梁巖　常發(fā)冉　牛智川　施毅

在講解紅外線(xiàn)之前，我們先來(lái)認(rèn)識(shí)一下電磁波。它包括無(wú)線(xiàn)電波、微波、紅外線(xiàn)、可見(jiàn)光、紫外線(xiàn)、X射線(xiàn)和伽馬射線(xiàn)。它們的波長(zhǎng)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(xiàn)，在電磁波譜中位于可見(jiàn)光和微波之間，波長(zhǎng)在700納米～1毫米之間，包括近紅外、中紅外和遠(yuǎn)紅外。近紅外是指紅外光譜中靠近可見(jiàn)光的部分，遠(yuǎn)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(xiàn)是“無(wú)形”的，即我們?nèi)庋劭床坏降?，它位于人?lèi)肉眼看到的紅光之外，頻率低于紅光。同理紫外線(xiàn)也是如此，它位于人類(lèi)肉眼所看到的紫光之外，頻率高于紫光。

無(wú)論有無(wú)生命，物體都向外輻射紅外線(xiàn)，溫度越高，輻射紅外線(xiàn)的本領(lǐng)越強(qiáng)。

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

入射的紅外線(xiàn)產(chǎn)生的熱效應(yīng)一般會(huì)產(chǎn)生溫度的變化，熱探測(cè)器是通過(guò)對(duì)這種變化進(jìn)行追蹤測(cè)量，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)行探測(cè)的。而光電探測(cè)器一般指的是光子探測(cè)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(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，這種探測(cè)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(xiàn)制造出了多種多樣的紅外探測(cè)器，能夠幫助我們更好地認(rèn)識(shí)世界。如今，紅外探測(cè)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?cè)谖⒐庀潞茈y分辨周?chē)沫h(huán)境和物體，而紅外夜視儀可以幫助我們?cè)谶@種弱光的情況下看清周?chē)沫h(huán)境。

在沒(méi)有足夠的可見(jiàn)光時(shí)，夜視儀可以將微弱光環(huán)境下的光子轉(zhuǎn)化為電子，通過(guò)信號(hào)放大和轉(zhuǎn)換，形成可見(jiàn)光信號(hào)。其中的主動(dòng)型夜視儀，因?yàn)樗陨砭哂屑t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(jiàn)度，最終通過(guò)紅外探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)。

家用主動(dòng)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(cè)量體溫，傳統(tǒng)的水銀體溫計(jì)費(fèi)時(shí)且不安全，現(xiàn)在可以用紅外熱成像技術(shù)快速測(cè)體溫。

紅外熱成像技術(shù)是通過(guò)熱像儀捕捉物體在某一過(guò)程中發(fā)出的紅外輻射來(lái)成像的。根據(jù)黑體輻射定律，紅外輻射由溫度高于絕對(duì)零度（0開(kāi)爾文=零下273.15攝氏度）的所有物體發(fā)出，所以無(wú)論有無(wú)照明光源，熱成像系統(tǒng)都可以看到周?chē)沫h(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(guò)熱像儀觀察到物體溫度的變化。

洞察萬(wàn)物的紅外線(xiàn)“偵探”

紅外探測(cè)器還可以用于高光譜成像技術(shù)，通過(guò)收集和處理整個(gè)電磁波譜的信息來(lái)獲取場(chǎng)景圖像中每個(gè)像素的光譜，從而達(dá)到尋找物體、識(shí)別材料并進(jìn)行檢測(cè)的目的。

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

工程師們?cè)谔煳膶W(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(cè)殺蟲(chóng)劑在單個(gè)種子上的劑量，以便對(duì)殺蟲(chóng)劑噴灑最佳劑量和覆蓋的均勻度進(jìn)行控制。

高光譜成像原理示意圖（繪圖/魏欣）

監(jiān)測(cè)氣象變化

裝備著紅外相機(jī)的氣象衛(wèi)星可以通過(guò)掃描產(chǎn)生紅外圖像，圖像中不同位置的云或者陸地會(huì)呈現(xiàn)出不同的顏色，工程師通過(guò)對(duì)圖像進(jìn)行分析可以確定云的高度和類(lèi)型、計(jì)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(cè)氣象變化。

同時(shí)，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(duì)航運(yùn)業(yè)很有價(jià)值。農(nóng)民和漁民可以通過(guò)紅外衛(wèi)星圖像了解陸地和海水的溫度變化，以保護(hù)農(nóng)作物使其免受霜凍影響，或者增加海上的魚(yú)類(lèi)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(jí)臺(tái)風(fēng)曼克胡特紅外圖像

飛馬座螺旋星系圖

探索無(wú)垠宇宙

在天文學(xué)上，紅外探測(cè)器可以對(duì)天體的紅外輻射進(jìn)行觀測(cè)和分析。由于每個(gè)有溫度的物體都會(huì)進(jìn)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(jiàn)光望遠(yuǎn)鏡是觀測(cè)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(dá)地球表面，然而通過(guò)研究這一小段紅外波長(zhǎng)，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(lèi)將紅外望遠(yuǎn)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(yuǎn)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(guò)韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的紅外線(xiàn)觀測(cè)，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(xiàn)的實(shí)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）