Co je světlo? The visible spectrum and beyond

Ačkoli „světlo“ označuje viditelnou zářivou energii, může se vztahovat na zdroje osvětlení, jako je sluneční světlo nebo umělé zdroje, jako je lampa a svítidla (tj. svítidla). Lze si představit západy slunce nebo dokonce noční oblohu! Téměř po celou dobu vývoje lidstva existovalo pouze přirozené sluneční světlo – nebo oheň (včetně svíček, plamenných pochodní a později olejových lamp). Dnes – a v posledním století – však ve vyspělých zemích převládly v našem nočním prostředí lampy na elektrický pohon. Od dvacátých až třicátých let 19. století v našem vnitřním nočním prostředí převládají plynové lampy a (později) žárovky (bohaté na červené světlo). Otevřený plamen a žárovkové zdroje jsou technicky popsány jako zdroje s nízkou teplotou barev, obvykle ⩽2800 Kelvinů (K) – bohaté na delší viditelné (oranžové, červené) vlnové délky a infračervené-blízké infračervené záření. Naproti tomu polední Slunce je bohaté na kratší vlnové délky s barevnou teplotou přibližně 6500 K. Sluneční světlo se při nízké obloze stává bohatým na červenou barvu a výrazné změny spektra si často nevšimneme kvůli selektivní chromatické adaptaci našeho zrakového systému.

Od 50. let 20. století se zářivky (obecně bohaté na zelené světlo a čárové spektrum) hojně používají ve vnitřním osvětleném prostředí, přinejmenším v kancelářském a obchodním prostředí, ale spíše zřídka v domácnostech – snad s jednou výjimkou – v kuchyni (zkušenosti z USA). Avšak „revoluce“ v optice v 60. letech 20. století – podpořená zejména vynálezem laseru – vedla k dalším optickým technologiím, včetně vývoje nových typů čoček a filtrů, holografie a světelných diod (LED). LED diody byly mnohem energeticky účinnější než žárovkové zdroje, ale zpočátku byly schopny vyzařovat pouze velmi úzká pásma vlnových délek, tj. jednobarevné viditelné LED diody, až do vynálezu vícečipových LED diod a modrofialově čerpaných fluorescenčních LED diod, které produkovaly „bílé“ světlo.

V tomto století vedl vládní důraz na úsporu energie k tlaku na používání kompaktních zářivek (CFL) a „bílých“ LED diod k osvětlování. Na trhu nyní začíná převládat polovodičové osvětlení pomocí LED diod, které jsou ještě energeticky účinnější než CFL. Jak první CFL, tak „bílé“ LED však mají velmi modré spektrální rozložení výkonu (obrázek 1). Někteří spotřebitelé se začali proti takto modrým světelným zdrojům bouřit a požadovali méně „ostré“, méně „studeně modré“ světelné zdroje. Nyní najdete některé LED a CFL s výrazně sníženým vyzařováním modré barvy. Nicméně v posledních 60 letech docházelo ke stále se zvyšující barevné teplotě umělých zdrojů a k nárůstu nočního „světelného znečištění“. Noční obloha západní Evropy při pohledu z vesmíru ukazuje obrovský vliv elektrického osvětlení (obr. 2).

Atmosférická optika výrazně mění sluneční světlo a někdy poskytuje nádherné barevné projevy, včetně zeleného záblesku (velká rarita)! Atmosféra působí jako mírný hranol: index lomu se mírně mění s vlnovou délkou, což přehání obraz Slunce nízko nad obzorem. Různé barvy jsou atmosférou různě ohýbány a obraz Slunce je na obzoru ohnut o ~0,6°, takže Slunce ve skutečnosti zapadá dříve, než jeho lomený obraz zapadá! Červený obraz zapadá jako první, následuje zelený, který je vidět jen na zlomek sekundy, a modré světlo se neobjeví, protože se rozptýlilo.3

Historické názory

Od primitivních dob si lidé kladli otázku: „Co je to světlo?“. Biblicky (King James ‚Authorized Version‘, Cambridge Edition) – Genesis 1 : 3 (4. den) zní: Bůh řekl: „Budiž světlo!“ A bylo světlo. Mnoho velkých mozků vytvořilo teorie světla (obr. 3). Klasické řecké úvahy na téma „Co je světlo?“ vedly Platóna (428-328 př. n. l.) k teorii, že světlo vzniká jako „pocitové paprsky“ vycházející z očí – směřují na cokoli, co člověk pozoruje. Zřejmě vycházel ze skutečnosti, že světlo vzniká v oku tlakem fosfenu. Ačkoli se dnes tato představa zdá podivná, tento popis dominoval západnímu myšlení po téměř dvě tisíciletí. V sedmnáctém století vznikl spor o to, zda je světlo vlnou, nebo proudem částic. Sir Isaac Newton zde v Cambridgi tvrdil, že Grimaldiho difrakční jevy pouze demonstrují novou formu lomu. Newton tvrdil, že geometrickou povahu zákonů lomu a odrazu lze vysvětlit pouze v případě, že se světlo skládá z „korpuskulí“ (částic), protože vlny se nepohybují po přímkách. Po vstupu do Královské společnosti v Londýně v roce 1672 Newton prohlásil, že čtyřicátý čtvrtý z řady experimentů, které právě provedl, prokázal, že světlo se skládá z tělísek – nikoli z vln. Na kontinentu se však zdálo, že vlnová teorie světla převládá. Christiaan Huygens, holandský fyzik (v tomto století se fyzice říkalo „přírodní filozofie“), publikoval v roce 1690 svůj Traité de la Lumière, který podporoval vlnovou teorii. Teprve Sir Thomas Young jasně prokázal vlnovou interferenci (Experiments and Calculations Relative to Physical Optics, 1804)4 a vlnová teorie byla plně přijata – a vlnová teorie se udržela přinejmenším do konce devatenáctého století. Dalším významným fyzikem v Cambridgi byl James Clerk Maxwell, který v polovině devatenáctého století odvodil svá univerzální pravidla elektřiny a magnetismu, která předpovídala elektromagnetické vlny a elektromagnetické spektrum (obrázek 4). Kolem roku 1800 totiž existenci ultrafialového a infračerveného záření objevili Ritter5 , respektive Herschel6.

Na přelomu 19. a 20. století (1899-1901) došlo v klasické fyzice ke krizi. Fyzikové se museli vypořádat s velmi velkou hádankou: Při některých experimentech, jako je interference a difrakce, se světlo chovalo jako vlnění. V jiných experimentech, například při fotoelektrickém jevu, se však světlo chovalo jako částice. Fotoelektrický jev byl pozorován u některých kovů, když byly vystaveny paprsku světla. Ale pouze kratší vlnové délky vyvolávaly v kovu fotoproud, zatímco delší vlnové délky (červené) světla – ani při vysoké intenzitě – fotoproud nevyvolávaly. Toto zvláštní pozorování silně podpořilo kvantovou teorii záření. Někteří němečtí fyzikové vyslovili teorii, že jednotlivý foton (částice světla) má kvantovou energii Qν, která je přímo úměrná frekvenci f (někdy symbolizované řeckým písmenem ν) vlnění:

Qν=h × f,

kde h je známá jako „Planckova konstanta“. To vedlo k pojmu „vlnově-částicový dualismus“.

Fyzikové nakonec dospěli ke shodě, že světlo lze současně charakterizovat jako proud částic i jako vlnu. Některé aspekty kvantové teorie jsou dosti podivné a nebudeme se jimi hlouběji zabývat, ale i Einstein měl s přijetím kvantové teorie problémy. Ale pak to byl Einstein, kdo teoreticky tvrdil, že rychlost světla ve vakuu nelze překročit – a také (v roce 1916) předpověděl „stimulovanou emisi záření“, která byla teoretickým základem laseru.7

Většina lidí ví, že rychlost světla je konstantní – asi 300 000 km/s ve vakuu, ale 299 000 km/s ve vzduchu a ještě více se zpomaluje v hustších prostředích, například ~225 000 km/s uvnitř oka. Poměr rychlosti světla ve vakuu a v prostředí je „index lomu, n“. Před několika měsíci tým z Ecole Politechnique Lausanne tvrdil, že se jim podařilo pořídit první fotografii světelných částic a vln! Nejsem si jist, zda jsem pochopil jejich experimentální techniku, ale bude zajímavé sledovat, zda se jiným laboratořím podaří reprodukovat jejich výsledky a potvrdit interpretaci jejich snímků. Obrázek 5 poskytuje měřítko pro porovnání rozměru jedné vlnové délky světla.

Kvantová teorie a stimulovaná emise

V atomovém měřítku jsou fotony emitovány při přeskoku elektronu na nižší energetický orbital atomu. Ke stimulované emisi fotonu může dojít pouze tehdy, projde-li kolem excitovaného atomu počáteční foton o přesné energii. K excitaci atomů dochází zpravidla tak, že je foton pohlcen a zvýší atom na vyšší energetickou hladinu, po níž následuje samovolná emise fotonu při poklesu atomu na nižší energetickou hladinu, s výjimkou stimulované emise. Při správně zkonstruované rezonanční dutině může dojít ke kaskádě stimulované emise s výsledným laserovým paprskem. Skutečným přínosem laserového zdroje je jeho velmi vysoký zářivý výkon (jas). Prakticky všechny aplikace laseru – od laserových ukazovátek, laserových dálkoměrů, zápisu a čtení CD až po laserovou fúzi – jsou možné pouze díky ultravysokému záření laseru. Laserové ukazovátko o výkonu 1 mW má jas (zářivost) nejméně 10krát větší než Slunce.

Jaké jsou hranice viditelného spektra?

Ve skutečnosti neexistují žádné dohodnuté hranice viditelného spektra. CIE definuje „viditelné záření (termín ILV číslo 17-1402) jako „jakékoli optické záření schopné přímo vyvolat zrakový vjem“. Definice CIE přidává následující poznámku: „Neexistují žádné přesné hranice pro spektrální rozsah viditelného záření, protože závisí na množství zářivého výkonu dopadajícího na sítnici a na citlivosti pozorovatele. Spodní hranice se obvykle udává mezi 360 a 400 nm a horní hranice mezi 760 a 830 nm“. Hranice viditelnosti jsou již dlouho předmětem osobního zájmu. Jako mladý vědec ve věku asi 24 let jsem po prostudování mnohem dřívějších zpráv na toto téma provedl experiment, jehož cílem bylo určit nejkratší vlnovou délku, kterou jsem schopen vidět.8, 9, 10 Štěrbinu dvojitého monochromátoru jsem mohl zobrazit až do vlnové délky 310 nm a byl jsem si jist, že skutečně zobrazuji vlnovou délku 310 nm, a ne rozptýlené světlo delších vlnových délek, protože jsem do svazku umístil řadu spektrálních filtrů, aniž by se práh detekce změnil. Ale dnes, ve svých 74 letech, nevidím velmi snadno ani 400 nm! Jak stárnu, nahromadění proteinů pohlcujících UV záření – mnohé z nich jsou fluorofory – v mých neporušených krystalických čočkách blokuje většinu vlnových délek UV-A (315-400 nm) a já pociťuji větší zákal z fluorescence čoček než v mládí. Fluorescenci čočky11 v oblasti UV-A (315-400 nm) může pociťovat každý a Zuclich a spol.12 kvantifikovali fluorescenci čočky v oblasti UV-A a to, jak málo se mění s věkem. Weale13 odhadl, že fluorescence čočky narušuje zrakovou výkonnost. Hmyz je na UV záření poměrně citlivý, což je základem UV světelných pastí na hmyz. Předpokládá se, že včely využívají polarizované UV záření ve světle oblohy k navigaci, ale lidé pravděpodobně vědomě nevyužívají polarizované fialové oblohy, přestože některé polarizační vlastnosti lidské rohovky vytvářejí Haidingerovy štětce.14 Během druhé světové války se objevily obavy, že předexpozice ultrafialovému záření zhoršuje noční vidění,15 ale dokonce i známý vědec zabývající se viděním George Wald argumentoval s absolventem Rochesterské univerzity, že toto zjištění je směšné, protože krystalická čočka blokuje expozici sítnice UV-A záření. Profesor Wald zřejmě v tomto případě neuvažoval logaritmicky, protože téměř 1 % UV-A je propouštěno a při vyšších energiích fotonů z kratších vlnových délek UV záření nebylo nepravděpodobné, že by UV-A záření mohlo ovlivnit tyčinkové fotoreceptory.16 Vznikla malá bouře, která pokračovala Wolfem17 potvrzujícím snížení nočního vidění, ale i později Wald18 tvrdil, že se nejedná o významný ani trvalý efekt. Tan19 později změřil šedavé vidění u afakických jedinců, které potvrdilo sekundární vrcholy reakce na UV-A záření u každého čípkového fotoreceptoru.

Vidění infračerveného „světla“

Po několika kuriózních příbězích o vojácích, kteří v 70. letech viděli infračervené lasery, prokázala moje skupina zrakovou detekci téměř do 1100 nm (J Opt Soc Amer 1976). Obrázek 6 ukazuje rozšíření spektrální citlivosti zraku hluboko do infračervené oblasti. Nebyl to jednoduchý experiment. Oddělili jsme laser od pozorovatele na 8 m, abychom omezili světlo pumpy (světlo pumpy se vzdáleností rychle klesalo, ale zářivost laserového paprsku ne), a použili jsme úzkopásmové infračervené filtry, které jsme skládali na sebe, dokud jsme nezměřili stejný práh bez přidání dalšího filtru (obrázek 7). Bylo zajímavé, že – podobně jako u jiných viditelných vlnových délek – identifikace barev byla obtížná na prahu pro bodový zdroj20 , ale pokud jsme překročili práh a zejména pokud jsme rozšířili velikost zdroje z „bodu“, vždy jsme viděli červenou barvu, což naznačuje, že červené čípky byly aktivovány. Kromě toho jsme provedli experimenty, které potvrdily zprávy z nočních pozorování v terénu, že ze svazku krátce pulzovaného Nd:YAG laseru lze vidět „zelené“ světlo na vzdálenost několika kilometrů. Podařilo se nám potvrdit, že při přímém pozorování blízké infračervené emisní vlnové délky 1064 nm z q-spínaného (~10-20 ns) laseru Nd:YAG by bylo pozorováno zelené světlo, které by se při barevném porovnání s monochromátorem CW zdroje jevilo jako zelené světlo 532 nm. To nám ukázalo, že v očních tkáních – pravděpodobně v sítnici – dochází ke generaci druhé harmonické. U rubínového laseru (694 nm) nebyla druhá harmonická pozorována, což ukazuje na nízkou účinnost tohoto nelineárního procesu.

V článku publikovaném v prosinci loňského roku Palczewska a spol.21 tvrdili, že infračervené vidění je výsledkem dvoufotonové izomerizace; protože však použili pouze vlaky femtosekundových (10-12 s) pulzů z infračerveného laseru, nemohli vyloučit nelineární procesy. Jejich experimenty byly dobré, ale podle mého názoru se jejich interpretace jeví jako chybná, protože ignorovali vliv špičkového výkonu jejich laseru, který byl 67 000 nad průměrem. Nemohli předpokládat, že jejich 200-fs, 75MHz laser je ekvivalentní kontinuálnímu zdroji (s pracovním cyklem pouze 1,5 × 10-5), takže nelineární efekty nebyly překvapivé. Jejich průměrný výkon 1 MW vstupující do oka měl ve skutečnosti špičkový výkon 66 W, což vytvářelo ozáření sítnice >13 MW/cm2 při minimální velikosti sítnicové skvrny ~25 μm!“

Můžeme konstatovat, že viditelnost světla mimo dobře přijímaný rozsah přibližně 380-780 nm závisí na jasu (zářivosti) zdroje, ale v dětství je omezena na přibližně 310 nm na krátkých vlnových délkách viditelného spektra až možná na ~1100 nm v blízké infračervené oblasti. Skutečná dělící čára mezi „viditelným“ a infračerveným spektrem jednoduše neexistuje. Viditelnost infračervené vlnové délky A (IR-A) pouze závisí pouze na jasu (zářivosti) zdroje v porovnání s jasem okolí.

Fotobiologická spektrální pásma CIE

CIE vyvinula ve 30. letech 20. století několik užitečných zkratek pro fotobiologii. Byly to: UV-C od 100 do 280 nm (silně aktinické; germicidní, s krátkovlnnou hranicí s „měkkou rentgenovou“ oblastí), UV-B mezi 280 a 315 nm s aktinickými a fotokarcinogenními účinky a UV-A mezi 315 a 400 nm, které je charakterizováno jako slabě aktinické a má významnou roli ve fotodynamických účincích a fotosenzibilizátorech. Viditelné spektrum záměrně překrývá UV-A (od ~360-380 nm do 400 nm v hluboké fialové oblasti) a značně přesahuje do blízkého infračerveného (IR-A) spektrálního pásma, které začíná na 780 nm. K určitému překvapení výzkumných fotobiologů vyvolávají hranice těchto spektrálních pásem CIE v průmyslovém sektoru někdy kontroverze. Ve skutečnosti existuje poměrně nechvalně známá „norma“ vydaná Mezinárodní organizací pro normalizaci (ISO), která se pokusila změnit tradiční definice CIE pro UV-A, které existovaly >75 let (ISO-20473-2007). Technická komise ISO, TC172 (optika), připravila tuto normu pro spektrální pásmo tak, že místo definice CIE 400 nm nově definovala UV-A na <380 nm a pokusila se navrhnout jemnou hranici mezi viditelným – začínajícím na 380 nm.22 Klíčoví členové výboru z oftalmologického průmyslu upřednostňovali oční čočky a sluneční brýle, které by mohly splňovat mnohem mírnější kritéria pro „blokování UV záření!“

CIE identifikuje tři infračervená spektrální pásma založená převážně na spektrálních rozdílech v absorpci infračerveného záření vodou. IR-A se pohybuje v rozmezí 780 až 1400 nm (metavlnové délky), které jsou vodou dobře propustné a které se přes oční média dostávají k sítnici. Jak již bylo uvedeno, velmi slabý zrakový podnět existuje i při vlnové délce 1100 nm; a IR-A proniká hluboko do biologických tkání, a proto se používá v diagnostice a při ošetření kůže. Infračervené záření B se pohybuje mezi 1,4 μm (1400 nm) a 3,0 μm (střední infračervené záření) a tyto vlnové délky nedosahují sítnice, ale pronikají až několik mm do kůže a očních tkání. Infračervená oblast C je rozsáhlá spektrální oblast, sahající od 3,0 do 1000 μm (1 mm). Tyto vzdálené infračervené vlnové délky jsou absorbovány velmi povrchově (<1 mm). Krajní infračervená oblast C se také označuje jako terahertzové (THz) záření.

Měření světla – standardizované radiometrické a fotometrické termíny CIE

CIE definuje dva samostatné systémy měření světla: fotometrický a radiometrický systém. Radiometrický systém je založen na základních fyzikálních jednotkách (tabulka 1). Fotometrický systém se používá při navrhování osvětlení a osvětlovací technice a je založen na přibližné, ale normalizované (V(λ)) spektrální odezvě denního (fotopického) vidění s jednotkami: lumen (světelný výkon Φv), lux (lm/m2 pro osvětlenost Ev), kandela (lm/sr pro svítivost Iv) a nit (cd/m2 pro svítivost Lv, tj. „jas“). Radiometrický systém používají fyzici ke kvantifikaci zářivé energie nezávisle na vlnové délce; zatímco fotometrické veličiny se používají pouze pro viditelné světlo, radiometrické veličiny a jednotky se používají i v ultrafialové a infračervené oblasti spektra.23 Podrobné termíny, veličiny a jednotky jsou uvedeny online v elektronickém ILV CIE na adrese http://eilv.cie.co.at/ a jsou široce používány v mezinárodních normách (ISO a IEC).

Výpočet expozice sítnice

Zářivost sítnice Er je přímo úměrná zářivosti (jasu) L sledovaného zdroje. Ozáření sítnice Er ve W/cm2 je:

Er=0,27 × L × τ × de2

kde L je zářivost ve W/cm2/sr, τ je propustnost očních médií a de je průměr zornice v cm. Dvě osoby, které se dívají na stejnou scénu, mohou mít snadno dostatečně rozdílnou velikost zornice, aby se zářivost sítnice snadno lišila o faktor 2 (100 %)!“

Osvětlenost sítnice (fotometrická míra) se měří v Trolandech (td) a je to svítivost L (cd/m2) sledovaného zdroje vynásobená čtvercem průměru zornice (v mm). Tato jednotka se široce používá ve studiích „bleskové slepoty“ a v některých oblastech výzkumu zraku. Vyzařování sítnice z okolního venkovního osvětlení se pohybuje v rozmezí 0,02-0,1 mW/cm2 a tyto hodnoty jsou právě pohodlné pro sledování. Osvětlení sítnice ve venkovním prostředí je ~5 × 104 td. Přímé pozorování obrazu poledního slunce – milionkrát větší zářivost než modrá obloha nebo většina venkovního okolí – může mít za následek ozáření sítnice ~6 W/cm2 nebo ~3 × 107 Td pro 1,6mm zornici. Studie o zábleskové slepotě obvykle uvádějí ~107 Td × s jako „úplné vybělení“, které by nastalo za jednu třetinu sekundy.

.