研究紅外輻射的產生、傳播、轉化和測量及其應用的技術科學。紅外輻射包括介于可見光與微波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(fā)射的輻射在光譜、強度和方向的分布;輻射在媒質中的傳播特性──反射、折射、衍射和散射;熱電效應和光電效應等。②紅外元件、部件的研制,包括輻射源、微型制冷器、窗口材料和濾光片等。③把紅外元件部件組織成系統(tǒng)的光學、電子學和精密機械。④在軍事上和國民經濟中的應用。紅外透鏡
? ? ? ?紅外探測器的發(fā)展是紅外技術發(fā)展的先導。1940年以前研制成的紅外探測器,主要是熱敏型探測器。19世紀,由于熱敏型紅外探測器的應用,科學家們認識了紅外輻射的特性及其規(guī)律,驗證了J.C.麥克斯韋的經典的電磁理論。從黑體輻射的研究導致普朗克的量子假設,從而開創(chuàng)了20世紀的量子物理學。20世紀初開始,測量了大量的有機和無機物質的吸收、發(fā)射和反射光譜,證明紅外技術在物質分析中的價值。30年代,首次出現(xiàn)紅外光譜儀,以后發(fā)展成在物質分析方面不可缺少的儀器。? ??60年代,激光的出現(xiàn)極大地影響了紅外技術的發(fā)展。在這以前,紅外技術僅探測非相干紅外輻射。激光的出現(xiàn),很多重要的激光都在紅外波段,其相干性便于移用電子技術中的外差接收技術。探測性能比功率探測高好幾個數(shù)量級。雷達和通信等,都有可能在紅外波段實現(xiàn),而且可以得到更高的分辨率和更大的信息容量。由于這類應用的需要,出現(xiàn)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。
軍用紅外技術可用于目標探測、通信和夜視。
①軍事目標的探測與跟蹤:紅外探測技術有廣泛的用途,其根本原因之一就在于一切物體都在不斷地產生紅外輻射。物體溫度越高,其紅外輻射的波長就越短。例如,室溫(≈300K)物體發(fā)出大量的8~13微米內的輻射,飛機發(fā)動機在工作時發(fā)出大量的3~5微米的輻射。利用紅外探測技術,就有可能發(fā)現(xiàn)這些物體。這一可能性首先受到軍事上的重視。因為一切軍事目標,如空中的飛機、導彈,海洋中的軍艦,甚至部隊的行動,都散發(fā)熱量,發(fā)出大量的紅外輻射。利用紅外探測技術可以偵察、跟蹤和監(jiān)視這些目標,或者引導炸彈投向這些目標。70年代以來,紅外預警衛(wèi)星一直監(jiān)視著彈道導彈的發(fā)射,紅外反導彈在大氣外層的搜索、跟蹤距離已接近2000公里,偵察衛(wèi)星依靠紅外和多光譜儀器及時獲取大量的軍事情報。紅外制導導彈已成為用量最大的近程戰(zhàn)術導彈。紅外探測裝置能比微波雷達更為有效地追蹤貼近海面飛行的低仰角導彈和飛機。?
②紅外通信:在發(fā)射端,用紅外輻射的平行光束作載波,其強度受發(fā)送信息的調制。在接收端收到這束紅外輻射時,就能從強度的變化獲得所需的信息。激光完全可以移用于微波通信技術。與微波通信相比,紅外通信具有更好的方向性,適用于國防邊界哨所與哨所之間的保密通信。
③軍用夜視儀:在夜間軍事行動中用來“照明”或偵察敵方行動的儀器。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子發(fā)射現(xiàn)象的變像管,工作波段不大于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變成可見像而顯示在屏幕上。這種夜視儀有著廣泛的用途,但其缺點是易為對方發(fā)現(xiàn)。被動式夜視儀則是利用目標本身發(fā)射的輻射,利用單元紅外探測器加光機掃描或多元列陣探測器攝取目標的熱圖像,并轉變成可見圖像顯示出來。這種夜視儀,實質上就是熱像儀。根據軍事上的需要,紅外成像裝置有各種不同形式的發(fā)展,熱像儀就是這類裝置的總稱。
民用紅外技術廣泛用于工業(yè)、醫(yī)學和科學研究等許多方面。
①熱源探測:首先是對異常熱源的檢測,例如,火車車輛運行中,輪軸摩擦過甚使溫度升高;森林在冬、春季節(jié)局部腐植質發(fā)熱,可能導致自然火災;機房中變壓器、發(fā)電機、閘刀、鍋爐和輪機等運動發(fā)生故障時局部溫度異常升高。用紅外技術探測這些異常的熱源,就能對事故的發(fā)生及時報警。為節(jié)約能源而對鍋爐和建筑物的漏熱檢測,防賊防盜的入侵警報器,也屬這類應用。又如,一塊很小的集成電路某一點有缺陷,通電工作時那一點的溫度就過高;大型機器部件內部有無法看到的缺陷,在均勻加熱的條件下,那一點溫度就異常。利用紅外技術就能檢查出這些缺陷。這類應用也稱為無損探傷。
②醫(yī)用熱像儀:檢查人體的表皮溫度,如脈管炎、靜脈曲張,和一些表淺部位的癌癥,可得到早期診斷。這一應用類似于無損探傷。?
③溫度測量與過程控制:在一般接觸式的測溫方法無法到達之處,只有利用紅外技術,如煉鋼工業(yè)中的鋼水溫度,軋鋼時的鋼板溫度,機械制造業(yè)中的熱處理溫度,工件切割和焊接溫度,化工中的化學反應溫度,紡織工業(yè)中織物的熱定形溫度,食品工業(yè)、造紙和印染工業(yè)中各道工序中的工藝溫度,利用紅外技術都可以有效地測量或監(jiān)視,從而對這些過程進行控制。
④紅外光譜分析:是以紅外輻射與物質相互作用的原理為基礎的。用紅外輻射照射物體時,透過物體的、從物體反射回來的或散射出去的紅外輻射,都包含著有關物質內部結構的信息。專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(fā)展水平也在很大程度上取決于紅外技術的發(fā)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,如塑料制造工業(yè)中的產品檢驗、木材加工和造紙業(yè)中的濕度檢測、煤礦中易燃易爆氣體的指示和警報、大氣污染的檢測、人體呼吸道疾病的診斷等,都可借助紅外技術解決。
⑤紅外加熱干燥:利用熱源光譜和物質吸收光譜知識而發(fā)展起來的紅外加熱干燥技術,已在工農業(yè)的很多方面得到應用。與傳統(tǒng)的加熱烘烤技術相比,可以節(jié)約大量的能源。
⑥紅外遙感:用紅外技術研究物質結構和識別物體,通常是指物質的微觀結構。紅外技術的作用是擴大人類對微觀世界的觀察能力。紅外遙感技術,從某種意義上講,也是利用紅外技術對地球那樣大的宏觀物體進行物質結構研究和物體識別。紅外技術的作用能擴大人類在空間上和時間上的觀察能力。把紅外儀器裝在飛機上或人造衛(wèi)星上,能在較短的時間內,收集到地面各種目標如河流、山脈、土壤、冰川、沙漠、森林、農作物和云霧等的狀況和變化。這種遙感技術已用在氣象衛(wèi)星中,對實現(xiàn)全球性長、短期天氣預報起著重要作用;也用在地球資源衛(wèi)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報病蟲害等;也能估計作物收成,協(xié)助地面尋找富鐵、鎳、銅和石油等重要礦床分布。?
⑦紅外天文學:是利用紅外技術擴大人類觀察能力的又一成就。60年代以前,對天體的認識,只限于從天體發(fā)射來的可見光和射電無線電波。后來又增加了紅外波段。寬波段紅外望遠鏡已經為揭示宇宙奧秘作出了重要貢獻,如發(fā)現(xiàn)了宇宙間充滿著2.7K的輻射背景。又如美、英、荷三國聯(lián)合發(fā)射的紅外天文衛(wèi)星,在10個月內對95%的宇宙空間進行觀察,發(fā)現(xiàn)了過去人類一無所知的紅外天體達20萬個。?
展望自40年代開始發(fā)展以來,紅外技術已經得到廣泛應用。但所利用的波段僅僅是0.75~13微米所謂的近紅外和中紅外波段。還有廣闊的遠紅外線沒有得到應用。即使是近中紅外線,也遠沒有充分發(fā)揮作用,探測技術本身還大有發(fā)展的余地。遠紅外波段是科學家注意的重點。