Dennis Gabor e o desenvolvimento da
holografia
Seminarista: Osvaldo Canato Jr
Curso: História da Mecânica Quântica (Jornada “História da Física no Século XX”)
Professor: Osvaldo Pessoa Jr
Programa: Pós Graduação Interunidades em Ensino de Ciências
Instituição: Universidade de São Paulo
A sequência
I.
Holografia x fotografia: quais as principais semelhanças e
diferenças entre esses processos de se desenhar/escrever
com luz?
II.
Origens e desenvolvimento da “holografia pré-laser”.
III.
O laser e o desenvolvimento posterior da holografia.
IV. Aplicações e implicações da holografia.
I.1 - A produção de uma fotografia
Fonte de luz comum
Luz incidente
Uma máquina fotográfica é, essencialmente, uma câmara
escura de orifício.
filme
fotográfico
objeto
imagem
orifício
O processo:
câmara
Luz refletida
1) Ilumina-se o objeto com luz branca comum.
2) De cada ponto iluminado do objeto um único raio de luz atravessa o orifício da câmara
e incide sobre o filme.
3) A incidência de luz sobre o filme provoca modificações na estrutura atômica da
emulsão gelatinosa que o recobre. Luz mais intensa, sensibiliza mais o filme.
4) Com uso de produtos químicos, revela-se o filme e cria-se o negativo da imagem, cujas
regiões mais escuras correspondem a maiores incidências de luz do que nas regiões
mais claras.
5) O uso de novos produtos químicos produzem o “branqueamento” do filme, permitindo a
transformação do negativo em positivo.
OBS: embora nas câmaras digitais não exista o filme fotográfico, a comparação com a
câmara escura continua válida, com a correspondência um a um entre pontos do objeto e
da imagem.
I.2 - A visualização da fotografia
fonte de luz
comum
feixe de
iluminação
Luz refletida
fotografia
Para admirar a fotografia basta observar
a luz visível comum por ela refletida.
I.3 - A produção de uma holografia
Frente de ondas de referência.
Filme holográfico
Objeto
Frente
de
ondas
emitida pelo objeto P
O processo:
1) A luz (frente de onda luminosa) emitida por uma fonte laser é expandida por uma lente
divergente de forma a atingir o filme holográfico de duas maneiras diferentes:
diretamente e após a reflexão pelo objeto.
2) As duas frentes de onda sofrem interferência ao incidirem no filme holográfico, ficando
registrada não só a intensidade luminosa, mas também de que posição vieram.
3) Cada ponto do objeto emite luz para todos os pontos do filme holográfico (reflexão
difusa) e em cada ponto do filme holográfico incidem raios luminosos refletidos de
todos os pontos do objeto.
4) Com uso de produtos químicos, revela-se o filme e cria-se o negativo holográfico, cujas
regiões mais escuras correspondem a maiores incidências de luz do que nas regiões
mais claras.
I.4 - A visualização do holograma
Lente Divergente
Luz laser transmitida
Frente de onda do objeto reconstruída
Luz laser de referência
Franjas de
interferência
Holograma
Fonte de
luz laser
Imagem virtual
formada atrás do
holograma
Fonte laser (frente de
onda de referência)
Imagem virtual
 A observação direta do holograma não revela a imagem do objeto mas, sim, uma
figura com franjas claras e escuras. As frentes de ondas emitidas pelo objeto na
produção do holograma estão “desconstruídas”, superpostas com as frentes de
ondas emitidas pela luz de referência.
 É preciso, assim, reconstruir a frente de ondas do objeto, o que é feito iluminando-se
o holograma com uma luz de referência e observar, em ângulo apropriado, o feixe
luminoso por ele transmitido. Em primeira aproximação, as franjas de interferência se
assemelham a pequenos espelhos que refletem a luz e formam uma imagem virtual.
 Diferentemente da fotografia, a imagem não é vista no filme revelado, mas, sim,
através dele, tratando-se de uma imagem virtual posicionada exatamente no local em
que o objeto estava quando foi holografado.
 Cada ponto do holograma fornece, sob diferentes ângulos de visão, a imagem
tridimensional do objeto.
I.5 - Holografia x Fotografia
A observação de holografias e fotografias permite estabelecer
algumas comparações.
Fotografia
Holografia
Ângulo de visão
Único
Múltiplos
Dimensão
Bidimensional
Tridimensional
Registro em cada parte
do filme
Uma única parte do
objeto
Todas as partes do objeto
(holo = todo)
Luz usada na produção
Luz branca comum
Laser
Luz usada na
visualização
Luz branca comum
Laser ou luz branca
comum
II.1 - Gabor e a microscopia eletrônica
Dennis Gabor (1900-1979)
 Húngaro de ascendência judia
materna.
 Formado em engenharia na
Alemanha
e
inicialmente
pesquisador
da
Siemens
alemã.
 Com a ascendência de Hitler
ao poder, deslocou-se para a
Inglaterra, assumindo contrato
de trabalho com a British
Thomson Houston.
 Coube a Gabor a pesquisa
quanto
à
melhoria
da
resolução
do
microscópio
eletrônico.
II.2 – Um problema de resolução óptica
Poder de resolução (óptica): menor distância distinguível entre dois pontos
Poder de resolução humano
0,1 a 0,2 mm  106 diâmetros
atômicos
Poder de resolução de microscópios 200 a 300 nm  103 diâmetros
atômicos.
ópticos (  10-6 m)
Poder de resolução permitido pelo uso 0,004 a 0,005 nm  bem maior que o
de um feixe “luminoso” de elétrons (  diâmetro de um átomo
10-12 m)
Poder de resolução real do microscópio 12 Å (cerca de 6 diâmetros atômicos).
eletrônico na época de Gabor
Problema insolúvel,
mesmo que melhorado
Aberração esférica produzida pelas
lentes magnéticas necessárias para
focalizar o feixe de elétrons.
II.3 – O insight
“Por que não tomar una imagem eletrônica ruim, mas que contenha a
informação 'total', reconstruir a onda e corrigi-la por métodos ópticos?"
Em maio de 1948, Gabor
apresenta na Nature a técnica
da microscopia por frentes de
ondas reconstruídas.
O processo:
1. Ilumina-se o objeto com um feixe de elétrons expandido por uma lente.
2. Posiciona-se uma emulsão fotográfica à frente do objeto.
3. As frentes de ondas que passam pelo objeto se superpõem àquelas emitidas diretamente
pela fonte.
4. Um padrão de interferência é gravado na tela; trata-se de uma imagem “ruim”, um
holograma, com franjas escuras e claras distanciadas da ordem do comprimento de onda
do elétron.
5. Um feixe de luz visível incidente nesse holograma, a partir da mesma posição original da
fonte eletrônica, reconstrói as frentes de ondas transmitidas pelo objeto, formando uma
imagem virtual desse objeto em seu local original.
6. Como a luz visível tem um comprimento de onda 1 milhão de vezes maior que o elétron, a
imagem do objeto aparecerá ampliada nessa mesma proporção.
II.4 – Resultados insatisfatórios
 O holograma funciona como
um lente de Fresnel,
produzindo
um
feixe
convergente
e
outro
divergente (além de um
feixe residual que não sofre
desvio).
 A imagem real formada em
linha
com
a
virtual
dificultava a nitidez.
 Inexistência de uma fonte
luminosa
suficientemente
coerente para produzir um
adequado
padrão
de
interferência.
 Entre 1947 e 1955 foram
publicados apenas cerca de
50 trabalhos sobre a nova
técnica de Gabor e por volta
de 1958 o campo de estudo
parecia estar em completo
abandono.
Feixe incidente desde
um “ponto no infinito”
Imagem
virtual
Placa zonal de Gabor
Feixe divergente
Feixe
residual
Feixe convergente
Imagem
real
II.5 - Denisyuk e a fotografia de ondas
Yury Nikolaevich Denisyuk
(1927-2006)
 Russo, pesquisador do Instituto Estatal
de Óptica Vavilov, em Leningrado.
 Desconhecendo o trabalho de Gabor e
inspirado em trecho de um livro de ficção
científica do escritor russo
Efremov,
“reinventou”, em 1958, a holografia.
 Já ciente do trabalho de Gabor, Denisyuk
publica, em 1962, em revista científica da
URSS, artigo em que descreve a técnica
da fotografia de ondas.
 Trata-se de um holograma de reflexão
. que, iluminado com luz branca comum,
fornece a imagem virtual do objeto na cor
do feixe de referência utilizado em sua
produção .
 Problemas: falta de luz suficientemente
coerente e má qualidade da emulsão.
II.6 - Leith e a reconstrução das microondas
Emmett Leith (1927-2005)
 Norte americano, pesquisador no
Projeto Michigan (projeto secreto
relacionado ao uso militar de
radares, instalado em laboratório
da Michigan University, em Ann
Arbor).
 Também
desconhecendo
o
trabalho de Gabor, “reinventou”,
em 1955, a holografia a partir da
técnica de registrar em um filme
fotográfico a informação das ondas
de radar refletidas por um objeto e
sua posterior reconstrução por
meios ópticos.
III.1 - O papel do laser na holografia
 No início da década de 60 surge o laser (Light Amplification by Stimulated
Emission of Radiation).
 O laser é uma luz monocromática (um só comprimento de onda) e altamente
coerente (emissão de luz de forma regular no tempo e no espaço).
 A importância da coerência do laser reside na qualidade do padrão de
interferência formado no holograma.
 Qualquer tipo de onda pode sofrer interferência:
• “água + água” pode provocar grandes elevações em objetos que bóiam em sua
superfície ou se cancelarem, passando pelo objeto como se não houvesse onda
alguma.
• “som + som” pode resultar em som de alta intensidade ou em silêncio.
• “luz + luz” pode resultar em algo brilhante ou escuridão.

Mas para que a interferência luminosa ocorra de forma estável e possa ser
utilizada de forma a guardar informações precisas e confiáveis, é necessário
que a luz utilizada seja coerente.
III.2 - Leith e Upatnieks e a fotografia sem lentes
 Em 1963, um trabalho conjunto de
Leith com seu colega de pesquisa
Juris
Upatnieks
(1936-),
publicado no Journal of the
Optical
Society
of
America,
apresenta a técnica da fotografia
sem lentes ou holografia fora do
eixo, como ficou mais conhecida.
 Na produção do holograma o feixe
de referência incide inclinado de
um ângulo  com relação ao plano
do filme holográfico.
 Quando o holograma é iluminado
pelo feixe de referência, as
imagens virtual e real não são
mais formadas na mesma linha de
visão.
III.3 – Grande repercussão
 Em abril de 1964, em conferência da
Optical Society of America, Upatnieks
apresentou sua mais recente holografia.
 Surpresos, alguns dos pesquisadores
presentes chegaram a perguntar “onde
está o trem?”, ao que Leith respondeu
“lamento ter que dizer, mas o trem voltou
para Ann Arbor!”.
 O trabalho de Leith-Upatnieks, teve
grande repercussão, trazendo um pouco
de “holo” à história do holograma, pois
aquelas
três
invenções
(Gabor,
Dennisyuk, Leith-Upatnieks) passaram a
ser interpretadas como parte do mesmo
fenômeno, cunhando-se em algum
momento dessa época o termo
holografia.
 Nos
anos
seguintes
à
apresentação de Upatnieks, mais
de mil artigos sobre hologramas a
laser foram publicados. Em 1966,
George Stroke (1924-) publicou An
Introduction to Coherent Optics and
Holography, livro que teve 3665
cópias vendidas em seu primeiro
ano.
III.4 - Benton e o holograma de arco íris
Stephen Benton (1941-2003)
 Norte americano, pesquisador do Massachusetts
Institute of Technology.
 Em 1968 Benton inventou o holograma de arcoíris, um holograma de transmissão que pode ser
visto com iluminação por luz branca comum e
que permitiu o desenvolvimento de cópias
holográficas de boa qualidade e quantidade.
III.5 - Gabor e o prêmio Nobel
Em 1971 Dennis Gabor é laureado com o prêmio Nobel por sua
descoberta da holografia em 1947. Seguem duas citações de sua
palestra proferida no recebimento do prêmio:
 As I said at the beginning, I shall be lucky if I shall be able to see in
my lifetime the realisation of holographic electron microscopy, on
which I have started 24 years ago.
 Summing up, I am one of the few lucky physicists who could see an
idea of theirs grow into a sizeable chapter of physics. I am deeply
aware that this has been achieved by an army of young, talented and
enthusiastic researchers, of whom I could mention only a few by
name. I want to express my heartfelt thanks to them, for having
helped me by their work to this greatest of scientific honours.
IV.1 - Aplicações
 1964 – Robert Powell e Karl Stetson
notaram franjas de interferência em
um holograma de um objeto
deformado; nascia a interferometria
holográfica.
 1972 – Lloyd Cross (1934-)
desenvolve o holograma multiplex
que
combina
técnicas
cinematográficas com a holografia de
transmissão por luz branca.
 1978 - Akiro Tonomura (1942-)
consegue observar as primeiras
imagens
produzidas
por
um
microscópio eletrônico holográfico.
IV.2 - Aplicações “sem fim”
 Armazenamento de informações secretas.
 Filmes holográficos.
 Holografia acústica.
 Holografia de microondas.
 Holograma de projeção.
 Hologramas gerados por computadores.
 Lentes Holográficas.
 Memórias holográficas.
 Produções artísticas.
 Reconhecimento de padrões (digitais, por exemplo).
 Speckle.
 TV holográfica.
 ...!
IV.3 – Universo holográfico?
 O problema do emaranhamento: na Mecânica Quântica se admite que
duas partículas podem estar correlacionadas, com um valor medido em
uma delas (do spin, “para cima”, por exemplo) trazendo certeza do
valor a ser medido na outra (do spin “para baixo”)…mesmo que uma
delas esteja na Terra e a outra na Lua!
 Mas não é razoável supor transmissões de informações instantâneas,
violando o limite da velocidade da luz.
• A Mecânica Quântica seria, então, incompleta?
• Deve-se abandonar a premissa da localidade?
• O realismo deve ser rejeitado?
 Para David Bohm (1917-1992), um objeto não pode ser isolado do
resto do universo que prima por ser indivisivo ou holográfico. Da
mesma forma que dois pontos distintos de um holograma se constituem
ao mesmo tempo parte e todo de uma única imagem, a separação das
partículas emaranhadas seria uma ilusão, já que elas e tudo o mais
fazem parte de um todo indivisível e em constante fluxo,
o
holomovimento.
IV.4 – Bioholograma?
 O problema da memória: são diversas as pesquisas que mostram
que não há um local específico do cérebro responsável pelo
armazenamento da memória; ela parece estar dispersa por todo o
cérebro.
 Para o neurofiologista Karl Pribram (1919-), analogamente aos
padrões de interferência gravados no holograma, a memória é
codificada em padrões de cruzamentos de impulsos nervosos
dispersos por todo o cérebro.
 Para o cientista russo Peter Gariaev a questão do código genético é
apenas uma parte da história acerca das funções do DNA que por ter
um comportamento dual onda-partícula poderiam ser “lidos” por
biofótons emitidos pelos cromossomos e projetar sua imagem
holográfica.
 É claro que tudo isso é “prato cheio” para a “onda” do misticismo
quântico…!
Conclusão
 A holografia, nascida prematuramente, antes do surgimento do laser,
inventada por Gabor, reinventada por Denisyuc e Leith e levada à
prática por Benton, tem se desenvolvido como uma técnica de
grande dinamicidade e extensão que, provavelmente, será projetada
com frequência cada vez maior em nosso cotidiano.
 Como observado por Benton, “é a intersecção de ciência, arte e
tecnologia que faz a holografia tão interessante”.
Referências
 BELÉNDEZ, A. Holografía: ciencia, arte y tecnología. São Paulo: Revista. Brasileira de. Ensino de
Física. v.31, n.1, abr. 2009
 DENISYUC, Y. N. My way in holography. Cambridge: MIT Press. Leonardo, Archives of holography: a
partial view of a three dimensional world: Special Issue, v.25, n5, pp.425-430, mai, 1992.
 GABOR, D. A new microscope principle. Londres: Nature, v.161, pp.777-778, mai, 1948.
 __________. Microscopy by Reconstructed Wave Fronts. Londres: The Proceedings of the
Physical Societ A, v.197, n.1051, pp.454-487, jul, 1949.
 ___________. Microscopy by Reconstructed Wave Fronts: II. Londres: The Proceedings of the
Physical Societ B, v.64, n.6, pp 449-469, jun, 1951.
 ____________. Holography, 1948-1971. Londres: Imperial Colleges of Science and Technology, Nobel
Lecture., Physics, dez, 1971.
 GARIAEV, P.P; TOVMASH, A.V.;LEONOVA-GARIAEVA , E.A. The Wave Genetics as reality.
Disponível em <http://www.inco.hu/inco12/kozpont/cikk3h.htm>. Acesso em 10 nov. 2010.
 HOPOPHILE INC. History of holography. Disponível em <http://www.holophile.com/history.htm>.
Acesso em 10 nov. 2010.
 KASPER, J. E.; FELLER, S. A. The Complete Book of Holograms. New York: Wiley Science Editions,
1987.
 LEITH, E. N.; UPATNIEKS, J. Reconstructed wavefront and communication theory. Washington:
Journal of the Optical Society of America, v.52, n.10, pp. 1123-1130, out, 1962.
 ____________. Reconstructed wavefront with continuous-tone objects. Washington: Journal of the
Optical Society of America, v.53, n.12, pp. 1377-1381, dez, 1963.
 _____________. Wavefront Reconstruction with Diffused Illumination and Three-Dimensional
Objects. Washington: Journal of the Optical Society of America, v.54, n.11, pp. 1295-1301, nov, 1964.
 PESSOA JR, O. Conceitos de Física Quântica. Volume II. São Paulo: Editora Livraria da Física, 2006.