¿Qué es la luz? El espectro visible y más allá

Aunque «luz» se refiere a la energía radiante visible, puede referirse a fuentes de iluminación, como la luz del sol o a fuentes artificiales como una lámpara y luminarias (es decir, aparatos de iluminación). Podemos pensar en las puestas de sol o incluso en el cielo nocturno. A lo largo de casi toda la evolución de la humanidad, sólo existía la luz solar natural, o el fuego (incluidas las velas, las antorchas de llama y, posteriormente, las lámparas de aceite). Pero hoy en día -y desde hace un siglo- las lámparas eléctricas han dominado nuestros entornos nocturnos en los países desarrollados. Desde la década de 1820-1830, las lámparas de gas y (posteriormente) las lámparas incandescentes (de color rojo) han dominado nuestro entorno nocturno interior. Las llamas abiertas y las fuentes incandescentes se describen técnicamente por tener temperaturas de color bajas, normalmente ⩽2800 Kelvins (K) – ricas en longitudes de onda visibles más largas (naranja, rojo) y en radiación infrarroja-cercana. Por el contrario, el Sol del mediodía es rico en longitudes de onda más cortas con una temperatura de color de unos 6500 K. La luz solar se vuelve rica en rojo cuando está baja en el cielo y el cambio significativo en el espectro suele pasar desapercibido debido a la adaptación cromática selectiva de nuestro sistema visual.

Desde la década de 1950, las lámparas fluorescentes (generalmente ricas en luz verde y espectros de línea) se han utilizado ampliamente en entornos iluminados de interior, al menos en oficinas y entornos comerciales, pero con bastante poca frecuencia en el hogar -con quizás una excepción- en la cocina (experiencia de EE.UU.). Pero la «revolución» de la óptica en la década de 1960 -fomentada en gran medida por la invención del láser- condujo a otras tecnologías ópticas, como el desarrollo de nuevos tipos de lentes y filtros, la holografía y los diodos emisores de luz (LED). Los LED eran mucho más eficientes energéticamente que las fuentes incandescentes, pero inicialmente sólo podían emitir bandas de longitud de onda muy estrechas, es decir, LEDs visibles de un solo color, hasta que se inventaron los LEDs multichip y los LEDs fluorescentes bombeados en azul-violeta para producir luz «blanca».

En este siglo, el énfasis gubernamental en la conservación de la energía hizo que se presionara para emplear lámparas fluorescentes compactas (CFL) y LEDs «blancos» para la iluminación. La iluminación de estado sólido mediante LEDs, que son incluso más eficientes energéticamente que las CFLs, está empezando a dominar el mercado. Sin embargo, tanto las primeras CFL como los LED «blancos» tienen distribuciones de potencia espectral muy azules (figura 1). Algunos consumidores empezaron a rebelarse contra estas lámparas ricas en azul y exigieron fuentes de luz menos «duras» y menos «azuladas». Ahora se pueden encontrar algunos LED y CFL con una emisión azul muy reducida. Sin embargo, en los últimos 60 años se ha producido un aumento de la temperatura de color de las fuentes artificiales y un incremento de la «contaminación lumínica» nocturna. El cielo nocturno de Europa Occidental visto desde el espacio muestra el enorme impacto de la iluminación eléctrica (Figura 2).

La óptica atmosférica altera significativamente la luz del sol y, a veces, proporciona maravillosos despliegues de color, ¡incluyendo el Green Flash (una gran rareza)! La atmósfera actúa como un leve prisma: el índice de refracción varía ligeramente con la longitud de onda, exagerando la imagen del Sol en la parte baja del horizonte. Los diferentes colores son desviados en diferente medida por la atmósfera y la imagen del Sol se desvía ~0,6° en el horizonte, de modo que el Sol se pone antes que su imagen refractada. La imagen roja se pone primero, seguida de la verde, que sólo se ve durante una fracción de segundo, y la luz azul no aparece porque se ha dispersado.3

Visiones históricas

Desde los tiempos primitivos, los humanos se han preguntado «¿Qué es la luz? Bíblicamente (King James ‘Authorized Version’, Cambridge Edition)-Génesis 1 : 3 (Día 4) dice: «Y dijo Dios: Sea la luz; y fue la luz». Muchas grandes mentes desarrollaron teorías sobre la luz (Figura 3). El pensamiento griego clásico sobre «¿Qué es la luz?» llevó a Platón (428-328 a.C.) a la teoría de que la luz se originaba como «rayos de sensación» procedentes de los ojos y dirigidos a lo que se observaba. Al parecer, se basó en el hecho de que la luz se produce dentro del ojo por la presión de los fosfenos. Aunque hoy esta noción parece extraña, esta descripción dominó el pensamiento occidental durante casi dos milenios. En el siglo XVII surgió una polémica sobre si la luz era una onda o una corriente de partículas. Sir Isaac Newton argumentó en Cambridge que los fenómenos de difracción de Grimaldi simplemente demostraban una nueva forma de refracción. Newton sostenía que la naturaleza geométrica de las leyes de refracción y reflexión sólo podía explicarse si la luz estaba compuesta por «corpúsculos» (partículas), ya que las ondas no viajaban en línea recta. Tras ingresar en la Royal Society de Londres en 1672, Newton declaró que el cuadragésimo cuarto de una serie de experimentos que acababa de realizar había demostrado que la luz estaba formada por corpúsculos, no por ondas. Sin embargo, en el continente la teoría ondulatoria de la luz parecía imponerse. Christiaan Huygens, físico holandés (en aquel siglo la física se denominaba «filosofía natural»), publicó en 1690 su Traité de la Lumière, que apoyaba la teoría ondulatoria. La teoría ondulatoria no fue plenamente aceptada hasta que Sir Thomas Young demostró claramente la interferencia ondulatoria (Experiments and Calculations Relative to Physical Optics, 1804)4 , y la teoría ondulatoria se mantuvo vigente al menos hasta finales del siglo XIX. Otro físico destacado de Cambridge fue James Clerk Maxwell, quien a mediados del siglo XIX dedujo sus reglas universales de la electricidad y el magnetismo que predecían las ondas electromagnéticas y el espectro electromagnético (Figura 4). De hecho, hacia 1800 la existencia de la radiación ultravioleta e infrarroja había sido descubierta por Ritter5 y Herschel,6 respectivamente.

A finales del siglo XIX (1899-1901), se produjo una crisis en la física clásica. Los físicos tuvieron que enfrentarse a un gran rompecabezas: en algunos experimentos, como la interferencia y la difracción, la luz se comportaba como ondas. Sin embargo, en otros experimentos, como el efecto fotoeléctrico, la luz parecía comportarse como si fueran partículas. El efecto fotoeléctrico se observó en algunos metales al exponerlos a un haz de luz. Pero sólo las longitudes de onda más cortas producían una fotocorriente en el metal, mientras que la luz de mayor longitud de onda (roja) -incluso a alta intensidad- no producía una fotocorriente. Esta curiosa observación apoyaba firmemente la teoría cuántica de la radiación. Algunos físicos alemanes teorizaron que un solo fotón (partícula de luz) tiene una energía cuántica Qν que es directamente proporcional a la frecuencia f (a veces simbolizada por la letra griega ν) de la onda:

Qν=h × f,

donde h se conoce como «constante de Planck». Esto condujo al concepto de ‘dualidad onda-partícula’

Los físicos llegaron finalmente a un consenso de que la luz podía caracterizarse simultáneamente como una corriente de partículas y una onda. Algunos aspectos de la teoría cuántica son bastante extraños, y no profundizaremos en ellos, pero incluso Einstein tuvo problemas para aceptar la teoría cuántica. Pero fue Einstein quien teorizó que la velocidad de la luz en el vacío no podía ser superada, y también (en 1916) predijo la «emisión estimulada de radiación», que fue la base teórica del láser.7

La mayoría de la gente sabe que la velocidad de la luz es una constante: unos 300 000 km/s en el vacío, pero 299 000 km/s en el aire, y se ralentiza aún más en medios más densos, por ejemplo, ~225 000 km/s dentro del ojo. La relación entre la velocidad de la luz en el vacío y en un medio es el «índice de refracción, n». Hace apenas unos meses, un equipo de la Escuela Politécnica de Lausana afirmó haber producido la primera fotografía de partículas y ondas de luz. No estoy seguro de haber entendido su técnica experimental, pero será interesante ver si otros laboratorios pueden reproducir sus resultados y confirmar la interpretación de sus imágenes. La figura 5 proporciona una escala para comparar la dimensión de una longitud de onda de la luz.

Teoría cuántica y emisión estimulada

A escala atómica, los fotones se emiten cuando un electrón salta a un orbital de menor energía del átomo. La emisión estimulada de un fotón sólo puede ocurrir si un fotón inicial de la energía exacta pasa por un átomo excitado. Los átomos se excitan generalmente mediante la absorción de un fotón que eleva el átomo a un nivel de energía superior, seguido de la emisión espontánea de un fotón cuando el átomo desciende a un nivel de energía inferior, excepto en el caso de la emisión estimulada. Con una cavidad resonante correctamente construida, puede producirse una cascada de emisiones estimuladas con un rayo láser resultante. La verdadera ventaja de una fuente láser es su altísima luminosidad. Prácticamente todas las aplicaciones de un láser -desde los punteros láser, los telémetros láser y la escritura y lectura de CD hasta la fusión por láser- sólo son posibles gracias a la altísima luminosidad de un láser. Un puntero láser de 1 mW tiene un brillo (radiancia) al menos 10 veces mayor que el Sol.

¿Cuáles son los límites del espectro visible?

Realmente no hay límites acordados para el espectro visible. La CIE define la «radiación visible» (término ILV número 17-1402) como «cualquier radiación óptica capaz de causar una sensación visual directamente». La definición de la CIE añade la siguiente nota: «No existen límites precisos para la gama espectral de la radiación visible, ya que dependen de la cantidad de potencia radiante que llega a la retina y de la capacidad de respuesta del observador. El límite inferior se suele situar entre 360 y 400 nm y el superior entre 760 y 830 nm». Los límites de la visibilidad han sido durante mucho tiempo un interés personal. Cuando era un joven científico de unos 24 años, realicé un experimento para determinar la longitud de onda más corta que podía ver después de revisar informes muy anteriores sobre el tema.8, 9, 10 Podía obtener imágenes de la rendija de un monocromador doble hasta 310 nm, y estaba seguro de que realmente estaba obteniendo imágenes de 310 nm y no de luz parásita de longitudes de onda más largas, ya que coloqué varios filtros espectrales en el haz sin que cambiara el umbral de detección. Pero hoy, a los 74 años, ¡ni siquiera puedo ver 400 nm con facilidad! A medida que he ido envejeciendo, la acumulación de proteínas que absorben la radiación UV -muchas de ellas son fluoróforos- en mis lentes cristalinas intactas bloquea la mayoría de las longitudes de onda de la radiación UV-A (315-400 nm) y experimento más niebla por fluorescencia del cristalino que cuando era más joven. Todo el mundo puede experimentar la fluorescencia del cristalino11 a partir de la UV-A (315-400 nm), y Zuclich et al12 cuantificaron la fluorescencia del cristalino a partir de la UV-A y cómo varía poco con la edad. Weale13 estimó que la fluorescencia del cristalino interfería en el rendimiento visual. Los insectos son bastante sensibles a los rayos UV y en ello se basan las trampas de luz UV para insectos. Se cree que las abejas aprovechan el UV polarizado de la luz del cielo para navegar, pero es de suponer que los seres humanos no aprovechan el cielo violeta polarizado, a pesar de que algunas características polarizantes de la córnea humana producen cepillos de Haidinger.14 Durante la Segunda Guerra Mundial, surgió la preocupación de que la preexposición a los rayos ultravioleta disminuía la visión nocturna,15 pero incluso el renombrado científico de la visión, George Wald, discutió con un estudiante de posgrado de la Universidad de Rochester que este hallazgo era ridículo, ya que el cristalino bloqueaba la exposición a los UV-A de la retina. Al parecer, el profesor Wald no pensó de forma logarítmica en este caso, ya que casi el 1% de la UV-A se transmite, y con energías de fotones más altas de las longitudes de onda UV más cortas, no era inverosímil que la radiación UV-A pudiera afectar a los fotorreceptores de los bastones.16 Hubo una pequeña tempestad que continuó con Wolf17 confirmando la disminución de la visión nocturna, pero incluso más tarde, Wald18 argumentó que esto no era un efecto significativo ni permanente. Tan19 midió posteriormente la visión grisácea en individuos afáquicos que confirmaron los picos de respuesta UV-A secundarios de cada fotorreceptor de cono.

Ver «luz» infrarroja

Después de varias historias curiosas sobre soldados que veían láseres infrarrojos en la década de 1970, mi grupo demostró la detección visual hasta casi 1100 nm (J Opt Soc Amer 1976). La figura 6 muestra la extensión de la respuesta espectral de la visión hasta el infrarrojo. No fue un experimento fácil. Separamos el láser 8 m del observador para reducir la luz de bombeo (la luz de bombeo disminuía rápidamente con la distancia, pero la irradiación del rayo láser no), y empleamos filtros infrarrojos de banda estrecha, apilados hasta que se midió el mismo umbral sin añadir otro filtro (Figura 7). Resultó interesante que -al igual que en otras longitudes de onda visibles- la identificación del color era difícil en el umbral para una fuente puntual,20 pero si superábamos el umbral y, sobre todo, si ampliábamos el tamaño de la fuente desde un «punto», siempre podíamos ver el rojo, lo que sugería que los conos rojos estaban activados. Además, realizamos experimentos que confirmaron los informes de las observaciones nocturnas de campo en los que se veía luz «verde» dentro del haz de un láser Nd:YAG de pulso corto a varios kilómetros de distancia. Pudimos confirmar que si se observaba directamente la longitud de onda de emisión en el infrarrojo cercano de 1064 nm de un láser Nd:YAG de conmutación Q (~10-20 ns), se observaría luz verde, que cuando se emparejaba el color con una fuente monocromática de onda continua, aparecía como luz verde de 532 nm. Esto nos demostró que la generación de segundos armónicos se producía en los tejidos oculares, probablemente en la retina. No se observó un segundo armónico en el láser de rubí (694 nm), lo que demuestra la baja eficiencia de este proceso no lineal.

En un artículo publicado el pasado mes de diciembre, Palczewska et al21 argumentaron que la visión infrarroja es el resultado de la isomerización de dos fotones; sin embargo, como sólo emplearon trenes de pulsos de femtosegundos (10-12 s) de un láser infrarrojo, no pudieron descartar procesos no lineales. Sus experimentos fueron buenos, pero, en mi opinión, sus interpretaciones parecen defectuosas, ya que ignoraron el impacto de la potencia máxima de su láser de 67 000 sobre la media. No podían suponer que su láser de 200 fs y 75 MHz fuera equivalente a una fuente continua (con un ciclo de trabajo de sólo 1,5 × 10-5), por lo que los efectos no lineales no eran sorprendentes. Su potencia media de 1 mW que entraba en el ojo tenía en realidad una potencia máxima de 66 W, produciendo una irradiación retiniana >13 MW/cm2 en un tamaño mínimo de punto retiniano de ~25 μm!

Podemos concluir que la visibilidad de la luz fuera de la gama bien aceptada de unos 380-780 nm depende de la luminosidad (radiancia) de la fuente, pero está limitada en la infancia a aproximadamente 310 nm en la longitud de onda corta del espectro visible hasta quizás ~1100 nm en el infrarrojo cercano. No existe una verdadera línea divisoria entre el «visible» y el infrarrojo. La visibilidad de una longitud de onda del infrarrojo A (IR-A) sólo depende del brillo (radiancia) de la fuente en comparación con la luminancia ambiental.

Bandas espectrales fotobiológicas de la CIE

La CIE desarrolló algunas notaciones útiles de corta duración para la fotobiología en la década de 1930. Éstas eran: la UV-C de 100-280 nm (altamente actínica; germicida, con una frontera de corta longitud de onda con la región de «rayos X suaves»), la UV-B entre 280 y 315 nm con efectos actínicos y fotocarcinógenos, y la UV-A entre 315 y 400 nm, que se caracteriza por ser débilmente actínica y tiene un papel importante en los efectos fotodinámicos y los fotosensibilizadores. El espectro visible se solapa intencionadamente con el UV-A (de ~360-380 a 400 nm en el violeta profundo) y con la banda espectral del infrarrojo cercano (IR-A), que comienza a 780 nm. Para sorpresa de los fotobiólogos investigadores, los límites de estas bandas espectrales CIE han creado a veces controversia en el sector industrial. De hecho, existe una «norma» bastante infame publicada por la Organización Internacional de Normalización (ISO) que intentó cambiar las definiciones CIE tradicionales de UV-A que habían existido durante >75 años (ISO-20473-2007). El comité técnico de la ISO, TC172 (óptica), preparó esta norma de banda espectral redefiniendo el UV-A a <380 nm en lugar de la definición CIE de 400 nm e intentó sugerir una frontera fina entre el visible que comienza a 380 nm.22 Los principales miembros de la industria oftálmica del Comité se mostraron a favor de lentes oftálmicas y gafas de sol que pudieran cumplir criterios mucho más permisivos para el «bloqueo de los rayos UV».

La CIE identifica tres bandas espectrales infrarrojas basadas en gran medida en las variaciones espectrales de la absorción del infrarrojo por el agua. El IR-A va de 780 a 1400 nm (longitudes de onda metavisibles), que son bien transmitidas por el agua y que llegan a la retina a través de los medios oculares. Como se ha señalado anteriormente, existe un estímulo visual muy débil incluso a 1100 nm; y el IR-A penetra profundamente en los tejidos biológicos, por lo que se utiliza en el diagnóstico y en los tratamientos de la piel. El infrarrojo B oscila entre 1,4 μm (1400 nm) y 3,0 μm (infrarrojo medio), y estas longitudes de onda no llegan a la retina pero penetran hasta unos pocos mm en la piel y los tejidos oculares. El infrarrojo C es un vasto dominio espectral, que se extiende de 3,0 a 1000 μm (1 mm). Estas longitudes de onda del infrarrojo lejano se absorben muy superficialmente (<1 mm). El infrarrojo extremo C también se denomina radiación de terahercios (THz).

Medición de la luz-los términos radiométricos y fotométricos estandarizados por la CIE

La CIE define dos sistemas distintos para medir la luz: el sistema fotométrico y el radiométrico. El sistema radiométrico se basa en unidades físicas fundamentales (Tabla 1). El sistema fotométrico se utiliza en el diseño del alumbrado y en la ingeniería de la iluminación y se basa en una respuesta espectral (V(λ)) aproximada, pero normalizada, de la visión diurna (fotópica) con unidades de: lúmenes (potencia luminosa Φv), lux (lm/m2 para la iluminancia Ev), candelas (lm/sr para la intensidad luminosa Iv) y nits (cd/m2 para la luminancia Lv, es decir, «brillo»). Los físicos emplean el sistema radiométrico para cuantificar la energía radiante independientemente de la longitud de onda; mientras que las cantidades fotométricas sólo se utilizan para la luz visible, pero las cantidades y unidades radiométricas se aplican también en las regiones espectrales ultravioleta e infrarroja.23 Los términos, cantidades y unidades detallados se proporcionan en línea en la ILV electrónica de la CIE en http://eilv.cie.co.at/, y se utilizan ampliamente en las normas internacionales (ISO e IEC).

Cálculo de las exposiciones retinianas

La irradiancia retiniana Er es directamente proporcional a la radiancia (brillo) L de la fuente que se observa. La irradiancia retiniana Er en W/cm2 es:

Er=0,27 × L × τ × de2

donde L es la radiancia en W/cm2/sr, τ es la transmitancia del medio ocular y de es el diámetro de la pupila en cm. Dos personas que miren la misma escena pueden tener fácilmente un tamaño de pupila lo suficientemente diferente como para que la irradiancia retiniana difiera en un factor de 2 (100%).

La iluminancia retiniana (medida fotométrica) se mide en Trolands (td) y es la luminancia L (cd/m2) de la fuente vista, multiplicada por el cuadrado del diámetro de la pupila (en mm). Esta unidad se ha utilizado ampliamente en los estudios sobre la «ceguera del flash» y en algunos ámbitos de la investigación de la visión. La irradiancia retiniana de la iluminación ambiental en exteriores es del orden de 0,02-0,1 mW/cm2 y estos niveles son apenas cómodos de ver. La iluminancia de la retina en el exterior es de ~5 × 104 td. La visión directa de la imagen del sol del mediodía -un millón de veces más radiante que el cielo azul o la mayor parte del entorno exterior- puede dar lugar a una irradiancia retiniana de ~6 W/cm2 o ~3 × 107 Td para una pupila de 1,6 mm. Los estudios sobre la ceguera por flash normalmente citan ~107 Td × s como un «blanqueo completo», que se produciría en un tercio de segundo.