Hvad er lys? Det synlige spektrum og mere

Selv om “lys” henviser til synlig strålingsenergi, kan det henvise til belysningskilder som f.eks. sollys eller kunstige kilder som f.eks. en lampe og armaturer (dvs. lampearmaturer). Man kan tænke på solnedgange eller endda på nattehimlen! I næsten hele menneskehedens udvikling har der kun været naturligt sollys – eller ild (herunder stearinlys, flammefakler og senere olielamper) – til rådighed. Men i dag – og i løbet af det seneste århundrede – har elektrisk drevne lamper domineret vores nattemiljøer i de udviklede lande. Siden 1820’erne-1830’erne har gaslamper og (senere) glødelamper (med rødt lys) domineret vores indendørs miljø om natten. Åbne flammer og glødekilder beskrives teknisk set som havende lave farvetemperaturer, typisk ⩽2800 Kelvin (K)-rige i de længere synlige (orange, røde) bølgelængder og infrarød-nærinfrarød stråling. I modsætning hertil er solen midt på dagen rig på kortere bølgelængder med en farvetemperatur på ca. 6500 K. Sollyset bliver rødt, når det står lavt på himlen, og den betydelige ændring i spektret er ofte ubemærket på grund af vores visuelle systems selektive kromatiske tilpasning.

Siden 1950’erne har lysstofrør (generelt rige på grønt lys og linjespektrer) været meget anvendt i indendørs belyste miljøer, i hvert fald på kontorer og i kommercielle omgivelser, men ret sjældent i hjemmet – med måske en enkelt undtagelse – i køkkenet (erfaring fra USA). Men “revolutionen” inden for optik i 1960’erne, som i høj grad skyldes opfindelsen af laseren, førte til andre optiske teknologier, herunder udvikling af nye typer linser og filtre, holografi og lysdioder (LED). LED’er var langt mere energieffektive end glødekilder, men kunne i begyndelsen kun udsende meget smalle bølgelængdebånd, dvs. synlige LED’er med en enkelt farve, indtil opfindelsen af multichip-LED’er og blå-violet-pumpede fluorescerende LED’er til at producere “hvidt” lys.

I dette århundrede førte regeringernes fokus på energibesparelser til pres for at anvende kompaktlysstofrør (CFL’er) og “hvide” LED’er til belysning. Faststofbelysning ved hjælp af LED’er, som er endnu mere energieffektive end CFL’er, er nu begyndt at dominere markedet. Både de tidlige kompaktlyslamper og “hvide” LED’er har imidlertid en meget blå spektral effektfordeling (figur 1). Nogle forbrugere begyndte at gøre oprør over for sådanne blå-rigtige lamper og krævede mindre “barske”, mindre “koldblålige” lyskilder. Der findes nu nogle LED’er og CFL’er med stærkt reduceret blå emission. Ikke desto mindre er der i de sidste 60 år sket en stadig stigende farvetemperatur for kunstige kilder og en stigning i “lysforurening” om natten. Vesteuropas nattehimmel set fra rummet viser den enorme påvirkning fra elektrisk belysning (figur 2).

Atmosfærisk optik ændrer sollyset betydeligt og giver nogle gange vidunderlige farveskærme, herunder det grønne glimt (en stor sjældenhed)! Atmosfæren virker som et mildt prisme: brydningsindekset varierer en smule med bølgelængden, hvilket overdriver solens billede lavt i horisonten. De forskellige farver bøjes forskelligt af atmosfæren, og Solens billede bøjes ~0,6° ved horisonten, således at Solen faktisk går ned, før dens brydningsbillede går ned! Det røde billede går først ned, efterfulgt af grønt, som kun ses i en brøkdel af et sekund, og blåt lys vises ikke, fordi det er blevet spredt ud.3

Historiske synspunkter

Siden primitive tider har menneskene undret sig over “Hvad er lys?”. I Bibelen (King James ‘Authorized Version’, Cambridge Edition)-Genesis 1 : 3 (dag 4) står der: Og Gud sagde: “Lad der blive lys, og der blev lys. Mange store hjerner udviklede teorier om lys (figur 3). Klassisk græsk tænkning om “Hvad er lys?” førte Platon (428-328 f.Kr.) til teorien om, at lyset opstod som “følelsesstråler” fra øjnene, der var rettet mod det, man observerede. Han tog tilsyneladende udgangspunkt i den kendsgerning, at lys produceres i øjet ved hjælp af trykfosphenes. Selv om denne opfattelse i dag virker mærkelig, har denne beskrivelse domineret den vestlige tankegang i næsten to årtusinder. I det 17. århundrede opstod der en kontrovers om, hvorvidt lys var en bølge eller en strøm af partikler. Sir Isaac Newton argumenterede her i Cambridge for, at Grimaldis diffraktionsfænomener blot demonstrerede en ny form for brydning. Newton hævdede, at den geometriske karakter af lovene om brydning og refleksion kun kunne forklares, hvis lyset var sammensat af “korpuskler” (partikler), da bølger ikke bevægede sig i lige linjer. Efter at være blevet medlem af Royal Society of London i 1672 erklærede Newton, at det 44. af en række eksperimenter, som han netop havde udført, havde bevist, at lyset bestod af korpuskler – ikke af bølger. På kontinentet syntes bølgeteorien om lyset imidlertid at være fremherskende. Christiaan Huygens, en hollandsk fysiker (fysik blev i det århundrede kaldt “naturfilosofi”), udgav i 1690 sin Traité de la Lumière, som støttede bølgeteorien. Først da Sir Thomas Young klart påviste bølgeinterferens (Experiments and Calculations Relative to Physical Optics, 1804)4 , blev bølgeteorien fuldt ud accepteret – og bølgeteorien holdt sig i hvert fald indtil slutningen af det 19. århundrede. En anden fremtrædende fysiker fra Cambridge var James Clerk Maxwell, som i midten af det 19. århundrede udledte sine universelle regler for elektricitet og magnetisme, der forudsagde elektromagnetiske bølger og det elektromagnetiske spektrum (figur 4). Faktisk var eksistensen af ultraviolet og infrarød stråling omkring 1800 blevet opdaget af henholdsvis Ritter5 og Herschel6.

I begyndelsen af det nittende århundrede (1899-1901) udviklede der sig en krise i den klassiske fysik. Fysikerne stod over for en meget stor gåde: I nogle eksperimenter som f.eks. interferens og diffraktion opførte lyset sig som bølger. Men i andre eksperimenter, som f.eks. den fotoelektriske effekt, opførte lyset sig tilsyneladende som om det var partikler. Den fotoelektriske effekt blev observeret i nogle metaller, når de blev udsat for en lysstråle. Men kun kortere bølgelængder producerede en fotostrøm i metallet, mens længere bølgelængder (rødt) lys – selv ved høj intensitet – ikke producerede en fotostrøm. Denne mærkelige observation støttede kraftigt kvanteteorien om stråling. Nogle tyske fysikere teoretiserede, at en enkelt foton (lyspartikel) har en kvanteenergi Qν, der er direkte proportional med bølgens frekvens f (undertiden symboliseret med det græske bogstav ν):

Qν=h × f,

hvor h er kendt som “Plancks konstant”. Dette førte til begrebet “bølge-partikel-dualitet.”

Fysikerne nåede til sidst til enighed om, at lys kunne karakteriseres samtidig som både en strøm af partikler og en bølge. Nogle aspekter af kvanteteorien er ret mærkelige, og vi skal ikke gå dybere ned i dem, men selv Einstein havde problemer med at acceptere kvanteteorien. Men det var da også Einstein, der teoretiserede, at lysets hastighed i et vakuum ikke kunne overskrides – og som også (i 1916) forudsagde “stimuleret strålingsemission”, som var det teoretiske grundlag for laseren.7

De fleste ved, at lysets hastighed er en konstant – ca. 300 000 km/s i et vakuum, men 299 000 km/s i luft og bremser endnu mere i tættere medier, f.eks. ~225 000 km/s inde i øjet. Forholdet mellem lysets hastighed i et vakuum og lysets hastighed i et medium er “brydningsindekset n”. For blot et par måneder siden påstod et hold fra Ecole Politechnique Lausanne, at de havde fremstillet det første fotografi af lyspartikler og -bølger! Jeg er ikke sikker på, at jeg har forstået deres eksperimentelle teknik, men det bliver interessant at se, om andre laboratorier kan reproducere deres resultater og bekræfte deres fortolkning af deres billeder. Figur 5 giver en skala til sammenligning af dimensionen af en bølgelængde af lys.

Kvantumteori og stimuleret emission

På atomskala udsendes fotoner, når en elektron hopper til en lavere energibital i atomet. Stimuleret emission af en foton kan kun finde sted, hvis en oprindelig foton med den nøjagtige energi passerer forbi et exciteret atom. Atomer exciteres generelt ved at en foton absorberes og hæver atomet til et højere energiniveau efterfulgt af en foton, der spontant udsendes, når atomet falder til et lavere energiniveau, undtagen ved stimuleret emission. Med en korrekt konstrueret resonanskavitation kan der opstå en kaskade af stimulerede emissioner med en resulterende laserstråle. Den virkelige fordel ved en laserkilde er dens ultrahøje strålingsstyrke (lysstyrke). Stort set alle anvendelser af en laser – fra laserpointere, laserafstandsmålere og cd-skrivere og -læsere til laserfusion – er kun mulige på grund af en lasers ultrahøje strålingsstyrke. En laserpointer på 1 mW har en lysstyrke (radians), der er mindst 10 gange større end solens lysstyrke.

Hvad er grænserne for det synlige spektrum?

Der er egentlig ingen aftalte grænser for det synlige spektrum. CIE definerer “synlig stråling” (ILV-betegnelse nr. 17-1402) som “enhver optisk stråling, der er i stand til direkte at fremkalde en visuel fornemmelse”. CIE-definitionen tilføjer følgende bemærkning: “Der findes ingen præcise grænser for spektralområdet for synlig stråling, da de afhænger af den strålingsmængde, der når nethinden, og af observatørens reaktionsevne. Den nedre grænse ligger normalt mellem 360 og 400 nm og den øvre grænse mellem 760 og 830 nm”. Grænserne for synlighed har længe været af personlig interesse. Som ung videnskabsmand på omkring 24 år foretog jeg et eksperiment for at bestemme den korteste bølgelængde, som jeg kunne se, efter at have gennemgået meget tidligere rapporter om emnet.8, 9, 10 Jeg kunne afbilde spalten i en dobbeltmonokromator ned til 310 nm, og jeg var sikker på, at jeg virkelig afbildede 310 nm og ikke strejflys af længere bølgelængder, da jeg placerede en række spektralfiltre i strålen uden nogen ændring i detektionstærsklen. Men i dag, i en alder af 74 år, kan jeg ikke engang se 400 nm meget let! Efterhånden som jeg er blevet ældre, blokerer ophobningen af UV-absorberende proteiner – mange af dem er fluorophorer – i mine intakte krystallinske linser de fleste UV-A-bølgelængder (315-400 nm), og jeg oplever mere slør fra fluorescens i linserne, end da jeg var yngre. Alle kan opleve linsefluorescens11 fra UV-A (315-400 nm), og Zuclich et al12 kvantificerede UV-A-linsefluorescens, og hvordan den varierer lidt med alderen. Weale13 vurderede, at linsefluorescens forstyrrer den visuelle præstation. Insekter er ret følsomme over for UV, og dette er grundlaget for UV-insektlysfælder. Bier menes at gøre brug af det polariserede UV i ovenlys til at navigere, men mennesker gør formentlig ikke bevidst brug af den polariserede violette himmel, til trods for at nogle polariserende træk ved den menneskelige hornhinde producerer Haidinger-børster.14 Under Anden Verdenskrig opstod der bekymring for, at forudgående eksponering for ultraviolet nedsatte nattesynet,15 men selv den berømte synsforsker George Wald argumenterede sammen med en kandidatstuderende fra University of Rochester for, at dette resultat var latterligt, da den krystallinske linse blokerede nethindens UV-A-eksponering. Tilsyneladende tænkte professor Wald ikke logaritmisk i dette tilfælde, da næsten 1 % af UV-A transmitteres, og med højere fotonenergier fra de kortere UV-bølgelængder var det ikke usandsynligt, at UV-A-stråling kunne påvirke stavfotoreceptorer.16 Der var en lille storm, som fortsatte med Wolf17 , der bekræftede faldet i nattesynet, men selv senere hævdede Wald18 , at dette hverken var en væsentlig eller permanent effekt. Tan19 målte senere det grålige syn hos aphakiske personer, der bekræftede de sekundære UV-A respons-toppe for hver enkelt keglefotoreceptor.

Synet af infrarødt ‘lys’

Efter flere mærkelige historier om soldater, der så infrarøde lasere i 1970’erne, demonstrerede min gruppe visuel detektion til næsten 1100 nm (J Opt Soc Amer 1976). Figur 6 viser udvidelsen af synets spektrale følsomhed langt ind i det infrarøde område. Dette var ikke et let eksperiment. Vi adskilte laseren 8 m fra observatøren for at reducere pumpelyset (pumpelyset faldt hurtigt med afstanden, men det gjorde laserstrålens bestråling ikke), og vi anvendte smalbånds-infrarøde filtre, der blev stablet, indtil den samme tærskel blev målt uden tilføjelse af endnu et filter (figur 7). Det var interessant, at – i lighed med andre synlige bølgelængder – farveidentifikation var vanskelig ved tærsklen for en punktkilde20 , men hvis vi overskred tærsklen og især hvis vi udvidede kildens størrelse fra et “punkt”, kunne vi altid se rødt, hvilket tyder på, at de røde kogler var aktiveret. Derudover gennemførte vi eksperimenter, der bekræftede rapporter fra natlige observationer i felten, at man kunne se “grønt” lys fra strålen fra en kortimpulseret Nd:YAG-laser på flere kilometers afstand. Vi var i stand til at bekræfte, at hvis man direkte observerede den nærinfrarøde 1064 nm emissionsbølgelængde fra en q-switched (~10-20 ns) Nd:YAG-laser, ville man observere grønt lys, som, når det blev farvematchet med en CW-monokromatorkilde, fremstod som 532 nm grønt lys. Dette viste os, at der foregik andenharmonisk generering i øjenvæv – sandsynligvis i nethinden. En anden harmonisk blev ikke set i rubinlaseren (694 nm), hvilket viste den lave effektivitet af denne ikke-lineære proces.

I en artikel, der blev offentliggjort i december sidste år, argumenterede Palczewska et al21 for, at infrarødt syn er resultatet af to-fotonisomerisering; men da de kun anvendte tog af femtosekunders (10-12 s) pulser fra en infrarød laser, kunne de ikke udelukke ikke-lineære processer. Deres eksperimenter var gode, men efter min mening forekommer deres fortolkninger fejlbehæftet, da de ignorerede virkningen af deres lasers maksimale effekt på 67 000 over gennemsnittet. De kunne ikke antage, at deres 200-fs, 75 MHz-laser svarede til en kontinuerlig kilde (med en duty cycle på kun 1,5 × 10-5), så ikke-lineære effekter var ikke overraskende. Deres gennemsnitlige effekt på 1 MW, der trængte ind i øjet, havde faktisk en toppeffekt på 66 W, hvilket producerede en retinal bestråling >13 MW/cm2 i en minimal retinal pletstørrelse på ~25 μm!

Vi kan konkludere, at synligheden af lys uden for det velaccepterede område på ca. 380-780 nm afhænger af kildens lysstyrke (radians), men er begrænset i barndommen til ca. 310 nm ved den korte bølgelængde af det synlige spektrum til måske ~1100 nm i det nær-infrarøde. Der findes ganske enkelt ikke en egentlig skillelinje mellem “synligt” og infrarødt. Synligheden af en infrarød A (IR-A) bølgelængde afhænger blot kun af kildens lysstyrke (radians) sammenlignet med den omgivende luminans.

CIE fotobiologiske spektralbånd

CIE udviklede i 1930’erne nogle nyttige kortfattede notationer for fotobiologi. Disse var: UV-C fra 100-280 nm (stærkt aktinisk; bakteriedræbende, med en kort bølgelængdegrænse til “blød-X-ray”-området), UV-B mellem 280 og 315 nm med aktiniske og fotokarcinogene virkninger og UV-A mellem 315 og 400 nm, som er karakteriseret som svagt aktinisk og har en vigtig rolle i fotodynamiske virkninger og fotosensibilisatorer. Det synlige spektrum overlapper bevidst UV-A (fra ~360-380 til 400 nm i det dybe violet) og langt ind i det nærinfrarøde (IR-A) spektralbånd, som begynder ved 780 nm. Til en vis overraskelse for forskningsfotobiologer har grænserne for disse CIE-spektralbånd undertiden skabt kontroverser i den industrielle sektor. Der findes faktisk en ret berygtet “standard” offentliggjort af den internationale standardiseringsorganisation (ISO), som forsøgte at ændre de traditionelle CIE-definitioner af UV-A, som havde eksisteret i >75 år (ISO-20473-2007). ISO’s tekniske udvalg, TC172 (optik), udarbejdede denne spektralbåndsstandard ved at omdefinere UV-A til <380 nm i stedet for CIE’s definition på 400 nm og forsøgte at foreslå en fin grænse mellem det synlige – begyndende ved 380 nm22 . Nøglemedlemmer fra øjenbrilleindustrien i udvalget gik ind for øjenlinser og solbriller, der kunne opfylde langt mere lempelige kriterier for “UV-blokering!”

CIE identificerer tre infrarøde spektralbånd, der i vid udstrækning er baseret på spektrale variationer i vands absorption af infrarødt lys. IR-A-spektret går fra 780 til 1400 nm (metasynlige bølgelængder), som er godt transmitteret af vand, og som når nethinden gennem øjenmedierne. Som tidligere nævnt er der selv ved 1100 nm en meget svag visuel stimulus, og IR-A trænger dybt ind i biologisk væv og anvendes derfor til diagnostik og hudbehandling. Det infrarøde B-område ligger mellem 1,4 μm (1400 nm) og 3,0 μm (mellemste infrarødt), og disse bølgelængder når ikke nethinden, men trænger op til et par mm ind i hud- og øjenvæv. Det infrarøde C er et stort spektralt område, der strækker sig fra 3,0 til 1000 μm (1 mm). Disse fjerninfrarøde bølgelængder absorberes meget overfladisk (<1 mm). Det ekstremt infrarøde C kaldes også for terahertz-stråling (THz).

Måling af lys – CIE’s standardiserede radiometriske og fotometriske termer

CIE definerer to separate systemer til måling af lys: det fotometriske og det radiometriske system. Det radiometriske system er baseret på grundlæggende fysiske enheder (tabel 1). Det fotometriske system anvendes i belysningskonstruktion og belysningsteknik og er baseret på en tilnærmet, men standardiseret (V(λ)) spektral respons for dagslys (fotopisk) syn med enhederne: lumen (lyseffekt Φv), lux (lm/m2 for belysningsstyrke Ev), candelas (lm/sr for lysstyrke Iv) og nits (cd/m2 for luminans Lv, dvs. “lysstyrke”). Det radiometriske system anvendes af fysikere til at kvantificere strålingsenergi uafhængigt af bølgelængden; mens fotometriske størrelser kun anvendes for synligt lys, anvendes radiometriske størrelser og enheder også i de ultraviolette og infrarøde spektralområder.23 Detaljerede termer, størrelser og enheder findes online i CIE’s elektroniske ILV på http://eilv.cie.co.at/, og disse anvendes i vid udstrækning i internationale (ISO og IEC) standarder.

Beregning af retinal eksponering

Retinal bestråling Er er direkte proportional med radiansen (lysstyrken) L for den kilde, der ses. Den retinale bestråling Er i W/cm2 er:

Er=0,27 × L × τ × de2

hvor L er strålingen i W/cm2/sr, τ er transmittansen af okulære medier og de er pupildiameteren i cm. To personer, der ser på den samme scene, kan let have en pupilstørrelse, der er tilstrækkelig forskellig til, at de let kan få en nethindelysstyrke, der varierer med en faktor 2 (100 %)!

Den nethindelysstyrke (fotometrisk målestok) måles i troland (td) og er luminansen L (cd/m2) af den betragtede kilde, ganget med kvadratet på pupildiameteren (i mm). Denne enhed er blevet anvendt i vid udstrækning i undersøgelser af “blitzblindhed” og inden for visse områder af synsforskningen. Den retinale irradians fra udendørs belysning er i størrelsesordenen 0,02-0,1 mW/cm2 , og disse niveauer er lige akkurat behagelige at se på. Den retinale belysningsstyrke udendørs er ~5 × 104 td. Hvis man ser direkte på middagssolens billede – en million gange større strålingsstyrke end den blå himmel eller det meste af omgivelserne udendørs – kan det resultere i en retinal bestråling på ~6 W/cm2 eller ~3 × 107 Td for en pupil på 1,6 mm. Undersøgelser af blitzblindhed angiver normalt ~107 Td × s som en “fuld blegning”, hvilket ville ske på en tredjedel af et sekund.