Undersøgelse foreslår en universel metode til måling af lysstyrke

Altid på udkig efter bedre måder at måle alle slags ting på, forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har offentliggjort en detaljeret undersøgelse, der foreslår en "elegant" forbedret definition af standardenheden for lysstyrke, den optiske watt.

Men det er mere end bare en mulighed for at nørde ud over en international måleenhed. Den foreslåede definition lover en mere præcis, billigere og mere bærbar metode til at måle denne vigtige mængde for videnskaben, teknologi, fremstilling, handel og nationalt forsvar.

I stedet for den nuværende definition baseret på sammenligninger med elvarme, NIST-undersøgelsen tyder på, at den optiske watt kan bestemmes ud fra lysets strålingskraft og dets hastighed, en grundlæggende konstant. Fundamentale konstanter er tal, der forbliver de samme over hele verden, gør målinger baseret på dem universelle. Primære standarder, der definerer måleenheder baseret på fundamentale konstanter, betragtes som ideelle.

"Johannes Kepler lavede de første observationer af strålingstryk i det tidlige 17. århundrede, " NIST-projektleder John Lehman sagde. "For et par år siden, vi besluttede at skabe en primær målestandard på dette grundlag." Måske en dag vil vi alle omdefinere optisk effekt på denne måde."

Den foreslåede definition er baseret på James Clerk Maxwells arbejde i 1862, der viser, at den kraft, lyset udøver, er proportional med dets kraft divideret med lysets hastighed. Nu, praktiske målestandarder kan oprettes på dette grundlag takket være de seneste tekniske fremskridt i NIST.

NIST-forslaget er synkroniseret med den nylige omdefinering af International Systems of Units (SI), tilbyder mere pålidelige målinger baseret på naturens uforanderlige egenskaber. Watt er SI-enheden for effekt, hvilken, som Maxwell fandt, kan bruges til at beregne kraft, eller omvendt. NIST-forslaget kan også hjælpe med at løse debatter om, hvordan man bedst definerer en relateret optisk størrelse kendt som lysintensitet. Denne mængde er udtrykt i form af SI-basisenheden kendt som candela, hvilket til dels afhænger af egenskaberne ved menneskesyn.

Den nye undersøgelse blev udført i forbindelse med NISTs lasereffektmåling og kalibreringstjenester, første gang tilbudt i 1974. I de senere år har NIST-forskere udvidet rækken af ​​lysstyrke, der kan måles, fra meget lav lysintensitet på nogle få fotoner (lyspartikler) pr. sekund til 100 kilowatt lasere, der udsender 100, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 fotoner i sekundet.

For at måle optisk effekt på den konventionelle måde, forskere retter en laser mod en belagt detektor, måle detektorens temperaturændring, og derefter bestemme den elektriske effekt, der er nødvendig for at generere en tilsvarende mængde varme. Som det kræves for målestandarder, denne metode kan spores til SI, men indirekte gennem volt og ohm, som igen er "afledte enheder" baseret på nist-ligninger ved hjælp af flere SI-enheder. NIST's udstyr til at måle den optiske watt på denne måde er stort og ikke bærbart.

I den nyere tilgang, laserkraft kan måles ved at sammenligne den med tyngdekraften på en referencemasse (typisk vejet på en "analytisk vægt" eller skala) eller en tilsvarende kraft. NIST har for nylig udviklet en teknik, der måler en lasers kraft, eller det skub, der udøves på et spejl af en strøm af fotoner. Resultatet, målt i enten milligram (masse) eller mikronewton (kraft), er sporbar til SI-basisenheden kilogrammet og kan bruges til at beregne optisk effekt. Fremgangsmåden er især nyttig for højeffektlasere, der bruges i fremstilling og militæret, fordi den er enklere, hurtigere, billigere og mere bærbar end konventionelle metoder.

Den nye NIST-undersøgelse etablerede gyldigheden af ​​masse/kraft-tilgangen ved at finde stærk overensstemmelse mellem dens resultater og resultaterne af den konventionelle metode. Men NIST-forslaget byder også på flere væsentlige fordele:en bærbar primær standard i form af en referencemasse, og potentialet for forbedret præcision.

Beregninger af masse kræver viden om den nøjagtige mængde, som tyngdekraften accelererer objekter i en bestemt højde og placering. Kraftberegninger gør det ikke, gør det enklere som en primær standard.

Den nye definition kunne være:

• En watt optisk effekt er den, der ved normal refleksion fra et perfekt spejl, frembringer en kraft, hvis størrelse (i newton) er lig med 2 divideret med lysets hastighed; eller
• En newton kraft er den, der produceres, når en optisk effekt (i watt) af en størrelsesorden, der er lig med lysets hastighed divideret med 2, reflekteres normalt fra et perfekt reflekterende spejl.

NIST-teamet planlægger at præsentere sine hidtidige resultater og forslag på en kommende konference og fortsætte forskningslinjen.

"Vi forfølger forskning for at muliggøre strålingstryktilgangen til at foretage den mest nøjagtige måling af lasereffekt i verden, " NIST-fysiker Paul Williams sagde.