Altijd op zoek naar betere manieren om allerlei dingen te meten, onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben een gedetailleerde studie gepubliceerd die een "elegante" verbeterde definitie voor de standaardeenheid van lichtkracht suggereert, de optische watt.

Maar het is meer dan alleen een kans om een ​​internationale meeteenheid uit te sloven. De voorgestelde definitie belooft een nauwkeuriger, goedkopere en meer draagbare methode om deze belangrijke hoeveelheid voor de wetenschap te meten, technologie, productie, handel en landsverdediging.

In plaats van de huidige definitie op basis van vergelijkingen met elektrische verwarming, de NIST-studie suggereert dat de optische watt kan worden bepaald aan de hand van de stralingskracht en de snelheid van het licht, een fundamentele constante. Fundamentele constanten zijn getallen die overal ter wereld hetzelfde blijven, het maken van metingen op basis daarvan universeel. Primaire standaarden die meeteenheden definiëren op basis van fundamentele constanten worden als ideaal beschouwd.

"Johannes Kepler deed de eerste waarnemingen van stralingsdruk in het begin van de 17e eeuw, "NIST-projectleider John Lehman zei. "Een paar jaar geleden, we hebben besloten om op deze basis een primaire meetstandaard te creëren. "Misschien zullen we op een dag allemaal op deze manier optisch vermogen herdefiniëren."

De voorgestelde definitie is gebaseerd op het werk van James Clerk Maxwell in 1862, waaruit blijkt dat de kracht die door licht wordt uitgeoefend evenredig is met de kracht gedeeld door de lichtsnelheid. Nutsvoorzieningen, Op basis hiervan kunnen praktische meetstandaarden worden gecreëerd dankzij de recente technische vooruitgang van NIST.

Het NIST-voorstel is in lijn met de recente herdefiniëring van de International Systems of Units (SI), het aanbieden van betrouwbaardere metingen op basis van onveranderlijke eigenschappen van de natuur. De watt is de SI-eenheid van vermogen, die, zoals Maxwell ontdekte, kan worden gebruikt om kracht te berekenen, of vice versa. De NIST-suggestie kan ook helpen bij het oplossen van discussies over de beste manier om een ​​verwante optische grootheid te definiëren die bekend staat als lichtintensiteit. Deze hoeveelheid wordt uitgedrukt in termen van de SI-basiseenheid die bekend staat als de candela, die gedeeltelijk afhangt van de eigenschappen van het menselijk gezichtsvermogen.

De nieuwe studie werd uitgevoerd in de context van NIST's laservermogensmeting en -kalibratiediensten, voor het eerst aangeboden in 1974. In de afgelopen jaren hebben NIST-onderzoekers het bereik van lichtvermogen uitgebreid dat kan worden gemeten, van zeer lage lichtintensiteit van enkele fotonen (lichtdeeltjes) per seconde tot lasers van 100 kilowatt die 100, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 fotonen per seconde.

Om optisch vermogen op de conventionele manier te meten, onderzoekers richten een laser op een gecoate detector, meet de temperatuurverandering van de detector, en bepaal vervolgens het elektrisch vermogen dat nodig is om een ​​equivalente hoeveelheid warmte op te wekken. Zoals vereist is voor meetnormen, deze methode kan worden herleid tot de SI, maar indirect via de volt en de ohm, die op hun beurt "afgeleide eenheden" zijn op basis van nist-vergelijkingen die meerdere SI-eenheden gebruiken. De apparatuur van NIST om op deze manier de optische watt te meten is groot en niet draagbaar.

In de nieuwere benadering laservermogen kan worden gemeten door het te vergelijken met de zwaartekracht op een referentiemassa (meestal gewogen op een "analytische balans" of schaal) of een equivalente kracht. NIST heeft onlangs een techniek ontwikkeld die de kracht van een laser meet, of de druk die een stroom fotonen op een spiegel uitoefent. Het resultaat, gemeten in milligram (massa) of micronewton (kracht), is herleidbaar tot de SI-basiseenheid de kilogram en kan worden gebruikt om optisch vermogen te berekenen. De aanpak is vooral nuttig voor krachtige lasers die worden gebruikt in de productie en het leger, omdat het eenvoudiger is, sneller, goedkoper en draagbaarder dan conventionele methoden.

De nieuwe NIST-studie stelde de validiteit van de massa/kracht-benadering vast door sterke overeenstemming te vinden tussen de resultaten en die van de conventionele methode. Maar het NIST-voorstel biedt ook een aantal belangrijke voordelen:een draagbare primaire standaard in de vorm van een referentiemassa, en het potentieel voor verbeterde precisie.

Berekeningen van massa vereisen kennis van de exacte hoeveelheid waarmee zwaartekracht objecten op een bepaalde hoogte en locatie versnelt. Krachtberekeningen niet, waardoor het eenvoudiger wordt als een primaire standaard.

De nieuwe definitie zou kunnen zijn:

• Eén watt optisch vermogen is dat wat, bij normale reflectie van een perfecte spiegel, produceert een kracht waarvan de grootte (in Newton) gelijk is aan 2 gedeeld door de lichtsnelheid; of
• Een kracht van één Newton is de kracht die wordt geproduceerd wanneer een optisch vermogen (in watt) met een grootte gelijk aan de lichtsnelheid gedeeld door 2 normaal wordt gereflecteerd door een perfect reflecterende spiegel.

Het NIST-team is van plan om de resultaten tot nu toe en het voorstel op een komende conferentie te presenteren en de onderzoekslijn voort te zetten.

"We doen onderzoek om de stralingsdrukbenadering in staat te stellen de meest nauwkeurige meting van laservermogen ter wereld te maken, "NIST-natuurkundige Paul Williams zei.