16 de Mayo, Día Internacional de la Luz: retos de la Óptica

La Óptica es la parte de la Física que se ocupa de la luz visible y de otras ondas electromagnéticas. La luz posee una “doble personalidad”, a veces se comporta como una onda y otras lo hace como corpúsculos o paquetes discretos de energía llamados fotones, lo que se denomina “dualidad onda-corpúsculo”. Por analogía con el término Electrónica, en los últimos años se ha acuñado el término Fotónica. Aunque a menudo los términos Óptica y Fotónica se utilizan indistintamente, en ocasiones se usa este último cuando se quiere destacar la naturaleza corpuscular de la luz. El número de dispositivos y sistemas que operan con luz es cada vez mayor y se aplican en áreas muy diversas, todos ellos constituyen las “tecnologías basadas en la luz”.

Hoy en día la Óptica y sus tecnologías han salido de las universidades y de los laboratorios de investigación y forman parte de nuestra vida cotidiana. Las encontramos en hospitales e industrias de todo tipo. Compensan nuestra visión y la mejoran. Con ayuda de las fibras ópticas transportan nuestras conversaciones telefónicas, llevan las imágenes a nuestros televisores y conectan nuestros ordenadores a internet. Están en las pantallas de nuestros teléfonos móviles, en los lectores de códigos de barras y códigos QR, así como en los reproductores de audio y vídeo. Se hallan en sistemas de impresión, visión artificial, iluminación LED y de seguridad como los hologramas de billetes y tarjetas de crédito. Es evidente que las tecnologías basadas en la luz afectan a cada día de nuestras vidas.

El láser, uno de los instrumentos científicos más importantes y versátiles que se hayan inventado jamás, reactivó la Óptica de forma explosiva a partir de 1960. Esta fuente de luz coherente hizo entrar en una auténtica ebullición al mundo científico, permitiendo descubrir nuevos fenómenos ópticos y dando lugar a un sinfín de aplicaciones inimaginables hasta entonces.

La Óptica se ha convertido en una de las disciplinas científicas con uno de los futuros más estimulantes y prometedores. Las industrias relacionadas con la luz son auténticos motores económicos que mueven trescientos mil millones de euros en todo el mundo. Hoy el reto fundamental de la Óptica es satisfacer las necesidades humanas en múltiples vertientes. Tiene que ser capaz de dar acceso a la información de forma rápida y facilitar las comunicaciones lo que requiere que la próxima generación de redes ópticas funcione con mayor ancho de banda. Es necesario fabricar nuevas fuentes de luz más eficientes que proporcionen una iluminación económica y de larga duración. La aplicación de las tecnologías basadas en la luz en biomedicina está abriendo nuevas posibilidades en numerosos campos: diagnóstico médico, terapia, cirugía, imagen biomédica y tecnología clínica. Hoy en día se utilizan numerosos sensores ópticos como los pulsioxímetros y se espera desarrollar otros, por ejemplo para determinar el nivel de glucosa en sangre por métodos no invasivos.

La Óptica y sus tecnologías están llamadas a ayudar a preservar el patrimonio cultural, promover el desarrollo sostenible y aumentar la salud y el bienestar social. Tienen el reto de aportar nuevas soluciones a los problemas mundiales en campos como la energía, la educación, la agricultura, la sanidad y el medioambiente. Ya se habla de la Fotónica “verde”, cuyos retos son el desarrollo de sistemas ópticos para la generación de energía limpia y renovable, los dispositivos de iluminación de bajo consumo y el uso de materiales y componentes ópticos respetuosos con el medio ambiente.

Prueba de lo que se espera de las tecnologías basadas en la luz es el Programa Horizonte 2020 de la Unión Europea, el cual considera a la Fotónica como una de las tecnologías facilitadoras esenciales junto con la micro y nanoelectrónica, materiales avanzados, biotecnología industrial, nanotecnología y sistemas de fabricación avanzados.

La Asamblea General de las Naciones Unidas proclamó el 16 de mayo como Día Internacional de la Luz y de las Tecnologías basadas en la Luz para poner de manifiesto el papel fundamental que la luz y sus tecnologías desempeñan en todas las actividades humanas: ciencia, ingeniería, arquitectura, medicina, comunicaciones, cultura, arte, ocio, etc.

El Grupo de Holografía y Procesado Óptico, integrado en el Instituto Universitario de Física Aplicada a las Ciencias y Tecnologías de la Universidad de Alicante, desarrolla una intensa actividad investigadora en el campo de la Óptica en áreas como los materiales ópticos medioambientalmente compatibles, las memorias holográficas, la generación de dispositivos fotónicos en fotopolímeros utilizando arquitecturas híbridas óptico-digitales, la caracterización de materiales de registro holográfico o el estudio de la propagación de la radiación electromagnética en medios periódicos.

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. 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 cincuenta años.

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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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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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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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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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