2026-04-22

”Jag ser ljuset!”

Ljus kan betyda olika saker för olika personer vid olika tillfällen. För OPSIS är ljus i första hand ett verktyg för att mäta koncentrationer. Men vad är ljus egentligen och hur är det möjligt att mäta något med hjälp av ljus?

Svaret finns i fysiken. Många av oss har nog åtminstone snuddat vid ämnet i skolan, men det var kanske länge sedan. Häng med på en tur i den grundläggande fysikens värld för att återuppliva gamla minnen eller kanske lära dig något nytt!

Vad är ljus?

Det enkla svaret är ”det beror på”. I fysikens värld skapar man modeller av det man vill beskriva. När det gäller ljus så finns det två modeller att välja på och valet beror på vad man vill ha svar på.

• I vissa fall är det praktiskt att beskriva ljus som elektromagnetiska vågrörelser. Det gör det lätt att förklara till exempel hur en regnbåge uppstår eller hur ljus bryts i glas eller en vätska.
• I andra fall är fotoner (”ljuspartiklar”, ”ljuskvanta”) ett begrepp som är enklast att hantera. Då pratar vi om kvantoptik som beskriver bland annat hur ljus samverkar med några av våra minsta byggstenar, det vill säga atomer och molekyler.

Våglängder

Ljus som vågrörelse brukar inte vara så svårt att ta till sig. Precis som vågor på havet så har även ljusvågor en våglängd, alltså avståndet mellan två på varandra följande toppar. Denna våglängd är ett mått på färgen som ljuset har.

Synligt ljus är det vi uppfattar med våra ögon med grundkomponenterna rött, grönt och blått, och med andra färger insprängda däremellan. Nu finns det dock mycket mer än bara synligt ljus, bland annat:

• Infrarött ljus (IR) som har längre våglängder än det rörda ljuset.
• Ultraviolett ljus (UV) som har kortare våglängder än det blåa ljuset.

Våglängdsområdet från det infraröda via det synliga till det ultravioletta kallas det optiska området.

Ljus och energi

Elektromagnetiska vågor innehåller energi. Här får vi dock också ta in begreppet foton i diskussionen för att förstå vad som händer.

Ljusenergin är nämligen kvantiserad, där varje enskild foton bär på en viss energimängd. Fotonens energi är kopplad till ljusets frekvens, och därmed till dess våglängd. Det går åt energi för att skapa ljus, det vill säga fotoner. När ljus möter materia värms ytan, och det är då fotonerna som avlämnar sin energi i ytans atomer och molekyler.

Atomer, molekyler och energi

För att förstå hur man kan använda ljus inom mätteknik så måste vi också titta på hur atomer och molekyler samverkar med ljus, eller mer precist, energin i ljuset.

Det visar sig att atomer och molekyler kan ta upp och avge energi, men de kan bara befinna sig i vissa bestämda energitillstånd. Energin som tas upp eller avges när energitillståndet ändras är därför också kvantiserad, det vill säga det händer bara med vissa bestämda energier.

Energinivåer

Energinivåerna skiljer sig åt mellan olika typer av atomer. I grunden beroende på hur många elektroner som finns runt atomkärnan men även på antalet protoner och neutroner i kärnan.

I en molekyl ger dessutom bindningarna mellan molekylens atomer upphov till andra typer av energitillstånd, så kallade vibrations- och rotationsenergier. Alla olika typer av energinivåer som kan finnas i en atom eller molekyl bildar ett komplext mönster, men för samma typ av atom eller samma typ av molekyl är mönstret detsamma och dessutom oftast unikt.

Sammantaget får man en signatur av energinivåer som bara finns i en viss typ av atom eller molekyl. Därmed får man också en signatur av energi som kan tas upp (absorption) och avges (emission).

Samverkan mellan materia och ljus

Med detta är scenen klar för att visa hur man kan mäta gaskoncentrationer med ljus.

Skickar vi in en foton mot en molekyl (eller atom, men för låt oss förenkla texten och bara prata om molekyler) så kan fotonens energi vara tillräckligt nära skillnaden mellan två av molekylens energinivåer för att energin skall överföras till molekylen. Fotonen absorberas och molekylen exciteras, den ”blir varm”.

Ju fler sådana molekyler som ett antal sådana fotoner försöker passera, desto fler av fotonerna kommer att absorberas.

Så långt vad som händer på kvantnivå men nu är det dags att gå tillbaka till ljusstrålarna med dess vågor.

Ett mycket stort antal fotoner som har samma energi och som rör sig åt samma håll är samma sak som en ljusstråle av en viss våglängd. När ljusstrålen träffar gasen av matchande molekyler kommer en del av fotonerna i ljusstrålen att absorberas. Strålens intensitet dämpas, och vi har fått ljusabsorption på makroskopisk nivå.

Från en våglängd till alla

Hur använder sig då OPSIS av allt detta? Låt oss hålla oss till de mätsystem som bygger på DOAS-tekniken (differentiell optisk absorptionsspektroskopi). Där har vi en vit ljusstråle som skapas av en xenonlampa och en spegel. Vitt ljus är ”alla” synliga våglängder på en och samma gång, alltså en massiv mängd fotoner av ”alla” energier. Strålen innehåller även IR- och UV-våglängder.

På sin väg genom gasen stöter ljusstrålen på allehanda typer av molekyler där varje molekyl kan absorbera en del av energin i ljuset. Det blir olika mycket absorption för olika våglängder beroende på typ av molekyl och hur många molekyler där är.

...och vidare till DOAS

Det som återstår av ljusstrålen efter att ha passerat molekylerna samlas in i en mottagare och skickas till en analysator, i fallet OPSIS DOAS något av instrumenten i AR-serien.

Om vi jämför det utskickade spektrumet av ljus (alltså vilken ljusenergi vi hade för varje våglängd vid xenonlampan) med det spektrum som återstår när ljusstrålen har passerat molekylerna kommer vi att se molekylernas absorptionssignaturer (”fingeravtryck”).

Ett visst avtryck blir djupare ju fler molekyler av just den typen som finns längs ljusstrålen. Lägg till lite matematik och vi kan räkna ut halten av en viss molekyltyp i bekanta enheter som till exempel µg/m³ eller ppm. Vi kan dessutom göra det för många olika typer av molekyler med ett och samma mätsystem.

Och med det har vi fått vårt ”DOAS”. Vi tittar på hur ljus och materia samverkar (spektroskopi, S:et) och mer precist på hur mycket energi som förloras längs ljusstrålen (absorption, A:et). Vi håller oss till de optiska våglängderna (från IR till UV, O:et), och vi jämför ursprungligt spektrum från xenonlampan med det spektrum som återstår vid mottagaren (differensen, D:et). S-A-O-D – DOAS!