Інфрачерво́ні промені (від — нижче, скорочено ІЧ) — електромагнітні промені, що охоплюють спектральну ділянку між червоною межею видимого світла з довжиною хвилі λ = 700 нм (частота близько 430 ТГц) та мікрохвильовими променями з довжиною хвилі λ ~ 1 мм (частота близько 300 ГГц). Інфрачервоні промені часом називають інфрачервоним світлом.
Людське око не бачить інфрачервоних променів, органи чуття деяких інших тварин, наприклад, змій та кажанів, сприймають інфрачервоне проміння, що допомагає їм добре орієнтуватися в темряві.
Інфрачервоні промені також називають «тепловими променями» через залежність їхнього спектра й інтенсивності від температури, а також сприйняттям його шкірою людини як відчуття тепла. Довжини хвиль, які тіло випромінює, залежать від температури: що вища температура, то менша довжина хвилі й вища інтенсивність випромінювання. Отже, зі зростанням температури максимум інтенсивности випромінювання зміщується в бік коротших хвиль, тобто в напрямку видимого діапазону. Спектр випромінювання абсолютно чорного тіла за відносно невисоких (до декількох тисяч кельвінів) температур, лежить здебільшого саме в цьому проміжку. Збуджені атоми або йони також випускають інфрачервоні промені.
Детектори руху Детектори руху на основі інфрачервоних давачів сприймають інфрачервоні промені або, інакше кажучи, тепло. Особливим чином вигнута лінза Френеля збирає інфрачервоне проміння на піросенсорі детектора. Після цього зазвичай сигнал давача надходить до мікропроцесора, що перетворює його на цифрові дані. Під час аналізу даних, маючи дані про інтенсивність інфрачервоного випромінювання та рух джерела, програмні алгоритми можуть визначити характер об'єкту та його потенційної загрози.
Джерела інфрачервоного проміння Всі тіла, що мають вищу за абсолютний нуль температуру, випромінюють в інфрачервоному діапазоні.
Близько 50 % загальної інтенсивности випромінювання Сонця над поверхнею моря в сонячний день припадає на інфрачервоний діапазонІнфрачервоне проміння // .
Значна частка (від 70 до 80 %) енергії променів ламп розжарення з вольфрамовою ниткою припадає на інфрачервоні промені (їх можна використати, наприклад, для сушіння чи нагрівання). При інфрачервоному фотографуванні в темряві та в деяких приладах нічного бачення лампи для підсвічування обладнують інфрачервоним світлофільтром, який пропускає лише інфрачервоні промені. Потужне джерело інфрачервоних променів — вугільна електрична дуга з температурою ~3900 К, проміння якої близьке до проміння абсолютно чорного тіла, а також різні газорозрядні лампи (імпульсні та безперервного світіння). Для радіаційного обігрівання приміщень застосовують спіралі з ніхромового дроту, що нагріваються до температури ~950 К. Для кращої збирання інфрачервоних променів такі нагрівачі обладнують відбивачами.
У наукових дослідженнях, наприклад, для отримання спектрів інфрачервоного поглинання в різних ділянках спектра (інфрачервоній спектроскопії) застосовують спеціальні джерела інфрачервоних променів: стрічкові вольфрамові лампи (довжина хвилі λ = 0,76…2,5 мкм), штифт Нернста, глобар (λ = 2,5…25 мкм), платинова смужка, покрита тонким шаром оксидів деяких рідкісноземельних металів (λ = 20…100 мкм), ртутні лампи високого тиску (λ = 100…1600 мкм) тощо.
Промені деяких оптичних квантових генераторів — лазерів — також лежить в інфрачервоній ділянці спекта. Наприклад, промені лазера на неодимовому склі має довжину хвилі 1,06 мкм; лазера на суміші неону і гелію — 1,15 мкм і 3,39 мкм; лазера на вуглекислому газі — 9,12…11,28 мкм; лазера на парах води — 118,6 мкм; напівпровідникових лазерів: на GaAs — 0,83…0,92 мкм, на InSb — 4,8…5,3 мкм; хімічного лазера на суміші Н2 і Cl2 — 3,7…3,8 мкм тощо.
Класифікація за довжиною хвилі
В електромагнітному спектрі інфрачервоні промені обмежені з короткохвильового боку видимим світлом, а з довгохвильового боку — мікрохвильовими променями, що належать до радіочастотного діапазону. Межі діапазонів не є чітко визначеними.
Існує кілька стандартів класифікації інфрачервоних променів.
За визначенням Міжнародної комісії з освітлености за довжиною хвилі інфрачервоне проміння підрозділяють на три проміжки : IR-A — від 700 до 1400 нм, IR-B — від 1400 до 3000 нм, IR-C — від 3000 нм до 1 мм.
Перший із цих діапазонів, IR-A називають також ближніми інфрачервоними хвилями. Він визначається вікном у спектрі поглинання води і здебільшого використовується для оптоволоконних телекомунікацій, бо електромагнітні хвилі цього діапазону слабо поглинає скло.
За стандартом ISO 20473, інфрачервоне проміння поділяють на такі три проміжки: близькі інфрачервоні промені — від 780 до 3000 нм середні інфрачервоні промені — від 3000 до 50 000 нм далекі інфрачервоні промені — від 50 до 1000 мкм
В астрономії користуються такою класифікацією : близькі інфрачервоні промені — від 700 до 5000 нм середні інфрачервоні промені — від 5000 до (25-40) мкм далекі інфрачервоні промені — від (25-40) мкм до (200—350) мкм
Ще одна класифікація заснована на чутливості певного типу детекторівMiller, Principles of Infrared Technology (Van Nostrand Reinhold, 1992), and Miller and Friedman, Photonic Rules of Thumb, 2004. ISBN 978-0-442-01210-6:
Близькі інфрачервоні промені — це проміжок від 700 до 1000 нм, тобто від приблизної межі людського зору до діапазону кремнієвих детекторів. Короткохвильові інфрачервоні промені — ділянка довжин хвиль від 1 до 3 мікрон, тобто від межі чутливості кремнієвих детекторів до вікна прозорості атмосфери. Детектори на основі InGaAs покривають ділянку до 1,8 мікрон, всю цю ділянку покривають менш чутливі детектори на основі солей свинцю. Середньохвильові інфрачервоні промені — ділянка, що відповідає атмосферному вікну, від 3 до 5 мікрон. В цьому проміжку працюють детектори на основі , і почасти на основі . довгохвильові інфрачервоні промені — за різними означеннями ділянка довжин хвиль від 8 до 12 мкм, або від 7 до 14 мкм. Це проміжок атмосферного вікна, в якій працюють детектори на основі HgCdTe та . Дуже довгохвильові інфрачервоні промені — ділянка довжин хвиль від 12 до 30 мкм, де працюють детектори на основі легованого кремнію.
Методи виявлення та вимірювання інфрачервоного проміння Робота приймачів інфрачервоного проміння ґрунтується на перетворенні енергії інфрачервоного проміння на інші види енергії, які моюна виміряти традиційними методами. Існують теплові, фотоелектричні та фотохімічні приймачі інфрачервоних променів.
У теплових приймачах поглинуті інфрачервоні промені нагрівають теплочутливий елемент, і цей нагрів тим чи тим способом реєструють. Теплові приймачі можуть працювати практично в усьому інфрачервоному проміжку.
У фотоелектричних приймачах поглинуте інфрачервоне проміння приводить до з'явлення або змінення електричного струму чи напруги. Фотоелектричні приймачі, на відміну від теплових, вибіркові, тобто чутливими лише у певній ділянці спектра.
Багато з видів фотоелектричних приймачів інфрачервоних променів, особливо для середньої і далекої ділянок спектра, працюють лише в охолодженому стані. Як приймачі інфрачервоного проміння також використовують прилади, принцип роботи яких ґрунтується на підсиленні або послабленні люмінесценції під впливом інфрачервоних променів, а також так звані антистоксові люмінофори, що безпосередньо перетворюють інфрачервоні промені на видиме світло (люмінофор із йонами Yb та Er перетворює промені неодимового лазера з довжиною хвилі λ = 1,06 мкм у видиме світло з λ = 0,7 мкм).
До фотохімічних приймачів інфрачервоного проміння належать фотоплівки, фотопластинки (інфрапластинки) та інші фотоматеріали. Застосовують їх для вимірювання енергії променів за ступенем почорніння світлочутливого шару внаслідок фотохімічної реакції. Вони чутливі до променів із довжиною хвилі до 1,3 мкм.
Використання
Інфрачервона спектроскопія
Інфрачервона спектроскопія дає змогу отримати інформацію про структуру молекул і твердих тіл та типи атомних коливань у них. На інфрачервоний діапазон припадають частоти коливань атомів у молекулах і твердих тілах, а також, частково, частоти електронних переходів. В цій ділянці лежать ширини заборонених зон вузькозонних напівпровідників, що створює можливості для використання напівпровідникових речовин як детекторів інфрачервоного світла й джерел електромагнітних хвиль у телекомунікаційних приладах. Матеріали, такі як кремній мають невелику ширину забороненої зони, а тому прозорі тільки в інфрачервоній ділянці спектра. Відповідно, виготовлені на основі кремнію світлодіоди та лазери випромінюють тільки інфрачервоні хвилі. Інфрачервона спектроскопія особливо ефективна при дослідженні органічних речовини, оскільки частоти нормальних мод, що відповідають коливанням у радикалах на кшталт CH2 добре відомі.
Теплобачення
Одним із застосувань інфрачервоних променів є прилади нічного бачення, що реєструють теплове проміння навколишніх речей і перетворюють його на видиме зображення. У військовій техніці інфрачервоні промені використовують також для наведення ракет на літаки й гелікоптери.
Передавання даних Інфрачервоні світлодіоди і фотодіоди використовують у пультах віддаленого керування, системах автоматики, пожежних сповіщувачах, синхронізаторах фотоспалахів охоронних системах і т. д. Вони не відволікають увагу людини в силу своєї невидимості.
Сушіння та стерилізація Інфрачервоні випромінювачі застосовують у промисловості для сушіння лакофарбових поверхонь. Інфрачервоний метод сушіння має істотні переваги перед традиційним, конвекційним методом. У першу чергу це, безумовно, економічний ефект. Час роботи і витрачена енергія при сушінні інфрачервоними променями менше тих же показників при традиційних методах. Позитивним побічним ефектом так само є стерилізація харчових продуктів, збільшення стійкості до корозії поверхонь що покриваються фарбами. Недоліком же є істотно велика нерівномірність нагрівання, що в ряді технологічних процесів абсолютно неприйнятно. Особливістю застосування інфрачервоних променів у харчовій промисловості є можливість проникнення електромагнітної хвилі у такі капілярно-пористі продукти, як зерно, крупа, борошно тощо на глибину до 7 мм. Ця величина залежить від характеру поверхні, структури, властивостей матеріалу і частотної характеристики проміння. Електромагнітна хвиля певного частотного діапазону надає не тільки термічний, а й біологічний вплив на продукт, сприяє прискоренню біохімічних перетворень в біологічних полімерах (крохмаль, білок, ліпіди). Конвеєрні сушильні транспортери з успіхом можуть використовуватися при закладці зерна в зерносховища і в борошномельній промисловості.
Обігрівання Крім того, останнім часом інфрачервоні промені дедалі частіше починають застосовувати для обігрівання приміщень та вулиць. Інфрачервоні обігрівачі використовуються для організації додаткового або основного опалення у приміщеннях (будинках, квартирах, офісах і т. ін.), а також для локального обігріву вуличного простору (вуличні кафе, альтанки, веранди).
Парниковий ефект
Поглинання і повторне випромінювання інфрачервоного світла деякими газами є причиною парникового ефекту, що значно підвищує температуру поверхні планет, зокрема Землі.
Історична довідка Гіпотеза щодо існування невидимих «теплових» променів є досить стародавньою. Ще римський філософ-матеріаліст Тіт Лукерцій Кар до нашої ери, у своїй поемі «Про природу речей»Тіт Лукрецій Кар. Про природу речей. / Пер. А. Содомори. — К.: Дніпро, 1988. 192 с. писав: Так, може, й сонце, що в небі світильником сяє рожево, Мовби вповите вогнем — недосяжним для нашого ока Роєм розжеврених, та не позначених блиском пилинок, Що жароносну собою примножують променів силу. (I:608-611)
На такому філософському поетичному рівні уявлення про випромінювання залишалися аж до XVII ст., коли експеримент став складовою частиною науки та почалися дослідження теплового проміння. В останню чверть XVII ст. широке використання парових машин у металургії та хімічній промисловості, тісно пов'язаних з тепловими процесами, стимулювало розвиток вчення про теплоту та її перенесення.