Co to jest światło? Widmo widzialne i nie tylko

Mimo że „światło” odnosi się do widzialnej energii promienistej, może odnosić się do źródeł oświetlenia, takich jak światło słoneczne lub źródeł sztucznych, takich jak lampa i oprawy oświetleniowe (tj. oprawy lampowe). Można by pomyśleć o zachodach słońca lub nawet o nocnym niebie! Przez prawie cały okres ewolucji ludzkości istniało tylko naturalne światło słoneczne – lub ogień (w tym świece, pochodnie, a później lampy naftowe). Ale dziś – w ciągu ostatniego stulecia – lampy zasilane energią elektryczną zdominowały nasze nocne środowiska w krajach rozwiniętych. Od lat dwudziestych i trzydziestych XIX wieku lampy gazowe i (później) lampy żarowe (bogate w czerwień) zdominowały nasze środowisko wewnętrzne w nocy. Otwarte płomienie i źródła żarowe są opisywane technicznie jako posiadające niskie temperatury barwowe, zazwyczaj ⩽2800 Kelwinów (K) – bogate w dłuższe fale widzialne (pomarańczowe, czerwone) oraz promieniowanie podczerwone i bliskie podczerwieni. Dla kontrastu, południowe Słońce jest bogate w krótsze fale o temperaturze barwowej około 6500 K. Światło słoneczne staje się bogate w czerwień, gdy znajduje się nisko na niebie, a znacząca zmiana w widmie jest często niezauważalna z powodu selektywnej adaptacji chromatycznej przez nasz system wizualny.

Od lat 50-tych, lampy fluorescencyjne (generalnie bogate w światło zielone i widmo liniowe) były szeroko stosowane w środowiskach oświetlonych wewnątrz pomieszczeń, przynajmniej w ustawieniach biurowych i komercyjnych, ale raczej rzadko w domach – z jednym wyjątkiem – w kuchni (doświadczenie USA). Jednak „rewolucja” w optyce w latach 60-tych XX wieku – spowodowana głównie wynalezieniem lasera – doprowadziła do powstania innych technologii optycznych, w tym opracowania nowych typów soczewek i filtrów, holografii i diod elektroluminescencyjnych (LED). Diody LED były znacznie bardziej energooszczędne niż źródła żarowe, ale początkowo były zdolne do emitowania tylko bardzo wąskich pasm długości fali, czyli jednokolorowych widzialnych diod LED, aż do czasu wynalezienia wielochipowych diod LED i niebiesko-fioletowych pompowanych diod fluorescencyjnych LED do produkcji „białego” światła.

W tym stuleciu rządowy nacisk na oszczędzanie energii doprowadził do nacisku na stosowanie kompaktowych lamp fluorescencyjnych (CFL) i „białych” diod LED do oświetlenia. Oświetlenie półprzewodnikowe z diodami LED, które są jeszcze bardziej energooszczędne niż CFL, zaczynają dominować na rynku. Jednak zarówno wczesne CFL jak i „białe” diody LED mają bardzo bogate w barwy niebieskie rozkłady mocy widmowej (rysunek 1). Niektórzy konsumenci zaczęli buntować się przeciwko takim niebieskim źródłom światła i zażądali mniej „ostrych”, mniej „zimnobłękitnych” źródeł światła. Obecnie można znaleźć niektóre diody LED i CFL o znacznie zredukowanej emisji niebieskiego światła. Niemniej jednak, w ciągu ostatnich 60 lat nastąpił wzrost temperatury barwowej sztucznych źródeł światła i wzrost nocnego „zanieczyszczenia światłem”. Nocne niebo Europy Zachodniej widziane z kosmosu pokazuje ogromny wpływ oświetlenia elektrycznego (rysunek 2).

Optyka atmosfery znacząco zmienia światło słoneczne i czasami zapewnia wspaniałe pokazy kolorów, w tym Zielony Błysk (wielka rzadkość)! Atmosfera działa jak łagodny pryzmat: współczynnik załamania zmienia się nieznacznie z długością fali, wyolbrzymiając obraz Słońca nisko na horyzoncie. Różne kolory są w różnym stopniu zakrzywiane przez atmosferę, a obraz Słońca jest zakrzywiony o ~0.6° na horyzoncie, tak że Słońce zachodzi zanim jego załamany obraz zajdzie! Czerwony obraz ustawia się pierwszy, następnie zielony, który jest widoczny tylko przez ułamek sekundy, a niebieskie światło nie pojawia się, ponieważ zostało rozproszone.3

Widoki historyczne

Od czasów prymitywnych ludzie zastanawiali się właśnie „Czym jest światło?”. Biblijnie (King James 'Authorized Version’, Cambridge Edition)-Genesis 1 : 3 (Dzień 4) czytamy: 'I rzekł Bóg: Niech stanie się światłość: i stała się światłość’. Wiele wielkich umysłów rozwinęło teorie światła (rysunek 3). Klasyczne greckie rozważania na temat „Czym jest światło?” doprowadziły Platona (428-328 p.n.e.) do teorii, że światło powstało jako „promienie czucia” z oczu – skierowane na to, co obserwujemy. Najwyraźniej oparł się na fakcie, że światło jest wytwarzane w oku przez ciśnienie phosphenes. Choć dziś pojęcie to wydaje się dziwne, opis ten dominował w myśli zachodniej przez prawie dwa tysiąclecia. W XVII wieku rozgorzała kontrowersja, czy światło jest falą czy strumieniem cząstek. Sir Isaac Newton argumentował tutaj w Cambridge, że zjawisko dyfrakcji Grimaldiego po prostu demonstruje nową formę refrakcji. Newton twierdził, że geometryczny charakter praw załamania i odbicia można wyjaśnić tylko wtedy, gdy światło składa się z „korpuskuł” (cząstek), ponieważ fale nie poruszają się po liniach prostych. Po wstąpieniu do Towarzystwa Królewskiego w Londynie w 1672 r. Newton stwierdził, że czterdziesty czwarty z serii eksperymentów, które właśnie przeprowadził, dowiódł, że światło składa się z korpuskuł, a nie z fal. Jednak na kontynencie falowa teoria światła zdawała się przeważać. Christiaan Huygens, holenderski fizyk (fizyka w tamtym stuleciu była określana mianem „filozofii naturalnej”) opublikował w 1690 roku swój Traité de la Lumière, który wspierał teorię falową. Dopiero gdy Sir Thomas Young jasno zademonstrował interferencję fal (Experiments and Calculations Relative to Physical Optics, 1804)4 , teoria falowa została w pełni zaakceptowana – i utrzymała się ona przynajmniej do końca XIX wieku. Innym wybitnym fizykiem z Cambridge był James Clerk Maxwell, który w połowie XIX wieku wyprowadził swoje uniwersalne zasady elektryczności i magnetyzmu, które przewidywały fale elektromagnetyczne i widmo elektromagnetyczne (Rysunek 4). W istocie, około 1800 roku istnienie promieniowania ultrafioletowego i podczerwonego zostało odkryte odpowiednio przez Rittera5 i Herschela6.

Na przełomie XIX i XX wieku (1899-1901) w fizyce klasycznej rozwinął się kryzys. Fizycy musieli uporać się z bardzo dużą zagadką: W niektórych eksperymentach, takich jak interferencja i dyfrakcja, światło zachowywało się jak fale. Jednak w innych eksperymentach, takich jak efekt fotoelektryczny, światło zachowywało się jak cząstki. Efekt fotoelektryczny został zaobserwowany w niektórych metalach wystawionych na działanie wiązki światła. Jednak tylko światło o krótszej długości fali powodowało powstanie fotoprądu w metalu, podczas gdy światło o dłuższej fali (czerwone) – nawet o dużym natężeniu – nie powodowało powstania fotoprądu. Ta ciekawa obserwacja silnie wspierała kwantową teorię promieniowania. Niektórzy niemieccy fizycy teoretyzowali, że pojedynczy foton (cząstka światła) ma energię kwantową Qν, która jest wprost proporcjonalna do częstotliwości f (czasami symbolizowanej grecką literą ν) fali:

Qν=h × f,

gdzie h jest znane jako „stała Plancka”. Doprowadziło to do powstania koncepcji „dualizmu fali-cząstki.”

Fizycy ostatecznie osiągnęli konsensus, że światło może być charakteryzowane jednocześnie jako strumień cząstek i fala. Niektóre aspekty teorii kwantowej są dość dziwne i nie będziemy się w nie zagłębiać, ale nawet Einstein miał problemy z zaakceptowaniem teorii kwantowej. Ale to Einstein teoretyzował, że prędkość światła w próżni nie może być przekroczona – a także (w 1916 r.) przewidział „stymulowaną emisję promieniowania”, która była teoretyczną podstawą lasera.7

Większość ludzi wie, że prędkość światła jest stała – około 300 000 km/s w próżni, ale 299 000 km/s w powietrzu i spowalnia jeszcze bardziej w gęstszych ośrodkach, na przykład ~225 000 km/s wewnątrz oka. Stosunek prędkości światła w próżni do prędkości w ośrodku to „współczynnik załamania światła, n”. Zaledwie kilka miesięcy temu zespół z Ecole Politechnique Lausanne twierdził, że stworzył pierwszą fotografię cząstek i fal świetlnych! Nie jestem pewien, czy zrozumiałem ich technikę eksperymentalną, ale będzie interesujące zobaczyć, czy inne laboratoria będą w stanie odtworzyć ich wyniki i potwierdzić ich interpretację obrazów. Rysunek 5 przedstawia skalę do porównania wymiaru jednej długości fali światła.

Teoria kwantowa i emisja stymulowana

W skali atomowej fotony są emitowane, gdy elektron przeskakuje na niższy energetycznie orbital atomu. Stymulowana emisja fotonu może wystąpić tylko wtedy, gdy początkowy foton o dokładnej energii przechodzi obok wzbudzonego atomu. Atomy są generalnie wzbudzane przez foton, który jest absorbowany i podnosi atom na wyższy poziom energetyczny, po czym foton jest spontanicznie emitowany, gdy atom spada na niższy poziom energetyczny, z wyjątkiem emisji stymulowanej. Przy odpowiednio skonstruowanej wnęce rezonansowej może nastąpić kaskada emisji stymulowanych, której wynikiem jest wiązka laserowa. Prawdziwą zaletą źródła laserowego jest jego ultra-wysoka radiancja (jasność). Praktycznie wszystkie zastosowania lasera – od wskaźników laserowych, dalmierzy laserowych, zapisu i odczytu płyt CD do fuzji laserowej – są możliwe tylko dzięki ultra-wysokiemu promieniowaniu lasera. Wskaźnik laserowy o mocy 1 MW ma jasność (radiancję) co najmniej 10 razy większą niż Słońce.

Jakie są granice widma widzialnego?

Naprawdę nie ma uzgodnionych granic widma widzialnego. CIE definiuje „promieniowanie widzialne (ILV term number 17-1402) jako „każde promieniowanie optyczne zdolne do bezpośredniego wywoływania wrażeń wzrokowych”. Definicja CIE dodaje następującą uwagę: „Nie ma dokładnych granic dla zakresu spektralnego promieniowania widzialnego, ponieważ zależą one od ilości mocy promieniowania docierającej do siatkówki oraz od wrażliwości obserwatora. Dolną granicę przyjmuje się zazwyczaj między 360 a 400 nm, a górną między 760 a 830 nm”. Granice widzialności od dawna były przedmiotem osobistego zainteresowania. Jako młody naukowiec, w wieku około 24 lat, przeprowadziłem eksperyment w celu określenia najkrótszej długości fali, jaką mogę zobaczyć, po przejrzeniu dużo wcześniejszych raportów na ten temat.8, 9, 10 Mogłem obrazować szczelinę podwójnego monochromatora do 310 nm i byłem pewien, że rzeczywiście obrazuję 310 nm, a nie zabłąkane światło o dłuższej długości fali, ponieważ umieściłem szereg filtrów spektralnych w wiązce bez zmiany progu detekcji. Ale dziś, w wieku 74 lat, nie widzę nawet 400 nm bardzo łatwo! Z wiekiem nagromadzenie białek pochłaniających promieniowanie UV – wiele z nich to fluorofory – w moich nienaruszonych soczewkach krystalicznych blokuje większość fal UV-A (315-400 nm) i doświadczam więcej zamglenia spowodowanego fluorescencją soczewki niż kiedy byłem młodszy. Każdy może doświadczyć fluorescencji soczewki11 pochodzącej z promieniowania UV-A (315-400 nm), a Zuclich i wsp.12 określili ilościowo fluorescencję soczewki UV-A oraz jej niewielkie różnice w zależności od wieku. Weale13 oszacował, że fluorescencja soczewki zakłóca sprawność widzenia. Owady są dość wrażliwe na UV i jest to podstawa działania pułapek świetlnych UV na owady. Uważa się, że pszczoły wykorzystują spolaryzowane promieniowanie UV w świetlikach do nawigacji, ale ludzie przypuszczalnie nie korzystają świadomie ze spolaryzowanego fioletowego nieba, mimo że niektóre polaryzujące cechy ludzkiej rogówki wytwarzają szczotki Haidingera.14 W czasie II wojny światowej pojawiły się obawy, że przedekspozycja na ultrafiolet zmniejsza widzenie nocne,15 ale nawet znany naukowiec zajmujący się widzeniem, George Wald, spierał się z absolwentem Uniwersytetu w Rochester, że to odkrycie jest niedorzeczne, ponieważ soczewka krystaliczna blokuje ekspozycję siatkówki na promieniowanie UV-A. Najwyraźniej profesor Wald nie myślał logarytmicznie w tym przypadku, ponieważ prawie 1% UV-A jest transmitowany, a z wyższą energią fotonów z krótszych długości fal UV, nie było nieprawdopodobne, że promieniowanie UV-A może wpływać na fotoreceptory pręcikowe.16 Nastąpiła mała burza, która trwała do czasu, gdy Wolf17 potwierdził spadek widzenia nocnego, ale nawet później Wald18 twierdził, że nie był to ani znaczący, ani trwały efekt. Tan19 później zmierzył szarawe widzenie u osób z afakią, które potwierdziło wtórne szczyty odpowiedzi UV-A każdego fotoreceptora stożkowego.

Odczuwanie podczerwonego „światła”

Po kilku ciekawych historiach o żołnierzach widzących podczerwone lasery w latach 70-tych, moja grupa zademonstrowała wizualne wykrywanie do prawie 1100 nm (J Opt Soc Amer 1976). Rysunek 6 pokazuje rozszerzenie spektralnej czułości wzroku aż do podczerwieni. Nie był to łatwy eksperyment. Oddzieliliśmy laser o 8 m od obserwatora, aby zredukować światło pompy (światło pompy gwałtownie maleje wraz z odległością, ale natężenie promieniowania wiązki laserowej nie) i zastosowaliśmy wąskopasmowe filtry podczerwone, ułożone jeden na drugim, aż ten sam próg został zmierzony bez dodawania kolejnego filtra (Rysunek 7). Interesujące było to, że – podobnie jak w przypadku innych widzialnych długości fal – identyfikacja kolorów była trudna przy progu dla źródła punktowego,20 ale jeśli przekroczyliśmy próg, a w szczególności, jeśli zwiększyliśmy rozmiar źródła z „punktu”, zawsze mogliśmy zobaczyć kolor czerwony, co sugeruje, że czerwone czopki były aktywowane. Dodatkowo przeprowadziliśmy eksperymenty, które potwierdziły doniesienia z nocnych obserwacji terenowych, że można zobaczyć „zielone” światło z wnętrza wiązki krótko pulsującego lasera Nd:YAG w odległości kilku kilometrów w dół. Byliśmy w stanie potwierdzić, że jeśli ktoś bezpośrednio obserwował długość fali emisji 1064-nm w bliskiej podczerwieni z q-switch (~10-20 ns) lasera Nd:YAG, obserwował zielone światło, które po dopasowaniu koloru za pomocą źródła monochromatora CW, pojawiało się jako 532-nm zielone światło. To pokazało nam, że generacja drugiej harmonicznej zachodziła w tkankach oka – prawdopodobnie w siatkówce. Druga harmoniczna nie była widziana w laserze rubinowym (694 nm), demonstrując niską wydajność tego nieliniowego procesu.

W pracy opublikowanej w grudniu ubiegłego roku Palczewska i wsp.21 dowodzili, że widzenie w podczerwieni jest wynikiem izomeryzacji dwufotonowej, ale ponieważ stosowali tylko ciągi femtosekundowych (10-12 s) impulsów z lasera podczerwonego, nie mogli wykluczyć procesów nieliniowych. Ich eksperymenty były dobre, ale moim zdaniem, ich interpretacje wydają się wadliwe, ponieważ zignorowali wpływ mocy szczytowej ich lasera 67 000 powyżej średniej. Nie mogli założyć, że ich laser 200-fs, 75-MHz był odpowiednikiem ciągłego źródła (z cyklem pracy tylko 1,5 × 10-5), więc efekty nieliniowe nie były zaskakujące. Ich 1-mW średnia moc wchodząca do oka faktycznie miała moc szczytową 66 W, produkując napromieniowanie siatkówki >13 MW/cm2 w minimalnym rozmiarze plamki siatkówki ~25 μm!

Możemy stwierdzić, że widoczność światła poza dobrze przyjętym zakresem około 380-780 nm zależy od jasności (radiancji) źródła, ale jest ograniczona w dzieciństwie do około 310 nm przy krótkiej długości fali widma widzialnego do być może ~1100 nm w bliskiej podczerwieni. Prawdziwa linia podziału między „widzialnym” a podczerwienią po prostu nie istnieje. Widzialność długości fali podczerwieni A (IR-A) zależy jedynie od jasności (radiancji) źródła w porównaniu z luminancją otoczenia.

CIE fotobiologiczne pasma widmowe

CIE opracowało kilka użytecznych skrótowych notacji dla fotobiologii w latach 30-tych. Były to: UV-C od 100-280 nm (silnie aktyniczne; bakteriobójcze, z krótkofalową granicą z regionem „miękkiego promieniowania X”), UV-B od 280 do 315 nm z efektami aktynicznymi i fotokarcynogennymi, oraz UV-A od 315 do 400 nm, które jest charakteryzowane jako słabo aktyniczne i odgrywa ważną rolę w efektach fotodynamicznych i fotouczulaczach. Widmo widzialne celowo pokrywa się z UV-A (od ~360-380 do 400 nm w głębokim fiolecie) oraz z pasmem widma bliskiej podczerwieni (IR-A), które zaczyna się od 780 nm. Ku pewnemu zaskoczeniu fotobiologów, granice tych pasm spektralnych CIE czasami wywoływały kontrowersje w sektorze przemysłowym. Istnieje dość niesławny „standard” opublikowany przez Międzynarodową Organizację Normalizacyjną (ISO), który próbował zmienić tradycyjne definicje CIE dla UV-A, które istniały od >75 lat (ISO-20473-2007). Komitet techniczny ISO, TC172 (optyka), przygotował ten standard pasma spektralnego poprzez ponowne zdefiniowanie UV-A na <380 nm zamiast definicji CIE 400-nm i próbował zasugerować cienką granicę pomiędzy widzialnym a zaczynającym się przy 380 nm.22 Kluczowi członkowie Komitetu z branży okulistycznej opowiadali się za soczewkami okularowymi i okularami przeciwsłonecznymi, które mogłyby spełniać znacznie łagodniejsze kryteria „blokowania UV!”

CIE identyfikuje trzy pasma widma podczerwieni, opierając się głównie na różnicach spektralnych w absorpcji podczerwieni przez wodę. IR-A obejmuje zakres od 780 do 1400 nm (metawidmowe długości fal), które są dobrze przepuszczane przez wodę i które docierają do siatkówki poprzez ośrodek oczny. Jak wspomniano wcześniej, bardzo słaby bodziec wzrokowy istnieje nawet przy 1100 nm; a IR-A głęboko przenika do tkanek biologicznych i dlatego jest wykorzystywana w diagnostyce i leczeniu skóry. Podczerwień B zawiera się w przedziale od 1,4 μm (1400 nm) do 3,0 μm (środkowa podczerwień) i te długości fal nie docierają do siatkówki, ale wnikają nawet na kilka mm w głąb skóry i tkanek oka. Podczerwień C jest rozległą dziedziną spektralną, rozciągającą się od 3,0 do 1000 μm (1 mm). Te dalekie długości fal podczerwonych są absorbowane bardzo powierzchownie (<1 mm). Skrajna podczerwień C jest również określana jako promieniowanie terahercowe (THz).

Pomiar światła – CIE standaryzuje terminy radiometryczne i fotometryczne

CIE definiuje dwa oddzielne systemy pomiaru światła: system fotometryczny i radiometryczny. System radiometryczny oparty jest na podstawowych jednostkach fizycznych (Tabela 1). System fotometryczny jest stosowany w projektowaniu oświetlenia i inżynierii oświetlenia i opiera się na przybliżonej, ale znormalizowanej (V(λ)) odpowiedzi spektralnej widzenia w świetle dziennym (fotopowym) z jednostkami: lumenów (moc świetlna Φv), luksów (lm/m2 dla natężenia oświetlenia Ev), kandeli (lm/sr dla natężenia oświetlenia Iv) i nitów (cd/m2 dla luminancji Lv, czyli „jasności”). System radiometryczny jest stosowany przez fizyków do ilościowego określania energii promieniowania niezależnie od długości fali; wielkości fotometryczne są stosowane tylko dla światła widzialnego, ale wielkości i jednostki radiometryczne mają zastosowanie również w zakresie widma ultrafioletu i podczerwieni.23 Szczegółowe terminy, wielkości i jednostki są dostępne online w elektronicznym ILV CIE pod adresem http://eilv.cie.co.at/ i są one szeroko stosowane w normach międzynarodowych (ISO i IEC).

Obliczanie ekspozycji siatkówki

Promieniowanie siatkówki Er jest wprost proporcjonalne do radiancji (jasności) L oglądanego źródła. Natężenie promieniowania siatkówki Er w W/cm2 wynosi:

Er=0,27 × L × τ × de2

gdzie L to natężenie promieniowania w W/cm2/sr, τ to przepuszczalność ośrodka ocznego, a de to średnica źrenicy w cm. Dwie osoby patrzące na tę samą scenę mogą mieć wystarczająco różną wielkość źrenicy, aby łatwo uzyskać natężenie oświetlenia siatkówki różniące się o współczynnik 2 (100%)!

Oświetlenie siatkówki (miara fotometryczna) jest mierzone w Trolandach (td) i jest luminancją L (cd/m2) oglądanego źródła, pomnożoną przez kwadrat średnicy źrenicy (w mm). Jednostka ta jest szeroko stosowana w badaniach nad „ślepotą błyskową” oraz w niektórych dziedzinach badań nad widzeniem. Natężenie promieniowania siatkówki przy oświetleniu zewnętrznym jest rzędu 0,02-0,1 mW/cm2 i takie poziomy są po prostu wygodne do oglądania. Natężenie oświetlenia siatkówki na zewnątrz wynosi ~5 × 104 td. Bezpośrednie patrzenie na obraz słońca w południe – milion razy większe natężenie promieniowania niż błękitne niebo lub większość otoczenia na zewnątrz – może skutkować natężeniem promieniowania siatkówki ~6 W/cm2 lub ~3 × 107 Td dla 1,6-mm źrenicy. W badaniach nad ślepotą błyskową zwykle podaje się ~107 Td × s jako „pełne wybielenie”, które następuje w ciągu jednej trzeciej sekundy.

.