研(yán)究(jiū)紅外輻射的產生、傳播、轉化(huà)和測量及其應用的技術(shù)科學。紅外輻射包括介於可見光與微波(bō)之間的廣闊的電磁波段。紅外技術的內容包含四個主要部分:①紅外輻射的性質,其中有受熱物體所發射的輻射在光譜、強度和方向的分(fèn)布;輻射(shè)在媒質(zhì)中的傳播特性──反射、折射、衍(yǎn)射和散射;熱電效應和光電效應等。②紅(hóng)外元件、部件的研製,包括輻射源、微型製冷器、窗口材料(liào)和濾(lǜ)光片等。③把紅外元件部件組織成係(xì)統(tǒng)的光學、電子學和精密機械。④在(zài)軍事上(shàng)和國民(mín)經濟中的應用。紅(hóng)外透鏡
紅外探測器的發展是紅外技術發展的先導。1940年以前研製成的紅外探測器,主要是熱敏型探測器。19世紀,由於熱敏型(xíng)紅外探測器的應用,科學家們認識了紅外輻射的特性及其規律,驗證了J.C.麥(mài)克斯韋的經典的電磁理論。從黑體輻射的研(yán)究(jiū)導(dǎo)致普朗克的量子假(jiǎ)設,從而開創了20世紀的量子物理學。20世紀初開(kāi)始,測量了大量的有機(jī)和(hé)無機(jī)物質的吸收、發射和反(fǎn)射光譜,證明紅(hóng)外技術(shù)在物質分析中的價值。30年代,首次出現紅(hóng)外光譜儀,以後發展成在物質分析方麵不可缺(quē)少的儀器。 60年代,激光的(de)出現(xiàn)極大地影響了紅外技(jì)術的發展。在這(zhè)以(yǐ)前(qián),紅外(wài)技術僅探測非(fēi)相幹紅外輻射。激光的(de)出(chū)現,很多重要的激光都在紅外波段,其相幹性便於移用電子技術中的外差接收技術。探測(cè)性(xìng)能比功率探測高好幾個數量級。雷達和(hé)通信等,都有可能在紅外波段實現,而且可以得到更高的分辨率和更大的信息容量。由於這類應用(yòng)的需要,出現了新的探測器件和新的輻射傳輸方式。
應用紅外技術在軍事上和國民經濟各部門都有廣泛的應用。
軍用紅(hóng)外技術可(kě)用於目標探測、通信和夜(yè)視。
①軍事目標的(de)探測與跟蹤:紅外探(tàn)測技術有廣泛的用途,其根本(běn)原因之一就在於一切物(wù)體(tǐ)都在不斷地(dì)產生(shēng)紅外輻(fú)射。物體溫度越高,其紅外輻射的波長(zhǎng)就越短。例(lì)如,室溫(≈300K)物體發(fā)出大量的8~13微米內的(de)輻射,飛(fēi)機發動機在工作時發出大量的(de)3~5微米的輻射。利用(yòng)紅外探測技術,就有可能發現這些物體。這一可能性首先受到軍事(shì)上的重視。因為一切軍事目標,如空中的飛機、導彈,海洋中(zhōng)的軍艦,甚至部隊的行(háng)動,都散發熱量,發出大量(liàng)的紅外輻射。利用紅外探測技術可以偵察、跟蹤和監視這些目標,或者引(yǐn)導炸彈投向這些目標。70年代以來,紅(hóng)外預警衛星一直(zhí)監視著彈道導彈的發射,紅外反導彈在大氣外層的搜索、跟(gēn)蹤距離已接近2000公裏,偵察衛星(xīng)依靠紅外和多光譜儀器及時獲取大量的軍事情報。紅外製(zhì)導導彈已(yǐ)成為用量最大的近程戰術導彈。紅外(wài)探(tàn)測裝置能比(bǐ)微波雷達更為有效地追蹤貼(tiē)近海麵(miàn)飛行的低仰(yǎng)角導彈和飛機。
②紅外通信:在發射端,用紅外輻射的平行光束作載波,其強(qiáng)度受發送(sòng)信息的(de)調製。在接收端收到這束紅外輻射時(shí),就能從強(qiáng)度的變化獲(huò)得所需的信息。激光完全可以移用於微波通信技術。與微波通信相比,紅外通信具有更好的方向性,適用(yòng)於國防邊界(jiè)哨(shào)所與哨所之間的保(bǎo)密通(tōng)信。
③軍用(yòng)夜(yè)視儀:在夜間(jiān)軍事(shì)行動中用來“照明”或偵(zhēn)察敵方行動的儀器。夜視儀分為主動式和被動式兩類。主動式夜視儀是利用光電(diàn)子發射現象的(de)變像管,工作波段不大於1.3微米,用近紅外輻射照射敵方目標,變像管將反射回來的紅外像轉(zhuǎn)變成可見像而顯示在屏幕上。這(zhè)種夜(yè)視儀有著(zhe)廣泛的用途,但其缺點是易為對方發現。被動式夜視儀則是利用(yòng)目標本身發射的(de)輻射,利(lì)用單元紅外探測器加光機掃描或多元列陣探測器攝取(qǔ)目標的熱圖像,並轉變成可見圖像顯(xiǎn)示出來。這種(zhǒng)夜視儀,實質上(shàng)就是熱像儀。根據軍事上的需要,紅外成像裝置有各種(zhǒng)不同形式(shì)的發展,熱像儀就是這類裝置的總稱。
民用紅(hóng)外技術廣泛用於工業、醫學和科學研究等許多方麵。
①熱(rè)源探測:首先是對異常熱源的檢(jiǎn)測,例如,火車車輛運行中,輪軸(zhóu)摩擦過甚使溫度升高;森林在冬、春季節局部腐植質發熱,可能導(dǎo)致自(zì)然火災;機房中變壓器、發電機、閘刀、鍋爐和輪機(jī)等(děng)運動發生故障時局(jú)部溫度異常升(shēng)高。用紅外(wài)技術探測這些異常(cháng)的熱源,就能對事故的發生及時報警(jǐng)。為節約能源而對鍋爐和(hé)建築物的漏熱檢測,防賊防(fáng)盜的入侵警(jǐng)報器,也屬這類應用。又如,一塊很小的集成電路某一點有缺陷,通電工(gōng)作時那一點的溫度就過高;大型機器部件(jiàn)內部有(yǒu)無法看到的缺(quē)陷,在均勻加熱的條件下,那一點溫度就異常。利(lì)用紅外技術就能檢(jiǎn)查出(chū)這些(xiē)缺陷(xiàn)。這類應用(yòng)也稱為無損探傷。
②醫用(yòng)熱像儀:檢查人體的表皮溫度,如脈(mò)管炎、靜脈(mò)曲張,和(hé)一些表淺部位的癌症,可得到早期診斷。這一(yī)應用類似於無損探(tàn)傷。
③溫度測量與過(guò)程控製:在一般接觸式(shì)的測溫方法無法(fǎ)到達之處,隻有利用紅外技術,如(rú)煉鋼工(gōng)業(yè)中的鋼水溫度,軋鋼時的鋼板溫度,機械製造業中(zhōng)的熱處理溫度,工件切割和焊接(jiē)溫度(dù),化工中的化學反應溫度,紡(fǎng)織工業中織(zhī)物的(de)熱定形(xíng)溫度,食品工業、造紙(zhǐ)和(hé)印染工業(yè)中各道(dào)工序中的工藝溫度,利用紅外技術都可以有效地(dì)測量或監視,從而對這(zhè)些過程進行控製。
④紅外光譜分(fèn)析:是以紅外輻射與物質相互作(zuò)用的原理為基礎的。用紅外(wài)輻射照射物體時,透過物體的、從物體反射回來的或散射出去(qù)的紅外輻射,都包含著(zhe)有關物質內部結構的(de)信息。專(zhuān)門研究物質結構的紅外光譜學,就是以紅外技術作為基本工具,其發展水平(píng)也(yě)在很大程度上取決於紅外技(jì)術的發展水平。紅外光譜儀已經是化學分析中不可缺少的手段。此外,如塑料製造工業中的(de)產品檢驗、木材加工和造紙業(yè)中的濕度檢(jiǎn)測、煤礦中易燃易爆氣體的指示和警報、大氣汙(wū)染的檢測、人體呼(hū)吸(xī)道疾病的診斷等,都可借助紅外技術解決(jué)。
⑤紅外加熱幹燥:利用熱源光譜和物質吸收光譜知識而發展起來的紅外加熱幹燥技術(shù),已在工農業的很多(duō)方麵得到應用。與傳統(tǒng)的加熱烘烤技術相比,可以節約(yuē)大量的能源。
⑥紅外遙感:用紅外(wài)技術研(yán)究物質結構和識別物體,通常是指物質的微觀結構(gòu)。紅外技術的作用是(shì)擴大人類對微觀(guān)世界的觀察能力。紅外遙感技術,從某種意義上講,也是(shì)利用紅外技術對地球那樣(yàng)大的宏觀物體進行物質結構研究和(hé)物體識(shí)別。紅(hóng)外技術的作用能擴(kuò)大(dà)人類(lèi)在空間上和時間上的觀察能力。把紅外儀器裝在(zài)飛機上或人造衛星(xīng)上(shàng),能在較短的時間內,收集到地麵各種目標如河流、山脈、土壤、冰川、沙(shā)漠、森林、農作(zuò)物和雲霧等的狀況(kuàng)和變化。這種遙感技術已(yǐ)用在氣象衛星中(zhōng),對實(shí)現全球性長、短期(qī)天氣預報起著重要作用;也用(yòng)在地(dì)球資源衛星上,預報洪水災情、推測土壤含鹽和含水量、觀察作物生長情況和預(yù)報病蟲害等;也能估計作物收成,協助地麵尋找富鐵(tiě)、鎳、銅和石油等重要礦床分布。
⑦紅外天文學:是(shì)利用(yòng)紅外技術擴(kuò)大人類(lèi)觀察能力的又一成就。60年代以前,對天體的認識,隻(zhī)限於(yú)從天體發射來的可見光和射電無線電波。後來又增加了紅外波段。寬波段紅(hóng)外望遠鏡已經為揭示宇宙奧秘作出了重要貢獻,如發(fā)現了宇宙間充滿著2.7K的輻射背景。又如美、英、荷(hé)三國聯(lián)合發射的紅外天文(wén)衛星,在(zài)10個月內對95%的(de)宇宙空間進行觀察,發現了過去人類一無所(suǒ)知的紅外天體達(dá)20萬個。
展望自40年(nián)代開始發展以來,紅外技術已經得到廣泛應用。但所利用的波段僅(jǐn)僅是0.75~13微(wēi)米所(suǒ)謂的近紅外和中紅(hóng)外波段。還有廣闊的(de)遠紅外線沒(méi)有得到應用。即使是近(jìn)中紅(hóng)外線,也(yě)遠沒有充分發揮作用,探測技術本身還(hái)大有發(fā)展的餘地。遠紅(hóng)外(wài)波段是科學家注意的重點。