Инфракрасные лучи – это электромагнитные волны в невидимой области электромагнитного спектра, которая начинается за видимым красным светом и заканчивается перед микроволновым излучением между частотами 1012 и 5∙1014 Гц (или находится в диапазоне длин волн 1–750 нм). Название происходит от латинского слова infra и означает «ниже красного».

Применение инфракрасных лучей разнообразно. Они используются для визуализации объектов в темноте или в дыму, отопления саун и подогрева крыльев воздушных судов для защиты от обледенения, в ближней связи и при проведении спектроскопического анализа органических соединений.

Открытие

Инфракрасные лучи были обнаружены в 1800 г. британским музыкантом и астрономом-любителем немецкого происхождения Уильямом Гершелем. Он с помощью призмы разделил солнечный свет на составляющие его компоненты и за красной частью спектра с помощью термометра зарегистрировал увеличение температуры.

ИК-излучение и тепло

Инфракрасное излучение часто называют тепловым. Следует, однако, отметить, что оно является лишь его следствием. Тепло – это мера поступательной энергии (энергии движения) атомов и молекул вещества. «Температурные» датчики фактически измеряют не тепло, а только различия в ИК-излучении различных объектов.

Многие учителя физики инфракрасным лучам традиционно приписывают всю тепловую радиацию Солнца. Но это не совсем так. С видимым солнечным светом поступает 50% всего тепла, и электромагнитные волны любой частоты при достаточной интенсивности могут вызвать нагрев. Однако справедливо будет сказать, что при комнатной температуре объекты выделяют тепло в основном в полосе среднего инфракрасного диапазона.

ИК-излучение поглощается и испускается вращениями и вибрациями химически связанных атомов или их групп и, следовательно, многими видами материалов. Например, прозрачное для видимого света оконное стекло ИК-радиацию поглощает. Инфракрасные лучи в значительной степени абсорбируются водой и атмосферой. Хотя они и невидимы для глаз, их можно ощутить кожей.

Земля как источник инфракрасного излучения

Поверхность нашей планеты и облака поглощают солнечную энергию, большую часть которой в виде ИК-радиации отдают в атмосферу. Определенные вещества в ней, в основном пар и капли воды, а также метан, углекислый газ, оксид азота, хлорфторуглероды и гексафторид серы, поглощают в инфракрасной области спектра и переизлучают во всех направлениях, в том числе на Землю. Поэтому из-за парникового эффекта земная атмосфера и поверхность намного теплее, чем если бы вещества, поглощающие ИК-лучи, в воздухе отсутствовали.

Это излучение играет важную роль в теплопередаче и является неотъемлемой частью так называемого парникового эффекта. В глобальном масштабе влияние инфракрасных лучей распространяется на радиационный баланс Земли и затрагивает почти всю биосферную активность. Практически каждый объект на поверхности нашей планеты испускает электромагнитное излучение в основном в этой части спектра.

Области ИК-диапазона

ИК-диапазон часто разделяется на более узкие участки спектра. Немецкий институт стандартов DIN определил такие области длин волн инфракрасных лучей:

• ближний (0,75-1,4 мкм), обычно используемый в волоконно-оптической связи;
• коротковолновой (1,4-3 мкм), начиная с которого значительно возрастает поглощение ИК-излучения водой;
• средневолновой, также называемый промежуточным (3-8 мкм);
• длинноволновый (8-15 мкм);
• дальний (15-1000 мкм).

Однако эта схема классификации не используется повсеместно. Например, в некоторых исследованиях указываются следующие диапазоны: ближний (0,75-5 мкм), средний (5-30 мкм) и длинный (30-1000 мкм). Длины волн, используемые в телекоммуникации, подразделяются на отдельные полосы из-за ограничений детекторов, усилителей и источников.

Общая система обозначений оправдана реакциями человека на инфракрасные лучи. Ближняя ИК-область наиболее близка к длине волны, видимой человеческим глазом. Среднее и дальнее ИК-излучение постепенно удаляются от видимой части спектра. Другие определения следуют различным физическим механизмам (таким как пики эмиссии и поглощение воды), а самые новые основаны на чувствительности используемых детекторов. Например, обычные кремниевые сенсоры чувствительны в области около 1050 нм, а арсенид индий-галлия – в диапазоне от 950 нм до 1700 и 2200 нм.

Четкая граница между инфракрасным и видимым светом не определена. Глаз человека значительно менее чувствителен к красному свету, превышающему длину волны 700 нм, однако интенсивное свечение (лазера) можно видеть примерно до 780 нм. Начало ИК-диапазона определяется в разных стандартах по-разному – где-то между этими значениями. Обычно это 750 нм. Поэтому видимые инфракрасные лучи возможны в диапазоне 750–780 нм.

Обозначения в системах связи

Оптическая связь в ближней ИК-области технически подразделяется на ряд полос частот. Это связано с различными источниками света, поглощающими и передающими материалами (волокнами) и детекторами. К ним относятся:

• О-диапазон 1,260-1,360 нм.
• Е-диапазон 1,360-1,460 нм.
• S-диапазон 1,460-1,530 нм.
• C-диапазон 1,530-1,565 нм.
• L-диапазон 1,565-1,625 нм.
• U-диапазон 1,625-1,675 нм.

Термография

Термография, или тепловидение – это тип инфракрасного изображения объектов. Поскольку все тела излучают в ИК-диапазоне, а интенсивность радиации увеличивается с температурой, для ее обнаружения и получения снимков можно использовать специализированные камеры с ИК-датчиками. В случае очень горячих объектов в ближней инфракрасной или видимой области, этот метод называется пирометрией.

Термография не зависит от освещения видимым светом. Следовательно, можно «видеть» окружающую среду даже в темноте. В частности, теплые предметы, в том числе люди и теплокровные животные, хорошо выделяются на более холодном фоне. Инфракрасная фотография ландшафта улучшает отображение объектов в зависимости от их теплоотдачи: голубое небо и вода кажутся почти черными, а зеленая листва и кожа ярко проявляются.

Исторически термография широко использовалась военными и службами безопасности. Кроме того, она находит множество других применений. Например, пожарные используют ее, чтобы видеть сквозь дым, находить людей и локализовать горячие точки во время пожара. Термография может выявить патологический рост тканей и дефекты в электронных системах и схемах из-за их повышенного выделения тепла. Электрики, обслуживающие линии электропередач, могут обнаружить перегревающиеся соединения и детали, что сигнализирует о нарушении их работы, и устранить потенциальную опасность. При нарушении теплоизоляции специалисты-строители могут увидеть утечки тепла и повысить эффективность систем охлаждения или обогрева. В некоторых автомобилях высокого класса тепловизоры устанавливаются для помощи водителю. С помощью термографических изображений можно контролировать некоторые физиологические реакции у людей и теплокровных животных.

Внешний вид и способ работы современной термографической камеры не отличаются от таковых у обычной видеокамеры. Возможность видеть в инфракрасном спектре является настолько полезной функцией, что возможность записи изображений часто является опциональной, и модуль записи не всегда доступен.

Другие изображения

В ИК-фотографии ближний инфракрасный диапазон захватывается с помощью специальных фильтров. Цифровые фотоаппараты, как правило, блокируют ИК-излучение. Однако дешевые камеры, у которых нет соответствующих фильтров, способны «видеть» в ближнем ИК-диапазоне. При этом обычно невидимый свет выглядит ярко-белым. Особенно это заметно во время съемки вблизи освещенных инфракрасных объектов (например, лампы), где возникающие помехи делают снимок блеклым.

Также стоит упомянуть Т-лучевую визуализацию, которая представляет собой получение изображения в дальнем терагерцовом диапазоне. Отсутствие ярких источников делает такие снимки технически более сложными, чем большинство других методов ИК-визуализации.

Светодиоды и лазеры

Искусственные источники инфракрасного излучения включают, помимо горячих объектов, светодиоды и лазеры. Первые представляют собой небольшие недорогие оптоэлектронные устройства, изготовленные из таких полупроводниковых материалов, как арсенид галлия. Они используются в качестве оптоизоляторов и в качестве источников света в некоторых системах связи на основе волоконной оптики. Мощные ИК-лазеры с оптической накачкой работают на основе двуокиси и окиси углерода. Они используются для инициации и изменения химических реакций и разделения изотопов. Кроме того, они применяются в лидарных системах определения дистанции до объекта. Также источники инфракрасного излучения используются в дальномерах автоматических самофокусирующих камер, охранной сигнализации и оптических приборах ночного видения.

ИК-приемники

К приборам обнаружения ИК-излучения относятся термочувствительные устройства, такие как термопарные детекторы, болометры (некоторые из них охлаждаются до температур, близких к абсолютному нулю, чтобы снизить помехи от самого детектора), фотогальванические элементы и фотопроводники. Последние изготавливаются из полупроводниковых материалов (например, кремния и сульфида свинца), электрическая проводимость которых увеличивается при воздействии инфракрасных лучей.

Обогрев

Инфракрасное излучение используется для нагрева – например, для отопления саун и удаления льда с крыльев самолетов. Кроме того, оно все чаще применяется для плавления асфальта во время укладки новых дорог или ремонта поврежденных участков. ИК-излучение может использоваться при приготовлении и подогреве пищи.

Связь

ИК-длины волн применяются для передачи данных на небольшие расстояния, например, между компьютерной периферией и персональными цифровыми помощниками. Эти устройства обычно соответствуют стандартам IrDA.

ИК-связь обычно используется внутри помещений в районах с высокой плотностью населения. Это наиболее распространенный способ дистанционного управления устройствами. Свойства инфракрасных лучей не позволяют им проникать сквозь стены, и поэтому они не взаимодействуют с техникой в соседних помещениях. Кроме того, ИК-лазеры используются в качестве источников света в оптоволоконных системах связи.

Спектроскопия

Инфракрасная радиационная спектроскопия – это технология, используемая для определения структур и составов (главным образом) органических соединений путем изучения пропускания ИК-излучения через образцы. Она основана на свойствах веществ поглощать определенные его частоты, которые зависят от растяжения и изгиба внутри молекул образца.

Характеристики инфракрасного поглощения и излучения молекул и материалов дают важную информацию о размере, форме и химической связи молекул, атомов и ионов в твердых телах. Энергии вращения и вибрации квантуются во всех системах. ИК-излучение энергии hν, испускаемое или поглощаемое данной молекулой или веществом, является мерой разности некоторых внутренних энергетических состояний. Они, в свою очередь, определяются атомным весом и молекулярными связями. По этой причине инфракрасная спектроскопия является мощным инструментом определения внутренней структуры молекул и веществ или, когда такая информация уже известна и табулирована, их количества. ИК-методы спектроскопии часто используются для определения состава и, следовательно, происхождения и возраста археологических образцов, а также для обнаружения подделок произведений искусства и других предметов, которые при осмотре под видимым светом напоминают оригиналы.

Польза и вред инфракрасных лучей

Длинноволновое ИК-излучение применяется в медицине с целью:

• нормализации артериального давления путем стимуляции кровообращения;
• очищения организма от солей тяжелых металлов и токсинов;
• улучшения кровообращения мозга и памяти;
• нормализации гормонального фона;
• поддержания водно-солевого баланса;
• ограничения распространения грибков и микробов;
• обезболивания;
• снятия воспаления;
• укрепления иммунитета.

Вместе с тем ИК-излучение может нанести вред при острых гнойных заболеваниях, кровотечениях, острых воспалениях, болезнях крови, злокачественных опухолях. Неконтролируемое продолжительное воздействие ведет к покраснению кожи, ожогам, дерматиту, тепловому удару. Коротковолновые ИК-лучи опасны для глаз – возможно развитие светобоязни, катаракты, нарушений зрения. Поэтому для отопления должны применяться исключительно источники длинноволнового излучения.

Инфракра́сное излуче́ние - электромагнитное излучение , занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны λ = 0,74 мкм и частотой 430 ТГц) и микроволновым радиоизлучением (λ ~ 1-2 мм, частота 300 ГГц).

Весь диапазон инфракрасного излучения условно делят на три области:

Длинноволновую окраину этого диапазона иногда выделяют в отдельный диапазон электромагнитных волн - терагерцевое излучение (субмиллиметровое излучение).

Инфракрасное излучение также называют «тепловым излучением », так как инфракрасное излучение от нагретых предметов воспринимается кожей человека как ощущение тепла. При этом длины волн, излучаемые телом, зависят от температуры нагревания: чем выше температура, тем короче длина волны и выше интенсивность излучения. Спектр излучения абсолютно чёрного тела при относительно невысоких (до нескольких тысяч Кельвинов) температурах лежит в основном именно в этом диапазоне. Инфракрасное излучение испускают возбуждённые атомы или ионы.

Энциклопедичный YouTube

1 / 3

✪ 36 Инфракрасное и ультрафиолетовое излучения Шкала электромагнитных волн

✪ Опыты по физике. Отражение инфракрасного излучения

✪ Электроотопление (инфракрасное отопление). Какую систему отопления выбрать?

Субтитры

История открытия и общая характеристика

Инфракрасное излучение было открыто в 1800 году английским астрономом У. Гершелем . Занимаясь исследованием Солнца, Гершель искал способ уменьшения нагрева инструмента, с помощью которого велись наблюдения. Определяя с помощью термометров действия разных участков видимого спектра, Гершель обнаружил, что «максимум тепла» лежит за насыщенным красным цветом и, возможно, «за видимым преломлением». Это исследование положило начало изучению инфракрасного излучения.

Раньше лабораторными источниками инфракрасного излучения служили исключительно раскалённые тела либо электрические разряды в газах. Сейчас на основе твердотельных и молекулярных газовых лазеров созданы современные источники инфракрасного излучения с регулируемой или фиксированной частотой. Для регистрации излучения в ближней инфракрасной-области (до ~1,3 мкм) используются специальные фотопластинки. Более широким диапазоном чувствительности (примерно до 25 мкм) обладают фотоэлектрические детекторы и фоторезисторы . Излучение в дальней ИК-области регистрируется болометрами - детекторами, чувствительными к нагреву инфракрасным излучением .

ИК-аппаратура находит широкое применение как в военной технике (например, для наведения ракет), так и в гражданской (например, в волоконно-оптических системах связи). В качестве оптических элементов в ИК-спектрометрах используются либо линзы и призмы, либо дифракционные решётки и зеркала. Чтобы исключить поглощение излучения в воздухе, спектрометры для дальней ИК-области изготавливаются в вакуумном варианте .

Поскольку инфракрасные спектры связаны с вращательными и колебательными движениями в молекуле, а также с электронными переходами в атомах и молекулах, ИК-спектроскопия позволяет получать важные сведения о строении атомов и молекул, а также о зонной структуре кристаллов .

Диапазоны инфракрасного излучения

Объекты обычно испускают инфракрасное излучение во всём спектре длин волн, но иногда только ограниченная область спектра представляет интерес, поскольку датчики обычно собирают излучение только в пределах определенной полосы пропускания. Таким образом, инфракрасный диапазон часто подразделяется на более мелкие диапазоны.

Обычная схема деления

Чаще всего разделение на более мелкие диапазоны производится следующим образом:

Аббревиатура	Длина волны	Энергия фотонов	Характеристика
Near-infrared, NIR	0.75-1.4 мкм	0.9-1.7 эВ	Ближний ИК, ограниченный с одной стороны видимым светом, с другой - прозрачностью воды, значительно ухудшающейся при 1,45 мкм. В этом диапазоне работают широко распространенные инфракрасные светодиоды и лазеры для систем волоконной и воздушной оптической связи. Видеокамеры и приборы ночного видения на основе ЭОП также чувствительны в этом диапазоне.
Short-wavelength infrared, SWIR	1.4-3 мкм	0.4-0.9 эВ	Поглощение электромагнитного излучения водой значительно возрастает при 1450 нм. Диапазон 1530-1560 нм преобладает в области дальней связи.
Mid-wavelength infrared, MWIR	3-8 мкм	150-400 мэВ	В этом диапазоне начинают излучать тела, нагретые до нескольких сотен градусов Цельсия. В этом диапазоне чувствительны тепловые головки самонаведения систем ПВО и технические тепловизоры .
Long-wavelength infrared, LWIR	8-15 мкм	80-150 мэВ	В этом диапазоне начинают излучать тела с температурами около нуля градусов Цельсия. В этом диапазоне чувствительны тепловизоры для приборов ночного видения.
Far-infrared, FIR	15 - 1000 мкм	1.2-80 мэВ

CIE схема

Международная комиссия по освещённости (англ. International Commission on Illumination ) рекомендует разделение инфракрасного излучения на следующие три группы:

• IR-A: 700 нм – 1400 нм (0.7 мкм – 1.4 мкм)
• IR-B: 1400 нм – 3000 нм (1.4 мкм – 3 мкм)
• IR-C: 3000 нм – 1 мм (3 мкм – 1000 мкм)

ISO 20473 схема

Тепловое излучение

Теплово́е излуче́ние или лучеиспускание - передача энергии от одних тел к другим в виде электромагнитных волн , излучаемых телами за счёт их внутренней энергии. Тепловое излучение в основном приходится на инфракрасный участок спектра от 0,74 мкм до 1000 мкм . Отличительной особенностью лучистого теплообмена является то, что он может осуществляться между телами, находящимися не только в какой-либо среде, но и вакууме . Примером теплового излучения является свет от лампы накаливания . Мощность теплового излучения объекта, удовлетворяющего критериям абсолютно чёрного тела , описывается законом Стефана - Больцмана . Отношение излучательной и поглощательной способностей тел описывается законом излучения Кирхгофа . Тепловое излучение является одним из трёх элементарных видов переноса тепловой энергии (помимо теплопроводности и конвекции). Равновесное излучение - тепловое излучение, находящееся в термодинамическом равновесии с веществом.

Применение

Прибор ночного видения

Существует несколько способов визуализировать невидимое инфракрасное изображение:

• Современные полупроводниковые видеокамеры чувствительны в ближнем ИК. Во избежание ошибок цветопередачи обычные бытовые видеокамеры снабжаются специальным фильтром, отсекающим ИК изображение. Камеры для охранных систем, как правило, не имеют такого фильтра. Однако в темное время суток нет естественных источников ближнего ИК, поэтому без искусственной подсветки (например, инфракрасными светодиодами) такие камеры ничего не покажут.
• Электронно-оптический преобразователь - вакуумный фотоэлектронный прибор, усиливающий свет видимого спектра и ближнего ИК. Имеет высокую чувствительность и способен давать изображение при очень низкой освещенности. Являются исторически первыми приборами ночного видения, широко используются и в настоящее время в дешевых ПНВ. Поскольку работают только в ближнем ИК, то, как и полупроводниковые видеокамеры, требуют наличия освещения.
• Болометр - тепловой сенсор. Болометры для систем технического зрения и приборов ночного видения чувствительны в диапазоне длин волн 3..14 мкм (средний ИК), что соответствует излучению тел, нагретых от 500 до −50 градусов Цельсия. Таким образом, болометрические приборы не требуют внешнего освещения, регистрируя излучение самих предметов и создавая картинку разности температур.

Термография

Инфракрасная термография, тепловое изображение или тепловое видео - это научный способ получения термограммы - изображения в инфракрасных лучах, показывающего картину распределения температурных полей. Термографические камеры или тепловизоры обнаруживают излучение в инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра (примерно 900-14000 нанометров или 0,9-14 µм) и на основе этого излучения создают изображения, позволяющие определить перегретые или переохлаждённые места. Так как инфракрасное излучение испускается всеми объектами, имеющими температуру, согласно формуле Планка для излучения чёрного тела , термография позволяет «видеть» окружающую среду с или без видимого света. Величина излучения, испускаемого объектом, увеличивается с повышением его температуры, поэтому термография позволяет нам видеть различия в температуре. Когда смотрим через тепловизор, то тёплые объекты видны лучше, чем охлаждённые до температуры окружающей среды; люди и теплокровные животные легче заметны в окружающей среде, как днём, так и ночью. Как результат, продвижение использования термографии может быть приписано военным и службам безопасности.

Инфракрасное самонаведение

Инфракрасная головка самонаведения - головка самонаведения , работающая на принципе улавливания волн инфракрасного диапазона, излучаемых захватываемой целью . Представляет собой оптико-электронный прибор , предназначенный для идентификации цели на окружающем фоне и выдачи в автоматическое прицельное устройство (АПУ) сигнала захвата, а также для измерения и выдачи в автопилот сигнала угловой скорости линии визирования.

Инфракрасный обогреватель

Передача данных

Распространение инфракрасных светодиодов, лазеров и фотодиодов позволило создать беспроводной оптический метод передачи данных на их основе. В компьютерной технике обычно используется для связи компьютеров с периферийными устройствами (интерфейс IrDA) В отличие от радиоканала инфракрасный канал нечувствителен к электромагнитным помехам , и это позволяет использовать его в производственных условиях. К недостаткам инфракрасного канала относятся необходимость в оптических окнах на оборудовании, правильной взаимной ориентации устройств, низкие скорости передачи (обычно не превышает 5-10 Мбит/с, но при использовании инфракрасных лазеров возможны существенно более высокие скорости). Кроме этого, не обеспечивается скрытность передачи информации. В условиях прямой видимости инфракрасный канал может обеспечить связь на расстояниях в несколько километров, но наиболее удобен он для связи компьютеров, находящихся в одной комнате, где отражения от стен комнаты дает устойчивую и надежную связь. Наиболее естественный тип топологии здесь - «шина» (то есть переданный сигнал одновременно получают все абоненты). Инфракрасный канал не смог получить широкого распространения, его вытеснил радиоканал.

Тепловое излучение применяется также для приема сигналов оповещения.

Дистанционное управление

Инфракрасные диоды и фотодиоды повсеместно применяются в пультах дистанционного управления , системах автоматики, охранных системах, некоторых мобильных телефонах (инфракрасный порт) и т. п. Инфракрасные лучи не отвлекают внимание человека в силу своей невидимости.

Интересно, что инфракрасное излучение бытового пульта дистанционного управления легко фиксируется с помощью цифрового фотоаппарата .

Медицина

Наиболее широко инфракрасное излучение в медицине находит в различных датчиках потока крови (PPG).

Широко распространенные измерители частоты пульса (ЧСС, HR - Heart Rate) и насыщения крови кислородом (Sp02) используют светодиоды зелёного (для пульса) и красного и инфракрасного (для SpO2) излучений.

Излучение инфракрасного лазера используется в методике DLS (Digital Light Scattering) для определения частоты пульса и характеристик потока крови.

Инфракрасные лучи применяются в физиотерапии .

Влияние длинноволнового инфракрасного излучения:

• Стимуляция и улучшение кровообращения.При воздействии длинноволнового инфракрасного излучения на кожный покров происходит раздражение рецепторов кожи и, вследствие реакции гипоталамуса, расслабляются гладкие мышцы кровеносных сосудов, в результате сосуды расширяются.
• Улучшение процессов метаболизма. При тепловом воздействии инфракрасного излучения стимулируется активность на клеточном уровне, улучшаются процессы нейрорегуляции и метаболизма.

Стерилизация пищевых продуктов

С помощью инфракрасного излучения стерилизируют пищевые продукты с целью дезинфекции.

Пищевая промышленность

Особенностью применения ИК-излучения в пищевой промышленности является возможность проникновения электромагнитной волны в такие капиллярно-пористые продукты, как зерно, крупа, мука и т. п. на глубину до 7 мм. Эта величина зависит от характера поверхности, структуры, свойств материала и частотной характеристики излучения. Электромагнитная волна определённого частотного диапазона оказывает не только термическое, но и биологическое воздействие на продукт, способствует ускорению биохимических превращений в биологических полимерах (

Инфракрасное излучение. Открытие инфракрасного излучения

Определение 1

Под инфракрасным излучением (ИК) понимается форма энергии или способ обогрева, при котором тепло от одного тела передается другому телу.

Человек в процессе своей жизни постоянно находится под действием ИК-излучения и способен чувствовать эту энергию как тепло, идущее от предмета. Воспринимается инфракрасное излучение кожей человека , глаза в этом спектре не видят.

Естественным источником высокой температуры является наше светило. С температурой нагревания связана длина волны инфракрасных лучей, которые бывают коротковолновыми, средневолновыми, длинноволновыми.

Короткая длина волны имеет высокую температуру и интенсивное излучение. Ещё в $1800$ г. английский астроном У. Гершель проводил наблюдения за Солнцем. Занимаясь исследованием светила, он искал способ, который бы позволил уменьшить нагрев инструмента, при помощи которого эти исследования проводились. На одном из этапов своей работы ученый обнаружил, что за насыщенным красным цветом находится «максимум тепла ». Исследование стало началом изучения инфракрасного излучения .

Если раньше источниками инфракрасного излучения в лаборатории служили раскаленные тела или электрические разряды в газах, то сегодня созданы современные источники инфракрасного излучения с частотой, которую можно регулировать или фиксировать. Их основой являются твердотельные и молекулярные газовые лазеры.

В ближней инфракрасной области (около $1,3$ мкм) для регистрации излучения пользуются специальными фотопластинками .

В дальней инфракрасной области излучение регистрируется болометрами – это детекторы, которые являются чувствительными к нагреву инфракрасным излучением.

Инфракрасные волны имеют разную длину , поэтому их проникающая способность будет тоже разная.

Длинноволновые , идущие от Солнца лучи, например, спокойно проходят через атмосферу Земли , при этом, не нагревая её. Проникая через твердые тела, они увеличивают их температуру, поэтому для всего живого на планете огромное значение имеет именно дальнее излучение .

Интересно, что в постоянной компенсирующей подпитке нуждаются все живые тела, которые тоже излучают такой же спектр тепла. При отсутствии такой подпитки, температура живого тела падает, что является причиной его уязвимости для различных инфекций. Эта дополнительная подпитка в виде ИК-излучения, как считают ученые, скорее полезна , чем вредна.

Замечание 1

Специалисты провели на животных многочисленные эксперименты, которые показали, что инфракрасные лучи подавляют рост раковых клеток, уничтожают ряд вирусов, нейтрализуют разрушительное действие электромагнитных волн. Длинноволновые инфракрасные лучи повышают количество инсулина, вырабатываемого организмом, и нивелируют последствия радиоактивного воздействия.

Применение инфракрасного излучения

Инфракрасное излучение находит широкое применение, как в быту, так и в разных сферах деятельности человека.

Основными областями его применения являются:

Термография . ИК-излучение позволяет определить температуру объектов, которые находятся на каком-то удалении. В промышленных и военных целях широко используется тепловидение, его камеры могут обнаружить ИК и произведут изображение этого излучения. Благодаря термографическим камерам без всякого освещения можно «видеть» все, что находится рядом, потому что все нагретые объекты испускают ИК.

Слежение . Используется ИК слежение при наведении ракет, в которые встраивается устройство, получившее название «тепловые искатели ». В результате того, что двигатели машин и механизмов, да и сам человек излучают тепло, то хорошо будут видны в инфракрасном диапазоне, а отсюда ракеты без всякого труда находят направление полета.

Обогрев. Как источник тепла ИК повышает температуру и благотворно влияет на здоровье человека, например, инфракрасные сауны , о которых сегодня много говорят. Используют их при лечении гипертонии, сердечной недостаточности, ревматоидного артрита.

Метеорология . Высота облаков, температура поверхности воды и земли определяется со спутников, делающих инфракрасные изображения. На таких снимках холодные облака окрашены в белый цвет, теплые же облака окрашены в серый цвет. Черным или серым цветом окрашивается горячая поверхность земли.

Астрономия. При наблюдении за небесными объектами астрономы используют специальные инфракрасные телескопы. Благодаря этим телескопам ученые определяют протозвезды до момента излучения ими видимого света, различают прохладные объекты, наблюдают ядра галактик.

Искусство . И здесь инфракрасное излучение нашло применение. Искусствоведы, благодаря инфракрасным рефлектограммам , видят нижние слои картин, наброски художника. Данный прибор помогает отличить оригинал от копии, ошибки реставрационных работ. С его помощью изучаются старые письменные документы.

Медицина. Широко известны лечебные свойства ИК - терапии. Нагретая глина, песок, соль издавна считались целебными и благотворно влияющими на организм человека. ИК помогают лечить переломы, улучшают обмен веществ в организме, ведут борьбу с ожирением, способствуют заживлению ран, улучшают циркуляцию крови, оказывают благотворное влияние на суставы и мышцы.

Кроме этого лечебное воздействие используют при заболеваниях:

1. Хроническим бронхитом и бронхиальной астмой;
2. Пневмонией;
3. Хроническим холециститом и его обострением;
4. Простатитом с нарушением потенции;
5. Ревматоидным артритом;
6. При заболеваниях мочевыводящих путей и др.

Для того чтобы использовать инфракрасные лучи в лечебных целях, необходимо учитывать противопоказания.

Большой вред они могут принести:

1. Когда у человека есть гнойные заболевания;
2. Скрытые кровотечения;
3. Заболевания крови;
4. Новообразования и, прежде всего, злокачественные;
5. Воспалительные заболевания, чаще всего острые.

Коротковолновые ИК отрицательно воздействуют на мозговую ткань человека, в результате чего наблюдается «солнечный удар ». Вред в этом случае очевиден. Человек испытывает головную боль, пульс и дыхание становятся учащенными, в глазах темнеет, возможна потеря сознания. При дальнейшем облучении организм не выдерживает – происходит отек тканей и оболочек мозга, появляются симптомы энцефалита и менингита. Короткие волны особенно сильный вред наносят глазам человека, сердечнососудистой системе.

Замечание 2

Таким образом, получается, что польза воздействия ИК на организм, несмотря на отрицательные моменты, значительна.

Защита от инфракрасного излучения

Для снижения наносимого ИК вреда и защиты от него разработаны нормы ИК-облучения, безопасные для человека.

Основные мероприятия защиты:

1. Устаревшие технологии необходимо заменить современными, что позволит снизить интенсивность излучения источника;
2. Использование экранов из металлических сеток и цепей, облицовка асбестом открытых печных проёмов;
3. Обязательная индивидуальная защита и, прежде всего, глаз очками со светофильтрами;
4. Защита тела льняной или полульняной спецодеждой;
5. Рациональный режим труда и отдыха;
6. Обязательные лечебно-профилактические мероприятия работников.

Инфракрасные (ИК) лучи – это электромагнитные волны. Человеческий глаз не способен воспринимать это излучение, но человек воспринимает его как тепловую энергию и ощущает всей кожей. Нас постоянно окружают источники ИК излучения, которые отличаются интенсивностью и длиной волн.

Стоит ли опасаться инфракрасных лучей, вред или пользу приносят они человеку и в чем заключается их воздействие?

Что же такое ИК-излучение, его источники

Как известно, спектр солнечного излучения, воспринимаемый глазом человека как видимый цвет, находится между фиолетовыми волнами (самые короткие – 0, 38 мкм) и красными (самыми длинными – 0,76 мкм). Помимо этих волн, существуют электромагнитные волны, не доступные для человеческого глаза – ультрафиолетовые и инфракрасные. «Ультра» обозначает, что они находятся ниже или, другими словами, меньше фиолетового излучения. «Инфра», соответственно, – выше или больше красного излучения.

То есть, ИК-излучение – это электромагнитные волны, лежащие за диапазоном красного цвета, длина которых больше, чем у видимого красного излучения. Исследуя электромагнитные излучения, немецкий астроном Уильям Гершель обнаружил невидимые волны, которые вызывали повышение температуры термометра, и назвал их инфракрасным тепловым излучением.

Естественным мощнейшим источником теплового излучения является Солнце. Из всех излучаемых светилом лучей 58% приходится именно на долю инфракрасных. Искусственными источниками служат все электронагревательные приборы, преображающие электроэнергию в тепло, а так же любые предметы, температура которых выше абсолютной нулевой отметки – 273оС.

Свойства инфракрасного излучения

ИК-излучение имеет ту же природу и свойства, что и обычный свет, только большую длину волны. Видимые глазу световые волны, достигая предметов, отражаются, преломляясь определенным образом, и человек видит отражение предмета в широкой цветовой гамме. А инфракрасные лучи, достигая предмета, поглощаются им, выделяя энергию и нагревая этот предмет. ИК-излучение мы не видим, но осязаем его как тепло.

Другими словами, если бы Солнце не выделяло широкий спектр длинноволновых инфракрасных лучей, человек только бы видел солнечный свет, но не ощущал его тепло.

Трудно представить жизнь на Земле без солнечного тепла.

Некоторая часть его поглощается атмосферой, а доходящие до нас волны делятся на:

Короткие – длина лежит в диапазоне 0,74 мкм – 2,5 мкм, а источают их предметы, нагретые до температуры более 800оС;

Средние – от 2,5 мкм до 50 мкм, t нагревания от 300 до 600ос;

Длинные – самый широкий диапазон от 50 мкм до 2000 мкм (2 мм), t до 300оС.

Свойства инфракрасного излучение, его польза и вред для человеческого организма, обусловлены источником излучения – чем выше температура излучателя, тем интенсивнее волны и глубже их проникающая способность, степень воздействие на любые живые организмы. Исследования, проведенные на клеточном материале растений и животных, обнаружили целый ряд полезных свойств ИК лучей, что нашло широкое применение их в медицине.

Польза ИК-излучения для человека, применение в медицине

Медицинские исследования доказали, что для человека не только безопасны, но и очень полезны ИК лучи, находящиеся в длинном диапазоне. Они активизируют кровоток и улучшают процессы обмена, подавляют развитие бактерий и способствуют быстрому заживлению ран после операционных вмешательств. Способствуют вырабатыванию иммунитета против ядовитых химических веществ и гамма-излучения, стимулируют выведение токсинов, шлаков через пот и мочу и понижению холестерина.

Особенно эффективными являются лучи длиной 9,6 мкм, которые способствуют регенерации (восстановлению) и оздоровлению органов и систем человеческого организма.

В народной медицине испокон веков применялось лечение нагретой глиной, песком или солью – это яркие примеры благотворного воздействия тепловых ИК лучей на человека.

Современная медицина для лечения ряда заболеваний научилась использовать полезные свойства:

При помощи инфракрасного излучения можно лечить переломы костей, патологические изменения в суставах, ослаблять мышечные боли;

ИК лучи оказывают положительный эффект при лечении парализованных больных;

Быстро заживляют раны (послеоперационные и другие), снимают болевые ощущения;

За счет стимуляции кровообращения помогают нормализовать артериальное давление;

Улучшают кровообращение в мозгу и память;

Выводят из организма соли тяжелых металлов;

Имеют выраженный противомикробный, противовоспалительный и противогрибковый эффект;

Укрепляют иммунную систему.

Бронхиальная астма, пневмония, остеохондроз, артрит, мочекаменная болезнь, пролежни, язвы, радикулит, обморожение, заболевания органов пищеварения – далеко не полный список патологий, для лечения которых используется положительное влияние ИК-излучения.

Отопление жилых помещений при помощи приборов ИК-излучения способствует ионизированию воздуха, борется с проявлениями аллергии, уничтожает бактерии, плесневые грибки, улучшает состояние кожных покровов благодаря активизации циркуляции крови. Приобретая обогреватель, обязательно необходимо выбирать длинноволновые приборы.

Другие сферы применения

Свойство предметов излучать тепловые волны нашло применение в различных областях человеческой деятельности. Например, при помощи специальных термографических камер, способных улавливать тепловое излучение, в абсолютной темноте можно увидеть и распознать любые предметы. Термографические камеры широко используются в военном деле и промышленности для обнаружения невидимых предметов.

В метеорологии и астрологии ИК лучи используются для определения расстояний до предметов, облаков, температуры поверхности воды и т.д., инфракрасные телескопы позволяют изучать космические объекты, недоступные для видения через обычные приборы.

Наука не стоит на месте и число ИК приборов и сфер их применения постоянно растет.

Вред

Человек, как и любое тело, излучает средние и длинные инфракрасные волны, которые лежат в диапазоне длиной от 2,5 мкм до 20-25 мкм, поэтому именно волны такой длины полностью безопасны для человека. Короткие волны способны глубоко проникать в ткани человека, провоцируя нагревание внутренних органов.

Коротковолновое инфракрасное излучение не только вредно, но и очень опасно для человека, особенно для зрительных органов.

Солнечный тепловой удар, провоцируемый короткими волнами, происходит при нагревании головного мозга всего на 1С. Его симптомами являются:

Сильное головокружение;

Тошнота;

Учащение пульса;

Потеря сознания.

Металлурги и сталевары, постоянно подвергающиеся тепловому воздействию коротких ИК лучей, чаще других подвергаются заболеваниям сердечно — сосудистой системы, имеют ослабленный иммунитет, чаще подвергаются простудным заболеваниям.

Чтобы избежать вредного воздействия инфракрасного излучения, необходимо принимать защитные меры и ограничивать время пребывания под опасными лучами. А вот польза теплового солнечного излучения для жизни на нашей планете – неоспорима!

Инфракрасный свет визуально недоступен зрению человека. Между тем длинные инфракрасные волны воспринимаются человеческим организмом как тепло. Некоторыми свойствами видимого света обладает инфракрасный свет. Излучение этой формы поддаётся фокусировке, отражается и поляризуется. Теоретически ИК-свет больше трактуется как инфракрасная радиация (ИР). Космическая ИР занимает спектральный диапазон электромагнитного излучения 700 нм — 1 мм. ИК-волны длиннее волн видимого света и короче радиоволн. Соответственно, частоты ИР выше частот микроволн и ниже частот видимого света. Частота ИР ограничена диапазоном 300 ГГц — 400 ТГц.

Инфракрасные волны удалось обнаружить британскому астроному Уильяму Гершелю . Открытие было зарегистрировано в 1800 году. Используя стеклянные призмы в своих опытах, учёный таким способом исследовал возможности разделения солнечного света на отдельные компоненты.

Когда Уильяму Гершелю пришлось измерять температуру отдельных цветов, обнаружился фактор увеличения температуры при последовательном прохождении следующего ряда:

• фиолет,
• синька,
• зелень,
• желток,
• оранж,
• красный.

Волновой и частотный диапазон ИК-радиации

Исходя из длины волны, учёные условно делят инфракрасное излучение на несколько спектральных частей. При этом нет единого определения границ каждой отдельной части.

Шкала электромагнитного излучения: 1 — радиоволны; 2 — микроволны; 3 — ИК-волны; 4 — видимый свет; 5 — ультрафиолет; 6 — лучи x-ray; 7 — гамма лучи; В — диапазон длин волн; Э — энергетика

Теоретически обозначены три волновых диапазона:

1. Ближний
2. Средний
3. Дальний

Ближний ИК-диапазон отмечен длинами волн, приближенных до конечной части спектра видимого света. Примерный расчётный отрезок волны здесь обозначен длиной: 750 — 1300 нм (0,75 — 1,3 мкм). Частота излучения составляет примерно 215-400 Гц. Короткий ИК-диапазон излучат минимум тепла.

Средний ИК-диапазон (промежуточный), охватывает длины волн 1300-3000 нм (1,3 — 3 мкм). Частоты здесь измеряются диапазоном 20-215 ТГц. Уровень излучаемого тепла относительно невысок.

Дальний ИК-диапазон наиболее близок к диапазону микроволн. Расклад: 3-1000 мкм. Частотный диапазон 0,3-20 ТГц. Эту группу составляют короткие длины волн на максимальном частотном отрезке. Здесь излучается максимум тепла.

Применение инфракрасной радиации

ИК-лучам нашлось применение в различных сферах. Среди наиболее известных устройств — , тепловизоры, оборудование ночного видения и т.п. Коммуникационным и сетевым оборудованием ИК-свет используется в рамках проводных и беспроводных операций.

Пример работы электронного прибора — тепловизора, принцип действия которого основан на использовании инфракрасного излучения. И это лишь отдельно взятый пример из множества других

Пульты дистанционного управления оснащаются системой ИК-связи ближнего действия, где сигнал передаётся через ИК-светодиоды. Пример: привычная бытовая техника – телевизоры, кондиционеры, проигрыватели. Инфракрасным светом передаются данные по волоконно-оптическим кабельным системам.

Кроме того, излучение ИК-диапазона активно используется исследовательской астрономией для изучения космоса. Именно благодаря ИК-радиации удаётся обнаруживать космические объекты, невидимые глазу человека.

Малоизвестные факты, связанные с ИК-светом

Глаза человека действительно не могут видеть инфракрасные лучи. Но «видеть» их способна кожа тела человека, реагирующая на фотоны, а не только на тепловое излучение.

Поверхность кожи фактически выступает «глазным яблоком». Если солнечным днём выйти на улицу, закрыть глаза и протянуть к небу ладони, без особого труда можно обнаружить месторасположение солнца.

Зимой в комнате, где температура воздуха составляет 21-22ºС, будучи тепло одетыми (свитер, брюки). Летом в той же комнате, при той же температуре, люди также ощущают комфорт, но в более лёгкой одежде (шорты, футболка).

Объяснить сей феномен просто: несмотря на одинаковую температуру воздуха, стены и потолок помещения летом излучают в большем количестве волны дальнего ИК-диапазона, несомые солнечным светом (FIR – Far Infrared). Поэтому телом человека при одинаковых температурах, летом воспринимается больше тепла.

ИК-тепло воспроизводится любым живым организмом и неживым предметом. На экране тепловизора этот момент отмечается более чем отчётливо

Пары людей, спящие в одной кровати, непроизвольно являются передатчиками и приемниками FIR-волн по отношению друг к другу. Если человек находится в кровати один, он действует как передатчик FIR-волн, но уже не получает такие же волны в ответ.

Когда люди беседуют друг с другом, они непроизвольно отправляют и получают вибрации FIR-волн один от другого. Дружеские (любовные) объятия также активируют передачу FIR-излучения между людьми.

Как воспринимает ИК-свет природа?

Люди не в состоянии видеть световые лучи ИК-диапазона, но змеи семейства гадюковых или виперовых (например, гремучие) имеют сенсорные «впадины», которые используются для получения изображения в инфракрасном свете.

Это свойство позволяет змеям в полной темноте обнаруживать теплокровных животных. Змеи с двумя сенсорными «впадинами», как предполагается наукой, имеют некоторое восприятие глубины инфракрасного диапазона.

Свойства ИК змеи: 1, 2 — чувствительные зоны сенсорной впадины; 3 — мембранная впадина; 4 — внутренняя полость; 5 — MG волокно; 6 — наружная полость

Рыба успешно использует свет ближней области спектра (NIR – Near Infrared) для захвата добычи и для ориентации в акватории водоёмов. Это чувство NIR помогает рыбе безошибочно ориентироваться в условиях слабого освещения, в темноте либо в мутной воде.

Инфракрасное излучение играет важную роль для формирования погоды и климата Земли, также как солнечный свет. Общая масса солнечного света, поглощаемого Землей, в равном количестве ИК-излучения должна перемещаться от Земли обратно в космос. Иначе неизбежно глобальное потепление или глобальное похолодание.

Очевидна причина, по которой воздух быстро охлаждается сухой ночью. Низкий уровень влажности и отсутствие облаков на небе открывают свободный путь ИК-радиации. Инфракрасные лучи быстрее выходят в космическое пространство и, соответственно, быстрее уносят тепло.

Значительная часть , приходящая к Земле – это именно инфракрасный свет. Любой природный организм или предмет обладает температурой, а это значит — выделяет ИК-энергию. Даже предметы, априори являющиеся холодными (например, кубики льда), излучают ИК-свет.

Технический потенциал инфракрасной зоны

Технический потенциал ИК-лучей безграничен. Примеров масса. Инфракрасное отслеживание (самонаведение) применяется в системах пассивного управления ракетами. Электромагнитное излучение от цели, получаемое в инфракрасной части спектра, используется в этом случае.

Систем отслеживания цели: 1, 4 — камера сгорания; 2, 6 — относительно длинный выхлоп пламени; 5 — холодный поток, обходящий горячую камеру; 3, 7 — назначенная важная ИК сигнатура

Спутники погоды, оборудованные сканирующими радиометрами, производят тепловые изображения, которые затем позволяют аналитической методикой определять высоты и типы облаков, рассчитывать температуру суши и поверхностных вод, определять особенности поверхности океана.

Инфракрасное излучение является наиболее распространенным способом дистанционного управления различными приборами. На базе технологии FIR разрабатываются и выпускаются множество продуктов. Особо здесь отличились японцы. Вот лишь несколько примеров, популярных в Японии и по всему миру:

• специальные накладки и обогреватели FIR;
• пластины FIR для сохранения рыбы и овощей свежими долгое время;
• керамическая бумага и керамика FIR;
• тканевые FIR перчатки, куртки, автомобильные сиденья;
• парикмахерский FIR-фен, снижающий повреждение волос;

Инфракрасная рефлектография (арт-консервация) применяется для изучения картин, помогает выявить лежащие в основе слои, не разрушая структуры. Этот приём, помогает обнаружить детали, скрытые под рисунком художника.

Таким способом определяется, является ли текущая картина оригинальным художественным произведением или всего лишь профессионально сделанной копией. Определяются также изменения, связанные с реставрационной работой над произведениями искусства.

ИК-лучи: влияние на здоровье людей

Благоприятное воздействие солнечного света на здоровье человека подтверждено научно. Однако чрезмерное пребывание под солнечным излучением потенциально опасно. Солнечный свет содержит ультрафиолетовые лучи, действие которых сжигает кожу тела человека.

Инфракрасные сауны массового пользования широко распространены в Японии и Китае. И тенденция на развитие этого способа оздоровления только усиливается

Между тем инфракрасное излучение дальнего диапазона волн обеспечивает все преимущества для здоровья, получаемые от естественного солнечного света. При этом полностью исключается опасное воздействие солнечной радиации.

Применением технологии воспроизводства ИК-лучей, достигается полный контроль температуры (), неограниченный солнечный свет. Но это далеко не все известные факты преимуществ инфракрасного излучения:

• Инфракрасные лучи дальнего диапазона укрепляют сердечно-сосудистую систему, стабилизируют сердечный ритм, увеличивают сердечный выброс, уменьшая при этом диастолическое артериальное давление.
• Стимуляция сердечно-сосудистой функции инфракрасным светом дальнего диапазона — идеальный способ поддержания в норме сердечно-сосудистой системы. Есть опыт американских астронавтов во время длительного космического полета.
• ИК-лучи дальнего инфракрасного диапазона с температурой выше 40°C ослабляют и в конечном итоге убивает раковые клетки. Этот факт подтвержден Американской онкологической ассоциацией и Национальным институтом рака.
• Инфракрасные сауны часто используются в Японии и Корее (терапия гипертермии или Waon-терапия) для лечения от сердечно-сосудистых заболеваний, особенно в части хронической сердечной недостаточности и периферических артериальных заболеваний.
• Результаты исследований, опубликованные в журнале «Нейропсихиатрическая болезнь и лечение », показывают инфракрасные лучи как «медицинский прорыв» в лечении черепно-мозговых травм.
• Инфракрасная сауна считается в семь раз более эффективной при выводе из организма тяжелых металлов, холестерина, спирта, никотина, аммиака, серной кислоты и других токсинов.
• Наконец, FIR-терапия в Японии и Китае вышла на первое место среди эффективных способов лечения астмы, бронхита, простуды, гриппа, синусита. Отмечено, что FIR-терапия убирает воспаления, отеки, слизистые закупорки.

Инфракрасный свет и продолжительность жизни 200 лет