Vad är ljus? Det synliga spektrumet och mer

Och även om ”ljus” hänvisar till synlig strålningsenergi kan det hänvisa till belysningskällor, t.ex. solljus eller konstgjorda källor, t.ex. lampor och armaturer (t.ex. armaturer för lampor). Man kan tänka på solnedgångar eller till och med på natthimlen! Under nästan hela mänsklighetens utveckling har det bara funnits naturligt solljus – eller eld (t.ex. ljus, facklor och senare oljelampor). Men i dag – och under det senaste århundradet – har eldrivna lampor dominerat våra nattliga miljöer i de utvecklade länderna. Sedan 1820-1830-talen har gaslampor och (senare) glödlampor (med rött ljus) dominerat vår inomhusmiljö på natten. Öppna lågor och glödlampor beskrivs tekniskt som att de har låga färgtemperaturer, vanligtvis ⩽2800 Kelvin (K)-rika i längre synliga (orange, röda) våglängder och infraröd-närinfraröd strålning. Däremot är solen mitt på dagen rik på kortare våglängder med en färgtemperatur på cirka 6500 K. Solljuset blir rödrikt när det står lågt på himlen och den betydande förändringen i spektrumet är ofta obemärkt på grund av vårt visuella systems selektiva kromatiska anpassning.

Sedan 1950-talet har lysrörslampor (som i allmänhet är rika på grönt ljus och linjespektrum) använts i stor utsträckning i inomhusbelysta miljöer, åtminstone i kontors- och affärsmiljöer, men ganska sällan i hemmet – med kanske ett undantag – i köket (erfarenhet från USA). Den ”revolution” inom optiken som ägde rum på 1960-talet och som till stor del berodde på uppfinningen av lasern ledde till andra optiska tekniker, bland annat utveckling av nya typer av linser och filter, holografi och lysdioder (LED). Lysdioder var mycket mer energieffektiva än glödlampor men kunde till en början bara sända ut mycket smala våglängdsband, det vill säga synliga lysdioder med en enda färg, tills uppfinningen av multichip-lysdioder och lysdioder med blåviolett pumpning för att producera ”vitt” ljus.

Under det här århundradet ledde regeringens betoning på energibesparing till påtryckningar för att använda kompakta lysrörslampor (CFL) och ”vita” lysdioder för belysning. Faststadsbelysning med lysdioder, som är ännu mer energieffektiva än lågenergilampor, börjar nu dominera marknaden. Både de tidiga kompaktlysrören och ”vita” lysdioder har dock en mycket blå spektral effektfördelning (figur 1). Vissa konsumenter började göra uppror mot sådana blåstarka lampor och krävde mindre ”hårda”, mindre ”kallblåa” ljuskällor. Nu finns det vissa lysdioder och lågenergilampor med kraftigt reducerad blå strålning. Under de senaste 60 åren har dock färgtemperaturen hos konstgjorda ljuskällor ökat ständigt och ”ljusföroreningarna” nattetid har ökat. Västeuropas natthimmel sett från rymden visar den enorma inverkan av elektrisk belysning (figur 2).

Atmosfärisk optik förändrar solljuset avsevärt och ger ibland underbara färguppvisningar, bland annat den gröna blixten (en stor sällsynthet)! Atmosfären fungerar som ett milt prisma: brytningsindexet varierar något med våglängden, vilket överdriver solens bild lågt vid horisonten. Olika färger böjs olika mycket av atmosfären och solens bild böjs ~0,6° vid horisonten så att solen faktiskt går ner innan dess brytningsbild går ner! Den röda bilden går ner först, följt av grönt som bara syns i en bråkdel av en sekund och blått ljus syns inte eftersom det har spridits ut.3

Historiska åsikter

Sedan primitiv tid har människor undrat bara ”Vad är ljus?”. Bibliskt (King James ’Authorized Version’, Cambridge Edition) lyder Genesis 1:3 (dag 4): Och Gud sade: ”Måtte det bli ljus, och det blev ljus”. Många stora hjärnor utvecklade teorier om ljuset (figur 3). Klassiskt grekiskt tänkande om ”Vad är ljus?” ledde Platon (428-328 f.Kr.) till teorin att ljuset uppstod som ”känselstrålar” från ögonen – riktade mot det man observerar. Han använde sig tydligen av det faktum att ljus produceras i ögat genom tryckfosfenes. Även om denna föreställning i dag verkar märklig, dominerade denna beskrivning det västerländska tänkandet i nästan två årtusenden. På 1600-talet uppstod en kontrovers om huruvida ljuset var en våg eller en ström av partiklar. Sir Isaac Newton hävdade här i Cambridge att Grimaldis diffraktionsfenomen helt enkelt visade på en ny form av brytning. Newton hävdade att den geometriska karaktären hos lagarna om brytning och reflektion endast kunde förklaras om ljuset bestod av ”corpuscles” (partiklar), eftersom vågor inte rörde sig i raka linjer. Efter att ha anslutit sig till Royal Society of London 1672 förklarade Newton att det fyrtiofjärde av en serie experiment som han just hade genomfört hade bevisat att ljuset bestod av korpuskel- och inte av vågor. På kontinenten tycktes dock vågteorin om ljuset hålla sig framme. Christiaan Huygens, en nederländsk fysiker (fysik kallades under det århundradet för ”naturfilosofi”) publicerade 1690 sin Traité de la Lumière som stödde vågteorin. Inte förrän Sir Thomas Young tydligt demonstrerade våginterferens (Experiments and Calculations Relative to Physical Optics, 1804)4 accepterades vågteorin helt och hållet – och vågteorin höll sig åtminstone fram till slutet av 1800-talet. En annan framstående fysiker vid Cambridge var James Clerk Maxwell som i mitten av 1800-talet härledde sina universella regler för elektricitet och magnetism som förutsade elektromagnetiska vågor och det elektromagnetiska spektrumet (figur 4). Runt 1800 hade faktiskt förekomsten av ultraviolett och infraröd strålning upptäckts av Ritter5 respektive Herschel6.

Vid sekelskiftet 1800 (1899-1901) utvecklades en kris inom den klassiska fysiken. Fysikerna fick ta itu med en mycket stor gåta: I vissa experiment som interferens och diffraktion uppförde sig ljuset som vågor. I andra experiment, t.ex. den fotoelektriska effekten, verkade ljuset däremot bete sig som om det vore partiklar. Den fotoelektriska effekten observerades i vissa metaller när de utsattes för en ljusstråle. Men endast kortare våglängder skulle producera en fotoström i metallen, medan ljus med längre våglängder (rött) – även vid hög intensitet – inte skulle producera någon fotoström. Denna märkliga observation gav starkt stöd åt kvantteorin om strålning. Några tyska fysiker teoretiserade att en enskild foton (ljuspartikel) har en kvantenergi Qν som är direkt proportionell mot vågens frekvens f (ibland symboliserad med den grekiska bokstaven ν):

Qν=h × f,

där h är känd som ”Plancks konstant”. Detta ledde till begreppet ”våg-partikel-dualitet.”

Fysikerna nådde så småningom en samsyn om att ljuset kunde karakteriseras samtidigt som både en ström av partiklar och en våg. Vissa aspekter av kvantteorin är ganska märkliga, och vi ska inte gå djupare in på dem, men till och med Einstein hade problem med att acceptera kvantteorin. Men då var det Einstein som teoretiserade att ljusets hastighet i ett vakuum inte kunde överskridas – och som också (1916) förutspådde ”stimulerad strålningsemission”, vilket var den teoretiska grunden för lasern.7

De flesta vet att ljusets hastighet är en konstant – ungefär 300 000 km/s i ett vakuum men 299 000 km/s i luft och den saktar ner ännu mer i tätare medier, t.ex. ~225 000 km/s inne i ögat. Förhållandet mellan ljusets hastighet i ett vakuum och i ett medium är ”brytningsindex n”. För bara några månader sedan hävdade ett team vid Ecole Politechnique Lausanne att de hade framställt det första fotografiet av ljuspartiklar och ljusvågor! Jag är inte säker på att jag förstod deras experimentella teknik, men det ska bli intressant att se om andra laboratorier kan reproducera deras resultat och bekräfta deras tolkning av bilderna. Figur 5 ger en skala för att jämföra dimensionen av en våglängd av ljus.

Kvantteori och stimulerad emission

På atomskala emitteras fotoner när en elektron hoppar över till en lägre energiborg i atomen. Stimulerad emission av en foton kan endast ske om en initial foton med exakt samma energi passerar förbi en exciterad atom. Atomer exciteras i allmänhet genom att en foton absorberas och höjer atomen till en högre energinivå följt av en foton som spontant avges när atomen sjunker till en lägre energinivå, utom vid stimulerad emission. Med en korrekt konstruerad resonanskavitet kan en kaskad av stimulerade emissioner uppstå med en resulterande laserstråle som följd. Den verkliga fördelen med en laserkälla är dess extremt höga strålning (ljusstyrka). Praktiskt taget alla tillämpningar av en laser – från laserpekare, laseravståndsmätare, skrivning och läsning av CD-skivor till laserfusion – är endast möjliga på grund av laserns ultrahöga strålningsstyrka. En laserpekare på 1 mW har en ljusstyrka (radians) som är minst 10 gånger större än solens.

Vad är gränserna för det synliga spektrumet?

Det finns egentligen inga överenskomna gränser för det synliga spektrumet. CIE definierar ”synlig strålning (ILV term nummer 17-1402) som ”all optisk strålning som direkt kan ge upphov till en visuell känsla”. CIE:s definition innehåller följande anmärkning: ”Det finns inga exakta gränser för den synliga strålningens spektralområde, eftersom de beror på hur mycket strålningseffekt som når näthinnan och på observatörens reaktionsförmåga. Den nedre gränsen ligger i allmänhet mellan 360 och 400 nm och den övre gränsen mellan 760 och 830 nm. Gränserna för synlighet har länge varit av personligt intresse. Som ung forskare på cirka 24 år utförde jag ett experiment för att bestämma den kortaste våglängden som jag kunde se efter att ha gått igenom mycket tidigare rapporter i ämnet.8, 9, 10 Jag kunde avbilda spalten i en dubbelmonokromator ner till 310 nm, och jag var säker på att jag verkligen avbildade 310 nm och inte ströljus med längre våglängder, eftersom jag placerade ett antal spektralfilter i strålen utan någon förändring i detektionströskeln. Men i dag, vid 74 års ålder, kan jag inte ens se 400 nm särskilt lätt! När jag har åldrats blockerar uppbyggnaden av UV-absorberande proteiner – många av dem är fluoroforer – i mina intakta kristallina linser de flesta UV-A-våglängder (315-400 nm), och jag upplever mer dimma från fluorescens i linserna än när jag var yngre. Alla kan uppleva linsfluorescens11 från UV-A (315-400 nm), och Zuclich et al12 kvantifierade UV-A-linsfluorescens och hur den varierar lite med åldern. Weale13 uppskattade att linsfluorescens störde den visuella prestandan. Insekter är ganska känsliga för UV-strålning och detta är grunden för UV-ljusfällor för insekter. Bin tros använda sig av den polariserade UV-strålningen i takfönster för att navigera, men människor använder sig förmodligen inte medvetet av den polariserade violetta himlen, trots att vissa polariserande egenskaper hos den mänskliga hornhinnan ger upphov till Haidingerborstar.14 Under andra världskriget uppstod farhågor om att exponering för ultraviolett strålning före exponering skulle försämra nattsynen15 , men till och med den berömde synforskaren George Wald hävdade tillsammans med en doktorand vid University of Rochester att detta fynd var löjligt, eftersom kristallinlinsen blockerade UV-A-exponering av näthinnan. Uppenbarligen tänkte professor Wald inte logaritmiskt i det här fallet, eftersom nästan 1 % av UV-A transmitteras, och med högre fotonenergier från de kortare UV-våglängderna var det inte osannolikt att UV-A-strålning skulle kunna påverka stavfotoreceptorerna.16 Det uppstod en liten storm som fortsatte med att Wolf17 bekräftade minskningen av nattsynen, men till och med senare hävdade Wald18 att detta inte var någon betydande eller permanent effekt. Tan19 mätte senare den gråaktiga synen hos apatiska personer som bekräftade de sekundära UV-A-reaktionstopparna hos varje kottfotoreceptor.

Syn av infrarött ”ljus”

Efter flera märkliga historier om soldater som såg infraröda lasrar på 1970-talet demonstrerade min grupp visuell detektion till nästan 1100 nm (J Opt Soc Amer 1976). Figur 6 visar att synens spektrala känslighet sträcker sig långt in i det infraröda området. Detta var inte ett lätt experiment. Vi separerade lasern med 8 m från observatören för att minska pumpljuset (pumpljuset minskade snabbt med avståndet, men det gjorde inte laserstrålens irradians), och vi använde smalbandiga infraröda filter, som staplades tills samma tröskelvärde uppmättes utan att man behövde lägga till ytterligare ett filter (figur 7). Det var intressant att – i likhet med andra synliga våglängder – färgidentifiering var svårt vid tröskelvärdet för en punktkälla,20 men om vi överskred tröskelvärdet och, i synnerhet, om vi utvidgade källans storlek från en ”punkt”, kunde vi alltid se rött, vilket tyder på att de röda tapparna var aktiverade. Dessutom utförde vi experiment som bekräftade rapporter från nattliga observationer på fältet om att man kunde se ”grönt” ljus från strålen från en kortpulsad Nd:YAG-laser på flera kilometers avstånd. Vi kunde bekräfta att om man direkt observerade den nära infraröda våglängden på 1064 nm från en kvickswitchad (~10-20 ns) Nd:YAG-laser skulle man observera grönt ljus, som när det färgmatchades med en CW-monokromatorkälla framträdde som grönt ljus på 532 nm. Detta visade oss att andra harmoniska generering sker i okulära vävnader – troligen i näthinnan. En andra harmonisk syntes inte i rubinlasern (694 nm), vilket visar den låga effektiviteten hos denna icke-linjära process.

I en artikel som publicerades i december förra året hävdade Palczewska et al21 att den infraröda synen är ett resultat av isomerisering av två fotoner, men eftersom de endast använde sig av tåg av femtosekundspulser (10-12 s) från en infraröd laser kunde de inte utesluta icke-linjära processer. Deras experiment var bra, men enligt min mening verkar deras tolkningar vara bristfälliga, eftersom de ignorerade effekten av deras lasers toppeffekt på 67 000 över genomsnittet. De kunde inte anta att deras 200-fs, 75 MHz-laser var likvärdig med en kontinuerlig källa (med en arbetscykel på endast 1,5 × 10-5), så icke-linjära effekter var inte förvånande. Deras genomsnittliga effekt på 1 MW som kom in i ögat hade i själva verket en toppeffekt på 66 W, vilket gav en näthinnebestrålning >13 MW/cm2 i en minimal näthinnefläckstorlek på ~25 μm!

Vi kan dra slutsatsen att synligheten av ljus utanför det väl accepterade intervallet på cirka 380-780 nm beror på källans ljusstyrka (radians), men är begränsad i barndom till cirka 310 nm i det synliga spektrats korta våglängd till kanske ~1100 nm i det närinfraröda spektrumet. Det finns helt enkelt ingen verklig skiljelinje mellan ”synligt” och infrarött. Synligheten av en infraröd A-våglängd (IR-A) beror endast på källans ljusstyrka (radians) jämfört med den omgivande luminansen.

CIE fotobiologiska spektralband

CIE utvecklade några användbara kortfattade beteckningar för fotobiologi på 1930-talet. Dessa var: UV-C från 100-280 nm (starkt aktiniskt; bakteriedödande, med en kort våglängdsgräns mot området för ”mjuka X-strålar”), UV-B mellan 280 och 315 nm med aktiniska och fotokarcinogena effekter, och UV-A mellan 315 och 400 nm, som karakteriseras som svagt aktiniskt och har en viktig roll i fotodynamiska effekter och fotosensibiliserande ämnen. Det synliga spektrumet överlappar avsiktligt UV-A (från ~360-380 till 400 nm i det djupa violett) och långt in i det nära infraröda (IR-A) spektralbandet, som börjar vid 780 nm. Till viss förvåning för forskande fotobiologer har gränserna för dessa CIE-spektralband ibland skapat kontroverser inom industrisektorn. Det finns faktiskt en ganska ökänd ”standard” publicerad av Internationella standardiseringsorganisationen (ISO) som försökte ändra de traditionella CIE-definitionerna av UV-A som hade funnits i >75 år (ISO-20473-2007). ISO:s tekniska kommitté TC172 (optik) utarbetade denna spektralbandsstandard genom att omdefiniera UV-A till <380 nm i stället för CIE:s definition på 400 nm och försökte föreslå en fin gräns mellan det synliga och det som börjar vid 380 nm.22 Viktiga ögonindustrimedlemmar i kommittén förespråkade ögonlinser och solglasögon som kunde uppfylla mycket mildare kriterier för ”UV-blockering!”

CIE identifierar tre infraröda spektralband som till stor del baseras på spektrala variationer i vattens absorption av infrarött ljus. IR-A-spektrat sträcker sig från 780 till 1400 nm (metasynliga våglängder), som är väl genomträngda av vatten och som når näthinnan genom ögonmediet. Som tidigare nämnts finns det en mycket svag visuell stimulans även vid 1100 nm, och IR-A tränger djupt in i biologiska vävnader och används därför för diagnostik och hudbehandlingar. Det infraröda B ligger mellan 1,4 μm (1400 nm) och 3,0 μm (mellan infrarött), och dessa våglängder når inte näthinnan men tränger in så mycket som några millimeter i hud- och ögonvävnader. Det infraröda C är ett stort spektralt område som sträcker sig från 3,0 till 1000 μm (1 mm). Dessa långt infraröda våglängder absorberas mycket ytligt (<1 mm). Det extrema infraröda C kallas också för terahertzstrålning (THz).

Mätning av ljus – CIE:s standardiserade radiometriska och fotometriska termer

CIE definierar två separata system för att mäta ljus: det fotometriska och det radiometriska systemet. Det radiometriska systemet bygger på grundläggande fysiska enheter (tabell 1). Det fotometriska systemet används vid belysningsplanering och belysningsteknik och bygger på en ungefärlig, men standardiserad, (V(λ)) spektralrespons för dagsljus (fotopisk) syn med enheterna: lumen (ljusstyrka Φv), lux (lm/m2 för belysningsstyrka Ev), candela (lm/sr för ljusstyrka Iv) och nits (cd/m2 för belysningsstyrka Lv, dvs. ”ljusstyrka”). Det radiometriska systemet används av fysiker för att kvantifiera strålningsenergi oberoende av våglängd. Fotometriska storheter används endast för synligt ljus, men radiometriska storheter och enheter tillämpas även i ultravioletta och infraröda spektralområden.23 Detaljerade termer, storheter och enheter finns online i CIE:s elektroniska ILV på http://eilv.cie.co.at/, och dessa används i stor utsträckning i internationella standarder (ISO och IEC).

Beräkning av näthinneexponeringar

Nätets strålningsstyrka Er är direkt proportionell mot strålningsstyrkan (ljusstyrkan) L hos den källa som betraktas. Den retinala irradiansen Er i W/cm2 är:

Er=0,27 × L × τ × de2

där L är strålningsstyrkan i W/cm2/sr, τ är transmittansen hos de okulära medierna och de är pupilldiametern i cm. Två personer som tittar på samma scen kan lätt ha en pupillstorlek som skiljer sig tillräckligt mycket åt för att lätt få en näthinnestrålning som skiljer sig med en faktor 2 (100 %)!

Nätskens belysningsstyrka (fotometriskt mått) mäts i Troland (td) och är luminansen L (cd/m2) för den källa man tittar på, multiplicerad med kvadraten på pupilldiametern (i mm). Denna enhet har använts i stor utsträckning i studier av ”blixtblindhet” och inom vissa områden av synforskningen. Den retinala irradiansen från omgivande utomhusbelysning är i storleksordningen 0,02-0,1 mW/cm2 och dessa nivåer är precis bekväma att se på. Den retinala belysningen utomhus är ~5 × 104 td. Om man tittar direkt på middagssolens bild – en miljon gånger större strålning än den blå himlen eller större delen av utomhusmiljön – kan det resultera i en näthinnestrålning på ~6 W/cm2 eller ~3 × 107 td för en pupill på 1,6 mm. Studier av blixtblindhet anger normalt ~107 Td × s som en ”fullständig blekning”, vilket skulle inträffa på en tredjedels sekund.