來(lái)源：上海技術(shù)物理研究所　　 作者：黃志明　　 時(shí)間：2006-12-01 11:14:16　　 點(diǎn)擊數(shù)：1150

紅外線是介于可見(jiàn)光紅端與微波之間的電磁輻射，其波長(zhǎng)范圍從0.75微米至1000微米。為人眼不可見(jiàn)光線部分。自從1800年英國(guó)天文學(xué)家威·赫謝耳(W. Herschel)在研究太陽(yáng)光譜的熱效應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)以來(lái)，它在信息技術(shù)與通訊、保健與生命科學(xué)、國(guó)防與太空、科研與教育等領(lǐng)域中發(fā)揮出越來(lái)越重要的作用。
根據(jù)紅外輻射在地球大氣層中傳輸特性的不同，可分為：
近紅外：波長(zhǎng)范圍0.75～3微米
中紅外：波長(zhǎng)范圍3～6微米
遠(yuǎn)紅外：波長(zhǎng)范圍6～15微米
極遠(yuǎn)紅外：波長(zhǎng)范圍15～1000微米
四個(gè)波段。每一個(gè)波段的應(yīng)用都非常廣泛。下面分別作簡(jiǎn)單的介紹：
I．近紅外波段
近紅外波段在通訊、藥物檢測(cè)、資源探測(cè)等領(lǐng)域存在大量應(yīng)用。大家熟悉的是通訊用光纖，全球現(xiàn)正在以每秒1000米的速度鋪設(shè)。估計(jì)到2005年左右，跨洋光纖光纜將接近60萬(wàn)公里，足以繞地球15周。使得寬帶網(wǎng)絡(luò)和信息服務(wù)已成為我們生活中的一部分。
II. 中、遠(yuǎn)紅外波段
這兩個(gè)波段是目前使用得最多的紅外波段，在國(guó)防和民用上得到廣泛使用。如車庫(kù)、電梯門(mén)的安全傳感器、電視機(jī)遙控器、便攜式紅外溫度計(jì)、夜間起作用的光電電燈開(kāi)關(guān)、PC計(jì)算機(jī)到鍵盤(pán)及打印機(jī)的紅外耦合，以及在公共廁所中自動(dòng)開(kāi)關(guān)水龍頭的紅外開(kāi)關(guān)等。車庫(kù)門(mén)和電梯門(mén)通常采用一束不可見(jiàn)的紅外光，當(dāng)有人進(jìn)出時(shí)就能被探測(cè)，關(guān)門(mén)動(dòng)作就會(huì)停止。類似的電光眼還用于記錄校準(zhǔn)航跡、滑雪、賽跑等方面。電視機(jī)遙控器發(fā)射功率極低的編碼脈沖紅外光束，由電視機(jī)探測(cè)解讀為變換頻道等指令。紅外溫度計(jì)能測(cè)量人體的紅外熱發(fā)射從而推得病人的身體溫度，這在去年的“抗非典”戰(zhàn)斗中曾發(fā)揮了較大作用，那時(shí)我們可以看到機(jī)場(chǎng)、車站等公共場(chǎng)所匹配了各式各樣的紅外測(cè)溫裝置。根據(jù)天色開(kāi)關(guān)城市街燈的光電開(kāi)關(guān)已用了50多年。自動(dòng)紅外感應(yīng)傳感器已用在公共廁所中開(kāi)關(guān)水龍頭和抽水馬桶。其應(yīng)用當(dāng)然不只局限在上面的簡(jiǎn)單省事動(dòng)作上，它確實(shí)增加了對(duì)人類和自然的更深層的了解和利用：
1．在探測(cè)大氣中的很多氣體和污染物的應(yīng)用。由于通常每個(gè)化合物都有其特定的吸收譜，根據(jù)其是否存在及其濃度而擇優(yōu)吸收其中透過(guò)的光束的不同波長(zhǎng)。探測(cè)方法往往能實(shí)現(xiàn)遙測(cè)，因?yàn)楣馐蓮倪h(yuǎn)處射向物體，而其成分和此遠(yuǎn)方的場(chǎng)景周圍氣體的信息可從背散射光推得。實(shí)際上，在某些情形用光學(xué)遙感探測(cè)化合物的距離可從幾米直到幾百公里。這一能力大大改變了我們測(cè)量環(huán)境的途徑，在環(huán)境和大氣監(jiān)測(cè)領(lǐng)域取得巨大進(jìn)步。
(1)開(kāi)路氣體監(jiān)測(cè)：光學(xué)氣體監(jiān)測(cè)是用一束光（光束可達(dá)幾百米至幾公里）通過(guò)開(kāi)放的空氣或使之通過(guò)一采樣室，光線的選擇吸收使我們能探測(cè)到化合物的存在并且定量測(cè)定其濃度。通常是用一常規(guī)的光學(xué)攝譜儀或傅立葉變換紅外光學(xué)分光計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，用望遠(yuǎn)鏡將光束導(dǎo)向大氣?，F(xiàn)在開(kāi)路氣體監(jiān)測(cè)已經(jīng)用來(lái)探測(cè)來(lái)自環(huán)境工業(yè)污染源的有機(jī)化合物、廢氣等，收集生產(chǎn)化學(xué)品、生物制劑或核材料的證據(jù)。
(2)激達(dá)（激光雷達(dá)）遙感：激達(dá)是用一束激光在十米至幾公里之外指向遠(yuǎn)處的靶標(biāo)、煙霧層或氣體云，并根據(jù)背散射光的探測(cè)推得云層或靶標(biāo)的距離與組成。加上光譜波長(zhǎng)控制，可調(diào)諧的激達(dá)能探測(cè)到并圖示大氣或煙塵中的臭氧、水汽和其它污染氣體。如靈敏度高的激達(dá)已經(jīng)用來(lái)標(biāo)示來(lái)自圣海倫斯火山和皮那圖波火山噴出的火山灰云層的全球性運(yùn)動(dòng)。機(jī)載激達(dá)系統(tǒng)已用來(lái)描繪出洛杉磯盆地上空煙霾密度的距離分辨圖。激達(dá)和開(kāi)路光學(xué)光譜儀結(jié)合使用探測(cè)尾氣，給出氣體流量。激達(dá)還有一重要的應(yīng)用，就是測(cè)車速的警用激達(dá)。激達(dá)超過(guò)雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)是，由于激光束很細(xì)，能從很多汽車中選出一輛，測(cè)量到車輛的距離，精確度可達(dá)幾厘米。但由于激達(dá)儀器價(jià)格仍然較貴，目前更多的是應(yīng)用于研究而不是商用。另外，應(yīng)用激達(dá)時(shí)對(duì)人眼的安全性一直備受關(guān)注，通常解決的辦法是增加向大氣發(fā)射的激光束斑的尺寸，這樣即使眼睛直接看到，其強(qiáng)度也在人眼允許的安全值以下。
(3)光學(xué)環(huán)境生物傳感器：將光激活的生物感受器和光電探測(cè)器結(jié)合起來(lái)，做成新型的光學(xué)生物傳感器。當(dāng)存在痕量的已知的化學(xué)或生物物質(zhì)時(shí)，生物傳感器的材料會(huì)改變其顏色或其它光學(xué)性質(zhì)，對(duì)于許多環(huán)境化學(xué)物和生物制劑，都能提供極佳的特異性和靈敏度。這類光學(xué)生物傳感器材料大多都用酶、DNA、抗體基熒光標(biāo)記或其它生物傳感器，或是當(dāng)存在特定物質(zhì)時(shí)能改變其顏色或熒光的光激活生物制劑。將生物傳感器放在光纖探頭或波導(dǎo)的末端作為儀器的感知端，也有使用帶有化學(xué)滲透膜的化學(xué)微腔。這些技術(shù)已在制藥業(yè)用來(lái)制作測(cè)試盒，也作為DNA探針用于聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

2. 在執(zhí)法和保安方面起重要作用。它們用在邊境巡邏夜視儀上，用于看守監(jiān)視方面，用于保安警報(bào)的移動(dòng)傳感器，還用在犯罪現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)物理標(biāo)本。
(1)普通家庭和單位的保安監(jiān)視系統(tǒng)要在偏僻的地方放置電視攝像機(jī)。美國(guó)邊境巡邏隊(duì)對(duì)邊境的光學(xué)監(jiān)控主要靠熱成像系統(tǒng)和夜視鏡。新一代CCD與嶄新的微道平板技術(shù)也將使警察手提式夜間工作的可視性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能增強(qiáng)。采用不可見(jiàn)的紅外搜索光和攝像機(jī)在夜間找人，用人眼視網(wǎng)膜“貓眼”回波來(lái)發(fā)現(xiàn)潛在的阻擊手。普通家用保安報(bào)警的移動(dòng)傳感器采用紅外探測(cè)器，能在室溫背景中察覺(jué)較為溫?zé)崛梭w的運(yùn)動(dòng)，再用新型室溫紅外攝像機(jī)以確定盜賊的實(shí)際位置。
(2)一直以來(lái)就設(shè)想光學(xué)與激光傳感器可用來(lái)探測(cè)毒品和炸藥，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室中激光引致的熒光和頻率調(diào)制光譜探測(cè)技術(shù)已用于探測(cè)極少量的氣體和分子物質(zhì)。然而，實(shí)際上當(dāng)有其它化學(xué)物質(zhì)或日常環(huán)境背景通常有的化合物存在時(shí)，這類技術(shù)探測(cè)微量或痕量毒品或炸藥的靈敏度就大為降低。但有研究用專門(mén)的噴劑，當(dāng)與毒品和炸藥接觸時(shí)會(huì)形成有顏色的化合物，以探測(cè)其存在和濃度。也有可能使用紅外輻射計(jì)技術(shù)，因?yàn)榕c其周圍比較，炸藥具有不同的熱容量而能探測(cè)到。
(3)往往最重要的是找到毒品生產(chǎn)場(chǎng)所。理論上可以應(yīng)用光學(xué)與激光遙感技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。用微分吸收光探測(cè)、定距，或用超光譜成像的辦法來(lái)探測(cè)毒品工廠的化學(xué)溶劑與反應(yīng)物廢料，從而予以識(shí)別。隱藏在樹(shù)林或偽裝內(nèi)設(shè)施的物理位置能用緊湊的機(jī)載多光譜成像器或用激光探測(cè)定距搜尋器探測(cè)，但這一器件的靈敏度還未達(dá)到實(shí)際遙感監(jiān)測(cè)所需要的探測(cè)水平，這方面努力正在進(jìn)行。

3. 在國(guó)防和空間探索中的應(yīng)用。在第二次世界大戰(zhàn)之后的年代里，配備有夜視能力的美國(guó)軍人和戰(zhàn)斗設(shè)施就因此占據(jù)了無(wú)與倫比的戰(zhàn)術(shù)優(yōu)勢(shì)，美國(guó)武裝力量基本上“控制了夜晚”，從而能在最有力的條件下戰(zhàn)斗。夜視上裝置FLIR（前視紅外），用探測(cè)器焦平面列陣FPA以各種各樣的格式在戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)術(shù)性應(yīng)用。第一個(gè)夜視器件要用加冷卻的探測(cè)器以便獲得探測(cè)熱輻射所要求的靈敏度。最現(xiàn)代化的FLIR使用碲鎘汞（HgCdTe或MCT），因?yàn)槠浣M分可以變化以便探測(cè)紅外譜的不同區(qū)段，而且三個(gè)組元都能以高純度大量生產(chǎn)。加冷卻的探測(cè)器的特征是吸收光子激發(fā)電子（光電探測(cè)器）并使信號(hào)在芯片上處理，然后用常規(guī)方法顯示影像?；A(chǔ)性材料研究推動(dòng)著發(fā)展進(jìn)展，以低成本作批量生產(chǎn)的液相外延材料替代質(zhì)量不好的塊材。下幾代探測(cè)器可運(yùn)用分子束外延或靈巧的FPA，并由專門(mén)設(shè)計(jì)的讀出集成電路以提供多功能單元。夜視系統(tǒng)早期應(yīng)用主要集中在坦克靶標(biāo)探測(cè)和導(dǎo)彈制導(dǎo)。隨著科技的進(jìn)步和靈敏度的提高，飛機(jī)和直升飛機(jī)也開(kāi)始靠FLIR來(lái)搜索靶標(biāo)和導(dǎo)航。如今靈敏度更高的FLIR也在研發(fā)之中，用以探測(cè)遠(yuǎn)程威脅，稱為紅外尋蹤。低成本的FLIR的進(jìn)展使士兵能在夜間單獨(dú)駕車行駛。在“標(biāo)槍”和“毛刺”式這類導(dǎo)彈的制導(dǎo)裝置中安裝了最為緊湊的紅外成像系統(tǒng)。對(duì)于消耗性的炸彈制導(dǎo)類應(yīng)用，極低的成本是很重要的，但性能也因此被局限于短程尋靶。
FLIR產(chǎn)品最近的突破是發(fā)生在非制冷的探測(cè)器領(lǐng)域。非制冷探測(cè)器的探測(cè)方法有三種：（1）電阻輻射熱測(cè)定型；（2）熱電型；（3）溫差電型。非制冷探測(cè)器應(yīng)用硅的微結(jié)構(gòu)，在硅襯底上沉積一層薄膜材料，材料吸收紅外輻射引起的溫度上升會(huì)使薄膜材料的性質(zhì)發(fā)生變化。非制冷探測(cè)器能使靈敏度達(dá)到足以在1公里之外成像的水平，材料的進(jìn)步還會(huì)提高這一水平。非制冷探測(cè)器無(wú)需冷卻裝置，成本比制冷探測(cè)器低得多。探測(cè)器的尺寸與可生產(chǎn)性與士兵熱武器視覺(jué)及駕駛車輛等方面相關(guān)，最終目的是優(yōu)化改進(jìn)性能而應(yīng)用于導(dǎo)彈上。
最近，美宇航局科學(xué)家稱，“勇氣”號(hào)是迄今美國(guó)發(fā)射的最尖端的火星探測(cè)裝置，其頂部的桅桿式結(jié)構(gòu)上裝有全景照相機(jī)及具有紅外探測(cè)能力的微型熱輻射分光計(jì)。它們的位置與人眼高度相當(dāng)，可以幫助科學(xué)家們確定火星上哪些巖石和土壤區(qū)域最有探測(cè)價(jià)值。這臺(tái)儀器能對(duì)火星表面巖石和土壤的溫度及構(gòu)成等進(jìn)行分析，它已成功地在火星車著陸區(qū)觀測(cè)到碳酸鹽礦物存在的蹤跡。 幾乎同時(shí)，歐洲科學(xué)家利用在環(huán)火星軌道上運(yùn)行的“火星快車”攜帶的紅外攝像機(jī)，對(duì)火星南極的水汽進(jìn)行了分析。

III. 極遠(yuǎn)紅外波段
該紅外波段是發(fā)展最不成熟的階段，基于它在生物組織和掩埋物體檢測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用前景，這就是最近發(fā)展起來(lái)的特拉赫茲(THz)技術(shù)。最近發(fā)明的用固體激光產(chǎn)生超短脈沖方法，使之快速發(fā)展成為可能。在技術(shù)發(fā)展中，超快激光的光學(xué)材料和飛秒脈沖處理器件的研究起著關(guān)鍵的作用。用于不同波長(zhǎng)的新型激光晶體，改良的非線型材料，新的有源非線性纖維器件，以及對(duì)光和物質(zhì)相互作用的更好理解，這些對(duì)培育技術(shù)的成功并擴(kuò)大它的影響仍是需要的。

綜上所述，紅外光雖為我們所不見(jiàn)，但其應(yīng)用卻是隨處可見(jiàn)，它在軍事和民用等方面做出了很大的貢獻(xiàn)。同時(shí)它自身也在不斷發(fā)展和拓廣，它會(huì)逐漸成為我們生活中不可缺少的一部分。