua destiladaTiempo de revelado - 15 min a 20 CEnjuague - 3 min a 20 Cb) FijadoF - 5 KodakTiosulfato de sodio - 240 gSulfito de sodio - 15 gÁcido acético glacial - 12 mLÁcido bórico en cristales - 7,5 gAlumbre potásico - 15 gCompletar 1l de agua destiladaTiempo de fijado - 10 min a 20 CEnjuague - 3 min a 20 Cc) EscurrimientoEnjuague en disolución de alcohol etı́lico al 50%(2 min)Enjuague en disolución de alcohol etı́lico al 90%(1 min)d) SecadoSi utiliza un secador manual de pelo, la corrientede aire caliente se aplica a una distancia no menor de40 cm por la superficie de vidrio y no por la emulsióndirectamente, para evitar la incrustación de partı́culasde polvo e impurezas.e) ConservaciónAplicar pintura negra mate por la cara de laemulsión. La pintura spray debe aplicarse a una distancia mayor de 20 cm para evitar que penetre en laemulsión y ocasione un daño irreparable. Se debendar 2 manos con secado intermedio para garantizar ungrado de opacidad adecuado.4.Principales defectos que pueden aparecer en los hologramas producidos ycomo detectarlos y eliminarlosExisten diversos factores que influyen en la calidad finalde un holograma. A continuación exponemos una listade ideas, de acuerdo a nuestra experiencia, que ayudarán a localizar el problema y conocer como resolverloo evitarlo cuando encuentre algún fallo importante enla calidad de la imagen.1. No aparece imagen Si durante el revelado la placa holográfica se oscurece rápidamente pueden haber ocurrido dos cosas:El material fue velado por una exposición accidental ala luz blanca o fue sobreexpuesto. Si durante el revelado la placa holográfica se oscurece normalmente y alcanza su densidad adecuada lacausa más probable es que ocurrió un movimiento delobjeto o de la placa durante la exposición. Si durante el revelado la placa holográfica se oscurece muy lentamente, la causa es una falta de exposición, o sea, el material esta subexpuesto.2. Faltan zonas del holograma Si la composición contiene varios objetos y uno deellos se mueve aunque sea muy ligeramente durante laexposición, no aparecerá su imagen holográfica. Si la imagen holográfica es solo una banda estrecha, el objeto se movió durante la exposición y laporción visible es la parte que permaneció estacionaria.Si la imagen holográfica es solo una lı́nea estrecha, elobjeto giró durante la exposición. Este efecto ocurreen ocasiones cuando el objeto a holografiar posee formacilı́ndrica o circular y solamente llega luz a la placa reflejada de la zona frontal del mismo.3. El holograma tiene zonas oscuras El objeto puede haber vibrado o puede habersufrido una ligera distorsión durante la exposición.4. La imagen holográfica presenta franjas de interferencia El objeto se movió ligeramente durante la exposición. Si son franjas paralelas corresponde a unmovimiento de traslación en el plano, en ocasiones originado cuando el objeto se sostiene sobre plastilina y estacede. Si la placa holográfica es la que tiene las franjasde interferencia, es ella la que se movió durante la exposición. En ocasiones se observan franjas paralelas coloreadas que van disminuyendo su intensidad a medida quenos alejamos del borde de la placa. Esto ocurre debidoa la difracción de la luz láser en los bordes de la placaholográfica durante la exposición cuando no quedan cubiertas por el portaplacas, ocurriendo reflexiones internas. Inestabilidad del láser.5. La imagen holográfica es borrosa El origen puede ser una sobreexposición o unasubexposición de la placa holográfica. Para dilucidaresto se debe chequear la densidad del holograma durante el revelado. Si no utilizó agua destilada en la composición delrevelado, la causa probable es el alto contenido de cloroque posee en ocasiones el agua corriente.

Haciendo hologramas en la escuela y en la casa Si no son las causas anteriores es posible que la iluminación del objeto no fue la requerida o que el mismose encuentre muy distante del material de registro. Se debe chequear la estabilidad de la potencia desalida del láser que puede haber variado durante la exposición.6. La imagen holográfica es muy débil y conpoco contraste Se debe chequear la lámpara de seguridad ya quees posible que este velando la placa holográfica duranteel revelado. El material holográfico puede estar defectuoso.7. La parte trasera de objetos de gran profundidad o el fondo blanco no se observan en laimagen holográfica La distancia de esa zona del objeto o del fondo a laplaca holográfica es mayor que la longitud de coherenciadel láser.8. El holograma tiene manchas en la emulsión En el proceso de revelado o blanqueado, laemulsión no queda cubierta completamente. No se le da a la placa holográfica el tiempo deenjuague necesario. Se utiliza un revelador o blanqueador mas tiempoque el de su vencimiento. No se realiza adecuadamente el paso de escurrimiento y quedan gotas de agua en la emulsión. Si las manchas ocurren después de pintar laemulsión, la pintura rea

Haciendo hologramas en la escuela y en la casa (Making holograms at school and at home) Rolando Serra Toledo1, Alfredo Moreno Yeras1, Daniel S.F. Magalh aes2, Mikiya Muramatsu3 y Jos¶e B. Lemus4 1Departamento de F¶‡sica, Instituto Superior Polit¶ecnico Jos¶e Antonio Echeverr¶‡a, Ciudad de la Habana, Cuba

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