Cos’è la luce? Lo spettro visibile e oltre

Anche se ‘luce’ si riferisce all’energia radiante visibile, può riferirsi a fonti di illuminazione, come la luce del sole o fonti artificiali come una lampada e apparecchi di illuminazione (cioè, lampade). Si potrebbe pensare ai tramonti o anche al cielo notturno! Durante quasi tutta l’evoluzione dell’umanità, c’era solo la luce naturale del sole o il fuoco (comprese le candele, le torce a fiamma e più tardi le lampade a olio). Ma oggi – e nell’ultimo secolo – le lampade elettriche hanno dominato i nostri ambienti notturni nei paesi sviluppati. Dagli anni 1820-1830 le lampade a gas e (più tardi) le lampade a incandescenza hanno dominato il nostro ambiente interno di notte. Le fiamme aperte e le fonti incandescenti sono descritte tecnicamente come aventi basse temperature di colore, tipicamente ⩽2800 Kelvin (K)- ricche di lunghezze d’onda più lunghe nel visibile (arancione, rosso) e di radiazioni infrarosse-vicino-infrarosse. Al contrario, il sole di mezzogiorno è ricco di lunghezze d’onda più corte con una temperatura di colore di circa 6500 K. La luce del sole diventa ricca di rosso quando è bassa nel cielo e il cambiamento significativo nello spettro è spesso inosservato a causa dell’adattamento cromatico selettivo da parte del nostro sistema visivo.

Dagli anni ’50, le lampade fluorescenti (generalmente ricche di luce verde e spettri di linea) sono state ampiamente utilizzate in ambienti interni illuminati, almeno in uffici e ambienti commerciali, ma piuttosto raramente in casa, con forse un’eccezione in cucina (esperienza USA). Ma la “rivoluzione” nell’ottica durante gli anni ’60 – promossa in gran parte dall’invenzione del laser – ha portato ad altre tecnologie ottiche, tra cui lo sviluppo di nuovi tipi di lenti e filtri, l’olografia e i diodi ad emissione di luce (LED). I LED erano molto più efficienti dal punto di vista energetico rispetto alle sorgenti a incandescenza, ma inizialmente erano in grado di emettere solo bande di lunghezze d’onda molto strette, cioè LED visibili monocolore, fino all’invenzione dei LED multi-chip e dei LED fluorescenti pompati blu-viola per produrre luce “bianca”.

In questo secolo, l’enfasi governativa sul risparmio energetico ha portato alla pressione di impiegare lampade fluorescenti compatte (CFL) e LED “bianchi” per l’illuminazione. L’illuminazione a stato solido con i LED, che sono ancora più efficienti dal punto di vista energetico delle CFL, sta cominciando a dominare il mercato. Tuttavia, sia le prime CFL che i LED ‘bianchi’ hanno distribuzioni di potenza spettrale molto ricche di blu (Figura 1). Alcuni consumatori hanno cominciato a ribellarsi a queste lampade ricche di blu e hanno richiesto fonti di luce meno ‘dure’, meno ‘freddo-bluastre’. Ora si trovano alcuni LED e CFL con un’emissione blu molto ridotta. Tuttavia, negli ultimi 60 anni c’è stato un aumento della temperatura di colore delle fonti artificiali e un aumento dell'”inquinamento luminoso” notturno. Il cielo notturno dell’Europa occidentale visto dallo spazio mostra l’enorme impatto dell’illuminazione elettrica (Figura 2).

L’ottica atmosferica altera significativamente la luce del sole e talvolta fornisce meravigliosi spettacoli di colore, compreso il Green Flash (una grande rarità)! L’atmosfera agisce come un leggero prisma: l’indice di rifrazione varia leggermente con la lunghezza d’onda, esagerando l’immagine del Sole in basso sull’orizzonte. Colori diversi sono piegati in quantità diverse dall’atmosfera e l’immagine del Sole è piegata di ~0,6° all’orizzonte, così che il Sole tramonta prima della sua immagine rifratta! L’immagine rossa tramonta per prima, seguita dal verde che si vede solo per una frazione di secondo e la luce blu non appare perché è stata dispersa.3

Visioni storiche

Dai tempi primitivi, gli uomini si sono chiesti: “Cos’è la luce? Biblicamente (King James ‘Authorized Version’, Cambridge Edition)-Genesi 1 : 3 (Giorno 4) legge: ‘E Dio disse: ‘Sia la luce, e la luce fu’. Molte grandi menti hanno sviluppato teorie sulla luce (Figura 3). Il pensiero greco classico su “Che cos’è la luce?” ha portato Platone (428-328 a.C.) alla teoria che la luce ha avuto origine come “raggi di sensazione” dagli occhi, diretti verso qualsiasi cosa si osservi. A quanto pare si basava sul fatto che la luce è prodotta all’interno dell’occhio da fosfeni a pressione. Anche se oggi questa nozione sembra strana, questa descrizione ha dominato il pensiero occidentale per quasi due millenni. Nel XVII secolo sorse una controversia sul fatto che la luce fosse un’onda o un flusso di particelle. Sir Isaac Newton sostenne qui a Cambridge che i fenomeni di diffrazione di Grimaldi dimostravano semplicemente una nuova forma di rifrazione. Newton sosteneva che la natura geometrica delle leggi di rifrazione e riflessione poteva essere spiegata solo se la luce fosse composta da “corpuscoli” (particelle), poiché le onde non viaggiano in linee rette. Dopo essersi unito alla Royal Society di Londra nel 1672, Newton dichiarò che il quarantaquattresimo di una serie di esperimenti che aveva appena condotto aveva dimostrato che la luce consisteva di corpuscoli, non di onde. Tuttavia, sul continente la teoria delle onde della luce sembrava prevalere. Christiaan Huygens, un fisico olandese (la fisica in quel secolo era chiamata “filosofia naturale”) pubblicò il suo Traité de la Lumière nel 1690 che sosteneva la teoria delle onde. Solo quando Sir Thomas Young dimostrò chiaramente l’interferenza delle onde (Experiments and Calculations Relative to Physical Optics, 1804)4 la teoria delle onde fu pienamente accettata – e la teoria delle onde rimase in vigore almeno fino alla fine del XIX secolo. Un altro fisico di spicco a Cambridge fu James Clerk Maxwell che a metà del XIX secolo derivò le sue regole universali di elettricità e magnetismo che prevedevano le onde elettromagnetiche e lo spettro elettromagnetico (Figura 4). Infatti, intorno al 1800 l’esistenza della radiazione ultravioletta e infrarossa era stata scoperta rispettivamente da Ritter5 e Herschel,6.

A cavallo del XIX secolo (1899-1901), si sviluppò una crisi nella fisica classica. I fisici dovettero affrontare un grande enigma: in alcuni esperimenti come l’interferenza e la diffrazione, la luce si comportava come onde. Tuttavia, in altri esperimenti, come l’effetto fotoelettrico, la luce sembrava comportarsi come particelle. L’effetto fotoelettrico è stato osservato in alcuni metalli quando esposti a un fascio di luce. Ma solo le lunghezze d’onda più corte producevano una fotocorrente nel metallo, mentre la luce di lunghezza d’onda più lunga (rossa) – anche ad alta intensità – non produceva una fotocorrente. Questa curiosa osservazione supportava fortemente la teoria quantistica della radiazione. Alcuni fisici tedeschi teorizzarono che un singolo fotone (particella di luce) ha un’energia quantistica Qν che è direttamente proporzionale alla frequenza f (a volte simboleggiata dalla lettera greca, ν) dell’onda:

Qν=h × f,

dove h è nota come “costante di Planck”. Questo ha portato al concetto di “dualità onda-particella”

I fisici alla fine hanno raggiunto un consenso sul fatto che la luce potrebbe essere caratterizzata simultaneamente come un flusso di particelle e un’onda. Alcuni aspetti della teoria dei quanti sono piuttosto strani, e non approfondiremo, ma persino Einstein aveva problemi ad accettare la teoria dei quanti. Ma poi fu Einstein a teorizzare che la velocità della luce nel vuoto non poteva essere superata – e anche (nel 1916) a prevedere “l’emissione stimolata di radiazione”, che era la base teorica del laser.7

La maggior parte delle persone sa che la velocità della luce è una costante – circa 300 000 km/s nel vuoto ma 299 000 km/s nell’aria e rallenta ancora di più nei mezzi più densi, per esempio, ~225 000 km/s dentro l’occhio. Il rapporto tra la velocità della luce nel vuoto e quella in un mezzo è l’indice di rifrazione, n. Solo pochi mesi fa, un team dell’Ecole Politechnique Lausanne ha affermato di aver prodotto la prima fotografia di particelle e onde di luce! Non sono sicuro di aver capito la loro tecnica sperimentale, ma sarà interessante vedere se altri laboratori possono riprodurre i loro risultati e confermare la loro interpretazione delle immagini. La figura 5 fornisce una scala per confrontare la dimensione di una lunghezza d’onda della luce.

Teoria quantistica ed emissione stimolata

Sulla scala atomica, i fotoni sono emessi quando un elettrone salta ad un orbitale di energia inferiore dell’atomo. L’emissione stimolata di un fotone può avvenire solo se un fotone iniziale dell’esatta energia passa vicino ad un atomo eccitato. Gli atomi sono generalmente eccitati da un fotone che viene assorbito e che porta l’atomo ad un livello di energia superiore seguito da un fotone emesso spontaneamente quando l’atomo scende ad un livello di energia inferiore, tranne che per l’emissione stimolata. Con una cavità risonante costruita correttamente, una cascata di emissioni stimolate può verificarsi con un raggio laser risultante. Il vero vantaggio di una sorgente laser è la sua ultra-alta radianza (luminosità). Praticamente tutte le applicazioni di un laser, dai puntatori laser, ai telemetri laser, alla scrittura e lettura di CD, alla fusione laser, sono possibili solo grazie all’altissima luminosità di un laser. Un puntatore laser da 1 mW ha una luminosità (radianza) almeno 10 volte superiore a quella del Sole.

Quali sono i limiti dello spettro visibile?

Non ci sono davvero limiti concordati allo spettro visibile. La CIE definisce “la radiazione visibile (termine ILV numero 17-1402) come “qualsiasi radiazione ottica capace di provocare direttamente una sensazione visiva”. La definizione della CIE aggiunge la seguente nota: “Non ci sono limiti precisi per la gamma spettrale della radiazione visibile poiché dipendono dalla quantità di potenza radiante che raggiunge la retina e dalla reattività dell’osservatore. Il limite inferiore è generalmente preso tra 360 e 400 nm e il limite superiore tra 760 e 830 nm”. I limiti della visibilità sono stati a lungo un interesse personale. Quando ero un giovane scienziato di circa 24 anni, feci un esperimento per determinare la lunghezza d’onda più corta che potevo vedere dopo aver esaminato rapporti molto precedenti sull’argomento.8, 9, 10 Potevo visualizzare la fenditura di un doppio monocromatore fino a 310 nm, ed ero certo che stavo veramente visualizzando 310 nm e non luce parassita di lunghezze d’onda più lunghe, dato che avevo messo una serie di filtri spettrali nel fascio senza alcun cambiamento nella soglia di rilevamento. Ma oggi, all’età di 74 anni, non riesco nemmeno a vedere 400 nm molto facilmente! Con l’avanzare dell’età, l’accumulo di proteine che assorbono gli UV – molte sono fluorofori – nelle mie lenti cristalline intatte blocca la maggior parte delle lunghezze d’onda UV-A (315-400 nm) e provo più foschia da fluorescenza delle lenti rispetto a quando ero giovane. Tutti possono sperimentare la fluorescenza delle lenti11 dagli UV-A (315-400 nm), e Zuclich et al12 hanno quantificato la fluorescenza delle lenti UV-A e come essa vari poco con l’età. Weale13 ha stimato che la fluorescenza della lente interferisce con le prestazioni visive. Gli insetti sono abbastanza sensibili agli UV e questo è alla base delle trappole luminose per insetti UV. Si ritiene che le api facciano uso degli UV polarizzati nella luce del cielo per navigare, ma gli esseri umani presumibilmente non fanno consapevolmente uso del cielo viola polarizzato, nonostante alcune caratteristiche polarizzanti della cornea umana producano spazzole di Haidinger.14 Durante la seconda guerra mondiale, si temeva che la pre-esposizione agli ultravioletti diminuisse la visione notturna,15 ma persino il rinomato scienziato della visione, George Wald, sostenne con uno studente laureato dell’Università di Rochester che questa scoperta era ridicola poiché il cristallino bloccava l’esposizione retinica agli UV-A. Apparentemente il professor Wald non pensava logaritmicamente in questo caso, poiché quasi l’1% degli UV-A viene trasmesso, e con energie fotoniche più elevate dalle lunghezze d’onda UV più corte, non era implausibile che la radiazione UV-A potesse influenzare i fotorecettori delle aste.16 Ci fu una piccola tempesta che continuò con Wolf17 che confermò la diminuzione della visione notturna, ma anche più tardi, Wald18 sostenne che questo non era un effetto significativo né permanente. Tan19 più tardi misurò la visione grigiastra in individui afachici che confermarono i picchi di risposta UV-A secondari di ogni fotorecettore conico.

Vedere la “luce” infrarossa

Dopo diverse storie curiose di soldati che vedevano laser infrarossi negli anni ’70, il mio gruppo dimostrò il rilevamento visivo fino a quasi 1100 nm (J Opt Soc Amer 1976). La figura 6 mostra l’estensione della reattività spettrale della visione fino all’infrarosso. Questo non è stato un esperimento facile. Abbiamo separato il laser di 8 m dall’osservatore per ridurre la luce di pompa (la luce di pompa diminuisce rapidamente con la distanza, ma l’irradiazione del raggio laser non lo fa), e abbiamo impiegato filtri infrarossi a banda stretta, impilati fino a quando la stessa soglia è stata misurata senza l’aggiunta di un altro filtro (Figura 7). È stato interessante il fatto che, analogamente ad altre lunghezze d’onda visibili, l’identificazione del colore era difficile alla soglia per una sorgente puntiforme,20 ma se superavamo la soglia e, in particolare, se ampliavamo le dimensioni della sorgente da un “punto”, potevamo sempre vedere il rosso, suggerendo che i coni rossi erano attivati. Inoltre, abbiamo condotto esperimenti che hanno confermato i rapporti delle osservazioni notturne sul campo, secondo i quali si poteva vedere la luce ‘verde’ dall’interno del fascio di un laser Nd:YAG a impulsi brevi a diversi chilometri di distanza. Siamo stati in grado di confermare che se si osserva direttamente la lunghezza d’onda di emissione nel vicino infrarosso di 1064-nm da un laser Nd:YAG q-switched (~ 10-20 ns) si osserva la luce verde, che quando il colore-matched con una sorgente monocromatica CW, è apparso come 532-nm luce verde. Questo ci ha dimostrato che la generazione di seconda armonica si stava verificando all’interno dei tessuti oculari, probabilmente alla retina. Una seconda armonica non è stato visto nel rubino (694 nm) laser, dimostrando la bassa efficienza di questo processo non lineare.

In un articolo pubblicato lo scorso dicembre, Palczewska et al21 hanno sostenuto che la visione infrarossa è il risultato dell’isomerizzazione a due fotoni; tuttavia, poiché hanno impiegato solo treni di impulsi di femtosecondi (10-12 s) da un laser infrarosso, non hanno potuto escludere processi non lineari. I loro esperimenti erano buoni, ma a mio parere, le loro interpretazioni appaiono errate, in quanto hanno ignorato l’impatto della potenza di picco del loro laser di 67 000 sopra la media. Non potevano assumere che il loro laser da 200-fs, 75-MHz fosse equivalente a una sorgente continua (con duty cycle di solo 1,5 × 10-5), quindi gli effetti non lineari non erano sorprendenti. La loro potenza media di 1-mW che entrava nell’occhio aveva in realtà una potenza di picco di 66 W, producendo un’irradiazione retinica >13 MW/cm2 in una dimensione minima dello spot retinico di ~25 μm!

Possiamo concludere che la visibilità della luce al di fuori della gamma ben accettata di circa 380-780 nm dipende dalla luminosità (radianza) della sorgente ma è limitata nell’infanzia a circa 310 nm alla lunghezza d’onda breve dello spettro visibile a forse ~1100 nm nel vicino infrarosso. Una vera linea di demarcazione semplicemente non esiste tra il “visibile” e l’infrarosso. La visibilità di una lunghezza d’onda dell’infrarosso A (IR-A) dipende solo dalla luminosità (radianza) della sorgente rispetto alla luminanza ambientale.

Bande spettrali fotobiologiche CIE

La CIE ha sviluppato alcune utili notazioni abbreviate per la fotobiologia negli anni ’30. Queste erano: l’UV-C da 100-280 nm (altamente attinico; germicida, con un confine a breve lunghezza d’onda con la regione ‘soft-X-ray’), l’UV-B tra 280 e 315 nm con effetti attinici e fotocarcinogeni, e l’UV-A tra 315 e 400 nm, che è caratterizzato come debolmente attinico e ha un ruolo importante negli effetti fotodinamici e fotosensibilizzanti. Lo spettro visibile si sovrappone intenzionalmente all’UV-A (da ~360-380 a 400 nm nel viola profondo) e ben nella banda spettrale del vicino infrarosso (IR-A), che inizia a 780 nm. Con una certa sorpresa per i fotobiologi ricercatori, i confini di queste bande spettrali CIE hanno talvolta creato controversie nel settore industriale. C’è in realtà uno “standard” piuttosto infame pubblicato dall’International Standards Organization (ISO) che ha tentato di cambiare le tradizionali definizioni CIE di UV-A che esistevano da >75 anni (ISO-20473-2007). Il comitato tecnico dell’ISO, TC172 (ottica), ha preparato questo standard di banda spettrale ridefinendo l’UV-A a <380 nm piuttosto che la definizione CIE di 400-nm e ha cercato di suggerire un confine sottile tra il visibile e l’inizio a 380 nm.22 I membri chiave dell’industria oftalmica del Comitato favorirono lenti oftalmiche e occhiali da sole che potevano soddisfare criteri molto più indulgenti per il “blocco UV!”

La CIE identifica tre bande spettrali infrarosse basate in gran parte sulle variazioni spettrali nell’assorbimento dell’infrarosso da parte dell’acqua. L’IR-A va da 780 a 1400 nm (lunghezze d’onda metavisibili), che sono ben trasmesse dall’acqua e che raggiungono la retina attraverso i mezzi oculari. Come notato in precedenza, uno stimolo visivo molto debole esiste anche a 1100 nm; e l’IR-A è profondamente penetrante nei tessuti biologici e quindi utilizzato nella diagnostica e nei trattamenti della pelle. L’infrarosso B è compreso tra 1,4 μm (1400 nm) e 3,0 μm (infrarosso medio), e queste lunghezze d’onda non raggiungono la retina ma penetrano fino a qualche mm nella pelle e nei tessuti oculari. L’infrarosso C è un vasto dominio spettrale, che si estende da 3,0 a 1000 μm (1 mm). Queste lunghezze d’onda dell’infrarosso lontano sono assorbite molto superficialmente (<1 mm). L’estremo infrarosso C viene anche chiamato radiazione terahertz (THz).

Misurare la luce – i termini radiometrici e fotometrici standardizzati dalla CIE

La CIE definisce due sistemi separati per misurare la luce: il sistema fotometrico e quello radiometrico. Il sistema radiometrico si basa su unità fisiche fondamentali (tabella 1). Il sistema fotometrico è usato nella progettazione dell’illuminazione e nell’ingegneria dell’illuminazione e si basa su una risposta spettrale approssimativa, ma standardizzata (V(λ)) della visione diurna (fotopica) con unità di: lumen (potenza luminosa Φv), lux (lm/m2 per illuminamento Ev), candele (lm/sr per intensità luminosa Iv), e nit (cd/m2 per luminanza Lv, cioè, ‘luminosità’). Il sistema radiometrico è impiegato dai fisici per quantificare l’energia radiante indipendentemente dalla lunghezza d’onda; mentre le quantità fotometriche sono usate solo per la luce visibile, ma le quantità e le unità radiometriche si applicano anche nelle regioni spettrali ultravioletta e infrarossa.23 Termini dettagliati, quantità e unità sono forniti online nell’ILV elettronico della CIE a http://eilv.cie.co.at/, e sono ampiamente usati negli standard internazionali (ISO e IEC).

Calcolo delle esposizioni retiniche

L’irradianza retinica Er è direttamente proporzionale alla radianza (luminosità) L della sorgente che viene vista. L’irradiazione retinica Er in W/cm2 è:

Er=0,27 × L × τ × de2

dove L è la radianza in W/cm2/sr, τ è la trasmittanza del mezzo oculare e de è il diametro della pupilla in cm. Due persone che guardano la stessa scena possono facilmente avere una dimensione pupillare sufficientemente diversa per avere facilmente un irraggiamento retinico che differisce di un fattore 2 (100%)!

L’illuminamento retinico (misura fotometrica) si misura in Trolands (td) ed è la luminanza L (cd/m2) della sorgente vista, moltiplicata per il quadrato del diametro pupillare (in mm). Questa unità è stata ampiamente utilizzata negli studi sulla “cecità da flash” e in alcune aree della ricerca sulla visione. L’irradianza retinica dall’illuminazione esterna ambientale è dell’ordine di 0,02-0,1 mW/cm2 e questi livelli sono appena confortevoli da vedere. L’illuminamento retinico all’aperto è ~5 × 104 td. Visualizzando direttamente l’immagine del sole di mezzogiorno – una radianza un milione di volte maggiore del cielo blu o della maggior parte dell’ambiente esterno – si può ottenere un’irradiazione retinica di ~6 W/cm2 o ~3 × 107 Td per una pupilla di 1,6 mm. Gli studi sulla cecità da flash citano normalmente ~107 Td × s come “sbiancamento completo”, che si verificherebbe in un terzo di secondo.