Gli ologrammi
Uno dei primi ologrammi che ho visto, e anche uno dei più belli, era una riproduzione tridimensionale realizzato con la luce di una carrozza metropolitana parigina in legno d'inizio secolo. La riproduzione già di per sé affascinante risultava ancora più sbalorditiva per la possibilità di sbirciare da diverse angolazioni attraverso le finestre della carrozza riuscendo a vederne perfettamente l'interno.
Avevo sentito dire che gli ologrammi si realizzavano con il laser, ma più osservavo la riproduzione con attenzione, più risultava misteriosa. Per prima cosa non vedevo la presenza di un laser ma solo di una "normale" lampadina; non capivo il motivo per cui l'immagine spariva se non si guardava attraverso una sorta di vetro affumicato; per finire, la mia passione per la fotografia, mi faceva supporre che di fronte la sorgente di luce dovesse essere posto una sorta di negativo, di cui invece non vedevo traccia.
A distanza di alcuni anni, di studi gli ingegneria mi hanno permesso di svelare questi misteri.
Per capire come si realizza un ologramma, è assolutamente necessario avere chiaro qualche concetto di fisica; in particolare bisogna capire cosa si intende per "coerenza" della luce, cosa è uno spettro di interferenza e avere qualche vaga idea di cosa voglia dire "modulazione della luce che attraversa uno spettro di interferenza".
Il concetto di coerenza
Consideriamo una normale lampadina; ciascun punto del filamento, riscaldandosi, emette luce, cioè in pratica un'onda elettromagnetica percepibile ai nostri occhi. L'emissione di ciascun punto è totalmente scorrelata da quella degli altri. Se poniamo uno schermo di fronte la lampadina, le onde provenienti da ciascun punto giungeranno fra loro sfasate in modo casuale, fornendo un'illuminazione mediamente uguale in ciascun punto.
Consideriamo invece una sorgente laser; la caratteristica più appariscente e' la possibilità che ha la luce di propagarsi in linea retta ovvero con una piccola divergenza; per realizzare un ologramma, non sfrutteremo questa proprietà. I laser hanno un'altra importante proprietà: il modo in cui la luce viene generata in un oscillatore laser è tale che tutti punti della superficie di emissione emettano contemporaneamente; le onde giungeranno quindi assieme su uno schermo posto a breve distanza dalla sorgente.
Questa proprietà si chiama coerenza.
Lo spettro di interferenza
Consideriamo un fascio laser collimato, ovvero abbastanza stretto, ed inviamo questo fascio verso un reticolo con maglie abbastanza strette (in pratica paragonabili alla lunghezza d'onda della luce utilizzata); la luce della sorgente, che è coerente, si dividerà in due fasci entrambi correnti. Su uno schermo abbastanza distante i due fasci di luce giungeranno contemporaneamente nella parte centrale; spostandoci verso i bordi percorreranno invece distanze diverse e quindi giungeranno con un leggero ritardo l'uno rispetto all'altro. La luminosità di ciascun punto sarà legata alla luminosità di entrambi i fasci di luce cioè alla somma delle due onde elettromagnetiche. Quando due onde sono in fase, la loro somma è un'onda con ampiezza doppia (interferenza costruttiva); laddove le onde sono sfasate si otterrà un'onda con ampiezza inferiore. Dove le onde sono in opposizione di fase, si ottiene un'ampiezza nulla (interferenza distruttiva). Poichè le onde sono periodiche, allontanandoci dal centro dello schermo queste continueranno a sfasarsi fino a ritrovarsi nuovamente in fase. Vedremo quindi una ripetizione di zone illuminate e zone scure.
L'esistenza di queste zone è legata alla differenza delle distanze percorse dai due fasci di luce; abbiamo quindi memorizzato sullo schermo (o eventualmente una lastra fotografica posta al suo posto) informazioni relative alla differenza delle distanze percorse dai fasci di luce.
Se inviamo su un oggetto una sorgente di luce, questo irradierà in tutte le direzioni.
Utilizziamo adesso una luce laser, facendola però passare attraverso un opportuna lente d'espansione; il fascio di luce che si ottiene somiglia a quello di una normale lampadina ma conserva la proprietà di coerenza.
Con un divisore di fascio posso far sovrapporre su una lastra fotografica, la luce emessa dalla sorgente con quella riflessa dall'oggetto.
Si formeranno zone di interferenza costruttiva e zone di interferenza distruttiva, che dipenderanno dalla differenza dei percorsi della luce, ovvero dalla forma dell'oggetto illuminato; nei punti in cui l'oggetto è più sporgente, la distanza oggetto-schermo sarà inferiore. A differenza di una normale fotografia che memorizza informazioni sulla capacità di ciascun punto dell'oggetto di riflettere la luce, la lastra olografica ha memorizzato informazioni sulla forma dell'oggetto.
Visualizzazione dell'ologramma
Se adesso illuminiamo la lastra con una sorgente coerente, la luce verrà modulata dalle frange di interferenza (ovvero passerà nelle zone chiare e verrà attenuata dalle zone scure) e per effetto di tale modulazione, verrà ricostruita l'immagine dell'oggetto nella stessa posizione in cui era posto. La lastra, quindi, ha conservato informazioni sia sull'ampiezza che sulla fase del fascio riflesso dall'oggetto; cioè ha mantenuto informazioni sulle sue dimensioni. Spostando lo sguardo sulla lastra è possibile osservare l'oggetto da diverse angolazioni.
Ecco allora spiegati i misteri di quell'ologramma di cui vi parlavo all'inizio; la sorgente di luce non era affatto normale, ma si trattava di un fascio laser espanso; il "negativo" effettivamente era presente, ed era proprio quel vetro "affumicato" attraverso cui guardavo l'immagine.
Un po' di conti
Chi vuole approfondire, ed ama i conti, può scaricarsi l'apposito allegato: olografia.zip
Vedi anche:
How Lasers Work
How Holograms Work
How Holographic Memory Will Work
Holographic data storage
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