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El NIST sugiere que el vatio óptico podría determinarse a partir de la fuerza de radiación de la luz y su velocidad, una constante fundamental.

Metrología para la Luz y Luz para la Metrología, "La Potencia de la Luz"

15 de Mayo de 2020

Lo que llamamos luz es la parte del espectro electromagnético que puede ser percibido por el ojo humano, la luz visible está compuesta por fotones (del vocablo griego phos, “luz”), un tipo de partículas elementales que carecen de masa. Los fotones se comportan de manera dual: como ondas y como partículas.

En la Metrología actualmente la potencia de la luz (vatio óptico) se mide apuntando un láser a un detector recubierto, miden el cambio de temperatura del detector y luego determinan la potencia eléctrica necesaria para generar una cantidad equivalente de calor.

El cambio en el SI ha originado por aplicaciones más prácticas una nueva forma de medir la potencia de la luz y esto se basa en las investigaciones realizadas por el científico, astrónomo y matemático alemán Johannes Kepler, conocido fundamentalmente por sus leyes sobre el movimiento de los planetas en su órbita alrededor del sol, realizó las primeras observaciones sobre la presión de radiación a principios del siglo XVII. El líder del proyecto del NIST el Dr. John Lehman indicó que hace unos años decidieron crear un estándar de medición primario sobre esta base científica ideada por Kepler y señala que quizás algún día todos redefiniremos la potencia óptica de esa manera. Pero es más que solo una oportunidad para emprender una unidad de medición internacional, la definición propuesta promete un método más preciso, menos costoso y más portátil para medir esta cantidad importante para la ciencia, la tecnología, la fabricación y el comercio internacional. Ahora más con los cambios de los patrones energéticos, basados en las fuentes alternativas y amigable al medioambiente como son las celdas y calderas solares, donde nuestro país avanza como líder en la región por sus condiciones naturales.

En lugar de la definición actual basada en comparaciones con el calentamiento eléctrico, el estudio NIST sugiere que el vatio óptico podría determinarse a partir de la fuerza de radiación de la luz y su velocidad, una constante fundamental. Las constantes fundamentales son números que permanecen iguales en todo el mundo, haciendo que las mediciones basadas en ellos sean universales. Los estándares primarios que definen unidades de medida basadas en constantes fundamentales se consideran ideales, La propuesta del NIST está en sintonía con la reciente redefinición del Sistema Internacional de Unidades (SI), que ofrece mediciones más confiables basadas en propiedades inmutables de la naturaleza. El vatio es la unidad de potencia del SI, que como descubrió Maxwell, puede usarse para calcular la fuerza, o viceversa. La sugerencia del NIST también podría ayudar a resolver los debates sobre la mejor manera de definir una cantidad óptica relacionada y conocida como intensidad luminosa. Esta cantidad se expresa en términos de la unidad base del SI conocida como candela, que depende en parte de las propiedades de la visión humana.

Siempre en busca de mejorar las formas de medir todo, los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han publicado recientemente un estudio detallado que sugiere una definición mejorada "elegante" para la unidad estándar de potencia de luz, el vatio óptico.

La definición propuesta se basa en el trabajo de James Clerk Maxwell en 1862, que muestra que la fuerza ejercida por la luz es proporcional a su poder dividido por la velocidad de la luz. Ahora, se pueden crear estándares de medición prácticos sobre esta base gracias a los recientes avances técnicos del NIST.
El nuevo estudio se realizó en el contexto de los servicios de medición y calibración de potencia láser del NIST, ofrecidos por primera vez en 1974. En los últimos años, los investigadores del NIST han ampliado el rango de potencia de luz que se puede medir, desde una intensidad de luz muy baja de unos pocos fotones (partículas de luz) por segundo a láseres de 100 kilovatios que emiten 100,000,000,000,000,000,000,000 de fotones por segundo.

Para medir la potencia óptica de la manera convencional, los investigadores apuntan con un láser a un detector recubierto, miden el cambio de temperatura del detector y luego determinan la potencia eléctrica necesaria para generar una cantidad equivalente de calor. Como se requiere para los estándares de medición, este método puede rastrearse hasta el SI, pero indirectamente a través del voltio y el ohm, que a su vez son "unidades derivadas". El instrumento del NIST para medir el vatio óptico bajo este método es grande y no es posible de transportar.

En el enfoque más reciente, la potencia del láser se puede medir comparándola con la fuerza de gravedad sobre una masa de referencia (típicamente pesada en un "equilibrio analítico" o escala) o una fuerza equivalente. El NIST ha desarrollado recientemente una técnica que mide la fuerza de un láser, o el empuje ejercido sobre un espejo por una corriente de fotones. El resultado, medido en miligramos (masa) o micronewtons (fuerza), se puede rastrear hasta la unidad base del SI el kilogramo y se puede utilizar para calcular la potencia óptica. El enfoque es especialmente útil para los láseres de alta potencia utilizados en las empresas que realizan cortes a planchas metálicas y aplicaciones de armas avanzadas en el ejército. Esto es porque es más simple, más rápido, menos costoso y más portátil que los métodos convencionales.

El nuevo estudio del NIST estableció la validez del enfoque de masa/fuerza al encontrar un fuerte acuerdo entre sus resultados y los del método convencional. Pero la propuesta también ofrece varias ventajas significativas: un estándar primario portátil en forma de una masa de referencia y el potencial para una precisión mejorada.

Los cálculos de masa requieren conocer la cantidad exacta que la gravedad acelera los objetos a una altitud y ubicación particular, pero los cálculos de fuerza no lo hacen, lo que lo hace más simple como estándar principal.

La nueva definición podría ser en un futuro no muy lejano la siguiente:

“Un vatio de potencia óptica es aquel que, tras la reflexión normal de un espejo perfecto, produce una fuerza cuya magnitud (en newtons) es igual a 2, dividido por la velocidad de la luz”; o

“Un newton de fuerza es el que se produce cuando una potencia óptica (en vatios) de una magnitud igual a la velocidad de la luz dividida por 2, que se refleja normalmente desde un espejo que refleja perfectamente”.

El equipo del NIST planea presentar sus resultados hasta la fecha y la propuesta en una próxima conferencia y continuar la línea de investigación. El físico del NIST Paul Williams comenta que están llevando a cabo una investigación para permitir el enfoque de la presión de radiación, para realizar la medición más precisa de la potencia de un láser en el mundo.

Referencias: PA Williams, MT Spidell, JA Hadler, T. Gerrits, A. Koepke, D. Livigni, MS Stephens, NA Tomlin, GA Shaw, JD Splett, I. Vayshenker, MG White, C. Yung, JH Lehman. Meta-estudio de calibraciones de potencia láser que varían en 20 órdenes de magnitud con trazabilidad al kilogramo.

Fuente: Ing. Q. William Guin (william.guin@inn.cl)

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