Infračervené paprsky: vlastnosti, aplikace, účinky na člověka. Zdroje infračerveného záření

Infračervené paprsky jsou elektromagnetické vlny v neviditelné oblasti elektromagnetického spektra, která začíná za viditelným červeným světlem a končí před mikrovlnným zářením mezi frekvencemi 10 ¹² a 5 10 ¹⁴ Hz (nebo je v rozsahu vlnových délek 1-750 nm). Jméno pochází z latinského slova infra a znamená "pod červenou barvou".

Použití infračervených paprsků je různorodé. Jsou používány k vizualizaci objektů ve tmě nebo v kouři, v topných saunech a při ohřevu letadlových křídel, které chrání proti námraze v blízkém poli a při provádění spektroskopické analýzy organických sloučenin.

Discovery

Infračervené paprsky objevil v roce 1800 britský hudebník a amatérský astronom německého původu William Herschel. Použil hranol, rozdělil sluneční světlo do svých složek a zaznamenal zvýšení teploty za červenou částí spektra pomocí teploměru.

Infračervené záření a teplo

Infračervené záření se často nazývá termální. Je však třeba poznamenat, že je to jen důsledek. Teplo je měřítkem translační energie (pohybové energie) atomů a molekul hmoty. Senzory "teploty" ve skutečnosti neměřují teplo, ale pouze rozdíly v infračerveném záření různých objektů.

Mnoho učitelů fyziky infračervené paprsky tradičně připisují celý termální Sluneční záření. Ale to není úplně pravda. S viditelným slunečním zářením přichází 50% veškerého tepla a elektromagnetické vlny jakékoliv frekvence s dostatečnou intenzitou mohou způsobit teplo. Nicméně je fér říkat, že při pokojové teplotě objekty vypouštějí teplo především ve středním infračerveném pásmu.

IR záření je absorbováno a emitováno otáčkami a vibracemi chemicky vázaných atomů nebo jejich skupin a následně i mnoha druhy materiálů. Například průhledné viditelné světlo skleněného skla absorbuje infračervené záření. Infračervené paprsky jsou převážně absorbovány vodou a atmosférou. Ačkoli jsou pro oči neviditelné, mohou je pociťovat kůží.

Země jako zdroj infračerveného záření

Povrch naší planety a mraků pohlcuje sluneční energii, z nichž většina je ve formě IR záření uvolňována do atmosféry. Některé látky v něm, zejména páry a vodní kapky, stejně jako metan, oxid uhličitý, oxid dusný, chlorfluorované uhlovodíky a fluorid sírový, absorbují v infračervené oblasti spektra a reradiují ve všech směrech včetně Země. Proto protože skleníkový efekt Zemská atmosféra a povrch jsou mnohem teplejší, než kdyby látky, které pohlcují infračervené paprsky ve vzduchu, chyběly.

Toto záření hraje důležitou roli při přenosu tepla a je nedílnou součástí tzv. Skleníkového efektu. Celkově působí vliv infračerveného záření na radiační rovnováhu Země a ovlivňuje téměř veškerou biosférickou činnost. Prakticky každý objekt na povrchu naší planety vydává elektromagnetické záření především v této části spektra.

Infračervené oblasti

Infračervený rozsah je často rozdělen do užších segmentů spektra. Německý ústav standardů DIN definoval následující vlnové délky infračervených paprsků:

• blízko (0,75-1,4 mikronů), běžně používaných v optickém spojení;
• krátká vlna (1,4-3 μm), od které se výrazně zvyšuje absorpce IR záření vodou;
• střední vlna, také nazývaná meziprodukt (3-8 mikronů);
• dlouhá vlna (8-15 mikronů);
• daleko (15-1000 mikronů).

Tento klasifikační schéma však není všude používáno. Například v některých studiích jsou uvedeny následující rozmezí: blízko (0,75-5 mikronů), média (5-30 mikronů) a dlouhé (30-1000 mikronů). Vlnové délky používané v telekomunikacích jsou rozděleny do samostatných pásem kvůli omezením detektorů, zesilovačů a zdrojů.

Obecná notace je odůvodněna lidskými reakcemi na infračervené paprsky. Oblast blízké infračervené oblasti je nejblíže vlnové délce viditelné lidskému oku. Průměrné a daleko infračervené záření se postupně odstraňuje z viditelné části spektra. Další definice sledují různé fyzikální mechanismy (jako jsou špičky emisí a absorpce vody) a ty nejnovější vycházejí z citlivosti použitých detektorů. Například konvenční křemíkové senzory jsou citlivé kolem 1050 nm a arsenid indium gallia se pohybuje od 950 nm do 1700 nm a 2200 nm.

Jasná hranice mezi infračerveným a viditelným světlem není definována. Lidské oko je mnohem méně citlivé na červené světlo, které překračuje vlnovou délku 700 nm, ale intenzivní záře (laser) je vidět až na 780 nm. Začátek rozsahu IR je definován různými standardy různými způsoby - někde mezi těmito hodnotami. To je obvykle 750 nm. Viditelné infračervené záření je proto možné v rozmezí 750-780 nm.

Označení v komunikačních systémech

Optická komunikace v blízké infračervené oblasti je technicky rozdělena do několika frekvenčních pásem. To je způsobeno odlišnými zdroje světla absorpční a vysílací materiály (vlákna) a detektory. Patří sem:

• O-rozsah 1,260 až 1,360 nm.
• E-rozsah 1,360 až 1,460 nm.
• S-rozsah 1,460 až 1,530 nm.
• Rozsah C 1 530 - 1 565 nm.
• L rozsah 1,565 až 1,625 nm.
• Rozsah U 1,625-1,675 nm.

Termografie

Termografií nebo tepelným zobrazováním je typ infračerveného obrazu objektů. Vzhledem k tomu, že všechna těla vysílají v infračerveném dosahu a intenzita záření se zvyšuje s teplotou, mohou být pro detekci a zachycení snímků použity speciální kamery s IR senzory. V případě velmi horkých objektů v blízké infračervené nebo viditelné oblasti se tato metoda nazývá pyrometrie.

Termografie je nezávislá na osvětlení viditelného světla. V důsledku toho je možné "vidět" prostředí i ve tmě. Zvláště teplé předměty, včetně lidí a teplokrevných zvířat, vyniknou dobře proti chladnějšímu pozadí. Infračervené fotografování krajiny zlepšuje zobrazení objektů v závislosti na přenosu tepla: modrá obloha a voda jsou téměř černé a zelené listy a kůže se živě projevují.

Historicky termografie byla široce využívána vojenskými a bezpečnostními službami. Kromě toho najde mnoho dalších způsobů využití. Například hoři používají k prohlédnutí kouřem, hledání lidí a nalezení ohňových bodů během požáru. Termografie může odhalit abnormální růst tkání a vady v elektronických systémech a obvodech v důsledku zvýšené produkce tepla. Elektrikáři, kteří obsluhují elektrické vedení, mohou detekovat přehřátí spojů a součástí, signalizovat poruchu a eliminovat potenciální nebezpečí. V případě porušení tepelné izolace mohou stavební specialisté zaznamenat úniky tepla a zvýšit účinnost chladicích nebo topných systémů. V některých high-end automobilech jsou instalovány tepelné snímače, které pomáhají řidiči. Pomocí termografických obrazů je možné kontrolovat některé fyziologické reakce u lidí a teplokrevných zvířat.

Vzhled a způsob provozu moderní termografické kamery se neliší od konvenčních videokamer. Schopnost vidět v infračerveném spektru je tak užitečnou funkcí, že možnost záznamu snímků je často dobrovolná a záznamový modul není vždy k dispozici.

Jiné obrázky

V infračervené fotografii se zachycuje blízký rozsah infračerveného záření pomocí speciálních filtrů. Digitální kamery zpravidla blokují infračervené záření. Nicméně, levné kamery, které nemají příslušné filtry jsou schopny "vidět" v blízké infračervené oblasti. V tomto případě obvykle neviditelné světlo vypadá jasně bílá. To je zvláště patrné při fotografování v blízkosti osvětlených infračervených objektů (například lamp), kde vzniklý šum vede k vyblednutí obrazu.

Za zmínku stojí i T-beam imaging, což je obrazová scéna v daleko terahertzovém rozsahu. Nedostatek jasných zdrojů způsobuje, že tyto obrazy jsou technicky složitější než většina ostatních IR zobrazovacích metod.

LED diody a lasery

Umělé zdroje infračerveného záření zahrnují kromě horkých objektů LED diody a lasery. První jsou malé, levné optoelektronické přístroje vyrobené z polovodičových materiálů, jako je arzenid gallium. Používají se jako optoizolátory a jako světelné zdroje v některých komunikačních systémech založených na optických vláknech. Vysokovýkonné opticky čerpané IR lasery pracují na bázi oxidu a oxidu uhelnatého. Používají se k iniciování a změně chemických reakcí a k oddělení izotopů. Kromě toho se používají v systému lidar pro určení vzdálenosti objektu. Zdroje infračerveného záření se používají také v dosahu automatických kamer s automatickým ostřením, bezpečnostních poplachů a optických zařízeních pro noční vidění.

IR přijímače

Infračervená detekční zařízení zahrnují zařízení citlivá na teplotu, jako jsou termočlánkové detektory, boolometry (některé jsou ochlazeny na teploty blízké absolutní nula snížit rušení od samotného detektoru), fotovoltaických článků a fotocitlivých článků. Ty jsou vyrobeny z polovodičových materiálů (například z křemíku a sulfidu olova), jejichž elektrická vodivost se zvyšuje při vystavení infračerveným paprskům.

Vytápění

Infračervené záření se používá pro vytápění - například pro vytápění saun a odstraňování ledu z křídlových letadel. Kromě toho se stále častěji používá k roztavení asfaltu při pokládání nových komunikací nebo při opravě poškozených oblastí. Infračervené záření může být použito při přípravě a ohřevu potravin.

Připojení

IR vlnové délky se používají k přenosu dat přes krátké vzdálenosti, například mezi periferie počítače a osobní digitální asistenti. Tato zařízení obvykle vyhovují standardům IrDA.

Infračervená komunikace se běžně používá v prostorách s vysokou hustotou obyvatelstva. To je nejběžnější způsob, jak dálkově ovládat zařízení. Vlastnosti infračervených paprsků neumožňují pronikání do stěn, a proto se neřídí s zařízením v sousedních místnostech. Navíc IR lasery se používají jako světelné zdroje v optických komunikačních systémech.

Spektroskopie

Infračervená spektroskopie je technologie, která se používá k určení struktury a složení (převážně) organických sloučenin studiem přenosu IR záření vzorky. Je založen na vlastnostech látek, které absorbují určité frekvence, které závisí na roztažení a ohýbání molekul vzorků.

Vlastnosti infračervené absorpce a emise molekul a materiálů poskytují důležité informace o velikosti, tvaru a chemickém spojení molekul, atomů a iontů v pevných látkách. Energie rotace a vibrace jsou kvantovány ve všech systémech. Infračervené záření energie hν emitované nebo absorbované danou molekulou nebo látkou je měřítkem rozdílu mezi určitými vnitřními energetickými stavy. Na druhou stranu jsou určeny atomovou hmotností a molekulárními vazbami. Z tohoto důvodu je infračervená spektroskopie účinným nástrojem pro určení vnitřní struktury molekul a látek nebo, pokud jsou tyto informace již známy a jsou v tabulce, jejich čísla. Metody IČ spektroskopie se často používají ke stanovení složení, a proto k původu a věku archeologických vzorků, jakož ik odhalování padělků uměleckých děl a jiných objektů, které při pohledu za viditelným světlem připomínají originály.

Výhody a poškození infračervených paprsků

Dlouhé vlnové infračervené záření se používá v medicíně k:

• normalizace krevního tlaku stimulací krevního oběhu;
• čištění těla solí těžkých kovů a toxinů;
• zlepšit krevní oběh a paměť mozku;
• normalizace hormonálního pozadí;
• udržovat rovnováhu vody a soli;
• omezení šíření hub a zárodků;
• úleva od bolesti;
• zmírnění zánětu;
• zlepšení imunity.

Infračervené záření může být zároveň škodlivé při akutním hnisavém onemocnění, krvácení, akutním zánětu, krevním onemocněním a maligním nádorům. Nekontrolovaná dlouhodobá expozice vede ke zčervenání kůže, popálení, dermatitidě, tepelnému mozku. Krátké vlnové infračervené paprsky jsou pro oči nebezpečné - mohou se objevit fotofobie, katarakta, zhoršení zraku. Proto je třeba pro vytápění použít pouze zdroje dlouhého vlnění.