Yuri Denisyuk y el holograma por reflexión

El primer trabajo sobre holografía fue publicado por Dennis Gabor en 1948. Sin embargo, apenas diez años después, todos los que habían iniciado las primeras investigaciones sobre holografía ya habían decidido abandonarla completamente, incluido el propio Gabor que en su nuevo puesto como Professor en el Imperial College de Londres  estaba estudiando problemas relacionados con la fusión nuclear al tiempo que escribía sobre las relaciones entre la ciencia y la sociedad. El equipo de la compañía británica de ingeniería eléctrica en la que Gabor realizó los primeros experimentos sobre holografía estaba ahora centrado en la mejora del diseño de sus microscopios electrónicos comerciales. Los físicos que en un principio se habían dedicado con entusiasmo a la técnica de Gabor estaban ahora en otros temas: Paul Kirkpatrick trabajaba en reflectores para telescopios de rayos X, Albert Baez y Gordon Rogers estaban centrados en su labor académica, mientras que Adolf Lohmann se dedicaba a la formulación matemática de ciertos problemas relacionados con el procesado óptico de imágenes.

Sin embargo, aproximadamente por esas fechas el concepto de reconstrucción del frente de onda estaba siendo reinventado en un contexto diferente. Un investigador que trabajaba de forma aislada estaba realizando una serie de estudios similares en el centro de investigación óptica más importante de la antigua Unión Soviética. Su nombre era Yuri Denisyuk (1927-2006), por aquel entonces científico del Instituto Estatal de Óptica Vavilov de Leningrado, y que inició la segunda investigación sobre holografía hacia 1958. Denisyuk desconocía el trabajo de Gabor, no sólo porque salvo al principio su éxito y difusión fueron muy limitados, sino porque era el periodo de la guerra fría y la transferencia de información, sobre todo científica, entre los dos grandes bloques, el este y el oeste, era prácticamente inexistente.

Yuri Nikolaevich Denisyuk nació el 27 de julio de 1927 en Sochi, en el Mar Negro, pero creció y estudió en Leningrado. En sus años en el colegio su sueño era trabajar en campos de la física fundamental como la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad, las cuáles atraían a los jóvenes de su tiempo. Sin embargo, tuvo que cambiar de planes y se licenció en el Departamento de Ingeniería Física del Instituto de Mecánica de Precisión y Óptica de Leningrado en 1954. Ese año, y bajo la supervisión de Alexander Elkin, comenzó a trabajar en el campo de la instrumentación óptica en el Instituto Estatal de Óptica Vavilov, en lo que él consideraba un trabajo aburrido relacionado con el desarrollo de dispositivos ópticos convencionales para la armada soviética. Denisyuk decidió doctorarse y desde 1958, Elkin le permitió dedicar parte de su tiempo a llevar a cabo investigaciones para que pudiera realizar la tesis doctoral bajo la dirección de Eugenii Iudin, otro colega del mismo laboratorio. Aunque Iudin falleció pocos meses después, durante los dos años y medio siguientes (de diciembre 1958 a junio 1961) Denisyuk fue capaz de continuar su tesis doctoral sin contar con un director de tesis y bajo la única supervisión de Elkin, quien le proporcionaba un pequeño estipendio así como cierto material que le permitía seguir realizando las experiencias de laboratorio que el propio Denisyuk diseñaba.

En sus investigaciones iniciales sobre holografía Denisyuk se inspiró tras la lectura del libro de ciencia ficción Star Ships del escritor ruso Efremov. El propio Denisyuk escribió en una ocasión que uno de los episodios de este libro le impresionó profundamente. En éste, unos arqueólogos, mientras trabajaban en una excavación, encontraron accidentalmente una extraña placa. Tras limpiar su superficie, y detrás de una capa completamente transparente, apareció una cara mirándolos. La cara estaba aumentada por medio de algún procedimiento óptico, tenía tres dimensiones y un gran realismo, sobre todo en sus ojos. A Denisyuk se le ocurrió la idea de crear tales fotografías por medio de la óptica moderna, lo que años más tarde consiguió mediante lo que se conoce como holograma de reflexión. Este tipo de hologramas, que recibieron el nombre de su inventor, holograma de Denisyuk, presentan la propiedad de que su reconstrucción se hace con luz blanca. Esta nueva técnica estaba basada en el trabajo del físico francés Gabriel Lippman sobre fotografía en color realizados a finales del siglo XIX y por el cual obtuvo el premio Nobel de física en 1908. La técnica de Lippman consistía en proyectar la imagen creada por el objetivo fotográfico sobre una emulsión fotográfica de grano muy fino a la que había adosado una superficie de mercurio como espejo de modo que la luz reflejada en el espejo junto a la incidente da lugar a un patrón de ondas estacionarias. Los granos de plata se precipitan en los máximos de intensidad y se forman superficies que reflejan sólo la luz en una banda estrecha alrededor del color original, ya que sólo para este color las ondas difundidas en las superficies de Lippman se superponen en fase. Como dato anecdótico, esta técnica fotográfica de Lippman fue utilizada y desarrollada con éxito por nuestro premio Nobel de medicina, Santiago Ramón y Cajal, tal y como queda recogido en su libro Fotografía de los colores editado en Madrid en 1912. Ramón y Cajal fabricó sus propias placas fotográficas y en su libro da consejos y proporciona un método para obtener placas de espesor uniforme y buena sensibilidad.

Volviendo a la técnica propuesta por Denisyuk, éste hacía incidir las ondas objeto y referencia por las caras opuestas de la placa fotográfica formada por una lámina de vidrio en la que estaba depositada la emulsión fotosensible. Para ello situaba el objeto junto a una de las caras de la placa e iluminaba la otra cara con un haz de luz filtrado proveniente de una lámpara de mercurio. La onda luminosa, tras atravesar la placa, incide sobre el objeto y la onda reflejada por éste interfiere con la onda incidente dando lugar a un patrón de ondas estacionarias que puede ser fotografiado en la placa fotográfica.  Esta placa, una vez revelada, se ilumina con un haz de reconstrucción de luz blanca y el objeto aparece en su posición original y del mismo color que el de la luz empleada en el registro (siempre que no haya variación en el espesor de la capa de la emulsión fotográfica). A partir de 1959 Denisyuk empezó a fabricar sus propias emulsiones fotográficas para que fueran capaces de registrar el patrón de ondas estacionarias y en 1962 anunció su descubrimiento que denominó fotografía de ondas y que hoy se conoce como holograma por reflexión.

 

Sin embargo, hay un aspecto importante que diferencia las ideas de Gabor y Denisyuk. Mientras que Denisyuk concibió sus estudios como el almacenamiento de un patrón de ondas estacionarias en todo el volumen de la emulsión fotográfica, es decir, un almacenamiento tridimensional, para Gabor se trataba del almacenamiento bidimensional del diagrama interferencial en la superficie de la emulsión. Las fuentes luminosas que disponía Denisyuk eran lámparas de mercurio con una longitud de coherencia de unas pocas décimas de milímetro por lo que sus hologramas eran de objetos con poca profundidad como espejos convexos con grandes radios de curvatura. Más adelante Denisyuk señaló que lamentaba no haber pensado hacer uso de otros objetos con relieve como monedas, ya que en ese caso habría demostrado la posibilidad de utilizar su técnica para formar imágenes de objetos tridimensionales, lo que desde luego habría proporcionado un mayor éxito a sus investigaciones. Esto es una prueba de que en holografía la elección del objeto determina en muchas ocasiones el éxito de las investigaciones científicas y de los resultados artísticos.

Denisyuk con su retrato holográfico. Créditos: SPIE.

Denisyuk publicó un primer artículo [“On reflection of the optical properties of an object in wavefield of radiation scattered by it”] sobre este tema en 1962 en una revista de la Unión Soviética y en ruso. Después de éste, publicó otros dos artículos incluyendo más resultados, pero tuvo dificultades para que fueran aceptados por los científicos rusos responsables de la revista. Tras completar su tesis doctoral en 1961, Denisyuk volvió a sus antiguas investigaciones sobre instrumentación óptica para la armada soviética como jefe de un nuevo laboratorio de investigación, de modo que sus oportunidades para continuar con su trabajo en la fotografía de ondas eran muy limitadas. Como el mismo señaló, la investigación en esta técnica languideció en la Unión Soviética en los años siguientes a 1961 y para sus contemporáneos la conexión de su trabajo con la reconstrucción del frente de onda de Gabor era marginal y además, ambos esquemas parecían estériles y sin posibles aplicaciones.

(a) Registro y (b) reconstrucción de un holograma de reflexión (Y. N. Denisyuk, “My way in Holography”, Leonardo, Vol. 25, No 5, 425-430, 1992. Dibujo original de Yuri Denisyuk).

Sin embargo, la “fotografía de ondas” de Denisyuk, recibida al principio con gran escepticismo –cuando no con cierto menosprecio–, desempeñó un papel trascendental en la evolución futura de la holografía así como en algunas de sus aplicaciones más importantes. Sus investigaciones no fueron conocidas fuera de la Unión Soviética hasta finales de la década de 1960 y su posición cambió, como la de Dennis Gabor, gracias a los trabajos de Emmett Leith y Juris Upatnieks, aunque no fue hasta 1970 cuando sus contribuciones obtuvieron el reconocimiento mundial y Denisyuk recibió ese año el Premio Lenin, la más alta distinción científica de la antigua Unión Soviética, siendo elegido miembro de la Academia de Ciencias de la URSS. En 1992 era galardonado con el R. W. Wood Prize, concedido por la Optical Society of America (OSA). La Academia de Ciencias de Hungría le concedió el International Dennis Gabor Award en 1993. Yuri Denisyuk falleció el 14 de mayo de 2006 en San Petersburgo.

Hologramas por reflexión de objetos de museos.

BIBLIOGRAFÍA

A. Beléndez, Holografía: ciencia, arte y tecnología (Lección inaugural, Universidad de Alicante, 2007).

A. Beléndez, “Holografía: Generalidades”. Fundamentos de Óptica para Ingeniería Informática. Servicio de Publicaciones de la Universidad de Alicante (1996).

S. F. Johnston, Holographic Visions. A History of New Science (Oxford University Press, Oxford 2006).

M. Quintanilla, “Holografía, Ciencia y Arte”, Revista de la Real Academia de Ciencias de Zaragoza”, Vol. 60, 57-64 (2005).

“Gabriel Lippmann – Nobel Lecture: Colour Photography”. Nobelprize.org. Nobel Media AB 2014. Web. 21 Apr 2017.

S. Ramón y Cajal, Fotografía de los Colores. Bases Científicas y Reglas Prácticas (Prames, Zaragoza, 2007).

Y. N. Denisyuk, “My way in Holography”, Leonardo, Vol. 25, No 5, 425-430 (1992).

Y. N. Denisyuk, “On reflection of the optical properties of an object in wavefield of radiation scattered by it”, Optics and Spectroscopy, Vol. 15, pp. 522-532 (1962).

Y. N. Denisyuk y V. Gurikov, “Advancement of Holography, Investigations by Soviet Scientists”, History and Technology, Vol. 8, No. 2, pp. 127-132 (1992).

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¿Por qué celebrar un Día Internacional de la Luz?

Los seres humanos siempre hemos sentido y seguimos sintiendo una gran fascinación por la luz, evidentemente porque la vista es uno de nuestros sentidos, quizás el más importante. Fenómenos luminosos como el arco iris, la aurora boreal, el parhelio, el fatamorgana o simplemente las salidas y puestas del Sol nos siguen maravillando como ya sucediera a nuestros antepasados. Lo cierto es que la luz afecta a cada día de nuestras vidas. Es evidente que la luz emitida por el Sol juega un papel fundamental en el desarrollo de la vida en la Tierra y es la principal fuente de energía de nuestro planeta. Ante la pregunta: ¿qué recibimos del Sol?, seguro que contestaríamos: luz y calor e incluso algunos añadirían rayos ultravioleta, de los que por suerte para nuestra salud la atmósfera terrestre nos protege en mayor o menor medida. Sin embargo, realmente no se trata de tres cosas distintas, sino que es sólo una: energía en forma de ondas electromagnéticas con longitudes de onda correspondientes a las radiaciones visible, infrarroja y ultravioleta, que producen en nuestros cuerpos efectos y sensaciones diferentes.

Después del gran éxito que supuso la celebración del Año Internacional de la Luz 2015, en el que se puso de manifiesto la importancia de las ciencias y tecnologías basadas en la luz y que dio lugar a más de 13.168 actividades desarrolladas en 147 países, el Consejo Ejecutivo de la UNESCO, en su sesión número 200, estableció el Día Internacional de la Luz (DIL) el 16 de mayo de cada año (200 EX / Decisión 27). La 39ª Conferencia General aprobó esta decisión en el documento 39 C/40. Este Día Internacional tiene como objetivo fundamental poner de manifiesto el papel fundamental que desempeñan la luz y sus tecnologías en todas las actividades humanas. La luz se encuentra en el origen de la vida, ha inspirado la belleza, a pintores, poetas, arquitectos… y es esencial en fotografía, cine, teatro o televisión, pues no cabe duda que afecta a la respuesta emocional de la audiencia. Basta mirar a nuestro alrededor para comprobar que las numerosas aplicaciones de la luz han revolucionado la sociedad a través de la ciencia, la ingeniería, la arquitectura, la medicina, las comunicaciones, la cultura, el arte y el ocio.

Por tanto, el Día Internacional de la Luz es una iniciativa global que pretende poner el foco en la importancia de la luz y en el papel que desempeña en la ciencia, la cultura y el arte, en la educación y el desarrollo sostenible, así como en campos tan diversos como la medicina, las comunicaciones y la energía. Esta amplitud de campos donde el papel de la luz es fundamental permitirá que muchos sectores de la sociedad en todo el mundo participen en actividades para demostrar cómo la ciencia, la tecnología, el arte y la cultura pueden ayudar a alcanzar los objetivos de la UNESCO: educación, igualdad y paz.

Las industrias relacionadas con la luz son auténticos motores económicos y desde la invención del láser, uno de los más importantes y versátiles instrumentos científicos, la Óptica y la Fotónica satisfacen cada vez más necesidades de la Humanidad en múltiples vertientes. Dan acceso a la información, facilitan las comunicaciones, ayudan a preservar el patrimonio cultural, promueven el desarrollo sostenible y aumentan la salud y el bienestar sociales. Las tecnologías basadas en la luz también aportan nuevas soluciones a los problemas mundiales en campos como la energía, la educación, la agricultura, el medioambiente y la sanidad. Sin embargo, la luz a veces no sólo es importante por su presencia, sino también por su ausencia. La contaminación lumínica se ha convertido en un auténtico problema de los países más desarrollados que no sólo afecta a las observaciones astronómicas (ya no podemos ver la Vía Láctea al mirar al cielo por la noche), sino también a pájaros, insectos, tortugas marinas y a otras criaturas nocturnas, además de suponer un auténtico despilfarro de energía.

Es indudable que el estudio de la luz y sus tecnologías se ha convertido en una disciplina transversal clave de la ciencia y la tecnología del siglo XXI, por lo que resulta esencial que seamos plenamente conscientes de la importancia del estudio científico de la luz y la aplicación de las tecnologías basadas en la luz para el desarrollo sostenible mundial. Al igual que a veces se ha denominado al siglo XX como el «siglo de la electrónica», quizás el siglo XXI sea el «siglo de la luz», fundamentalmente gracias a los avances en Óptica y Fotónica acaecidos en los últimos sesenta años.

Pero ¿por qué el 16 de mayo? La respuesta es que el 16 de mayo es el aniversario de la primera emisión láser que en 1960 obtuvo el físico e ingeniero Theodore Maiman. El láser es un ejemplo perfecto de cómo un descubrimiento científico puede generar beneficios revolucionarios para la sociedad en comunicaciones, atención médica y muchos otros campos. Sin embargo, el Día Internacional de la Luz no solo se refiere al láser y la ciencia. También incluye aspectos del arte, la cultura, el entretenimiento, de hecho ¡en todas partes está presente la luz! Este día desea ser también un llamamiento para fortalecer la cooperación científica y aprovechar su potencial para fomentar la paz y el desarrollo sostenible.

En 1917 Albert Einstein señaló: «durante el resto de mi vida reflexionaré sobre lo que es la luz». El 16 de mayo de cada año, millones de personas en todo el mundo reflexionarán también sobre lo maravillosa que es la luz y sobre las múltiples maneras en que ésta y sus tecnologías pueden mejorar nuestras vidas.

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Los científicos no estudian la naturaleza porque sea útil…

“Los científicos no estudian la naturaleza porque sea útil; la estudian porque les place, y les place porque es bella. Si la naturaleza no fuese bella, no valdría la pena conocerla, no valdría la pena vivir la vida”.

Henri Poincaré (1854-1912)

Henri Poincaré (1854-1912). Créditos: Wikipedia.

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Why celebrate an International Day of Light (May 16th)?

Humans have always felt –and still feel– fascination for light, mainly thanks to those magnificent organs of the human body which are the eyes. Luminous phenomena such as rainbows, aurora borealis, sundogs, Fata Morgana or just the rising and the setting of the Sun still amaze us as they did our ancestors before us. The truth is that light affects every day of our lives. Clearly, the light emitted by the Sun plays a fundamental role in the development of life on Earth and it is the main source of energy for our planet. If someone asks «what do we get from the Sun?» we immediately answer: «light and warmth» and some might even add «ultraviolet light», from which – luckily for our health– the Earth’s atmosphere protects us to a greater or lesser extent. However, they are not really three different things, but one and the same: energy in the form of electromagnetic waves with wavelengths corresponding to visible, infrared and ultraviolet radiations, which produce different effects and sensations.

Following a highly successful International Year of Light 2015, which highlighted the importance of light-based sciences and technologies and saw more than 13,168 activities implemented in 147 countries, the Executive Board of UNESCO, at its 200th session, established the International Day of Light on 16 May of every year (200 EX/Decision 27). The 39th General Conference has approved this decision in document 39 C/40. This International Day highlights the fundamental role of light and its technologies in all human activities. Light is at the origin of life, it has inspired beauty, painters, poets, architects… and is essential to photography, cinema, theatre or television because there is no doubt that light affects the emotional response of the audience. We just need to look around us to verify that the numerous applications of light in science, engineering, architecture, medicine, communications, culture, art and leisure have revolutionized society.

The International Day of Light is a global initiative that provides an annual focal point for the continued appreciation of light and the role it plays in science, culture and art, education, and sustainable development, and in fields as diverse as medicine, communications, and energy. The broad theme of light will allow many different sectors of society worldwide to participate in activities that demonstrates how science, technology, art and culture can help achieve the goals of UNESCO – education, equality, and peace.

The industries related to light are true economic engines and with the invention of the laser –one of the most important and versatile scientific instruments– Optics and photonics are increasingly meeting the needs of humanity in multiple aspects. They give access to information, facilitate our communications, help to preserve our cultural heritage, promote sustainable development and enhance health and social welfare. Light–based technologies are also providing new solutions to various global issues in areas such as energy, education, agriculture, environment and health. However, excessive light may sometimes have adverse consequences. Light pollution has become one of the biggest problems in developed countries since it not only affects astronomical observations –the Milky Way is no longer visible in the night sky–, but also birds, insects, turtles and other nocturnal creatures, not to mention the tremendous waste of energy involved. There is no doubt that the study of light and light–based technologies has become a cross-cutting discipline of science and technology in the 21st century. For this reason, it is essential that we be fully aware of the importance of the scientific study of light and the application of light-based technologies for sustainable global development. This requires public and private investment to develop research projects in different fields related to light and technologies. In the same way that the 20th century has sometimes been called the century of electronics, perhaps the 21st century will be known as the century of light, mainly due to the advances in optics and photonics that have taken place in the last sixty years.

But, why May 16th? The answer is that May 16th is the anniversary of the first successful operation of the laser in 1960 by physicist and engineer, Theodore Maiman. The laser is a perfect example of how a scientific discovery can yield revolutionary benefits to society in communications, healthcare and many other fields. However, the International Day of Light is not just about lasers and science. It also includes aspects of art, culture, entertainment – everywhere light is present in fact! This day is a call to strengthen scientific cooperation and harness its potential to foster peace and sustainable development.

In 1917 Albert Einstein declared: «for the rest of my life I will reflect on what light is.» Every May 16th of each year, millions of people around the world will reflect on how wonderful light is and the many ways in which light and light–based technologies can improve our lives.

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Sobre la enseñanza/aprendizaje de la Física

“Es cierto que no se puede aprender Física memorizando fórmulas y terminología únicamente, pero también es cierto que la memorización juega un papel muy importante en el desarrollo intelectual. Es cierto que los estudiantes deben contar con libertad para descubrir por sus propios medios, pero también es cierto que se pueden beneficiar mucho de una acción tutorial bien dirigida. Es cierto que las experiencias empíricas con fenómenos naturales son esenciales para desarrollar una comprensión intuitiva de los mismos, pero también es cierto que, para muchos, la representación matemática de dichos fenómenos les proporciona una intuición aún más aguda que la experiencia. Es cierto que los estudiantes deben ser envueltos de forma activa en un proceso de aprendizaje, pero también es cierto que pueden darse bellos procesos de aprendizaje mientras se escucha una conferencia o se atiende a un programa de televisión. Es cierto que los estudiantes quieren aprender aquello que es relevante para su futura acción profesional, pero también es cierto que les gusta acercarse a lo fantasioso y llegar al límite de lo desconocido. Es cierto que los profesores deben ser objetivos en sus representaciones disciplinares y que no deben forzar a sus estudiantes a aceptar su propio enfoque y filosofía, pero también es cierto que inevitablemente la enseñanza es una aventura de defensa de ciertas ideas con la consiguiente exclusión de otras”.

Frank Oppenheimer, “Teaching and Learning”, American Journal of Physics 41, 1310-1313 (1973).

Frank Oppenheimer (1912–1985).

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