Comparaisons de puissance optique. Crédit :N. Hanacek/NIST
Toujours à la recherche de meilleures façons de mesurer toutes sortes de choses, des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont publié une étude détaillée suggérant une définition améliorée "élégante" pour l'unité standard de puissance lumineuse, le watt optique.
Mais c'est plus qu'une simple opportunité de se faire une idée d'une unité de mesure internationale. La définition proposée promet une définition plus précise, méthode moins chère et plus portable pour mesurer cette quantité importante pour la science, La technologie, fabrication, commerce et défense nationale.
Au lieu de la définition actuelle basée sur des comparaisons avec le chauffage électrique, l'étude du NIST suggère que le watt optique pourrait être déterminé à partir de la force de rayonnement de la lumière et de sa vitesse, une constante fondamentale. Les constantes fondamentales sont des nombres qui restent les mêmes partout dans le monde, rendre les mesures basées sur eux universelles. Les étalons primaires qui définissent des unités de mesure basées sur des constantes fondamentales sont considérés comme idéaux.
"Johannes Kepler a fait les premières observations de la pression de radiation au début du 17ème siècle, " Le chef du projet NIST, John Lehman, a déclaré. " Il y a quelques années, nous avons décidé de créer une norme de mesure primaire sur cette base. » Peut-être qu'un jour nous redéfinirons tous la puissance optique de cette façon. »
La définition proposée est basée sur les travaux de James Clerk Maxwell en 1862 montrant que la force exercée par la lumière est proportionnelle à sa puissance divisée par la vitesse de la lumière. Maintenant, des normes de mesure pratiques peuvent être créées sur cette base grâce aux récentes avancées techniques du NIST.
La proposition du NIST est en phase avec la récente redéfinition des systèmes internationaux d'unités (SI), offrant des mesures plus fiables basées sur des propriétés immuables de la nature. Le watt est l'unité SI de puissance, lequel, comme Maxwell l'a découvert, peut être utilisé pour calculer la force, ou vice versa. La suggestion du NIST pourrait également aider à résoudre les débats sur la meilleure façon de définir une quantité optique connexe connue sous le nom d'intensité lumineuse. Cette quantité est exprimée en termes d'unité de base SI appelée candela, qui dépend en partie des propriétés de la vision humaine.
La nouvelle étude a été réalisée dans le cadre des services de mesure et d'étalonnage de la puissance laser du NIST, offert pour la première fois en 1974. Ces dernières années, les chercheurs du NIST ont élargi la gamme de puissance lumineuse pouvant être mesurée, de la très faible intensité lumineuse de quelques photons (particules lumineuses) par seconde aux lasers de 100 kilowatts en émettant 100, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 photons par seconde.
Pour mesurer la puissance optique de manière conventionnelle, des chercheurs pointent un laser sur un détecteur revêtu, mesurer la variation de température du détecteur, puis déterminer la puissance électrique nécessaire pour générer une quantité équivalente de chaleur. Comme cela est requis pour les étalons de mesure, cette méthode peut être attribuée au SI, mais indirectement par le volt et l'ohm, qui à leur tour sont des "unités dérivées" basées sur des équations nist utilisant plusieurs unités SI. L'équipement du NIST pour mesurer le watt optique de cette façon est grand et non portable.
Dans la nouvelle approche, la puissance du laser peut être mesurée en la comparant à la force de gravité sur une masse de référence (généralement pesée sur une "balance analytique" ou une balance) ou à une force équivalente. Le NIST a récemment développé une technique qui mesure la force d'un laser, ou la poussée exercée sur un miroir par un flux de photons. Le résultat, mesuré en milligrammes (masse) ou en micronewtons (force), est traçable à l'unité de base SI le kilogramme et peut être utilisé pour calculer la puissance optique. L'approche est particulièrement utile pour les lasers à haute puissance utilisés dans la fabrication et l'armée car elle est plus simple, plus rapide, moins coûteux et plus portable que les méthodes conventionnelles.
La nouvelle étude du NIST a établi la validité de l'approche masse/force en trouvant un fort accord entre ses résultats et ceux de la méthode conventionnelle. Mais la proposition du NIST offre également plusieurs avantages non négligeables :un étalon primaire portable sous forme de masse de référence, et le potentiel d'amélioration de la précision.
Les calculs de masse nécessitent la connaissance de la quantité exacte avec laquelle la gravité accélère les objets à une altitude et un emplacement particuliers. Les calculs de force ne le font pas, le rendant plus simple en tant que norme primaire.
La nouvelle définition pourrait être :
L'équipe du NIST prévoit de présenter ses résultats à ce jour et sa proposition lors d'une prochaine conférence et de poursuivre la ligne de recherche.
« Nous poursuivons des recherches pour permettre à l'approche de la pression de rayonnement d'effectuer la mesure la plus précise de la puissance laser au monde, ", a déclaré le physicien du NIST, Paul Williams.
