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ELEMENTOS ÓPTICOS HOLOGRÁFICOS DE POLARIZACIÓN
Cristina Solano y Geminiano Martínez-Ponce
Centro de Investigaciones en Óptica A. C.; Loma del Bosque No. 115, Lomas del
Campestre, 37150 León, Gto., México; Correo-e: geminis@cio.mx , csolano@cio.mx
RESUMEN
La holografía es una técnica que registra en un medio fotoreactivo la interferencia de dos señales: un haz
objeto y un haz de referencia, principio mediante el cuál se logra reproducir las propiedades de algunos
elementos ópticos. La modulación espacial de la intensidad o del estado de polarización, resultado de las
diferencias de fase entre los dos haces, induce cambios en las propiedades ópticas de la película holográfica
que pueden ser de origen químico o físico. Para este trabajo, el medio de registro se compone de una matriz
polimérica y un elemento reactivo al campo eléctrico que posee propiedades fotoanisótropas. La inducción
simultánea de cambios en el grosor, en la birrefringencia y en el dicroismo del material permite proponer
elementos holográficos no convencionales que son sensibles a la polarización.
1. INTRODUCCIÓN
La invención del láser le dio significado al estudio de la luz coherente e importancia a algunas teorías
enunciadas anteriormente con relación a este tema. Entre ellas está la holografía, iniciada en 1948 por Denis
Gabor para mejorar la resolución de las imágenes obtenidas con un microscopio electrónico. La palabra
holografía se compone de dos vocablos con raíces griegas: holos () que significa todo y de grafos
() que significa escritura, por lo que su nombre implica que se trata de la inscripción completa en
algún medio de la información asociada a una onda luminosa reflejada por un objeto. Por lo anterior, uno de
Fig. 1 a) Registro de un holograma. b) Reconstrucción de la imagen registrada.
y
z
E2


k2
x



k1
E1
Fig. 2 Superposición de dos ondas electromagnéticas, E1 y E2, linealmente polarizadas con orientaciones 1 y 2 con
respecto a la normal del plano de incidencia.
los problemas centrales de la holografía es la búsqueda o desarrollo de materiales fotosensibles que permitan
un registro adecuado y la reconstrucción eficiente de todas las características de la onda reflejada por el objeto
(intensidad y fase), información que se encuentra encriptada en un patrón de interferencia obtenido con la
ayuda de una iluminación de referencia, Fig. 1. Entre los materiales que se han estudiado podemos mencionar
las placas de gelatina embebidas ya sea con granos de halogenuro de plata o con dicromato de amonio, los
fotopolímeros que son mezclas que pueden contener un monómero, un fotoiniciador de la polimerización de
los mismos, un donador de electrones y un material que hospede a todos los elementos, asimismo, los
materiales fotorefractivos, ya sean cristales o películas orgánicas, donde se induce una distribución de cargas
eléctricas en función de la intensidad de la luz incidente.
Para obtener un holograma dos haces de luz mutuamente coherentes E1(x,y,z;t) y E2(x,y,z;t) se
superponen sobre una emulsión sensible a la radiación electromagnética, Fig. 2. La frecuencia espacial del
patrón de interferencia dependerá de las diferencias de fase entre los haces que resultan de la discrepancia
entre los frentes de onda y de los ángulos de incidencia 1,2. Además, la visibilidad de las franjas es función
de la intensidad de cada uno de los haces y de los estados de polarización superpuestos. Para el caso de frentes
de onda planos con estados de polarización lineal orientados con acimuts 1 y 2, la intensidad en el plano de
interferencia estará dada por
I ( x, y,0; t )  I 1  I 2  2 I 1 I 2 sin 1 sin  2 cos 2  1   cos 1 cos  2 
,
(2)
 coskxsin 1  sin  2 
donde I1=|E1|2 e I2=|E2|2 son las intensidades de cada uno de los haces y k = 2 /  es el número de onda,
siendo  la longitud de onda en el vacío de la luz incidente. Si la polarización entre los dos haces es paralela
(1 = 2) se obtiene una modulación senoidal de la intensidad que modificará en forma proporcional el índice
de refracción o el coeficiente de absorción del material de registro. La visibilidad de las franjas es máxima
cuando las intensidades son iguales, obteniéndose el patrón de interferencia que se emplea convencionalmente
en la fabricación de uno de los elementos holográficos más simples, la rejilla holográfica.
La fotosensibilidad, la resolución, la razón señal a ruido y la estabilidad ambiental del medio de
registro son otros de los requerimientos para lograr un grabado y una lectura eficiente de un holograma, ya sea
simple o múltiple. Por las características de memoria que los hologramas muestran, éstos tienen una gran
cantidad de aplicaciones. Por ejemplo, la realización de pruebas no destructivas ya que es posible detectar
deformaciones de hasta la mitad de la longitud de onda de iluminación, la fabricación de elementos para
respaldar la autenticidad de documentos y, asimismo, hologramas que tengan un funcionamiento similar a un
sistema óptico.
2
Fig.3 Muestra la distribución del valor de un parámetro físico sobre un plano para un material isótropo y uno anisótropo.
2. MATERIALES FOTOANISÓTROPOS
Un material anisótropo posee un valor diferente del parámetro físico de interés en cada una de las direcciones
en las que se mide, Fig. 3. Si evaluamos las propiedades ópticas del material, la anisotropía puede definirse
como:
- Dicroismo: cuando la anisotropía se manifiesta mediante los coeficientes de absorción, y
- Birrefringencia: cuando se involucra a los índices de refracción.
Las anisotropías ópticas pueden presentarse naturalmente en algunos materiales o inducirse mediante
algún esfuerzo de origen externo que deforma las condiciones iniciales. Por ejemplo, y siendo el fenómeno
que nos interesa, es posible inducirlas al iluminar un material fotosensible con luz linealmente polarizada.
Luego, los valores del coeficiente de absorción y/o los retrasos en fase causados en el material, llamado
fotoanisótropo, son diferentes en direcciones diferentes. La probabilidad de absorción de un fotón o de
alineación de las moléculas fotoreactivas depende de la orientación del campo eléctrico incidente con respecto
al momento dipolar de la molécula. Por lo tanto, iluminar el material con luz linealmente polarizada permite
excitar selectivamente las moléculas que presentan una orientación aproximada al plano de polarización de la
luz incidente. Este tipo de fenómenos se ha observado en placas fotográficas tratadas 2, plásticos coloreados3,
películas de gelatina coloreadas4, y en polímeros5. Los polímeros que se obtienen de una síntesis pueden
presentarse como amorfos o cristalino líquidos dependiendo del orden supramolecular que resulta de la
interacción eléctrica de los elementos que lo componen. En algunos, el cromóforo esta conectado en forma
directa o mediante un espaciador flexible a la cadena principal. En toda esta gama de materiales, los procesos
fotoquímicos inducidos son diversos.
Uno de los materiales que muestran una birrefringencia fotoinducida muy grande es el polímero
azobenceno6. El origen de la fotoanisotropía es la isomerización trans-cis-trans de la molécula azo que resulta
en la alineación del momento dipolar de la molécula en forma perpendicular al campo eléctrico incidente. El
estado más estable de la molécula es en la forma trans, al cual regresa después de iluminar con la longitud de
onda adecuada o mediante la disipación térmica manteniendo la dirección del momento dipolar. Una
característica más de este material es el transporte de masa que resulta de la fuerza que ejerce el gradiente de
campo eléctrico sobre la superficie de la película y la formación de estructuras periódicas con un solo haz de
iluminación resultado de la autoreorganización del material para disipar energía mediante la difracción7. Por
último, la posibilidad de eliminar la alineación de las moléculas usando luz circularmente polarizada permite
el uso de este material como un modulador óptico todo-luz.
La anisotropía óptica inducida mediante luz se utiliza para el registro de información en el área de
holografía polarizada, donde el campo eléctrico a registrarse exhibe una modulación espacial del estado de
polarización. La posibilidad de fabricar diferentes elementos ópticos holográficos polarizantes ha
incrementado la actividad en el estudio de los materiales orgánicos fotoanisótropos. En algunos materiales
estos efectos son estables por lo que permiten su utilización como memorias ópticas de alta densidad y otras
aplicaciones de holografía polarizada.
3
a)
b)
c)
Fig. 4 Modulación espacial del estado de polarización de la luz cuando dos frentes de onda planos, a) linealmente
polarizados en forma vertical y horizontal, b) linealmente polarizados a ±45° y c) circularmente polarizados con giro
a la derecha y a la izquierda, son superpuestos.
3. ELEMENTOS ÓPTICOS HOLOGRÁFICOS DE POLARIZACIÓN
Cuando los estados de polarización de los haces superpuestos en la Fig. 2 son ortogonales no existe
modulación de intensidad. Sin embargo, como se muestra en la Fig. 4 para frentes de onda planos con estados
de polarización ortogonales, existe una modulación espacial del estado de polarización de la luz que
dependerá de las características que posean los haces usados en la formación del patrón de interferencia. Si un
material fotoanisótropo se coloca en esta región, el alineamiento y/o la excitación de las moléculas activas
estará en función de la distribución de los estados de polarización produciendo una modulación espacial del
dicroismo o de la birrefringencia. El resultado es conocido como una rejilla de polarización, pues al iluminar
con un haz que coincide con una de las polarizaciones empleadas en el registro de la rejilla se obtendrá la
reconstrucción del otro haz con el estado ortogonal de polarización. Si el haz de prueba no coincide con
ninguno de los estados de polarización usados en el registro entonces los haces difractados, al iluminar
normalmente, corresponderán a la descomposición del estado de polarización incidente en función de los
estados de polarización de registro.
Es de particular interés la configuración mostrada en la Fig. 4a, pues el gradiente de campo eléctrico
sobre la superficie alcanza su valor máximo con el doble de la frecuencia que el patrón de polarización. En
consecuencia, la rejilla de superficie originada por el transporte de masa tendrá una frecuencia espacial con el
doble del valor que la rejilla de polarización registrada en el bulto de la película. De esta manera se
observarán dos ordenes de difracción: el primero con la polarización ortogonal a la iluminación de referencia
y el segundo orden producido por la difracción de la rejilla de superficie y la segunda armónica espacial de la
rejilla de polarización en el bulto con la polarización igual a la del haz de lectura. Con base en esta
característica, un elemento óptico más puede proponerse: la lente holográfica bifocal polarizante8. Este
elemento concentrará la luz incidente en dos puntos focales con estados de polarización ortogononales, donde
la distancia focal correspondiente al primer orden será el doble de la del segundo.
A
Z4
B
Fig. 5 Esquema del arreglo experimental para el registro de una estructura qujiral en una película de aoz
Un elemento holográfico más que puede ser propuesto es un filtro espectral de polarización circular,
es decir, una rejilla holográfica de reflexión. Al momento de superponer dos frentes de onda planos
propagándose en sentidos contrarios y con giros de polarización también contrarios, Fig. 5, la distribución de
campo eléctrico consiste en una modulación periódica del acimut de la orientación de la polarización lineal
resultante. Si se coloca una película de azopolímero en el medio de esta superposición, y ortogonal a las
direcciones de propagación, se alineará a las moléculas en forma ortogonal al campo eléctrico y se inducirá
una estructura quiral. Para lograr observar un desempeño adecuado del elemento propuesto se requiere
incrementar la magnitud de la birrefringencia fotoinducida del material. Lo anterior puede lograrse mediante
el incremento del momento dipolar asociado a la molécula de azobenzeno.
4. CONCLUSIÓN
La posibilidad de inducir anisotropías ópticas en una película de azopolímero usando distribuciones espaciales
de luz polarizada permite la implementación de elementos holográficos con propiedades únicas. Hasta el
momento la única limitante es la magnitud de la birrefringencia inducida, la cual es grande cuando se
compara con otros materiales holográficos fotoanisótropos como la gelatina sensibilizada con colorantes
orgánicos. Sin embargo, es posible incrementar el momento dipolar de la molécula de azobenceno mediante
su manipulación al momento de la síntesis.
Se agradece el apoyo proporcionado por CONACyT 43194-F y CONCyTEG.
BIBLIOGRAFÍA
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
D. Gabor, Proc. Roy. Soc. A197, 454
S. Calixto, R.A. Lessard, Appl. Opt. 24, 773 (1985)
S. Calixto, C. Solano, R. A. Lessard, Appl. Opt. , 2491 (1985)
C. Solano, R. A. Lessard, Appl. Opt. 24, 1776 (1985).
G. Martinez-Ponce, T. Petrova, V. Dragostinova, N. Tomova, T. Todorov, L. Nikolova, J. Opt.
A: Pure Appl. Opt. 6, 324 (2004)
Z. Sekkat, W. Knoll, Photoreactive organic thin films, Academic Press, USA (2002)
C. Hubert, C. Fiorini-Debuisschert, P. Raimond, J. M. Nunzi, J. J. Simon, L. Escoubas,
Nonlinear Opt. Quantum Opt. 31, 221 (2004)
G. Martinez-Ponce, T. Petrova, V. Dragostinova, N. Tomova, T. Todorov, L. Nikolova, Opt.
Lett. 29, 1001 (2004)
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