Hologramas 3D en colores

Una manzana roja con hojas de color verde que parece bastante real para coger en la mano, pero allí no hay nada para tocar. Esto es porque la manzana es un holograma, una imagen tridimensional proyectada  mediante luz (fig. 1). En abril de 2011, el científico jefe de RIKEN Satoshi Kawata, el jefe del Laboratorio de Nanofotónica en el Instituto Avanzado de Ciencia en Wako, junto con su colega Miyu Ozaki, un científico visitante de la RIKEN, logró desarrollar un principio de la holografía  distinto de los métodos convencionales que hace que sea posible reconstruir un objeto tridimensional a todo color. La clave de su éxito reside en la superposición de una capa delgada de plata en la que los plasmones -oscilaciones colectivas de electrones libres en un metal- estaban muy excitados. En los últimos años, la investigación sobre los plasmones de superficie se ha expandido rápidamente en un contexto de notables avances en la nanotecnología, ayudando a establecerse como un campo de la ingeniería. Además de los hologramas, Kawata también ha llevado a cabo investigaciones innovadoras sobre aplicaciones de plasmones de superficie en nanotecnología de lentes.

Hologramas a todo color

Hace siete años, durante una entrevista con RIKEN en febrero de 2005, Kawata  citó, “lo que quiero hacer es dos cosas, una de las cuales es pionera de la nueva disciplina de la plasmónica.” Desde entonces, ha sido autor de varias publicaciones históricas de  plasmónica , incluyendo un artículo que en coautoría con Miyu Ozaki, titulado “Holografía de plasmones de superficie con iluminación de luz blanca”, que apareció en Science (abril 2011).

“En los últimos años,  películas en tres dimensiones (3D) y televisores capaces de imágenes en 3D han ido ganando popularidad, pero las imágenes de los objetos que vemos son en su mayor parte, son nada más que pares de imágenes planas reconocidas como objetos en 3D por el cerebro debido al efecto de paralaje lateral, “Ozaki explica. “Mientras tanto, la holografía ha estado durante mucho tiempo disponible como una técnica clásica para la presentación de imágenes en 3D.  Se puede haber visto una imagen estereoscópica de color rojo o azul que flota en el aire en un parque de diversiones o museo de la ciencia. Sin embargo, es difícil crear hologramas de color debido al principio detrás de la técnica. Hemos tenido éxito en el desarrollo de la holografía a todo color con un nuevo método. La manzana roja con hojas verdes que se muestra en la figura es un ejemplo”, dice Ozaki. Los plasmones de superficie han permitido que Kawata y Ozaki lograran producir hologramas que son distintos de los convencionales.

Un holograma es como una fotografía que registra las ondas de luz dispersas de un objeto, y reconstruye el objeto en tres dimensiones cuando el objeto no está realmente presente. La imagen que podemos ver es el resultado de la luz capturada que ha chocado con y se han dispersado por el objeto. “Para la grabación, se utiliza un haz  láser,  que se divide en dos haces idénticos. Las luces del haz iluminan el objeto, y la luz reflejada por el objeto se aplica a un material sensible a la luz, tal como una película fotográfica. Al mismo tiempo, otra fuente de luz llamado haz de referencia se superpone sobre el material fotosensible, “explica Kawata. “Los dos rayos interfieren entre sí y producen un patrón de bandas claras y oscuras. Esta franja de interferencia contiene información de la luz difundida por el objeto, incluyendo información sobre la forma del objeto, que luego se graba en el material fotosensible  u holograma. Para reconstruir el objeto en tres dimensiones, con luz ordinaria se ilumina el holograma pregrabado. La iluminación es difractada por la franja de interferencia pregrabada en el holograma para regenerar la onda de la luz dispersada por el objeto durante la grabación. Cuando vemos el holograma con iluminación, parece como si el objeto está realmente presente”.

Para obtener una franja de interferencia exhaustiva, un láser que produzca ondas de luz con  patrones uniformes cresta a cresta y valle a valle  debe ser utilizado como el haz de referencia. El color de la luz difractada es influenciado por el haz de láser que se utiliza, por lo que la imagen reconstruida a través de un holograma convencional es del mismo color que el láser utilizado. Esta es la razón por la que la mayoría de los hologramas son monocromáticos. “Nuestro sistema recientemente desarrollado  emplea rayos láser para grabar el holograma, pero no utiliza ningún rayos láser para el haz de iluminación que se requiere para la reconstrucción de la imagen. En su lugar, se utiliza un haz de luz blanca, que comprende una mezcla de diferentes longitudes de onda. Dado que los tres colores primarios de la luz, rojo, verde y azul (RGB) pueden ser extraídos de la luz blanca, las imágenes estereoscópicas se reconstruyen a partir de hologramas en las que los respectivos colores, y las tres imágenes estéreo se superponen para obtener una imagen combinada  a todo color” afirma Kawata.

La extracción de los tres colores primarios de la luz blanca se logra  utilizando resonancia de plasmones superficiales. “La clave para la extracción de RGB por separado de la luz blanca reside en la superposición de una película de plata fina sobre el material fotosensible. De este modo, polaritones plasmones de superficie (SPP) se excitan en la película fina”, dice Ozaki.

Un metal contiene un gran número de electrones libres que oscilan juntos mientras que simultáneamente interactúan entre sí. Esta oscilación colectiva de electrones libres en un metal es lo que se llama un plasmón. Un plasmón está siempre acompañado por un campo de fotones o electromagnético. En las superficies del metal, plasmones y fotones se propagan a lo largo de la superficie, y a esta combinación se le llama polaritones plasmones de superficie  (SPP). La figura 2 ilustra cómo funciona SPP. Cuando un haz de luz monocromática a una longitud de onda particular, se aplica a una película delgada de metal a través de un prisma, que se refleja totalmente en ángulos de incidencia entre el ángulo crítico (C) y 90 grados. Al mismo tiempo, existe poca luz cerca de la cara límite. La excitación resultante son ondas evanescentes SPP a lo largo de la superficie de la película delgada de metal. Por lo general, un SPP no es excitado por la luz que incide sobre la película de metal, con la única excepción de un ángulo de resonancia SPP. En un ángulo de resonancia, la energía de la luz incidente se transfiere a los SPP más que a la luz reflejada. Usamos el campo de luz evanescente asociado con SPP para iluminar un holograma.

La resonancia de plasmón superficial se ve en los parámetros dados de espesor de la película, el material, el ángulo de incidencia de la luz, y la longitud de onda de la luz. En el caso de la luz blanca, que es una mezcla de diferentes longitudes de onda, el ángulo de incidencia varía como una función de longitud de onda para RGB. “Hacemos el mejor uso de este mecanismo. Al cambiar el ángulo de incidencia con un valor que se adapte a RGB, podemos extraer rayos de luz en las tres R, G y B por separado los colores de la luz blanca misma “, dice Ozaki.

Una poderosa herramienta que mejorará la tecnología de las comunicaciones

Mientras que el diagrama del sistema de la figura. 2 comprende sólo dos componentes (un prisma y una película delgada de metal), el holograma desarrollado por Kawata y Ozaki (fig. 1) tiene tres capas. Estas capas forman parte de una fina película de material fotosensible, una película de plata delgada y  película de sílice fina (SiO2),  apiladas en un prisma de vidrio con ondulaciones que se corresponden con las franjas de interferencia para los tres colores R, G y B en los tres capas. Un holograma, no se produjo solamente por la película delgada sensible a la luz, sino por  las tres capas como un conjunto. La película fina de plata, que sirve para facilitar la separación de colores, es de 55 nm de espesor, y las ondulaciones que emparejan las franjas de interferencia son de alrededor de 25 nm de altura. El espesor total de las tres capas es de varios cientos de nanómetros.

“Los tres ángulos de incidencia de la luz blanca (rojo, verde, azul) se han ajustado con antelación para permitir que la resonancia de plasmones superficiales se produzca para cada uno de los colores R, G y B”, explica Ozaki. “Un haz de luz blanca aplicada en tres direcciones, como se muestra en la fig. 1, excita los SPP en cada color, y los campos electromagnéticos resultantes son holográficamente difractados para reconstruir una imagen estéreo. Mirándola desde arriba, el espectador puede ver una imagen estéreo a todo color “. El holograma creado en este experimento mide 38 mm de longitud y 26 mm de ancho, un colgante de tamaño de la punta de los dedos  con la imagen de una manzana .

“Este logro permitirá encontrar aplicaciones en los dispositivos de visualización en tres dimensiones en el futuro”, dice Ozaki. “En el caso de los hologramas generados por el uso de plasmones de superficie, la luz blanca solo sirve como la luz incidente, y los haces pueden ser aplicados por detrás, por lo que nuestro sistema puede ser utilizado en dispositivos pequeños como teléfonos inteligentes.”

Ozaki observa que persisten algunos problemas por resolver antes de que el sistema puede ser puesto en práctica. “El sistema debe ser mejorado para permitir que objetos más grandes puedan ser fotografiados. Además, los ángulos de visión de las imágenes estéreo se limitan ahora a unos 25 grados tanto vertical como lateralmente, por lo que este rango debe ampliarse. Sin embargo, estos problemas de ingeniería puede ser resueltos. Con nuestro sistema, que también tienen como objetivo la creación de imágenes en movimiento. Mediante el uso de plasmones de superficie y la holografía en combinación, diversidad de enfoques están disponibles, y que posteriormente se puede utilizar con un enfoque técnico que sea totalmente diferente de la técnica que se acaba de anunciar “, dijo Ozaki.

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