“看得見”的紅外線

梁巖　常發(fā)冉　牛智川　施毅

在講解紅外線之前，我們先來認識一下電磁波。它包括無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和伽馬射線。它們的波長依次逐漸減小，頻率逐漸增大，在真空中都以光速（3×108米/秒）傳播。

本文的“主角”——紅外線，在電磁波譜中位于可見光和微波之間，波長在700納米～1毫米之間，包括近紅外、中紅外和遠紅外。近紅外是指紅外光譜中靠近可見光的部分，遠紅外是指紅外光譜中靠近微波的部分，中紅外則介于兩者之間。

需要注意的是，紅外線是“無形”的，即我們?nèi)庋劭床坏降?，它位于人類肉眼看到的紅光之外，頻率低于紅光。同理紫外線也是如此，它位于人類肉眼所看到的紫光之外，頻率高于紫光。

無論有無生命，物體都向外輻射紅外線，溫度越高，輻射紅外線的本領(lǐng)越強。

紅外線是我們?nèi)庋蹮o法觀測的，想要“看見”紅外線就需要用到特殊的設(shè)備，也就是紅外探測器。紅外探測器是對紅外輻射做出反應(yīng)的探測器，根據(jù)原理的不同主要分為熱探測器和光子探測器。

入射的紅外線產(chǎn)生的熱效應(yīng)一般會產(chǎn)生溫度的變化，熱探測器是通過對這種變化進行追蹤測量，將溫度信號轉(zhuǎn)化為電信號進行探測的。而光電探測器一般指的是光子探測器，是利用光電效應(yīng)（在高于某特定頻率的電磁波照射下，某些物質(zhì)內(nèi)部的電子吸收能量后逸出而形成電流，即光生電）將光信號轉(zhuǎn)化為電信號進行探測，這種探測器的響應(yīng)速度和靈敏度更高。

電磁波譜圖

人們利用紅外線制造出了多種多樣的紅外探測器，能夠幫助我們更好地認識世界。如今，紅外探測器已在夜視、熱成像、高光譜成像、氣象、天文學(xué)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，在我們的生產(chǎn)、生活中“大顯神通”。

黑夜里的“眼睛”

夜晚，人們在微光下很難分辨周圍的環(huán)境和物體，而紅外夜視儀可以幫助我們在這種弱光的情況下看清周圍的環(huán)境。

在沒有足夠的可見光時，夜視儀可以將微弱光環(huán)境下的光子轉(zhuǎn)化為電子，通過信號放大和轉(zhuǎn)換，形成可見光信號。其中的主動型夜視儀，因為它自身具有紅外光源，可以用于增加夜視設(shè)備轉(zhuǎn)換的可用環(huán)境光，增加黑暗環(huán)境下的能見度，最終通過紅外探測器進行探測。

家用主動型紅外夜視儀

熱紅外光譜中人體溫度的圖解

用溫度捕捉圖像

日常生活中，我們經(jīng)常需要測量體溫，傳統(tǒng)的水銀體溫計費時且不安全，現(xiàn)在可以用紅外熱成像技術(shù)快速測體溫。

紅外熱成像技術(shù)是通過熱像儀捕捉物體在某一過程中發(fā)出的紅外輻射來成像的。根據(jù)黑體輻射定律，紅外輻射由溫度高于絕對零度（0開爾文=零下273.15攝氏度）的所有物體發(fā)出，所以無論有無照明光源，熱成像系統(tǒng)都可以看到周圍的環(huán)境。而且物體發(fā)出的輻射量隨著溫度的升高而增加，因此人們可以通過熱像儀觀察到物體溫度的變化。

洞察萬物的紅外線“偵探”

紅外探測器還可以用于高光譜成像技術(shù)，通過收集和處理整個電磁波譜的信息來獲取場景圖像中每個像素的光譜，從而達到尋找物體、識別材料并進行檢測的目的。

人眼看到的可見光可以分為長波段的紅色、中波段的綠色和短波段的藍色，而高光譜成像則將光譜劃分為更多更細的波段。在高光譜成像中，探測器捕捉的光譜具有精細的波長分辨率，能夠覆蓋廣泛而連續(xù)的波長范圍。簡單來說，高光譜探測器可以利用一組“圖像”來收集特定區(qū)域的電磁波譜的信息，每個“圖像”都代表一段狹窄的光譜波長范圍，將這些“圖像”組合成一個三維的高光譜數(shù)據(jù)立方，對這些數(shù)據(jù)進行處理，最終形成高光譜圖像。

工程師們在天文學(xué)、農(nóng)業(yè)、分子生物學(xué)、地球科學(xué)等領(lǐng)域都建立了高光譜傳感器系統(tǒng)?，F(xiàn)今已經(jīng)發(fā)展到生態(tài)學(xué)和監(jiān)控等領(lǐng)域，例如近紅外高光譜成像可用于快速監(jiān)測殺蟲劑在單個種子上的劑量，以便對殺蟲劑噴灑最佳劑量和覆蓋的均勻度進行控制。

高光譜成像原理示意圖（繪圖/魏欣）

監(jiān)測氣象變化

裝備著紅外相機的氣象衛(wèi)星可以通過掃描產(chǎn)生紅外圖像，圖像中不同位置的云或者陸地會呈現(xiàn)出不同的顏色，工程師通過對圖像進行分析可以確定云的高度和類型、計算陸地和表面水的溫度，并確定海洋表面特征的位置，從而監(jiān)測氣象變化。

同時，這些紅外衛(wèi)星圖片也可以描繪出海洋漩渦或渦流，例如繪制海流圖，這對航運業(yè)很有價值。農(nóng)民和漁民可以通過紅外衛(wèi)星圖像了解陸地和海水的溫度變化，以保護農(nóng)作物使其免受霜凍影響，或者增加海上的魚類捕獲量，甚至厄爾尼諾現(xiàn)象（發(fā)生在熱帶太平洋海溫異常增暖的一種氣候現(xiàn)象）也可以被發(fā)現(xiàn)。

超級臺風(fēng)曼克胡特紅外圖像

飛馬座螺旋星系圖

探索無垠宇宙

在天文學(xué)上，紅外探測器可以對天體的紅外輻射進行觀測和分析。由于每個有溫度的物體都會進行紅外輻射，因此紅外天文學(xué)的研究幾乎包括宇宙中的所有事物。

宇宙以電磁輻射（或光）的形式向我們發(fā)送大量的信息，這些信息大部分位于紅外波段，我們用眼睛或可見光望遠鏡是觀測不到的。此外，這些紅外信息大部分被大氣層隔絕，只有少量到達地球表面，然而通過研究這一小段紅外波長，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了大量的新信息。20世紀(jì)80年代，隨著科技的發(fā)展，人類將紅外望遠鏡送入大氣之外的衛(wèi)星軌道，有了更為驚人的發(fā)現(xiàn)。

2022年12月，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡發(fā)布了一張距離地球2.2億光年的飛馬座螺旋星系NGC7469圖像。通過韋伯太空望遠鏡的紅外線觀測，可觀察到其明亮中心附近密集的恒星形成環(huán)等特征。

你還知道哪些紅外線的實際應(yīng)用？歡迎掃碼給我們留言。

（責(zé)任編輯/張麗靜 美術(shù)編輯/周游）