Infravörös sugárzás (IR): definíció, tulajdonságok és alkalmazások

Infravörös sugárzás: áttekintés — definíció, fizikai tulajdonságok, hőképalkotás, távirányítók és ipari alkalmazások. Tudjon meg többet az IR működéséről és felhasználásáról.

Az infravörös (IR) sugárzás az elektromágneses sugárzás egy fajtája (elektromos hullám) . A hullám hosszabb, mint az ember által látható fény, és rövidebb, mint a mikrohullámok. Az infravörös szó a vörös alattit jelenti. A latin infra szóból (jelentése alatt) és az angol red szóból származik. (Az infravörös fény frekvenciája a vörös fény frekvenciája alatt van.) A vörös fény a leghosszabb hullámhosszú, amit az emberi szem lát. Az infravörös hullámokat a szem nem látja.

A közeli infravörös hullámok 800 nm és 1,4 µm között vannak. A Napból érkező infravörös hullámok többsége közeli infravörös. A hőképalkotás többnyire 8 és 15 µm közötti hősugárzási hullámokkal történik.

Az emberek az infravörös tartományt hőnek érzékelik.

A legtöbb távirányító infravörös jeleket használ a vezérlőjelek küldésére. Számos légvédelmi rakéta infravörös úton találja meg a célpontját.

Hullámhossz-tartományok és felosztás

Az infravörös spektrumot gyakran három-négy alcsoportra bontják, amelyek hozzávetőleges hullámhosszai:

• közeli infravörös (NIR): ~0,75–1,4 µm (750–1400 nm) — ide tartozik sok optikai kommunikációs és érzékelési alkalmazás;
• rövid hullámú infravörös (SWIR): ~1,4–3 µm;
• közép-infravörös (MIR): ~3–8 µm;
• hosszan hullámú / termikus infravörös (LWIR): ~8–15 µm — itt található a legtöbb hőképalkotó érzékelés;
• távoli (vagy far) infravörös: ~15 µm–1 mm, amely már átmegy a távoli termikus tartományba.

Frekvenciában ez hozzávetőlegesen néhány 10 THz-től több száz THz-ig terjed (a frekvencia f = c / λ alapján). Például 1 µm körül a frekvencia ~300 THz, míg 10 µm körül ~30 THz.

Források és spektrális jellemzők

Az infravörös sugárzást többféle forrás bocsátja ki:

• termikus sugárzás: minden test, amelynek hőmérséklete abszolút zérus felett van, bocsát ki IR-t (fekete test sugárzás). A test hőmérsékletétől függően más-más hullámhosszak dominálnak (Wien-törvény); például az emberi test sugárzása maximum körülbelül 9–10 µm körül van;
• nap: a Napból érkező sugárzás jelentős része a közeli infravörös tartományban található;
• elektromos források: IR-LED-ek (pl. távirányítókban ~850–940 nm), hősugaras izzók, infravörös gáz- és ellenállásfűtők;
• molekuláris átmenetek és vibrációk: infravörös spektroszkópia alapja, mivel a molekulák rezgési és forgási energiái az IR tartományba esnek.

Érzékelők és műszerek

Az infravörös detektálásra különböző technológiákat használnak a hullámhossztól és alkalmazástól függően:

• fényvezető félvezetők (Si, InGaAs) fotodiódái — főként NIR és SWIR tartományra;
• HgCdTe (MCT), InSb detektorok — MIR és MWIR alkalmazásokban;
• bolométerek és mikrobolométeres képrögzítők — LWIR termikus kamerákban, gyakran hőképalkotáshoz (nem hűtött mikrobolométerek a hétköznapi hőkamera-piacban elterjedtek);
• pyroelectric és termopile szenzorok — egyszerű, olcsó hőáramlás vagy sugárzásmérésre;
• FTIR (Fourier-transzformációs infravörös) spektrométerek — anyagok kémiai azonosítására és spektroszkópiára.

Alkalmazások

Az infravörös sugárzás széles körben használt különböző területeken:

• hőképalkotás és éjjellátás — katonai, biztonsági, épületdiagnosztika és mentési alkalmazások;
• távirányítók és rövid hatótávolságú adatátvitel — otthoni elektronikában a legtöbb távirányító IR LED-eket használ;
• hőkereső rakéták és többi infravörös célkövető rendszer — például számos légvédelmi rakéta alapú vezetése;
• orvosi alkalmazások — fizioterápia (IR-sugarak melegítő hatása), orvosi képalkotás és bőrdiagnosztika;
• közlekedés és ipar — hőmérséklet-ellenőrzés, anyagvizsgálat, automata vezérlő rendszerek;
• távérzékelés és földmegfigyelés — növényzet, talajnedvesség és hőmérsékleti térképezés;
• csillagászat — sok objektum infravörösben jobban látszik (por felől érkező fény, hidegebb objektumok);
• anyagvizsgálat és spektroszkópia — kémiai összetétel elemzése a molekuláris ujjlenyomatok alapján;
• optikai kommunikáció — optikai kábelekben gyakori működési hullámhosszak (pl. 850 nm, 1310 nm, 1550 nm) a NIR/SWIR tartományban.

Légköri hatások és ablakok

A légkör jelentősen befolyásolja az IR terjedését: bizonyos hullámhosszak erősen elnyelődnek a vízgőz, CO2 és más gázok által, míg más tartományok viszonylag áteresztőek. Emiatt fontos az úgynevezett atmoszferikus "ablakok" ismerete (például ~3–5 µm és ~8–14 µm), amelyekben a földi megfigyelés és a hőképalkotás hatékonyabb.

Biztonság és egészség

Az infravörös sugárzás nem ionizáló, tehát nem hasonlítható az UV vagy röntgensugárzással, de nagy intenzitás esetén termikus hatásai lehetnek:

• erős IR-expozíció hosszabb távon bőrt és szemszövetet melegíthet, így égési sérülésekhez vagy szemkárosodáshoz vezethet (a retina és a szaruhártya sérülései lehetségesek, különösen lézereknél);
• ipari és orvosi környezetben megfelelő védőeszközök (védőszemüveg, elhatárolás) és biztonsági előírások szükségesek;
• hétköznapi körülmények között a háztartási távirányítók vagy távoli infravörös források általában nem jelentenek egészségügyi kockázatot.

Rövid összefoglaló

Az infravörös sugárzás a látható fény és a mikrohullámok közötti tartomány, amelyet az emberi szem nem érzékel, de hőérzetként és műszeres mérésekkel jól mérhető. Széles körű alkalmazási területei vannak a mindennapi elektronikától az ipari és katonai rendszerekig, valamint fontos szerepet játszik a tudományos kutatásban és az orvostudományban. A légkör sajátságai és a különböző detektorok hatásfoka határozza meg, hogy mely hullámhosszak használhatók egy adott célra.

Kérdések és válaszok

K: Mi az az infravörös sugárzás?

K: Honnan származik az "infravörös" szó?

K: Az ember látja az infravörös hullámokat?

K: Milyen tartományban terjednek a közeli infravörös hullámok?

K: Mivel történik többnyire a hőkamerás képalkotás?

K: Hogyan érzékelik az emberek az infravörös sugarakat?

K: Mit használnak általában a távirányítókban vezérlőjelek küldésére?

Keresés betűvel