El Premio Nobel de Física de 1971 fue otorgado al físico húngaro Denis Gabor (1900-1979) del Imperial College de Londres en reconocimiento a su invención y desarrollo de la holografía.
Gabor inventó la holografía en la década de 1940, antes de la llegada de los láseres. En ese momento, trabajaba en el laboratorio de investigación de una empresa que fabricaba microscopios electrónicos que necesitaban mejorar la resolución.
La resolución de los microscopios electrónicos de aquella época era 100 veces mayor que la de los mejores microscopios ópticos, pero aún no era suficiente para resolver la red cristalina. Entre ellos, la aberración esférica y la diferencia de difracción son los principales factores que limitan la resolución. Para reducir las diferencias de difracción, es necesario aumentar el ángulo de apertura. Duplicar el ángulo de apertura reducirá la diferencia de difracción a la mitad, pero en este momento la aberración esférica aumentará en un factor de 8. Para tener ambos en cuenta, el ángulo de apertura de la lente electrónica debe limitarse a 0,005 radianes, por lo que el límite teórico de resolución es de aproximadamente 0,4 nm. La red de resolución debe alcanzar al menos 0,2 nm. Gabor pensó mucho. Un día de Pascua de 1947, el cielo estaba despejado y Gabor estaba esperando un partido en la cancha de tenis. De repente se le ocurrió una idea: "¿Por qué no tomar una fotografía electrónica poco clara, dejar que contenga toda la información y? Entonces, ¿qué hay de corregirlo ópticamente? "Dado que los objetivos de los electrones nunca serán perfectos, si lo omite, usa ondas de electrones coherentes para registrar información de fase e intensidad, y luego usa luz coherente para reproducir imágenes sin aberraciones, puede lograr la resolución. de microscopía electrónica La velocidad se incrementa a 0,1 nm, lo que cumple con los requisitos para observar la red cristalina.
Fue a partir de esta idea que Gabor inventó la holografía.
Cabe decir que el concepto básico de la holografía es producto de la óptica ondulatoria. A finales de 2017, cuando Huygens estableció la teoría ondulatoria de la luz, propuso su principio de "onda secundaria", que es un arma poderosa para comprender los frentes de onda y la difracción. A principios del siglo XIX, Thomas Young utilizó la teoría de las ondas para explicar su experimento de interferencia de doble rendija. Fresnel utilizó la idea de interferencia de la luz para complementar el principio de Huygens y perfeccionar la teoría de la difracción de la luz. Hay que decir que, sobre esta base, alguien debería haber inventado la holografía hace mucho tiempo. Pero, ¿por qué hubo que esperar hasta mediados del siglo XX para que un experto en microscopía electrónica inventara accidentalmente la holografía? La clave es que Gabor capturó la idea central de la holografía: la reconstrucción del frente de onda.
Gabor entendió la clave, como dijo una vez: "En este estudio, estuve del lado de dos grandes físicos, Lawrence Bragg y Zelnick. En el hombro". En otras palabras, la idea de Gabor de inventar la holografía se inspiró en ellos.
Unos años antes de la invención de la holografía, Gabor leyó el libro de Lawrence Bragg "X-ray Microscope". Bragg utilizó dos difracciones para reproducir la imagen de la red cristalina. Aunque no se pueden obtener imágenes de rayos X a través de lentes, la distancia entre los átomos es del mismo orden de magnitud que la longitud de onda de los rayos X, y la interferencia de átomos dispuestos periódicamente en la dispersión de los rayos X incidentes producirá una red de difracción. La difracción secundaria de luz coherente en este patrón de difracción puede restaurar la imagen reticular, que es el origen del método de obtención de imágenes en dos pasos de Gabor. Sin embargo, notó que el método de Bragg no era suficiente para registrar toda la información de la transformada de Fourier. Aunque la amplitud se puede obtener a partir de la raíz cuadrada de la intensidad, la fase se ha perdido, por lo que solo es aplicable a objetos especiales donde la fase absoluta desde la red cristalina hasta el campo de difracción se puede juzgar de antemano, de modo que la fase Se conoce el cambio entre la luz incidente y la línea de difracción. Para resolver el problema del registro de fase, Gabor pensó en el "fondo coherente" utilizado por Zelnik al estudiar las aberraciones de las lentes. Él cree que si no hay nada con qué comparar, la pérdida de fase es inevitable, pero si se agrega un estándar, es decir, se utiliza el "fondo coherente" como onda de referencia, entonces la onda de referencia y la onda difractada interferirán entre sí; entre sí, y el patrón de interferencia se registrará con una película fotográfica. Se puede obtener una imagen de interferencia que contiene información de fase. Las ondas difractadas también se denominan ondas de objeto, y el patrón de interferencia de Gabor que contiene información de fase se denomina "holograma". En un holograma, las dos ondas están en fase y el máximo ocurre en lugares opuestos. Si se hace un positivo, sólo maximiza la transmisión de luz. Debido a que la luz de referencia en la rendija transparente está en fase con la onda del objeto, el frente de onda de la onda del objeto se puede reconstruir iluminando el holograma con la luz de referencia. Debido a que nadie había comprendido el concepto de reconstrucción del frente de onda en el pasado, no fue hasta 1947, cuando Gabor tenía en mente la "reconstrucción del frente de onda", que se inventó la holografía.
Gabor consideró su esquema de microscopía electrónica reconstruyendo el frente de onda y propuso un proceso de dos pasos.
El primer paso es el análisis electrónico, es decir, irradiar el objeto con un haz de electrones, y el haz de electrones difractado por el objeto interfiere con el fondo coherente (es decir, la parte no difractada del haz de electrones incidente), y luego se registra en el película; el segundo paso es la síntesis óptica, es decir, el uso del sistema óptico reproduce y corrige las aberraciones de la óptica electrónica, y luego la imagen reproducida se captura en una película fotográfica. Gabor y su asistente J. Williams realizaron por primera vez experimentos holográficos en el campo de la óptica.
Utilizaron una lámpara de mercurio como fuente de luz, monocromatizaron la luz incidente a través de un filtro y lograron la coherencia espacial requerida con la ayuda de un filtro estenopeico. Su experimento no fue fácil de realizar porque la luz monocromática proporcionada por la lámpara de mercurio de alta presión solo tenía una longitud de coherencia de 0,1 mm, lo que significa que solo había 200 franjas. Sin embargo, para obtener coherencia espacial, tuvieron que iluminar un orificio de 3 μm de diámetro con líneas espectrales de mercurio, suficiente para crear un holograma de un objeto de 1 cm de diámetro. Utilizaron microfotografías con un diámetro de 1 mm como sujetos de experimentación. Debido a que la fuente de luz era tan débil, la exposición usando el látex fotográfico más sensible en ese momento habría tomado varios minutos. La pequeña longitud de coherencia les obliga a disponer todo sobre el mismo eje. Debido a esta característica, este experimento se denominó experimento holográfico coaxial y era la única solución factible en ese momento. Intentan encontrar el mejor compromiso entre los dos factores en conflicto: la longitud y la fuerza de la coherencia. La imagen reconstruida no es ideal y todavía hay defectos sistemáticos en la fotografía. Además, la holografía en el eje sufre de un hermanamiento inevitable. Gabor intentó separar a los gemelos coaxiales mediante el enfoque, pero fue imposible eliminarlos por completo. A pesar de esto, Gabor logró por primera vez en este experimento la grabación holográfica y la reconstrucción del frente de onda, y obtuvo la primera fotografía holográfica.
Desde entonces se ha producido la primera locura por el estudio de la holografía. Rogers produjo el holograma de la primera fase y discutió exhaustivamente la teoría de la holografía. También propuso que la holografía también es aplicable a las ondas de radio y puede usarse para detectar la ionosfera;
A. Baez realizó experimentos de holografía de rayos X; el estudiante graduado Hussein El-Sum escribió bajo la dirección de P. Kirpatrick La tesis doctoral se convirtió en un documento importante para el estudio de la holografía de Gabor en ese momento.
Sin embargo, en los primeros trabajos de la holografía, la mayor preocupación fue su aplicación en microscopía electrónica. Desde 1950, M.E. Haine, J. Dyson y T. Muivey se dedican a la investigación en este ámbito, con Gabor como consultor. Sin embargo, se logró poco éxito.
En cuanto a la investigación sobre holografía óptica pura, debido a que en ese momento no existía una fuente de luz coherente ideal y estaba interferida por los gemelos holográficos coaxiales de Gabor, hubo muy poco trabajo efectivo. Así que a mediados de la década de 1950, la investigación sobre holografía estaba estancada y casi no había nuevos avances. Sólo E.N. Leith, de la Universidad de Michigan, sigue aplicando la teoría de la reconstrucción del frente de onda al trabajo con radar. También hay algunos científicos en la Unión Soviética que continúan realizando nuevas exploraciones.
La aparición de los láseres en 1960 dio nueva vida a la holografía. En 1963, Liz y J. Upatnicks publicaron el primer holograma láser, que inmediatamente causó sensación y ¡la holografía resucitó de repente!
Dado que la longitud de coherencia del láser es miles de veces mayor que la de la lámpara de mercurio, en el experimento se utilizó el método de "onda de referencia oblicua" para crear una holografía fuera del eje, que no está sujeta a las limitaciones de la holografía en el eje. Los experimentadores eliminaron fácilmente la interferencia de los gemelos. Además, como la intensidad de los láseres es millones de veces mayor que la de las lámparas de mercurio, se pueden producir grandes hologramas utilizando partículas extremadamente finas y látex fotográfico de baja velocidad con tiempos de exposición adecuados, y se pueden lograr muy buenos efectos de reproducción. Lisi et al. publicaron por primera vez fotografías holográficas, fotografías de paisajes y fotografías de retratos de personas transparentes sobre fondos oscuros, con imágenes claras. En 1964, utilizaron iluminación difusa para crear hologramas y obtuvieron con éxito imágenes tridimensionales reconstruidas de objetos tridimensionales.
El éxito de Liz no se debe sólo al láser, sino también a su preparación teórica a partir de 1955. Combinó la teoría de la comunicación y el concepto de holografía y lo aplicó a la investigación del radar de visión lateral, que en realidad es una holografía bidimensional de ondas electromagnéticas. Por lo tanto, después de la aparición de los láseres, aplicó su método de ondas de referencia oblicuas a la holografía láser y logró un gran avance en la holografía.
Gabor nació en Budapest, Hungría, el 5 de junio de 1900. Cuando tenía 15 años, de repente desarrolló un interés especial por la física. Antes de ir a la universidad, aprendí cálculo por mi cuenta durante dos años. Estudió la teoría microscópica de Abbe y la fotografía en color de Lippmann, que desempeñaron un papel importante en sus investigaciones en las décadas siguientes.
Él y su hermano montaron un pequeño laboratorio en casa para realizar algunos experimentos radiactivos y de rayos X. Sin embargo, Gabor prefirió la ingeniería a la física en la universidad. Porque la física no era una especialidad en Hungría en ese momento. Se graduó en la Universidad Técnica de Berlín en 1924 y se doctoró en 1927. Durante ese tiempo, fue a menudo a la Universidad de Berlín como auditor, donde profesores famosos como Einstein, Planck, Nernst y Laue impartieron diversos cursos de física. Trabajaba en ingeniería eléctrica, pero su mente y su cuerpo estaban casi completamente inmersos en la física aplicada. Su tesis doctoral versó sobre el desarrollo de un nuevo osciloscopio de rayos catódicos. También fabricó lentes magnetoeléctricas. Después de doctorarse, Gabor fue a Siemens, donde inventó la lámpara de mercurio de alta presión y sensible al tiempo. Lo que le impulsó a considerar la holografía fue, después de trabajar en el laboratorio de una empresa británica del 65438 al 0934, la necesidad de la empresa de mejorar la resolución de los microscopios electrónicos. Gabor estaba muy interesado en este tema de investigación y durante el proceso de investigación tuvo muchas oportunidades de realizar experimentos ópticos. Fue aquí donde se formó la idea básica de la holografía.
Gabor murió el 9 de febrero de 1979.