Comparaciones de potencia óptica. Crédito:N. Hanacek / NIST
Siempre buscando mejores formas de medir todo tipo de cosas, Los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han publicado un estudio detallado que sugiere una definición mejorada "elegante" para la unidad estándar de potencia luminosa, el vatio óptico.
Pero es más que una simple oportunidad para aprender sobre una unidad de medida internacional. La definición propuesta promete una definición más precisa, método menos costoso y más portátil para medir esta importante cantidad para la ciencia, tecnología, fabricación, comercio y defensa nacional.
En lugar de la definición actual basada en comparaciones con la calefacción eléctrica, el estudio del 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 medidas basadas en ellos sean universales. Los estándares primarios que definen unidades de medida basadas en constantes fundamentales se consideran ideales.
"Johannes Kepler hizo las primeras observaciones de la presión de la radiación a principios del siglo XVII, "El líder del proyecto NIST, John Lehman, dijo." Hace unos años, decidimos crear un estándar de medición primario sobre esta base. "Quizás algún día todos redefiniremos la potencia óptica de esta manera".
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.
La propuesta del NIST está en sintonía con la reciente redefinición de los Sistemas Internacionales de Unidades (SI), ofreciendo mediciones más confiables basadas en propiedades inmutables de la naturaleza. El vatio es la unidad SI de potencia, cuales, como descubrió Maxwell, se puede utilizar 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 conocida como intensidad luminosa. Esta cantidad se expresa en términos de la unidad base SI conocida como candela, que depende en parte de las propiedades de la visión humana.
El nuevo estudio se realizó en el contexto de los servicios de calibración y medición de potencia láser del NIST, ofrecido por primera vez en 1974. En los últimos años, los investigadores del NIST han ampliado el rango de potencia de la luz que se puede medir, desde una intensidad de luz muy baja de unos pocos fotones (partículas de luz) por segundo hasta láseres de 100 kilovatios que emiten 100, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 fotones por segundo.
Para medir la potencia óptica de la forma convencional, los investigadores apuntan con un láser a un detector revestido, medir el cambio de temperatura del detector, y luego determine la energía eléctrica necesaria para generar una cantidad equivalente de calor. Como se requiere para los estándares de medición, este método se remonta al SI, pero indirectamente a través del voltio y el ohmio, que a su vez son "unidades derivadas" basadas en ecuaciones nist que utilizan múltiples unidades SI. El equipo de NIST para medir el vatio óptico de esta manera es grande y no portátil.
En el enfoque más nuevo, La potencia del láser se puede medir comparándola con la fuerza de la gravedad en una masa de referencia (normalmente se pesa en una "balanza analítica" o balanza) o una fuerza equivalente. 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 la fabricación y el ejército 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 del NIST también ofrece varias ventajas significativas:un estándar primario portátil en forma de masa de referencia, y el potencial para mejorar la precisión.
Los cálculos de masa requieren el conocimiento de la cantidad exacta en que la gravedad acelera los objetos a una altitud y ubicación particulares. Los cálculos de fuerza no lo hacen, haciéndolo más simple como estándar primario.
La nueva definición podría ser:
El equipo del NIST tiene previsto presentar sus resultados hasta la fecha y propuesta en una próxima conferencia y continuar la línea de investigación.
"Estamos realizando investigaciones para permitir que el enfoque de la presión de radiación realice la medición más precisa de la potencia del láser en el mundo, ", Dijo el físico del NIST Paul Williams.
