¿Hay algún componente óptico que uniformice la luz entrante?

Para agregar a la respuesta de Carl Witthoft : su dispositivo propuesto violaría la Conservación de la extensión óptica, también conocido como Étendue óptico , a menos que fuera un dispositivo activo ( es decir, uno que necesita una entrada de trabajo para "uniformizar" una cantidad determinada de luz).

La ley de que la extensión óptica solo puede mantenerse constante o aumentar mediante un sistema óptico pasivo es equivalente a la segunda ley de la termodinámica de la luz, porque la extensión óptica de una fuente de luz es su volumen en el espacio de fase.

La extensión óptica$\Sigma$por la luz radiada desde una superficie$S$es:

donde integramos la intensidad$I$en cada punto$x\in S$sobre todos los ángulos sólidos$\Omega$teniendo en cuenta el ángulo$\theta$cada componente de la radiación del punto$x$hace con la unidad de la superficie normal. Luego integramos esta cantidad sobre todos los puntos de la superficie$S$.

Entonces el$\Sigma$para su salida sería cero, mientras que sería grande para su entrada, por lo que ningún dispositivo de imagen pasivo puede hacer lo que pide.

Entonces, otra forma de expresar la respuesta de Carl sería que el dispositivo propuesto tendría que "olvidar" el estado codificado en la dirección del frente de onda de la luz de entrada en cada punto. Por lo tanto, su dispositivo propuesto, si es posible, necesariamente sería un dispositivo activo , que necesitaría una entrada de trabajo de$k_B\,T\,\log 2$julios por cada bit de estado de luz olvidado de acuerdo con la forma del Principio de Landauer de la segunda ley de la termodinámica. Digo más sobre esto en mi respuesta aquí .

No. No es que haya definido muy bien "uniformizar", pero parece que está pidiendo que cada rayo desde cada punto de origen se dirige en alguna dirección paralela. Dejando de lado los efectos de autodiffracción, simplemente deténgase y piense: ¿cómo podría algún material o dispositivo aceptar un paquete de rayos desde todos los ángulos en un punto dado en el dispositivo y emitirlos todos en un paquete paralelo? Esto sería el equivalente, digamos, de un espejo que reflejaba cada rayo entrante en la misma dirección, independientemente del ángulo entrante.

Ahora, podría hacer mucha trampa y proponer un medio láser que se bombee con todos esos rayos entrantes (es decir, absorba todo) y emita energía en un haz colimado, pero claramente eso no es lo que quiere decir, ¡espero!

Ningún sistema óptico sin pérdidas puede formar una imagen (de alguna fuente de radiación) que sea "más brillante"; (más estrictamente "radiación" más alta o "luminancia" más alta en el caso de medidas fotométricas en lugar de radiométricas), que la fuente. Una prueba temprana de esto fue dada por el conocido termodinámico del siglo XIX, Rudolph Clausius, basado en la segunda ley de la termodinámica.

Si existiera tal sistema, y ​​la fuente fuera un área de un radiador de cuerpo negro, a algunos grados de temperatura T kelvin, la imagen de mayor radiancia (vatios por estereorradián por metro cuadrado (área de fuente)), aplicada a un absorbente de cuerpo negro receptor, impulsaría ese cuerpo a una temperatura de equilibrio superior a T kelvin, y la segunda ley lo prohíbe.

Ergo, tal sistema no existe.

Además, dado que los sistemas ópticos sin pérdidas son reversibles, cualquier sistema óptico sin pérdidas que forme una imagen que tenga menor radiación (luminancia) que la fuente (menos "brillante"), podría simplemente invertirse; objeto e imagen, para obtener una imagen "más brillante". Por lo tanto, tampoco existe tal sistema.

Entonces, "brillo" (palabra fea) o Resplandor, (luminancia) es una propiedad INVARIANTE de cualquier fuente de radiación. En óptica paraxial, esto generalmente se conoce como "la invariante de Lagrange" nhu, o NHSinU para sistemas de imágenes no paraxiales; n (N) es el índice medio de refracción (en relación con el vacío), h (H) es la altura del objeto o imagen de origen y u (sinU) hace referencia al ángulo del rayo.

La cantidad (nhu)^2 o (NHsinU)^2 , o una forma integral de eso, es a lo que Rod Vance se refirió como "etendue", que es una palabra francesa de $5 para "rendimiento".

Aunque las pruebas simples de esta expresión generalmente se relacionan con los sistemas ópticos de "imagen", la misma restricción se aplica igualmente a los sistemas ópticos que no son de imagen, como los CPC (concentradores parabólicos compuestos), que a veces se usan en la concentración de energía solar.

Aunque a menudo se aplica a las fuentes y sus imágenes, la invariancia de etendue también se aplica por igual en todas partes en la ruta de propagación de la radiación. Puede intercambiar área luminosa por ángulo sólido luminoso, pero su producto es fijo.

Aunque el flujo radiante de decir el sol se extiende sobre un área grande en la tierra, (irradiancia de la superficie en vatios por metro cuadrado), cuando el ojo humano lo percibe, el ojo forma una imagen en la retina, que es tan "brillante" ( luminancia o radiancia) como la superficie del sol, menos pérdidas en el ojo. Por eso, no deberías mirar al sol.

El profesor Roland Winston, anteriormente en la Universidad de Chicago, y el Laboratorio Nacional de Argonne, pero ahora en la Universidad de California Merced, y sus colegas, hicieron un concentrador de CPC sólido (YAG) que dio un lugar cinco veces "más brillante" que el Sol, pero ese punto estaba dentro del medio YAG, de índice de alrededor de 2,7, y no hay forma de sacarlo del cristal debido a TIR. (reflexión interna total). La segunda ley no se viola.

El estudiante puede encontrar un tratamiento riguroso de las ideas etendue en Born & Wolfe y otros textos estándar.

La palabra "brillo" no es una cantidad o medida del SI; no puedes ponerle ningún número.

Cuando los físicos lo usan casualmente (deberíamos saberlo mejor), invariablemente se refiere a la cantidad radiométrica "radiancia" medida en vatios por estereorradián por metro cuadrado, o a la cantidad fotométrica "luminancia" medida en lúmenes por estereorradián por metro cuadrado, que es una respuesta psicofísica del ojo humano a la energía radiante en la octava "visible" de 400-800 nm. También las personas que trabajan con fuentes de iones o electrones, como cátodos termoiónicos o fuentes de emisión de campo utilizadas en pantallas de plasma, o en físicos de aceleradores de partículas, usan "brillo" como una expresión coloquial para los electrones o iones por estereorradián, por metro cuadrado de sus fuentes. , o incluso culombios (o amperios) por estereorradián, por metro cuadrado.

Todos sabemos lo que queremos decir; pero deberíamos ser más rigurosos y utilizar la terminología adecuada cuando tratamos con estudiantes o el público lego, que suelen encontrar "brillo" en la poesía de Shakespeare. El brillo nunca se usa como una alternativa a la intensidad radiante o luminosa (vatios o lúmenes por estereorradián) o para la irradiancia o iluminancia superficial (vatios o lúmenes por metro cuadrado), o para la emitancia radiante o luminosa, también medida en vatios o lúmenes por metro cuadrado. para una fuente.

La intensidad se define estrictamente para una fuente puntual, por lo tanto, vatios o lúmenes por estereorradián, SIN referencia al tamaño. Entonces, la intensidad (radiante o luminosa) NO cambia con la distancia desde la fuente. Sin embargo, las fuentes reales tienen un área o diámetro finito, por lo que cerca de la fuente, la medición de la intensidad se convierte en un problema. Siempre que observemos o midamos, a una distancia de al menos diez veces el diámetro de la fuente, obtendremos resultados con poco error. En realidad, alrededor del 1/2% a diez veces el diámetro de la fuente.

Otra molestia es que algunos piensan que los láseres no siguen la ley del cuadrado inverso para la irradiación del frente de onda a distancia. Lo hacen, siempre que se encuentre a varias veces la distancia del rango de Raleigh desde la cintura del haz para el modo fundamental TEM00.