研究紅外輻射的產生、傳播、轉化和測量及其(qí)應用的技術科學(xué)。紅外輻射包括介於(yú)可見光與微(wēi)波之間的廣闊的電磁波段。紅外(wài)技術的內容包含四個主要(yào)部分:①紅外輻射(shè)的性質,其中有受(shòu)熱物體所發射的輻射在光(guāng)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(diàn)效(xiào)應等。②紅外元(yuán)件、部件的研製,包括輻射(shè)源、微型製冷器、窗口材料和濾光片等。③把紅外元件部件組織成係統的光學、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(tòu)鏡
紅外探測器(qì)的發展是紅外技術發展的先(xiān)導。1940年以前研製(zhì)成的紅外探測器,主要是熱敏型探測(cè)器。19世紀,由於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律(lǜ),驗(yàn)證了J.C.麥克斯韋的經典的電磁理論。從黑體輻(fú)射的研(yán)究導致普朗(lǎng)克的量子假設(shè),從而開創了20世紀的量子物理學。20世紀初開始(shǐ),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(jì)術在物質分(fèn)析中的價值(zhí)。30年代,首(shǒu)次出現紅外(wài)光譜儀,以後(hòu)發展成(chéng)在物質(zhì)分析方麵(miàn)不(bú)可缺少的儀器。 60年代(dài),激光的出現(xiàn)極大地影響了紅(hóng)外技(jì)術的發展。在這(zhè)以前,紅外技術僅探測非相幹紅外輻射。激光的出(chū)現,很多重要的激光都在紅外(wài)波段(duàn),其相幹性便於移用電子技術中的外差接收(shōu)技術(shù)。探測性能比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,而且可以得到更高(gāo)的分辨率(lǜ)和更大的信息(xī)容量。由於這類應用的需要(yào),出現了新的探(tàn)測器件和新的輻射傳輸方式。
應用紅外技術在軍(jun1)事上和國民經濟各部門都有廣泛(fàn)的應用。
軍用紅外技術(shù)可(kě)用於目標(biāo)探測、通信和夜視。
①軍(jun1)事目標的(de)探測與跟蹤(zōng):紅外探測技術有廣泛(fàn)的用途,其根(gēn)本原因之一就在於一切物體都在不斷(duàn)地產生(shēng)紅外輻(fú)射。物體溫(wēn)度越高,其紅外輻射的波長就越短。例如,室溫(≈300K)物體發出大量的8~13微米內的輻射,飛機發動(dòng)機在工作時發(fā)出大量的3~5微米(mǐ)的(de)輻射。利用紅外探測技術,就有可能(néng)發現這些物體。這一可能性首先受到軍事上(shàng)的重視(shì)。因(yīn)為一(yī)切軍事目標,如空中的飛機、導彈,海洋(yáng)中的軍艦,甚至部隊的行動,都散發熱量,發出大量的紅外輻射。利用紅外探測(cè)技術(shù)可以偵察、跟蹤和監視這(zhè)些目標,或者引導炸彈投向這(zhè)些目(mù)標。70年代(dài)以來,紅外預警衛星一直監視著彈道導彈的發射,紅外反導彈在大氣外層(céng)的搜索、跟蹤距離已接近(jìn)2000公裏,偵察衛星依靠紅外和多光譜儀器及時獲取(qǔ)大量的軍事情報。紅外製導導彈已成為用量最大的近程戰術導彈。紅外(wài)探測裝置能(néng)比微波(bō)雷(léi)達更為有效(xiào)地(dì)追(zhuī)蹤貼近海麵(miàn)飛行的低仰角導彈和飛機。
②紅外通信:在發射端,用紅外輻射(shè)的平行(háng)光(guāng)束作載波,其強度受發送信(xìn)息的調製。在接收端收到這束紅外輻射時,就能從強度的(de)變化獲得所需的(de)信息。激光(guāng)完全可以移用(yòng)於微波通信技術。與微波通信相比,紅外通信具有更好的方向性,適用於國防邊界哨(shào)所與哨所之間的保密通信(xìn)。
③軍(jun1)用夜視儀:在夜(yè)間軍事行動中用來“照明(míng)”或偵(zhēn)察敵方行(háng)動的儀器。夜視(shì)儀分為主動(dòng)式和被動式兩類。主動式夜視儀是利用光電子發射現象的變像管,工作波段不大於1.3微米,用近紅外輻射照射(shè)敵方目標,變像管將反射回來的紅(hóng)外像(xiàng)轉變(biàn)成可見像而顯示(shì)在屏幕(mù)上。這種夜視儀有著廣泛的用途,但其缺點是易為(wéi)對方發現。被動式夜視儀則是利用目標(biāo)本(běn)身發射(shè)的輻射,利用單元紅外探測器(qì)加光機(jī)掃描或多元列陣探測器攝取目標(biāo)的(de)熱圖像(xiàng),並轉變成可見圖像顯示出來。這種夜視(shì)儀,實質(zhì)上就是熱像儀。根據軍(jun1)事上的需要,紅外成像(xiàng)裝置有各種不同形式的發展,熱像儀就是這類裝置的總稱(chēng)。
民用紅外技術廣泛用於工業(yè)、醫學和科學研(yán)究等許多方麵。
①熱源探測:首(shǒu)先是對異常熱源的檢測,例如,火車車輛運行中(zhōng),輪軸摩擦過甚使溫度升高;森林在冬(dōng)、春季節局部腐植質發(fā)熱,可能(néng)導致自(zì)然火災;機房中變壓器、發電機、閘刀、鍋爐和輪機(jī)等運動發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,就能對事故的發生及時報警(jǐng)。為節約能源而對鍋爐和建築物(wù)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(xiǎo)的集成電路(lù)某一點有(yǒu)缺陷,通(tōng)電(diàn)工作時那一點的(de)溫度就過高;大型(xíng)機器部件內部有無法看到的缺陷,在均勻加熱的條件(jiàn)下,那一(yī)點溫度就異常。利用(yòng)紅外技術就能(néng)檢查出這些缺陷。這類(lèi)應(yīng)用也稱為無損探傷。
②醫用熱像儀:檢查人體的表皮溫度,如脈管炎、靜脈曲張,和一(yī)些(xiē)表(biǎo)淺部(bù)位的癌症,可得到早期診斷。這一應用類似於無損探傷。
③溫(wēn)度測量與過程(chéng)控製:在一般接觸式的測溫方法無法到達之處,隻有利用紅外技術,如煉鋼工業中的鋼水溫度,軋鋼時的鋼板溫度,機械製造業中的熱處(chù)理溫度,工(gōng)件切(qiē)割和焊接溫度,化工中的化學反應溫度,紡織工業中織物(wù)的熱定形(xíng)溫(wēn)度,食品工業、造紙和印染工業中各道工序中的工藝溫度,利用(yòng)紅外技術都可以(yǐ)有效地測量或監視,從而對這些過程進(jìn)行控製。
④紅外光譜分析:是以紅外輻射與物質相互作用的(de)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(de)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(wù)質結構的紅(hóng)外光譜學,就是以紅外技術作為(wéi)基本工具,其發展水平也在很(hěn)大程度上取決於紅外技術的發展水平。紅外光譜儀已經(jīng)是(shì)化學分析中(zhōng)不可缺少的手段。此外,如塑料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(dà)氣汙染的(de)檢測(cè)、人(rén)體呼吸道(dào)疾病的診斷等,都(dōu)可借助紅外技術解決。
⑤紅外加熱幹燥:利用熱源光譜和物質吸收光譜知識而發展(zhǎn)起來的紅外加熱幹燥技術(shù),已在工農業的很多方麵得到應用(yòng)。與傳統的加熱(rè)烘烤技術相比,可以節約大量的能源。
⑥紅外遙感:用紅外技術研究物質結構和識別物體,通常是(shì)指物質的(de)微觀結構。紅外技術的(de)作用是(shì)擴大人類對微觀世界(jiè)的觀察能力。紅外遙感技術,從某種意義上講,也是利用紅外(wài)技術對地(dì)球那樣大的宏觀物體進行物質結構研究和物體(tǐ)識別。紅外技術的作用(yòng)能擴(kuò)大人類在空間上(shàng)和時間上的觀察能力。把紅外儀器裝在飛機上或人造衛星上,能在(zài)較短的時間內,收集到地麵各種(zhǒng)目標如河流、山脈、土(tǔ)壤、冰川、沙漠、森林(lín)、農作物和雲霧等的狀況和變化。這種遙感技(jì)術已用在氣象衛星(xīng)中,對實現全球性(xìng)長、短期(qī)天氣預報起著重要作用;也用在地球資源衛星上,預報洪水災情、推測土壤含鹽和含水量、觀察作物生(shēng)長情況(kuàng)和預報病蟲害等;也能估計作物收成,協助地麵尋找富鐵、鎳、銅(tóng)和石油等重要礦床分布。
⑦紅外天文學:是利用紅外技(jì)術擴(kuò)大人類觀察能力的又一成就。60年(nián)代以前,對天體(tǐ)的認識,隻限於從天(tiān)體發射來的(de)可見光和射(shè)電無線電波。後來又增(zēng)加了紅外波段。寬波(bō)段紅外望遠鏡已經(jīng)為揭示宇宙奧秘作出了重要貢獻(xiàn),如發現了宇宙間充滿著(zhe)2.7K的輻射背景。又如美、英、荷三(sān)國聯(lián)合發射的紅外天文(wén)衛星,在10個月內對95%的宇宙空間進行觀察,發現了過(guò)去(qù)人類一無所知的紅外天體達20萬個。
展望自40年代開始(shǐ)發展以來,紅外技術已經(jīng)得到廣泛應用。但(dàn)所利用的波段僅僅是0.75~13微米所謂的近紅(hóng)外和中紅外波段。還有廣闊的(de)遠紅外(wài)線沒有得到應(yīng)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(yǒu)發展的餘地(dì)。遠紅外波段是科學(xué)家注意的重點。