Инфракрасное излучение. Справочник

ИК, инфракрасные лучи, излучение, электромагнитное излучение, которое занимает спектр между красным концом видимого света (длина волны l = 0,74 мкм) и коротковолновым радиоизлучением (длина волны l =1-2мкм). Область спектра инфракрасного излучения можно условно разделить на три группы:

• далекую(50 – 2000мкм)
• среднюю(2,5-50мкм)
• ближнюю(0,74-2,5мкм)

Согласно системе разделения ИК-излучения, исходя из нормативов.

Международной комиссии по освещению, лучи делятся на три группы:

• Ближние ИК: 700 нм, 1400 нм (0,7 мкм — 1,4 мкм, 215 ТГц — 430 ТГц)
• Средние ИК: IR-B: 1400 нм, 3000 нм (1,4 мкм — 3 мкм, 100 ТГц — 215 ТГц)
• Дальние ИК: IR-C: 3000 нм-1 мм (3 мкм — 1000 мкм, 300 ГГц — 100 ТГц)

Инфракрасные лучи были открыты в далеком 1800 году известнейшим ученым из Англии – В.Гершелем. Исследователь обнаружил, что температура термометра в невидимой части призмы солнечного спектра повышается.

Физика инфракрасного излучения

В девятнадцатом веке появилось открытие о том, что инфракрасные лучи подчиняются законам оптики, а значит, имеют одну и ту же природу с видимым светом. Советский физик А.А. Глаголева-Аркадьева в 1923 году получила радиоволны, которые соответствовали инфракрасному диапазону, то есть — l ~ 80 мкм. Это явилось доказательством непрерывного перехода от видимого излучения к ИК-излучению и радиоволнам: все эти явления имеют электромагнитное происхождение.

В зависимости от природы источника спектр ИК-излучения может быть непрерывным или состоять из отдельных полос. Возбужденные ионы и атомы испускают инфракрасные спектры линейчатого вида. К примеру, пары ртути при электроразряде испускают ряд узколинейных волн 1,014—2,326 мкм, а атомы водорода – линии 0,95—7,40 мкм. Полосатые ИК-спектры появляются в результате колебаний и вращений возбужденных молекул. В средней области ИК-излучения расположены колебательно-вращательные спектры, а в далекой – преимущественно вращательные.

Спектр излучения пламени газа образует полосу 2,7 мкм за счет молекул воды и 4,2 мкм за счет молекул углекислого газа. Твердые и жидкие нагретые тела излучают непрерывный ИК-спектр. Широкое тело имеет довольно широкий спектр излучения инфракрасных волн. Низкий температурный режим менее 800К излучения твердого нагретого тела расположено в ИК-области, поэтому тело кажется темным. Чем больше повышается температура излучения, тем больше становится тепловая энергия: тело становится темно-красного цвета, затем желтого, наконец, белого.

Оптические свойства инфракрасного излучения. Видимого и невидимого

Что касается оптических свойств веществ – коэффициентов отражения, преломления, прозрачности – в ИК-области спектра, то они имеют отличия от оптических особенностей ультрафиолетовой и видимой областей. Вещество, которое в видимой области кажется прозрачным, становится непрозрачным в инфракрасном излучении или наоборот.

К примеру, слой воды толщиной 1-2 см непрозрачен в некоторых областях инфракрасного спектра l > 1 мкм, поэтому воду используют в качестве теплозащитного фильтра. Пластинки кремния и германия в видимой области непрозрачны, а в ИК-спектре становятся прозрачными l > 1,8 мкм для германия, > 1,0 мкм для кремния. В далекой ИК-области черная бумага прозрачна. Прозрачные для инфракрасного спектра лучей вещества, которые одновременно непрозрачны в видимой области – прекрасные светофильтры для выделения инфракрасного излучения. Используя оптические свойства веществ, изготавливают детали для инфракрасных устройств – призмы, окна, линзы.

Стекло является прозрачным до 2,7 мкм, кварц – для ИК-излучения до 4,0 мкм, а йодистый цезий – до 55 мкм. Такие материалы как парафин, тефлон, алмаз, полиэтилен являются прозрачными для длины ИК-волн l > 100 мкм. Отражательная способность металлов для ИК-спектра больше, чем для видимого света. С увеличением длины волн металлооптика возрастает. Допустим, коэффициент отражения Al, Au, Ag, Cu при l = 10 мкм достигает 98%.

Земная атмосфера и ИК-излучение

Проходя через земную атмосферу, интенсивность инфракрасного излучения ослабевает. В результате рассеяния и поглощения сила волн уменьшается. Углекислый газ, озон и другие атмосферные примеси селективно поглощают ИК-волны. Наиболее интенсивное поглощение на инфракрасное излучение оказывают пары воды. В приземных атмосферных слоях имеются «окна», прозрачные для инфракрасных лучей.

Поскольку в атмосфере содержится большое количество взвешенных частиц – водных капель, пыли, дыма, то ИК-излучение ослабевает дополнительно. Величина рассеивания зависит от соотношения длины волн и размеров частиц. Например, малые размеры частиц, как при воздушной дымке, рассеивают ИК-лучи незначительно, а вот большие размеры капель, как при густом тумане, рассеивают инфракрасное излучение почти так же сильно, как и видимый свет.

Наиболее мощным источником инфракрасных лучей является солнце. Половина лучей светила находятся в ИК-области. Более 70% энергии излучения ламп накаливания с нитью из вольфрама приходится на ИК-излучение.

Чтобы сделать фото в темноте в приборах ночного наблюдения, лампы для подсветки снабжают ИК-светофильтром, пропускающим только инфракрасные лучи. Еще один источник ИК-лучей –угольная электродуга с температурой 3900 К. Излучение дуги приближается к излучению черного тела. К источникам ИК-излучения можно отнести газоразрядные лампы непрерывного горения и импульсные. Радиационный обогрев помещений основан на спиралях из нихромовой проволоки с температурой нагрева 950К. Рефлекторы позволяют достичь лучшей концентрации ИК-излучения.

Получение спектров ИК-поглощения осуществляется с помощью ленточных вольфрамовых ламп, штифта Нернста, глобара, ртутных ламп высокого давления и других источников. Оптические квантовые генераторы также излучают волны в инфракрасном спектре. К примеру, лазер на неодимовом стекле имеет длину волны ,06 мкм, а на углекислом газе — 10,6 мкм.

Приемники ИК-лучей являются преобразователями инфракрасной энергии в другие виды энергии. Существуют фотоэлектрические и тепловые приемники ИК-излучения. Фотоэлектрические приемники преобразуют ИК-лучи в напряжение или электрический ток. Это селективные приемники, имеющие чувствительность только к определенной области ИК-спектра. Тепловые приемники превращают ИК-излучение в тепло. Повышение температуры фиксируется термочувствительным элементом.

Применение инфракрасного излучения

Научные исследования, решение практических задач, военное дело – эти и другие отрасли человеческой деятельности сумели применить ИК-излучение. Благодаря исследованию спектров ИК-излучения, удалось изучить структуру атомов, молекул, осуществить качественный анализ смесей веществ, имеющих сложный молекулярный состав. К примеру, с помощью ИК-спектроскопии можно изучить состав моторного топлива.

Фотография, полученная в ИК-спектре, имеет преимущества по сравнению с обычным снимком из-за коэффициентов отражения, рассеивания и пропускания. Инфракрасные снимки позволяют увидеть детализацию, недоступную на обычных фото.

Промышленные отрасли использую ИК-излучение для нагрева металлов и сушки при облучении. Кстати, ИК-спектр позволяет выявлять скрытые дефект изделий, что часто используют при диагностировании авто.

Фотокады, чувствительные к инфракрасному излучению, стали основой электронно-оптических преобразователей. Устройства могут невидимое глазу ИК-изображение объекта с помощью фотокада преобразовать в видимое. Этот принцип лежит в основе таких приборов как бинокли, прицелы, объекты ночного видения. На базе высокочувствительных приемников ИК-излучения построены теплопеленгаторы обнаружения объектов с температурой, превышающей окружающий фон: двигатель самолета, трубы танков, кораблей. Локаторы и дальномеры, работающие на основе ИК-излучения, обнаруживают в темноте объект и расстояние до него. Квантовые генераторы с ИК-излучением используют в отраслях космической и наземной связи.