La radiancia de una fuente se incrementa aumentando su potencia emitida, haciendo más pequeña el área emisora de la fuente o emitiendo la radiación en un ángulo sólido menor. En sentido estricto, la radiancia se define en cada punto de la superficie emisora, en función de la posición y en función del ángulo de observación. A menudo, como en el ejemplo anterior, utilizamos la radiancia de una fuente para referirnos a la radiancia promediada sobre una apertura de tamaño finito y sobre algún ángulo sólido de interés.
La radiancia es una cantidad que se conserva en un sistema óptico, por lo que la radiancia medida como vatios por unidad de superficie por unidad de ángulo sólido que incide en un detector no superará la radiancia en el emisor. En la práctica, para cualquier haz de rayos que mapee un emisor a un detector, la radiancia vista en el detector se verá disminuida por la luz que se absorbe en el camino o se dispersa fuera del ángulo sólido del haz de rayos que llega al detector.
Consideremos un ejemplo. Supongamos que uno observa con el ojo una lámpara de arco corto de xenón (Xe) de 35W, y luego una lámpara fluorescente de tubo recto de 60W, ambas a una distancia similar de unos pocos metros. (Como información de fondo, la lámpara de arco de 35W emite una potencia visible significativamente menor que el tubo fluorescente de 60W). ¿Qué fuente de luz se percibe como más brillante, o en términos radiométricos, tiene mayor radiancia? La lámpara de arco corto Xe se percibe como mucho más brillante, aunque la lámpara de arco de 35W emite menos potencia que la lámpara fluorescente de 60W. Esto se debe a que el área de emisión (A) de la lámpara de arco corto es mucho menor que el área de emisión muy grande de la lámpara fluorescente, mientras que el ojo recibe la radiación más o menos con el mismo ángulo sólido (Ω) cuando la distancia entre el ojo y la fuente es la misma. El cristalino del ojo forma una imagen brillante del arco de Xe en una zona muy pequeña de la retina y el ojo no se siente cómodo. La lámpara fluorescente de mayor superficie formará una imagen en un área mucho mayor de la retina, que el ojo puede tolerar más cómodamente. La lámpara de arco tiene una radiancia mucho mayor que la lámpara fluorescente, aunque emite menos potencia.
A modo de ejemplo adicional, imagine que utiliza las lámparas Xe y fluorescentes para iluminar un área pequeña, como el extremo de una fibra óptica de 200μm de diámetro. Como resultado de la mayor radiancia de la fuente, la radiación de la lámpara de arco Xe de 35W puede ser recogida y enfocada en la fibra de forma mucho más eficiente. Por el contrario, la lámpara fluorescente de 60W de baja radiación será ineficaz a la hora de acoplar su energía de radiación en la fibra, independientemente del tipo de óptica de enfoque que se utilice.
Las fuentes de luz accionadas por láser de Energgetiq tienen una radiancia ultra alta desde su pequeña área de emisión (~ 100μm de diámetro). La radiación de una fuente de tan alta radiancia y pequeña área emisora puede acoplarse de forma aún más eficiente a la fibra óptica de 200μm de diámetro descrita anteriormente. Esto también es cierto para otros sistemas ópticos con aperturas pequeñas y un ángulo sólido de aceptación limitado – sistemas ópticos con una pequeña «étendue» – como las estrechas rendijas de un monocromador. (Para más información sobre la étendue, véase la Nota de aplicación #002-2-14-2011, Cálculos de étendue y rendimiento óptico.)
Irradiancia
La irradiancia es el término radiométrico para la potencia por unidad de área de la radiación electromagnética que incide sobre una superficie. La unidad del SI para la irradiancia es vatios por metro cuadrado, o milivatios por milímetro cuadrado. (La irradiancia se denomina a veces intensidad, pero este uso lleva a la confusión con otra unidad radiométrica estándar, pero de uso infrecuente -la intensidad radiante- que se mide en vatios por estereorradián.)
Si una fuente de radiación puntual emite radiación uniformemente en todas las direcciones y no hay absorción, entonces la irradiancia disminuye en proporción a la distancia al cuadrado de la fuente, ya que la potencia total es constante y se reparte en un área que aumenta con la distancia al cuadrado de la fuente de radiación. Para comparar la irradiancia de diferentes fuentes, hay que tener en cuenta la distancia a la fuente. A menudo se utiliza una distancia de 50 cm para este tipo de mediciones.
La irradiancia es una medida útil para aplicaciones en las que se debe suministrar energía a grandes áreas. Por ejemplo, iluminar un aula o un campo de fútbol es principalmente una cuestión de entregar un cierto número de vatios por metro cuadrado. Esto puede conseguirse utilizando una única fuente de alta potencia. Sin embargo, dado que la irradiancia no depende del ángulo sólido, se pueden combinar múltiples fuentes, iluminando las paredes o el campo desde diferentes ángulos.
La irradiancia de una fuente no es la medida más útil a la hora de diseñar un sistema de acoplamiento óptico eficiente que recoja la radiación de una fuente, y luego entregue la radiación a un instrumento óptico. Tales instrumentos ópticos tendrán una apertura de entrada limitada y un ángulo sólido de aceptación limitado. En estos casos, lo más útil es la radiancia de la fuente (su «brillo»).
Flujo radiante
El flujo radiante es la energía radiante por unidad de tiempo, también llamada potencia radiante . El flujo radiante se utiliza a menudo para describir la salida de potencia de radiación de una fuente de radiación, o la potencia de radiación recibida por un instrumento óptico. Ejemplos de flujo radiante son: la potencia de radiación que pasa a través de un agujero de alfiler; la potencia de radiación que emerge de la fibra óptica de un láser acoplado a la fibra; la potencia de radiación recibida por un detector de potencia.
Las unidades de Flujo Radiante no incluyen el área o el ángulo sólido, y por lo tanto no son útiles para determinar si una fuente de luz particular con un flujo radiante particular será útil para entregar su potencia a un instrumento óptico. En nuestro ejemplo anterior, el tubo fluorescente de 60W emite un flujo radiante (potencia) mayor que la lámpara de arco Xe de 35W. Pero, con una óptica de enfoque adecuada, la lámpara de arco entregará un flujo radiante mayor a la fibra óptica de 200μm de diámetro. Una fuente de luz accionada por láser, como la EQ-99 de Energetiq, puede tener un flujo radiante emitido menor que la lámpara de arco de 35W, pero su mayor radiancia le permite entregar un flujo radiante aún mayor a la fibra óptica de 200μm de diámetro que la lámpara de arco de 35W.
Radiación espectral, irradiancia espectral y flujo radiante espectral
Los tres términos comentados anteriormente son cantidades utilizadas para caracterizar la radiación dentro de una determinada banda de longitud de onda, (UV, VIS y/o IR). También es común considerar esos valores para la unidad de longitud de onda (por nm) en el espectro. Para la potencia de radiación por unidad de longitud de onda, se utiliza el flujo radiante espectral con unidades SI de vatios por metro , o más comúnmente milivatios por nanómetro . Para la radiación que incide sobre una superficie, se utiliza el término irradiancia espectral, y tiene la unidad SI de , o más comúnmente unidades de . Para la potencia de radiación dentro de una unidad de ángulo sólido desde una unidad de área emisora y unidad de longitud de onda, el término es la radiancia espectral, más comúnmente con unidades de .
La radiancia espectral es una medida clave cuando se selecciona una fuente para una aplicación. En general, la mayoría de las fuentes de radiación presentan variaciones en la radiancia espectral a lo largo de su espectro de emisión. En la Figura 3, se muestra la radiancia espectral para una lámpara de deuterio (D2) de 30W, una lámpara de arco Xe de alto brillo de 75W y para dos versiones de la fuente de luz accionada por láser de Energetiq, la EQ-99 y la EQ-1500.
Figura 3: Radiancia espectral de EQ-99X LDLS, EQ-77 LDLS, EQ-400, LDLS, Lámpara Xe de arco corto de 75W,
Lámpara de tungsteno y lámpara D2.
Para nuestro ejemplo anterior de iluminar una fibra óptica de 200μm, supongamos que deseamos comparar las cuatro fuentes de luz de la figura 3 en la entrega de radiación de longitud de onda de 200nm en la fibra. Dado que el parámetro clave es la radiancia espectral de las fuentes a 200 nm, podemos ver en la figura 3 que la radiancia espectral de la lámpara Xe es aproximadamente un orden de magnitud mayor («más brillante») que la lámpara D2 y las fuentes LDLS son un orden de magnitud más alto que la lámpara Xe. Con la misma óptica de enfoque utilizada para acoplar la luz de cada fuente a la fibra de 200μm, el flujo radiante suministrado a la fibra variaría de forma similar en los mismos órdenes de magnitud.
Conclusiones
En el diseño de instrumentos ópticos, los científicos e ingenieros que eligen fuentes de luz estarán expuestos a una variedad de especificaciones de fuentes y términos radiométricos. Es importante entender la naturaleza de las especificaciones y acoplarlas en términos radiométricos que permitan tomar decisiones de diseño adecuadas. En general, para las aplicaciones típicas de los instrumentos ópticos, como la espectroscopia y la obtención de imágenes, lo que más hay que entender es la radiancia y la radiancia espectral de la fuente de luz. Para un instrumento con aperturas limitadas y ángulos sólidos, es la radiancia de la fuente la que determina la cantidad de radiación que pasa a través del instrumento. Si se combina cuidadosamente el instrumento con una fuente de radiancia adecuada, se puede diseñar un sistema óptimo.
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