O que é a luz? O espectro visível e para além dele

Embora ‘luz’ se refira à energia radiante visível, pode referir-se a fontes de iluminação, tais como luz solar ou fontes artificiais, tais como uma lâmpada e luminárias (ou seja, luminárias). Pode-se pensar no pôr-do-sol ou mesmo no céu noturno! Ao longo de quase toda a evolução da humanidade, houve apenas luz solar natural – ou fogo (incluindo, velas, tochas de chama e, mais tarde, lâmpadas de petróleo). Mas hoje – e ao longo do último século – as lâmpadas eléctricas dominaram os nossos ambientes nocturnos nos países desenvolvidos. Desde os anos 1820-1830, as lâmpadas a gás e (mais tarde) as lâmpadas incandescentes (ricas em vermelho) têm dominado o nosso ambiente interior à noite. Chamas abertas e fontes incandescentes são descritas tecnicamente como tendo baixas temperaturas de cor, tipicamente ⩽2800 Kelvins (K)- ricos em comprimentos de onda mais longos visíveis (laranja, vermelho) e radiação infravermelha de infravermelhos. Em contraste, o Sol do meio-dia é rico em comprimentos de onda mais curtos com uma temperatura de cor de cerca de 6500 K. A luz solar torna-se rica em vermelho quando está baixa no céu e a mudança significativa no espectro é frequentemente despercebida devido à adaptação cromática selectiva pelo nosso sistema visual.

Desde os anos 50, as lâmpadas fluorescentes (geralmente ricas em luz verde e espectros de linha) têm sido amplamente utilizadas em ambientes interiores iluminados, pelo menos em ambientes de escritório e comerciais, mas muito pouco frequentemente em casa – com talvez uma excepção – na cozinha (experiência dos EUA). Mas a “revolução” da óptica durante os anos 60 – impulsionada em grande parte pela invenção do laser para outras tecnologias ópticas, incluindo o desenvolvimento de novos tipos de lentes e filtros, holografia e diodos emissores de luz (LEDs). Os LEDs eram muito mais eficientes em termos energéticos do que as fontes incandescentes, mas inicialmente eram capazes de emitir apenas bandas de comprimento de onda muito estreitas, ou seja, LEDs visíveis de uma só cor, até à invenção dos LEDs multi-chip e LEDs fluorescentes azul-violeta-bomba para produzir luz ‘branca’.

Neste século, a ênfase governamental na conservação de energia levou à pressão para empregar lâmpadas fluorescentes compactas (LFCs) e LEDs ‘brancos’ para iluminação. A iluminação de estado sólido por LEDs, que são ainda mais eficientes energeticamente do que as LFCs, estão agora começando a dominar o mercado. No entanto, tanto as LFCs iniciais como os LEDs ‘brancos’ têm distribuições de potência espectral muito ricas em azul (Figura 1). Alguns consumidores começaram a rebelar-se com essas lâmpadas ricas em azul e exigiam fontes de luz menos “duras”, menos “azuis-frias”. Agora você encontrará alguns LEDs e LFCs com emissão azul muito reduzida. No entanto, nos últimos 60 anos tem havido um aumento constante da temperatura de cor das fontes artificiais e um aumento da ‘poluição luminosa’ durante a noite. O céu noturno da Europa Ocidental visto do espaço mostra o enorme impacto da iluminação elétrica (Figura 2).

A óptica atmosférica altera significativamente a luz solar e por vezes proporciona maravilhosas exposições de cor, incluindo o Flash Verde (uma grande raridade)! A atmosfera age como um prisma suave: o índice de refração varia ligeiramente com o comprimento de onda, exagerando a imagem do Sol baixo no horizonte. Cores diferentes são dobradas em quantidades diferentes pela atmosfera e a imagem do Sol é dobrada ~0,6° no horizonte para que o Sol realmente se ponha antes que a sua imagem refractiva se ponha! A imagem vermelha se põe primeiro, seguida pelo verde que é visto por apenas uma fração de segundo e a luz azul não aparece porque foi espalhada.3

Vistas históricas

Desde os tempos primitivos, os humanos se perguntaram apenas ‘O que é a luz? Biblicamente (King James ‘Authorized Version’, Cambridge Edition)-Gênesis 1 : 3 (Dia 4) lê: “E Deus disse: Que haja luz: e houve luz. Muitas grandes mentes desenvolveram teorias sobre a luz (Figura 3). O pensamento grego clássico sobre ‘O que é luz?’ levou Platão (428-328 a.C.) à teoria de que a luz se originou como ‘raios de sentimento’ dos olhos – orientados para o que quer que se observe. Ele aparentemente se baseou no fato de que a luz é produzida dentro do olho pelos fosfenos de pressão. Embora hoje essa noção pareça estranha, essa descrição dominou o pensamento ocidental por quase dois milênios. No século XVII surgiu uma controvérsia sobre se a luz era uma onda ou um fluxo de partículas. Sir Isaac Newton argumentou aqui em Cambridge que os fenômenos de difração de Grimaldi simplesmente demonstraram uma nova forma de refração. Newton argumentou que a natureza geométrica das leis de refração e reflexão só poderia ser explicada se a luz fosse composta de ‘corpúsculos’ (partículas), já que as ondas não viajavam em linhas retas. Depois de se juntar à Royal Society of London em 1672, Newton afirmou que o quadragésimo quarto de uma série de experiências que acabara de realizar tinha provado que a luz consistia em corpúsculos – não em ondas. No entanto, no continente, a teoria das ondas de luz pareceu resistir à oscilação. Christiaan Huygens, um físico holandês (a física naquele século era chamada de “filosofia natural”) publicou seu Traité de la Lumière em 1690, que apoiava a teoria das ondas. Só quando Sir Thomas Young demonstrou claramente a interferência das ondas (Experiments and Calculations Relative to Physical Optics, 1804)4 é que a teoria das ondas foi totalmente aceita – e a teoria das ondas se manteve oscilante pelo menos até o final do século XIX. Outro físico proeminente em Cambridge foi James Clerk Maxwell que em meados do século XIX derivou suas regras universais de eletricidade e magnetismo que previam as ondas eletromagnéticas e o espectro eletromagnético (Figura 4). De fato, por volta de 1800 a existência de radiação ultravioleta e infravermelha tinha sido descoberta por Ritter5 e Herschel,6 respectivamente.

Na virada do século XIX (1899-1901), uma crise desenvolvida na física clássica. Os físicos tiveram que lidar com um grande quebra-cabeças: em alguns experimentos como interferência e difração, a luz se comportava como ondas. No entanto, em outros experimentos, como o efeito fotoelétrico, a luz parecia comportar-se como se fosse partículas. O efeito fotoelétrico foi observado em alguns metais quando expostos a um feixe de luz. Mas apenas comprimentos de onda mais curtos produziriam uma fotocorrente no metal, enquanto que comprimentos de onda mais longos (vermelho) – mesmo em alta intensidade – não produziriam uma fotocorrente. Esta observação curiosa suportou fortemente a teoria quântica da radiação. Alguns físicos alemães teorizaram que um único fóton (partícula de luz) tem uma energia quântica Qν que é diretamente proporcional à freqüência f (às vezes simbolizada pela letra grega, ν) da onda:

Qν=h × f,

onde h é conhecida como ‘Constante de Planck’. Isto levou ao conceito de ‘dualidade onda-partícula’.’

Físicos acabaram por chegar a um consenso de que a luz poderia ser caracterizada simultaneamente como um fluxo de partículas e uma onda. Alguns aspectos da teoria quântica são bastante estranhos, e não vamos aprofundar, mas mesmo Einstein teve problemas em aceitar a teoria quântica. Mas então foi Einstein quem teorizou que a velocidade da luz em um vácuo não poderia ser excedida – e também (em 1916) previu ‘emissão estimulada de radiação’, que foi a base teórica do laser.7

Muitas pessoas sabem que a velocidade da luz é uma constante – cerca de 300 000 km/s em um vácuo, mas 299 000 km/s no ar e retarda ainda mais em meios mais densos, por exemplo, ~225 000 km/s dentro do olho. A razão entre a velocidade da luz no vácuo e a do meio é o “índice de refração, s.f.”. Há apenas alguns meses, uma equipe da Ecole Politechnique Lausanne alegou ter produzido a primeira fotografia de partículas de luz e ondas! Não tenho certeza se entendi a técnica experimental deles, mas será interessante ver se outros laboratórios podem reproduzir seus resultados e confirmar sua interpretação de suas imagens. A Figura 5 fornece uma escala para comparar a dimensão de um comprimento de onda de luz.

Teoria quântica e emissão estimulada

Na escala atómica, os fotões são emitidos quando um electrão salta para um orbital de menor energia do átomo. A emissão estimulada de um fóton só pode ocorrer se um fóton inicial da energia exata passar por um átomo excitado. Os átomos são geralmente excitados por um fóton sendo absorvido e elevando o átomo a um nível de energia mais alto seguido por um fóton emitido espontaneamente à medida que o átomo cai para um nível de energia mais baixo, excepto por emissão estimulada. Com uma cavidade ressonante devidamente construída, uma cascata de emissões estimuladas pode ocorrer com um feixe de laser resultante. O verdadeiro benefício de uma fonte laser é a sua ultra-alta radiação (brilho). Praticamente todas as aplicações de um laser – desde apontadores laser, telémetros laser e gravação e leitura de CD’s até à fusão laser – só são possíveis devido à radiância ultra-elevada de um laser. Um apontador laser de 1-mW tem um brilho (brilho) pelo menos 10 vezes maior que o Sol.

Quais são os limites do espectro visível?

Não há realmente limites acordados para o espectro visível. O CIE define ‘radiação visível (ILV termo número 17-1402) como ‘qualquer radiação óptica capaz de causar uma sensação visual diretamente’. A definição CIE acrescenta a seguinte nota: ‘Não existem limites precisos para a gama espectral da radiação visível, uma vez que dependem da quantidade de potência radiante que atinge a retina e da resposta do observador’. O limite inferior é geralmente tomado entre 360 e 400 nm e o limite superior entre 760 e 830 nm”. Os limites de visibilidade têm sido há muito um interesse pessoal. Como jovem cientista de cerca de 24 anos de idade, fiz uma experiência para determinar o comprimento de onda mais curto que pude ver depois de rever relatórios muito anteriores sobre o assunto.8, 9, 10 pude imaginar a fenda de um monocromador duplo até 310 nm, e tive a certeza de que estava verdadeiramente a imaginar 310 nm e não a desviar a luz de comprimentos de onda mais longos, pois coloquei vários filtros espectrais no feixe, sem alteração do limiar de detecção. Mas hoje, aos 74 anos de idade, nem sequer consigo ver 400 nm muito facilmente! À medida que envelheci, o acúmulo de proteínas absorventes de UV – muitos são fluoróforos – nas minhas lentes cristalinas intactas bloqueiam a maioria dos comprimentos de onda UV-A (315-400 nm) e sinto mais neblina da fluorescência da lente do que quando era mais jovem. Todos podem experimentar a fluorescência da lente11 da UV-A (315-400 nm), e Zuclich et al12 quantificaram a fluorescência da lente UV-A e como ela varia pouco com a idade. Weale13 estimou que a fluorescência da lente interferia com o desempenho visual. Os insetos são bastante sensíveis aos raios UV e esta é a base das armadilhas de luz UV de insetos. Acredita-se que as abelhas fazem uso do UV polarizado na clarabóia para navegar, mas presume-se que os humanos não fazem uso consciente do céu polarizado violeta, apesar de algumas características polarizantes da córnea humana produzir Haidinger Brushes.14 Durante a Segunda Guerra Mundial, surgiram preocupações de que a pré-exposição ao ultravioleta diminuiu a visão noturna,15 mas até mesmo o renomado cientista de visão, George Wald, argumentou com um estudante de pós-graduação da Universidade de Rochester que essa descoberta era ridícula, pois a lente cristalina bloqueou a exposição à retina UV-A. Aparentemente, o professor Wald não pensou logaritmicamente neste caso, já que quase 1% da UV-A é transmitida, e com maiores energias de fótons dos comprimentos de onda UV mais curtos, não era implausível que a radiação UV-A poderia afetar os fotorreceptores de haste.16 Houve uma pequena tempestade que continuou com Wolf17 confirmando a diminuição da visão noturna, mas mesmo mais tarde, Wald18 argumentou que este não era um efeito significativo ou permanente. Tan19 mais tarde mediu a visão acinzentada em indivíduos afáticos que confirmaram os picos secundários de resposta UV-A de cada fotorreceptor de cone.

Vendo a ‘luz’ infravermelha.

Após várias histórias curiosas sobre soldados vendo lasers infravermelhos nos anos 70, meu grupo demonstrou detecção visual a quase 1100 nm (J Opt Soc Amer 1976). A Figura 6 mostra a extensão da resposta espectral da visão bem dentro do infravermelho. Esta não foi uma experiência fácil. Separamos o laser por 8 m do observador para reduzir a luz da bomba (a luz da bomba diminuiu rapidamente com a distância mas a irradiação do raio laser não), e empregamos filtros infravermelhos de banda estreita, empilhados até o mesmo limiar ser medido sem a adição de outro filtro (Figura 7). Foi interessante que – semelhante a outros comprimentos de onda visíveis – a identificação da cor era difícil no limiar de uma fonte pontual,20 mas se excedêssemos o limiar e, particularmente, se expandíssemos o tamanho da fonte a partir de um ‘ponto’, poderíamos sempre ver o vermelho, sugerindo que os cones vermelhos fossem ativados. Além disso, conduzimos experimentos que confirmaram relatos de observações noturnas de campo que se veria luz ‘verde’ de dentro do feixe de um laser Nd:YAG de pulso curto a vários quilômetros de distância descendente. Conseguimos confirmar que se observássemos diretamente o comprimento de onda de emissão quase infravermelha de 1064 nm de um laser Nd:YAG (~10-20 ns) de Nd:YAG, observaríamos a luz verde, que quando combinada com uma fonte monocromadora CW, apareceria como luz verde de 532 nm. Isto demonstrou-nos que a segunda geração harmónica estava a ocorrer dentro dos tecidos oculares – provavelmente na retina. Uma segunda harmônica não foi vista no laser de rubi (694 nm), demonstrando a baixa eficiência deste processo não linear.

Num artigo publicado em Dezembro passado, Palczewska et al21 argumentaram que a visão infravermelha é o resultado da isomerização de dois fotões; no entanto, como eles empregaram apenas comboios de pulsos de fémeossegundos (10-12 s) de um laser infravermelho, eles não poderiam descartar processos não lineares. Os seus experimentos foram bons, mas na minha opinião, as suas interpretações parecem falhas, pois ignoraram o impacto da potência de pico do seu laser de 67 000 acima da média. Eles não podiam assumir que seu laser de 200-fs, 75-MHz era equivalente a uma fonte contínua (com ciclo de trabalho de apenas 1,5 × 10-5), então os efeitos não lineares não eram surpreendentes. A sua potência média de 1-mW que entrava no olho tinha na verdade uma potência de pico de 66 W, produzindo uma irradiação de retina >13 MW/cm2 numa mancha de retina de tamanho mínimo de ~25 μm!

Possibilitamos concluir que a visibilidade da luz fora da faixa bem aceita de cerca de 380-780 nm depende do brilho (radiância) da fonte mas é limitada na infância a aproximadamente 310 nm no curto comprimento de onda do espectro visível a talvez ~1100 nm no infravermelho próximo. Uma verdadeira linha divisória simplesmente não existe entre o ‘visível’ e o infravermelho. A visibilidade de um comprimento de onda infravermelho A (IR-A) depende apenas do brilho (radiância) da fonte em comparação com a luminância ambiente.

Faixas espectrais fotobiológicas CIE

O CIE desenvolveu algumas notações úteis para a fotobiologia em mão curta nos anos 30. Estas foram: o UV-C de 100-280 nm (altamente actínico; germicida, com uma borda de comprimento de onda curta com a região ‘soft-X-ray’), o UV-B entre 280 e 315 nm com efeitos actínicos e fotocarcinogénicos, e o UV-A entre 315 e 400 nm, que é caracterizado como fracamente actínico e tem um papel importante nos efeitos fotodinâmicos e fotossensibilizadores. O espectro visível sobrepõe-se intencionalmente à UV-A (de ~360-380 a 400 nm no violeta profundo) e bem na banda espectral infravermelha próxima (IR-A), que começa em 780 nm. Para surpresa de alguns fotobiólogos de pesquisa, as fronteiras destas bandas espectrais CIE têm por vezes criado controvérsia no sector industrial. Existe na verdade um ‘padrão’ bastante infame publicado pela International Standards Organization (ISO) que tentou mudar as definições tradicionais da CIE de UV-A que existiam há >75 anos (ISO-20473-2007). O comitê técnico da ISO, TC172 (óptica), preparou este padrão de banda espectral redefinindo UV-A para <380 nm em vez da definição CIE 400 nm e tentou sugerir uma fina borda entre o início visível a 380 nm.22 Os principais membros da indústria oftálmica do Comitê favoreceram lentes oftálmicas e óculos de sol que poderiam satisfazer critérios muito mais brandos para ‘bloqueio UV!’

O CIE identifica três bandas espectrais de infravermelho baseadas em grande parte nas variações espectrais na absorção do infravermelho pela água. O IR-A varia de 780 a 1400 nm (comprimentos de onda metavisíveis), que são bem transmitidos pela água e que atingem a retina através do meio ocular. Como já foi referido, existe um estímulo visual muito fraco mesmo a 1100 nm; e o IR-A penetra profundamente nos tecidos biológicos, sendo assim utilizado em diagnósticos e em tratamentos cutâneos. O infravermelho B varia entre 1,4 μm (1400 nm) e 3,0 μm (infravermelho médio), e estes comprimentos de onda não atingem a retina, mas penetram até alguns mm na pele e tecidos oculares. O infravermelho C é um vasto domínio espectral, estendendo-se de 3,0 a 1000 μm (1 mm). Estes comprimentos de onda infravermelhos distantes são absorvidos muito superficialmente (<1 mm). O infravermelho extremo C é também referido como radiação terahertz (THz).

Medir a luz – os termos radiométricos e fotométricos padronizados CIE

O CIE define dois sistemas separados para medir a luz: os sistemas fotométrico e radiométrico. O sistema radiométrico é baseado em unidades físicas fundamentais (Tabela 1). O sistema fotométrico é utilizado no projeto de iluminação e engenharia de iluminação e é baseado em uma resposta espectral aproximada, mas padronizada, (V(λ)) da visão diurna (fotópica) com unidades de: lumens (potência luminosa Φv), lux (lm/m2 para iluminação Ev), candelas (lm/sr para intensidade luminosa Iv), e lêndeas (cd/m2 para luminância Lv, ou seja, ‘brilho’). O sistema radiométrico é utilizado pelos físicos para quantificar a energia radiante independentemente do comprimento de onda; enquanto as grandezas fotométricas são utilizadas apenas para a luz visível, mas as grandezas e unidades radiométricas também se aplicam nas regiões espectrais ultravioleta e infravermelha23. Termos detalhados, quantidades e unidades são fornecidos online no CIE electronic ILV em http://eilv.cie.co.at/, e são amplamente utilizados nas normas internacionais (ISO e IEC).

Cálculo das exposições da retina

A irradiação da retina Er é diretamente proporcional à radiância (brilho) L da fonte que está sendo visualizada. A irradiância da retina Er em W/cm2 é:

Er=0,27 × L × τ × de2

onde L é a radiância em W/cm2/sr, τ é a transmitância do meio ocular e de é o diâmetro da pupila em cm. Duas pessoas olhando para a mesma cena podem facilmente ter um tamanho de pupila suficientemente diferente para ter uma irradiação da retina que difere facilmente por um factor de 2 (100%)!

A iluminação da retina (medida fotométrica) é medida em Trolands (td) e é a luminância L (cd/m2) da fonte vista, multiplicada pelo quadrado do diâmetro da pupila (em mm). Esta unidade tem sido amplamente utilizada em estudos de ‘cegueira do flash’ e em algumas áreas de pesquisa da visão. A irradiação da retina da iluminação exterior ambiente é da ordem de 0,02-0,1 mW/cm2 e estes níveis são apenas confortáveis de visualizar. A iluminação da retina ao ar livre é de ~5 × 104 td. A visão directa da imagem do sol do meio-dia – uma irradiação milionária maior do que o céu azul ou a maior parte do ambiente exterior – pode resultar numa irradiância de retina de ~6 W/cm2 ou ~3 × 107 Td para uma pupila de 1,6 mm. Os estudos de cegueira cintilante normalmente citam ~107 Td × s como uma ‘lixívia total’, que ocorreria em um terço de segundo.