Инфракрасный диапазон

Инфракрасный диапазон — это область электромагнитного спектра, занимающая положение между видимым светом и микроволновым излучением. Длина волн инфракрасного излучения (ИК-излучения) составляет от 0,74 мкм (740 нм) до 1—2 мм, что соответствует частотам от 430 ТГц до 300 ГГц. Термин «инфракрасный» (от лат. infra — «под», «ниже») указывает на то, что данный диапазон находится ниже красной границы видимого спектра. Инфракрасное излучение было открыто в 1800 году британским астрономом Уильямом Гершелем.

Физическая природа

Инфракрасное излучение представляет собой тепловое излучение, которое испускают все тела, имеющие температуру выше абсолютного нуля (−273,15 °C). Интенсивность и спектральный состав ИК-излучения зависят от температуры тела: чем выше температура, тем короче длина волны и выше мощность излучения. При комнатной температуре (около 20 °C) максимум излучения приходится на дальний инфракрасный диапазон (около 10 мкм). При нагреве до 500—800 °C тела начинают излучать в ближнем ИК-диапазоне, а при дальнейшем повышении температуры — в видимом свете (свечение раскалённого металла).

По своей природе инфракрасное излучение подчиняется тем же законам, что и видимый свет: оно может отражаться, преломляться, поглощаться и рассеиваться. Однако взаимодействие ИК-излучения с веществом имеет особенности: многие материалы, прозрачные для видимого света (например, стекло), непрозрачны для определённых участков ИК-диапазона, и наоборот.

Классификация

В науке и технике принято несколько систем деления инфракрасного диапазона на поддиапазоны. Наиболее распространённая классификация, используемая в спектроскопии и оптоэлектронике, включает три основные области:

• Ближний инфракрасный диапазон (NIR, Near Infrared) — от 0,74 до 2,5 мкм. Характеризуется наименьшим поглощением атмосферой. Используется в волоконно-оптической связи, пультах дистанционного управления, лазерных дальномерах.
• Средний инфракрасный диапазон (MIR, Mid Infrared) — от 2,5 до 50 мкм. В этой области расположены полосы поглощения многих молекул (CO₂, H₂O, углеводородов), что делает его ключевым для спектроскопии и газового анализа. Также используется в тепловизорах и системах наведения.
• Дальний инфракрасный диапазон (FIR, Far Infrared) — от 50 мкм до 1—2 мм. Граничит с микроволновым излучением. Применяется в астрономии, медицине (физиотерапия) и для изучения свойств твёрдых тел.

В военной и аэрокосмической технике часто используется более дробная классификация, где выделяют, например, коротковолновый (SWIR), средневолновый (MWIR) и длинноволновый (LWIR) поддиапазоны, соответствующие окнам прозрачности атмосферы.

Источники инфракрасного излучения

Все нагретые тела являются естественными источниками ИК-излучения. К основным природным источникам относятся:

• Солнце (около 50 % его излучения приходится на инфракрасный диапазон).
• Земля и все объекты на её поверхности (излучают в среднем и дальнем ИК-диапазоне).
• Атмосфера Земли (собственное тепловое излучение).
• Биологические объекты (теплокровные животные и человек).

Искусственные источники ИК-излучения делятся на тепловые и квантовые. К тепловым относятся:

• Лампы накаливания (до 90 % энергии излучают в ИК-диапазоне).
• Нагревательные элементы (нихромовые спирали, кварцевые трубки).
• Электрические и газовые инфракрасные обогреватели.

К квантовым источникам относятся:

• Светодиоды (ИК-светодиоды).
• Полупроводниковые лазеры (лазерные диоды, работающие в ближнем ИК-диапазоне).
• Квантово-каскадные лазеры (для среднего и дальнего ИК-диапазона).

Приёмники и детекторы

Для регистрации инфракрасного излучения используются специальные приёмники, преобразующие энергию ИК-фотонов в электрический сигнал. По принципу действия они делятся на:

• Тепловые — основаны на изменении температуры чувствительного элемента под действием излучения (болометры, термопары, пироэлектрические детекторы). Работают во всём ИК-диапазоне, но обладают относительно низким быстродействием.
• Фотонные — основаны на внутреннем или внешнем фотоэффекте (фотодиоды, фоторезисторы, фототранзисторы). Обладают высокой чувствительностью и быстродействием, но работают в ограниченном спектральном диапазоне, зависящем от материала (например, InGaAs для ближнего ИК, HgCdTe для среднего и дальнего ИК).

Для охлаждения высокочувствительных фотонных детекторов (особенно в среднем и дальнем ИК-диапазоне) часто используются криогенные системы (жидкий азот, микроохладители Стирлинга), так как собственное тепловое излучение детектора создаёт шум.

Применение

Инфракрасное излучение нашло широкое применение в различных областях науки, техники и быта.

Наука и исследования

• Астрономия: ИК-телескопы (например, «Джеймс Уэбб») позволяют наблюдать объекты, скрытые облаками космической пыли, а также изучать холодные звёзды, планеты и галактики на ранних стадиях формирования.
• Спектроскопия: ИК-спектроскопия (особенно в среднем диапазоне) является мощным методом идентификации химических веществ по их характерным полосам поглощения. Используется в аналитической химии, фармацевтике, криминалистике.
• Метеорология: Спутниковые снимки в ИК-диапазоне позволяют определять температуру облаков, поверхности Земли и океана, а также отслеживать атмосферные фронты и ураганы.

Техника и промышленность

• Тепловидение: Приборы (тепловизоры), формирующие изображение на основе распределения температуры объектов. Используются для неразрушающего контроля (поиск дефектов в строительных конструкциях, утечек тепла в зданиях), в энергетике (диагностика линий электропередач), в системах безопасности и видеонаблюдения.
• Связь: ИК-каналы используются в пультах дистанционного управления (стандарт IrDA), в беспроводных наушниках и для передачи данных на короткие расстояния. Также применяются в волоконно-оптической связи (окна прозрачности 0,85, 1,3 и 1,55 мкм).
• Локация и дальнометрия: ИК-лазеры используются в системах LIDAR для картографирования местности, в дальномерах и системах автоматического управления.
• Нагрев и сушка: ИК-обогреватели применяются для отопления помещений, а также в промышленности для сушки красок, клеев, пищевых продуктов (например, в хлебопечении).

Медицина

• Диагностика: Термография — метод регистрации теплового поля тела для выявления воспалительных процессов, опухолей, нарушений кровообращения. ИК-спектроскопия используется для анализа состава биологических жидкостей и тканей.
• Терапия: Инфракрасное излучение (особенно в дальнем диапазоне) применяется для прогревания тканей при лечении заболеваний опорно-двигательного аппарата, простудных заболеваний, а также в физиотерапии для улучшения кровообращения и снятия боли.

Военное дело

• Приборы ночного видения: Усилители слабого ИК-излучения (в ближнем диапазоне) позволяют вести наблюдение в условиях низкой освещённости. Активные системы используют ИК-подсветку.
• Тепловизионные прицелы: Позволяют обнаруживать цели (включая живую силу и технику) по их тепловому излучению в любое время суток и в условиях тумана или дыма.
• Системы наведения: Головки самонаведения ракет (например, ПЗРК «Игла», «Стингер») наводятся на тепловое излучение двигателей самолётов и вертолётов.
• Связь и лазерные системы: ИК-лазеры используются для целеуказания и в системах лазерного наведения.

Интересные факты

• Ультрафиолетовое излучение, в отличие от инфракрасного, было открыто на год раньше, в 1801 году, немецким физиком Иоганном Вильгельмом Риттером.
• Атмосфера Земли имеет несколько «окон прозрачности» в ИК-диапазоне (2,5—3 мкм, 3,5—4 мкм, 8—14 мкм), в которых излучение проходит почти без поглощения. Эти окна используются для астрономических наблюдений и спутниковой связи.
• Глаза некоторых животных (например, гремучих змей и вампировых летучих мышей) способны воспринимать инфракрасное излучение, что позволяет им охотиться в полной темноте.
• Инфракрасное излучение является основным механизмом передачи тепла от Солнца к Земле, а также играет ключевую роль в парниковом эффекте: углекислый газ и водяной пар поглощают ИК-излучение, нагревая атмосферу.

Источники

• Большая советская энциклопедия. Статья «Инфракрасное излучение».
• Физическая энциклопедия. Том 2. — М.: Советская энциклопедия, 1990.
• Ландсберг Г. С. Оптика. — М.: Наука, 1976.
• Криксунов Л. З. Справочник по основам инфракрасной техники. — М.: Советское радио, 1978.
• Волькенштейн М. В. Строение и физические свойства молекул. — М.: Изд-во АН СССР, 1955.