红外辐射

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May 23, 2022

红外辐射 - 电磁辐射占据可见光的红端(波长为 λ 0.74 µm,频率为 430 THz)和微波无线电发射(λ ~ 1-2 mm,频率为 300 GHz)之间的光谱区域。红外线辐射占白炽灯辐射的大部分,约占太阳辐射的50%;一些激光器发出红外辐射。为了登记它,他们使用热探测器和光电探测器,以及特殊的摄影材料。由于红外范围很大,物质在红外辐射中的光学性质会发生显着变化,包括与可见辐射中的性质不同。红外线辐射也称为“热辐射”因为来自加热物体的红外线辐射被人体皮肤感知为温暖的感觉。在这种情况下,身体发出的波长取决于加热温度:温度越高,波长越短,辐射强度越高。绝对黑体在相对较低(高达几千开尔文)温度下的发射光谱主要在此范围内。

发现历史和一般特征

红外辐射是由英国天文学家 W. Herschel 于 1800 年发现的。在探索太阳时,他正在寻找一种方法来减少进行观测的仪器的发热。在温度计的帮助下确定可见光谱不同部分的影响,赫歇尔发现“最大热量”位于饱和红色的后面,并且可能“在可见折射的后面”。这项研究标志着红外辐射研究的开始。以前,实验室的红外辐射源完全是白炽体或气体放电。如今,在固态和分子气体激光器的基础上,已经创造了具有可调或固定频率的现代红外辐射源。记录近红外区域的辐射(高达 ~ 1,3 μm),使用特殊的照相底片。光电探测器和光敏电阻的灵敏度范围更广(可达约 25 微米)。远红外区域的辐射由辐射热计(对红外辐射加热敏感的探测器)记录。红外设备广泛用于军事技术(例如导弹制导)和民用技术(例如光纤通信系统)。作为红外光谱仪中的光学元件,使用透镜和棱镜或衍射光栅和反射镜。为了消除空气中辐射的吸收,远红外光谱仪采用真空版本制造。由于红外光谱与分子中的旋转和振动运动以及原子和分子中的电子跃迁有关,红外光谱提供有关原子和分子结构以及晶体能带结构的重要信息。

红外线范围

物体通常会在整个波长光谱范围内发射红外辐射,但有时只对有限的光谱区域感兴趣,因为传感器通常只收集特定带宽内的辐射。因此,红外范围通常被细分为更小的范围。

常规划分方案

大多数情况下,划分为更小的范围如下:

CIE方案

国际照明委员会建议将红外辐射分为以下三类: IR-A:700 nm - 1400 nm (0.7 μm - 1.4 μm) IR-B:1400 nm - 3000 nm (1.4 μm - 3 μm) IR -C:3000 纳米 - 1 毫米(3 微米 - 1000 微米)

ISO 20473 图表

国际标准化组织提出以下方案:

天文图

天文学家通常将红外光谱划分如下:

热辐射

热辐射或辐射是由于物体的内能而以物体发出的电磁波的形式将能量从一个物体转移到另一个物体的过程。热辐射主要发生在从 0.74 微米到 1000 微米的光谱红外区域。辐射传热的一个显着特点是它不仅可以在位于任何介质中的物体之间进行,而且可以在真空中进行。热辐射的一个例子是来自白炽灯的光。满足绝对黑体标准的物体的热辐射功率由 Stefan-Boltzmann 定律描述。物体的发射率和吸收率之比由基尔霍夫辐射定律描述。热辐射是热能传递的三种基本类型之一(除了热传导和对流)。平衡辐射 - 与物质处于热力学平衡状态的热辐射。

红外视觉

人类和其他灵长类动物的感知器官不适应红外线辐射(换句话说,人眼看不到它),但是,一些生物物种能够通过视觉器官感知红外线辐射。例如,一些蛇的视觉允许它们在红外范围内看到并在夜间捕食温血猎物(当它的轮廓与冷却地形的背景形成最明显的对比时)。此外,普通蟒蛇在具有正常视力的同时具有这种能力,因此它们能够同时在两个范围内看到周围环境:正常可见光(像大多数动物一样)和红外线。在鱼类中,在红外线范围内在水下看到的能力以食人鱼等鱼类为特色,它们捕食进入水中的温血动物,和一条金鱼。在昆虫中,蚊子具有红外线视觉,这使它们能够非常准确地将自己定位到猎物身体中血管最饱和的区域。

应用

夜视仪

可视化不可见红外图像的方法有多种: 现代半导体摄像机对近红外敏感。为了避免颜色错误,普通家用摄像机都配备了一个特殊的过滤器,可以截断红外图像。安全摄像头通常没有这样的过滤器。然而,在黑暗中,没有近红外的天然来源,因此,如果没有人工照明(例如红外 LED),此类相机将不会显示任何内容。电光转换器是一种真空光电器件,可放大可见光谱和近红外光。具有高灵敏度,能够在非常低的光照条件下成像。它们在历史上是最早的夜视设备,如今广泛用于廉价的夜视设备。由于它们仅在近红外波段工作,因此它们与半导体摄像机一样需要照明。测辐射热计是一种热传感器。用于技术视觉系统和夜视设备的辐射热计在 3-14 微米(中红外)的波长范围内敏感,这对应于从 -50 到 500 摄氏度加热的物体的辐射。因此,通过记录物体本身的辐射,辐射热测量设备不需要外部照明并创建温差图片。通过记录物体本身的辐射,辐射热测量设备不需要外部照明并创建温差图片。通过记录物体本身的辐射,辐射热测量设备不需要外部照明并创建温差图片。

热成像

红外热成像、热成像或热视频是获取热谱图的科学方法 - 红外线中显示温度场分布的图像。热像仪或热成像仪可检测电磁波谱(大约 900-14,000 纳米)的红外范围内的辐射,并从这种辐射中创建图像,让您可以识别过热或过冷的地方。由于红外辐射是根据普朗克黑体辐射公式具有温度的所有物体发出的,因此热成像可以让您“看到”有或没有可见光的环境。物体发出的辐射量随着温度的升高而增加,因此热成像可以让我们看到温度的差异。当我们通过热像仪观察时,那么温暖的物体比冷却到环境温度的物体更容易看到;人和温血动物在环境中更容易被看到,无论是白天还是晚上。因此,热成像技术的进步归功于军事和安全部队。

红外归位

红外导引头 - 根据捕获目标发射的红外波原理工作的导引头。它是一种光电设备,旨在根据周围背景识别目标并向自动瞄准装置(AAP)发出捕获信号,以及测量并向自动驾驶仪发出视线角速度信号。

红外线加热器

红外辐射广泛用于加热房间和室外空间。红外线加热器是一种主要通过辐射而不是对流散热的加热装置 - 它用于在房间(房屋、公寓、办公室等)中组织额外或主要供暖,以及街道空间的局部供暖(街边咖啡馆、凉亭、阳台)或大型场所(大卖场的结账区)。日常生活中的红外线加热器有时被不准确地称为反射器。辐射能被周围的表面吸收,转化为热能,加热它们,这反过来又向空气散发热量。与对流加热相比,这具有显着的经济效果,热量主要用于加热未使用的天花板下空间。此外,在红外线加热器的帮助下,可以只对房间内需要的区域进行局部加热,而无需加热整个房间;红外线加热器的热效应在打开后立即感受到,避免了对房间的预热。这些因素降低了能源成本。

画画时

红外发射器通常用于干燥涂漆表面。红外干燥法与传统的对流法相比具有显着的优势。首先,这是一种经济效果:由于直接涂漆表面会吸收热量,因此该过程进行得更快,能源消耗也比传统方法少得多。此外,空气对流被最小化,从而减少了油漆表面上的灰尘。

红外天文学

天文学和天体物理学的一个分支,研究在红外辐射中可见的空间物体。在这种情况下,红外辐射是指波长在 0.74 到 2000 微米之间的电磁波。红外辐射介于可见光辐射和亚毫米辐射之间,其波长范围为 380 至 750 纳米。红外天文学开始于 1830 年代,也就是威廉赫歇尔发现红外辐射几十年后。最初进展甚微,直到 20 世纪初,除太阳和月球外,还没有发现红外范围内的天体,但经过 1950 年代和 1960 年代射电天文学的多次发现,天文学家成为意识到在可见范围之外存在大量信息。波。从此,现代红外天文学成型。

红外光谱

红外光谱是光谱的一个分支,涵盖光谱的长波长区域(在可见光红线之外 > 730 nm)。红外光谱是分子振动(部分旋转)运动的结果,即分子基电子态振动能级之间跃迁的结果。除 O2、N2、H2、Cl2 和单原子气体外,许多气体都吸收红外辐射。吸收发生在每种特定气体的波长特征处,例如,对于 CO,这是 4.7 微米的波长。从红外吸收光谱,可以建立各种分子相对较短的有机(和无机)物质的分子结构:抗生素、酶、生物碱、聚合物、复合化合物等。各种分子较长的有机(和无机)物质(蛋白质、脂肪、碳水化合物、DNA、RNA等)的分子振动光谱都在太赫兹范围内;因此,可以利用太赫兹无线电建立这些分子的结构频谱仪。通过红外吸收光谱中峰的数量和位置,可以判断物质的性质(定性分析),通过吸收带的强度,可以判断物质的数量(定量分析)。主要仪器是各类红外光谱仪。通过红外吸收光谱中峰的数量和位置,可以判断物质的性质(定性分析),通过吸收带的强度,可以判断物质的数量(定量分析)。主要仪器是各类红外光谱仪。通过红外吸收光谱中峰的数量和位置,可以判断物质的性质(定性分析),通过吸收带的强度,可以判断物质的数量(定量分析)。主要仪器是各类红外光谱仪。

数据传输

红外发光二极管、激光器和光电二极管的普及使得基于它们创建无线光学数据传输方法成为可能。在计算机技术中,它通常用于计算机与外围设备的通信(IrDA 接口) 与无线电通道不同,红外通道对电磁干扰不敏感,因此可以在工业环境中使用。红外通道的缺点包括需要设备上的光学窗口,设备的正确相互方向。目前,有大量基于大气光传输(FSO)的网络设备制造商,通常这是点对点的。现在科学家们已经实现了超过 4 Tbit/s 的大气数据传输率。同时,具有高达100 Gbit / s的速度的商用通信终端是已知的。在视距条件下,红外通道可以提供数公里距离的通信。通信通道的保密性无需多说,因为红外范围是人眼不可见的(无需使用特殊设备),并且通信通道的角发散沿所有轴均不超过 17 mrad。热辐射也用于接收警告信号。热辐射也用于接收警告信号。热辐射也用于接收警告信号。

遥控

红外线二极管和光电二极管广泛用于遥控器、自动化系统、安全系统、某些手机(红外线端口)等。红外线由于其不可见性而不会分散人们的注意力。有趣的是,使用没有特殊红外滤光片的廉价数码相机或夜间模式摄像机很容易捕获家用遥控器的红外辐射。

药物

红外辐射最广泛地用于医学中的各种血流传感器 (PPG)。广泛使用的心率(HR、HR - 心率)和血氧饱和度 (SpO2) 仪表使用绿色(用于脉搏)以及红色和红外线(用于 SpO2)LED。红外激光辐射用于数字光散射 (DLS) 以确定脉搏率和血流特性。红外线用于物理治疗。长波红外辐射的作用:刺激和改善血液循环。当皮肤受到长波红外线辐射时,皮肤受体受到刺激,由于下丘脑的反应,血管平滑肌松弛,血管扩张。改善代谢过程。红外辐射的热暴露刺激细胞水平的活动,改善神经调节和新陈代谢的过程。

食品杀菌

在红外线辐射的帮助下,食品被消毒以达到消毒的目的。

食品工业

在食品工业中使用红外辐射的一个特点是电磁波可以渗透到诸如谷物、谷物和面粉等毛细孔产品中,深度可达 7 毫米。该值取决于表面的性质、结构、材料特性和辐射的频率响应。一定频率范围的电磁波对产品不仅具有热效应,而且具有生物效应,促进生物聚合物(淀粉、蛋白质、脂质)中生化转化的加速。在粮仓和面粉研磨行业中储存谷物时,可以成功地使用输送式干燥输送机。缺点是加热的不均匀性明显更大,这在很多工艺流程中是完全不能接受的。

检查钱的真伪

红外线发射器用于检查货币的设备。作为防伪元素之一,应用于钞票的特殊同色异谱涂料只能在红外范围内看到。红外货币探测器是验证货币真伪的最无误的设备。与紫外线相比,在钞票上应用红外线标记对造假者来说成本高昂,因此在经济上无利可图。因此,具有内置红外发射器的钞票检测器是当今最可靠的防伪保护。

地球遥感

红外辐射广泛用于从太空对地球进行遥感。结合使用红外范围内的卫星图像与光谱其他部分的图像,可以使用与光谱学基本相似的方法来分析地球表面。这对于在计算各种植被指数时研究植被尤为重要。

健康危害

热点中非常强的红外线辐射会使眼睛的粘膜变干。当辐射不伴随可见光时最危险。在这种情况下,必须佩戴特殊的眼睛保护装置。波长为 1.35 µm、2.2 µm 的红外辐射在激光脉冲中有足够的峰值功率可以有效破坏 DNA 分子,比近红外范围内的辐射更强。

地球作为红外线发射器

地球表面和云层吸收来自太阳的可见和不可见辐射,并将大部分吸收的能量以红外辐射的形式重新发射回大气层。大气中的某些物质,主要是水滴和水蒸气,以及二氧化碳、甲烷、氮气、六氟化硫和氯氟烃,会吸收这种红外辐射并将其重新发射到各个方向,包括返回地球。因此,与大气中没有红外线吸收剂的情况相比,温室效应使大气和地表保持温暖。

也可以看看

热辐射红外光谱仪红外摄影

注释(编辑)

链接

红外辐射 - 来自物理百科全书的文章 红外和太赫兹范围的新来源和接收器。