Инфрачервено излъчване

Инфрачервеното излъчване или инфрачервената светлина е електромагнитно излъчване с дължина на вълната от 0,74 μm^[1] до 1 – 2 mm, тоест от края на червената област на видимия спектър до микровълновото излъчване. Това съответства на честотен обхват от 300 GHz до 430 THz.

Често инфрачервените лъчи носят наименованието топлинни лъчи, поради силно изразения топлинен ефект върху човешката кожа при доближаване до силно нагрети тела, които са основните източници на инфрачервено излъчване. При това дължината на вълната на излъчването от нагрятото тяло зависи обратно пропорционално от температурата му: колкото температурата е по-висока, толкова по-къса е дължината на вълната и по-висок интензитетът на излъчването. Спектърът на излъчване на абсолютно черно тяло при относително невисоки температури (до няколко хиляди келвина) се намира именно основно в този диапазон. Инфрачервеното излъчване се дължи на изпускането на фотони от възбудени атоми или йони при преминаването им на по-ниски енергийни нива.

Целият инфрачервен диапазон днес се разделя грубо на три области (има и други разделения, виж по-долу):

близка инфрачервена (NIR, от англ. near infrared): λ = 0,74 – 2,5 μm;
средна инфрачервена: λ = 2,5 – 50 μm;
далечна инфрачервена: λ = 50 – 2000 μm;

Напоследък далечният край се отделя в независим диапазон под името терахерцово (субмилиметрово) излъчване.

Откриване

През 1800 г. английският физик и астроном Уилям Хершел изследвал с чувствителен термометър топлинното действие на отделните части от спектъра на бялата светлина и установил, че термометърът показва най-висока температура в областта след червената светлина. Това показва, че в тази невидима за човешкото око област има лъчи. Те са наречени инфрачервени („подчервени“) лъчи.

Свойства

Инфрачервената светлина е невидима за невъоръженото човешко око. Инфрачервените лъчи са подчинени напълно на законите на оптиката и спадат към т.нар. оптичен спектър. Те се отразяват и пречупват подобно на видимата светлина, но показват някои особености, свързани с по-голямата дължина на вълната. Отразяват се много добре от среброто, медта, златото и алуминия, средно от желязото и много слабо от водата и въглеводородите. Фотоните на инфрачервените лъчи са с по-ниска енергия от тези на видимата светлина. Лъчите на видимия спектър и инфрачервените лъчи от слънчев произход не предизвикват вредни ефекти върху живите организми. Инфрачервените лъчи в голямо количество предизвикват сериозни увреждания.

Източници на инфрачервени лъчи

Всички тела, чиято температура е по-висока от абсолютната нула, излъчват електромагнитни вълни, в това число и инфрачервени лъчи. От природните източници в близост до нас най-мощно е Слънцето. Около половината от слънчевата енергия се излъчва в инфрачервената област на спектъра, 40% във видимата област (от 0,4 до 0,7 μm) и 10% в UV и рентгеновата област на спектъра.

От изкуствените източници на инфрачервени лъчи се използват предимно температурните излъчватели на лъчиста енергия – електричните лампи с нажежаема волфрамова жичка, обикновената електрическа дъга и електрическата дъга с висок интензитет.

Електрическите лампи с нажежаема жичка се използват широко като светлинни източници и могат да служат като източници на лъчение за най-близката инфрачервена област на спектъра. За източник на лъчиста енергия в тях се използва волфрамов проводник, нажежен до температура 2400 – 3000 K и поставен в стъклен балон, от който въздухът е изтеглен. Основен недостатък на лампите с нажежаема жичка като източници на инфрачервено лъчение е, че стъкленият балон на лампата не пропуска дълговълновото инфрачервено лъчение.

Области според приложението

Според международния стандарт ISO 20473 инфрачервената област се разделя на следните подобласти според различни критерии:

ISO 20473^[2]

Означение	Съкращение	Дължина на вълната
Близка инфрачервена	NIR	0,78 – 3 µm
Средна инфрачервена	MIR	3 – 50 µm
Далечна инфрачервена	FIR	50 – 1000 µm

За целите на астрономията

Астрономите обикновено делят инфрачервения спектър така:^[3]

Означение	Съкращение	Дължина на вълната
Близка инфрачервена	NIR	(0,7 – 1) до 5 µm
Средна инфрачервена	MIR	5 до (25 – 40) µm
Далечна инфрачервена	FIR	(25 – 40) до (200 – 350) µm

Тези разделения не са строги и могат да варират в зависимост от публикациите. Трите области се използват за наблюдения на различни обекти в космоса.

Според чувствителността на сензора

Трета схема разделя спектъра според чувствителността на различните детектори:^[4]

Близка инфрачервена: от 0,7 до 1 µm (от приблизителния край на чувствителност на човешкото око до чувствителността на силициев детектор).
Късовълнова инфрачервена (SWIR): 1 до 3 µm (от края на чувствителността на силициев детектор до средновълновия атмосферен прозорец на пропускане. InGaAs-детектор е чувствителен до около 1,8 µm; други детектори са съдържащите олово.
Средновълнова инфрачервена: 3 до 5 µm (определена от атмосферния прозорец и зона на чувствителност на InSb- и HgCdTe-, както и частично от PbSe-детектори).
Дълговълнова инфрачервена: 8 до 12, или 7 до 14 µm: атмосферен прозорец, покриван от HgCdTe и микроболометрите.
Много дълговълнова инфрачервена (VLWIR): 12 до 30 µm, като детектор се използва легиран силиций.

Названията на тези разделения произтичат от положението им спрямо видимия спектър: близката инфрачервена се намира най-близо до границата на възприемане на човешкото око. Най-новите тенденции са да се отчитат повече технически фактори (обикновените силициеви детектори са чувствителни до около 1050 nm, докато InGaAs е чувствителен от 950 nm до около 1700 до 2600 nm, в зависимост от конфигурацията).

Приложения

Димът е по-прозрачен за инфрачервените лъчи, отколкото за видимата светлина. Затова пожарникарите използват уреди за получаване на образи чрез инфрачервена светлина, когато работят в много задимени места.

Инфрачервените лъчи се използват и за пренасяне на данни между близки компютърни устройства и преносими апарати като мобилни телефони, органайзери и др. Подобни устройства, както и дистанционните управления на телевизори, музикални уредби, климатици използват диоди, излъчващи инфрачервена светлина, която се превръща в насочен лъч от специална леща. Този лъч се включва и изключва, за да закодира информацията. Приемникът използва силициев фотодиод, който превръща инфрачервените вълни в електрически сигнали. Неговата чувствителност е подбрана така, че да реагира само на сигнала, създаден от предавателя, и не реагира на фоновото инфрачервено излъчване от околната среда.

В инфрачервената фотография се използват инфрачервени филтри, за да се улови само инфрачервеният спектър. За тази цел се използват филтри, пропускащи инфрачервената светлина и спиращи видимата и ултравиолетовата светлина. Такива филтри изглеждат черни, но са прозрачни, ако се наблюдават с чувствително за инфрачервените лъчи устройство.

Подобен резултат се получава също, ако се свалят фабрично поставените инфрачервени блокатори. Много цифрови фотоапарати използват такива блокатори, за да се избегне влиянието на силни топлинни източници върху качеството на снимката. Блокаторът е устройство, обратно на филтъра. Вместо да спира всичко и да пропуска само избраното нещо, блокаторът спира единствено определеното. Така инфрачервеният блокатор пропуска всякаква светлина освен тази в инфрачервения спектър.

Инфрачервена чувствителност на инструментите на космическия телескоп „Джеймс Уеб“^[5]

В астрономията, поради наличието на прахови облаци и мъглявини, прякото оптично наблюдение на някои звезди, галактики и други космически обекти не е възможно, докато инфрачервената светлина е с по-голяма дължина на вълната и преминава по-лесно през тези прегради. Фотоните на инфрачервените лъчи са с по-ниска енергия от тези на видимата светлина. Космическите обекти, които не са достатъчно горещи, за да светят, излъчват в инфрачервения диапазон на вълните и могат да се наблюдават само с инструменти, улавящи инфрачервеното излъчване.

Инфрачервените лъчи от слънчев произход не предизвикват вредни ефекти върху живите организми.

Източници

↑ Дължина на електромагнитната вълна във вакуум.
↑ ISO 20473:2007
↑ IPAC Staff. Near, Mid and Far-Infrared // NASA ipac. Архивиран от оригинала на 2012-05-29. Посетен на 4 април 2007.
↑ Miller, Principles of Infrared Technology (Van Nostrand Reinhold, 1992), and Miller and Friedman, Photonic Rules of Thumb, 2004. ISBN 978-0-442-01210-6
↑ Fine Guidance Sensor / Near InfraRed Imager and Slitless Spectrograph (FGS/NIRISS) // webb.nasa.gov. Посетен на 2022-07-12. (на английски)

Вижте също

[1] Дължина на електромагнитната вълна във вакуум.

[2] ISO 20473:2007

[3] IPAC Staff. Near, Mid and Far-Infrared // NASA ipac. Архивиран от оригинала на 2012-05-29. Посетен на 4 април 2007.

[Miller-4] Miller, Principles of Infrared Technology (Van Nostrand Reinhold, 1992), and Miller and Friedman, Photonic Rules of Thumb, 2004. ISBN 978-0-442-01210-6

[EB-5] Fine Guidance Sensor / Near InfraRed Imager and Slitless Spectrograph (FGS/NIRISS) // webb.nasa.gov. Посетен на 2022-07-12. (на английски)

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]