研究紅外輻射(shè)的產生、傳(chuán)播、轉化和測量及其應用的技術科學。紅外輻射包括介於可見光與微波之間的廣闊的電磁波段。紅外(wài)技術的內(nèi)容包含(hán)四個主要部分:①紅外輻射的性質,其中(zhōng)有受熱物體所發(fā)射(shè)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(shé)射、衍射和散(sàn)射;熱電效應和光(guāng)電(diàn)效應等。②紅外元件、部(bù)件的研製,包括輻射源、微型製冷器、窗口材料和(hé)濾光片等。③把紅外元件部件組織成(chéng)係統的光學、電子(zǐ)學和精密機(jī)械(xiè)。④在軍事上(shàng)和國民經濟中的應用。紅外透鏡
紅外探測器的發展是紅外技術(shù)發展的先導。1940年以前研(yán)製成的(de)紅外探測器,主(zhǔ)要是熱敏型探測器。19世紀,由於熱敏型紅外探測器的(de)應用,科學家們認識了紅外(wài)輻射的特性及其規律,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(kāi)創了20世紀的量(liàng)子物理學。20世(shì)紀初開始,測量了大量的有機和無機物質的吸收、發射和反射光譜,證明紅外技術在(zài)物(wù)質分析中的價(jià)值。30年代,首次出現紅外光譜儀,以後發(fā)展成在物質分析方麵不可缺少的儀器。 60年代,激光的出現極大地影響了(le)紅外技術的發展。在這以前,紅外技術僅探測(cè)非相(xiàng)幹(gàn)紅外輻射。激光的出(chū)現,很多重要的激光都在紅外波段,其相幹性便於移用(yòng)電子技術中的外差接(jiē)收技術。探測性能比(bǐ)功率探測高好幾個數量級。雷達和通信等,都有可能在紅外波段實現(xiàn),而且可以(yǐ)得到更高的分辨率和更大的信息容量(liàng)。由於(yú)這類應用的需要,出(chū)現了新的探測器件和新的輻射(shè)傳輸方式。
應用紅外技術在軍事上和(hé)國民經濟各部門都有廣泛的應用。
軍用紅外技術可用(yòng)於目標探測、通(tōng)信和夜視。
①軍事目(mù)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於一切(qiē)物體都在不(bú)斷(duàn)地(dì)產生紅外輻射。物體溫度越高,其紅外輻射(shè)的波長就越短(duǎn)。例(lì)如,室溫(≈300K)物體(tǐ)發出大量的8~13微米內的輻射,飛機發動機在工(gōng)作時發出大量的3~5微米的輻射。利(lì)用紅外探測技術,就有可能發現這些物(wù)體。這一可能性首先受到軍事(shì)上的重視。因為一切軍事目(mù)標,如空中的飛機、導彈,海洋中的軍艦,甚至部隊的行(háng)動,都散發熱量,發出大量的紅外輻射。利用紅外探測技術可以偵察、跟蹤和監視這些目標,或者引導炸彈投向這(zhè)些目標。70年代以來,紅外預(yù)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(de)搜索、跟蹤距離已接近(jìn)2000公裏,偵察衛星(xīng)依靠紅(hóng)外(wài)和多光譜儀器(qì)及(jí)時獲取大量的軍事情報。紅外製導導彈已成為用量(liàng)最大的近(jìn)程戰術導彈(dàn)。紅外(wài)探(tàn)測裝置能比(bǐ)微(wēi)波雷達更為有效地(dì)追蹤貼近海麵飛行的低仰(yǎng)角導彈和飛機。
②紅外通信:在發射端,用(yòng)紅外輻射的(de)平行光束作載波,其強度受發送信息的調製。在接收端收到這束紅外輻射時,就能從強(qiáng)度的變化獲得所需的信息。激光完全可以(yǐ)移用(yòng)於微波通信(xìn)技術。與微波通信相比,紅(hóng)外通信具有更好的方向性,適用於國(guó)防邊界哨所與哨所之(zhī)間的保密通信(xìn)。
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(yè)視儀是(shì)利用光電子發射現象的變像(xiàng)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變成(chéng)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現。被動式夜視儀則是利用目標本身(shēn)發(fā)射(shè)的輻射,利用單元紅外探測器加光機掃描或(huò)多元列陣探測器攝取目(mù)標的熱圖像,並轉變成可見(jiàn)圖像顯示出來(lái)。這(zhè)種夜視儀,實質上就是熱像儀。根據軍事(shì)上(shàng)的需要,紅外成像裝置有各種不同形式的發展,熱像儀就是這類裝置的總(zǒng)稱。
民用紅(hóng)外技術廣泛用於工業、醫學(xué)和科學研究等許多方麵。
①熱源探測:首先是對(duì)異(yì)常熱(rè)源的檢測,例如(rú),火車車輛運行中(zhōng),輪軸摩擦過甚使溫度升高;森林在冬、春季節局部腐植質發熱,可(kě)能導致自然火災;機房中(zhōng)變壓器、發電機、閘刀、鍋爐(lú)和輪機(jī)等運動發生故(gù)障時(shí)局部溫度異常升高。用紅外技術探測這些異(yì)常的熱源,就能對事故的發(fā)生及時報警。為節約能源而對鍋爐和建築(zhù)物(wù)的漏熱檢測,防(fáng)賊防(fáng)盜的入(rù)侵警報器(qì),也屬這類應用(yòng)。又如,一(yī)塊很小的集(jí)成電路某一點有缺陷,通電工作時那一(yī)點的溫度就過高;大型機器部件內部有(yǒu)無法看到的缺陷,在均勻加熱的條件下,那一點(diǎn)溫度(dù)就異常。利用紅外(wài)技術就能檢查出這些缺(quē)陷。這類(lèi)應用也稱為無損探傷。
②醫用熱像(xiàng)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症,可得到早期診斷。這一應用類似於無損探傷。
③溫度(dù)測量與過程控(kòng)製:在一般接觸(chù)式的(de)測溫(wēn)方法無法到達之處,隻有利(lì)用紅外技術,如煉鋼工業中的鋼水溫度,軋鋼時的鋼板溫度(dù),機械製造業中的熱處理(lǐ)溫度,工(gōng)件切割和焊接溫度,化工中的化學(xué)反應溫(wēn)度,紡織(zhī)工業中織物的熱定形溫度,食品工業、造紙和印染工業中各(gè)道工(gōng)序中的(de)工藝溫度,利用紅外技術都(dōu)可以有(yǒu)效地測量(liàng)或監視,從而對這些過程進行控製。
④紅外光(guāng)譜分析:是以紅外輻射與物質相互作(zuò)用的原理為(wéi)基礎的。用紅外(wài)輻(fú)射照(zhào)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(zhe)有關物質內部結構的信息。專(zhuān)門研究物質結構的紅外光譜學,就是(shì)以(yǐ)紅外技術作(zuò)為基本工具,其發展水平也(yě)在(zài)很大程度上取決於紅外技術的發展水(shuǐ)平。紅外光譜儀已經是化學分析中(zhōng)不可缺少的手段。此外,如塑(sù)料(liào)製造工業中的產品檢驗、木材加工和造紙業中的濕度檢測、煤礦中易燃易爆氣體的指示和警報、大氣汙染的檢測、人體呼吸道疾病的診(zhěn)斷等,都可借助紅外技術(shù)解決。
⑤紅外加熱幹燥:利用熱源光譜和物質吸收(shōu)光譜知識而發展起來的紅外加熱幹燥(zào)技(jì)術,已在工農業的很多方麵得到應(yīng)用。與傳統的加熱烘烤技術相比,可以節約大量的能源。
⑥紅外遙感:用紅外技術(shù)研究物質結構和識別物體,通常是指(zhǐ)物質的微觀結構。紅外技術的作用是擴大人(rén)類對(duì)微觀(guān)世界的觀察能力。紅外(wài)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(háng)物質結構研究和物體識別。紅外(wài)技術的作用能擴大(dà)人類在空間上和(hé)時間上的觀察能力。把紅外(wài)儀器(qì)裝在飛(fēi)機上或人造衛星上,能在較短的時(shí)間內,收集到地麵各種目標如河流、山脈、土壤、冰川、沙漠、森林、農作物和雲霧等的狀況和變化。這種遙感技術(shù)已用在氣象衛星中,對實現全球性長、短期天氣預報(bào)起著重要(yào)作用;也(yě)用(yòng)在地球資源衛星上,預報洪水災情、推測土(tǔ)壤含鹽和含水量、觀察作物生長情況和預報病蟲(chóng)害(hài)等;也能估計(jì)作物收成,協(xié)助地麵尋找富鐵、鎳、銅和石油等重(chóng)要礦床分布(bù)。
⑦紅外天文學:是利用紅(hóng)外技術擴大人類觀察能力的又一(yī)成就。60年代以前,對天體的認識,隻限於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。寬波段紅外望(wàng)遠鏡已經(jīng)為揭示(shì)宇宙奧秘作出了(le)重要貢獻,如發(fā)現了宇宙間充滿著2.7K的輻射背(bèi)景。又如美(měi)、英、荷三(sān)國聯(lián)合發射的紅外天文衛星,在10個(gè)月內對95%的宇宙空(kōng)間進行觀察,發現了(le)過(guò)去人類一無所知的紅外天體達20萬個。
展望自40年代開始發展以來,紅外技術已經得到廣(guǎng)泛應用。但所利用的波段僅僅是0.75~13微米所謂的近(jìn)紅(hóng)外和中紅外波段。還有廣闊的(de)遠(yuǎn)紅外線沒有得(dé)到應用。即使是近中紅外線,也遠沒有充分發揮作用,探測技術本身還大有發展的餘地。遠紅外波段是科學家注意的重點。