Источники инфракрасного излучения: виды, применение. Об инфракрасном излучении

17.10.2019

Открытие инфракрасного излучения
Виды теплообмена
Физические свойства
Диапазон ИК волн благоприятных для человека

Английский исследователь Гершель У. в 1800 году в процессе изучения солнечного света установил, что в Солнечных лучах при разложении их на отдельные спектры при помощи призмы за границей красного видимого спектра, происходит повышение показаний термометра. Термометр, размещенный в этой области, показал большую температуру, чем поверочный термометр. Позже установили, что свойства этих лучей поддаются законам оптики, выходит, имеют одинаковую природу, с световым излучением. Таким образом, было открыто инфракрасное излучение.

Уточним, каким образом горячие предметы отдают тепло окружающим их объектам:
теплопередачей (теплообмен между телами при контакте или через разделитель),
конвекцией (передача тепла теплоносителем, жидкостью или газом от источника тепла, к более холодным предметам)
тепловым излучением (поток электромагнитного излучения в конкретном диапазоне длины волны, излучаемое веществом на основе его внутренней избыточной энергии).

Все объекты окружающего нас материального мира это источники и одновременно поглотители теплового излучения.
Тепловое излучение, основой которого являются инфракрасные лучи - это поток электромагнитных лучей, которые удовлетворяют законам оптики, имеют одинаковую природу со световым излучением. ИК-луч расположен между красным воспринимаемым человеком светом (0.7 мкм) и коротковолновым радиоизлучением (1 - 2 мм). К тому же, ИК-область спектра делят на коротковолновую (0.7 - 2 мкм), средневолновую (от 2 до 5.1 мкм), длинноволновую (5.1 - 200 мкм). Инфракрасные лучи испускают все вещества жидкие и твердые, при этом от температуры вещества зависит длина излучаемой волны . При более высокой температуре, длина волны излучаемая веществом короче, но больше интенсивность излучения.

В диапазоне длинноволнового излучения (от 9 до 11 мкм) находится наиболее благоприятное тепловое излучение для человека . Длинноволновые излучатели, обладают более низкой температурой поверхности излучения, их характеризуют темными - при низкой температуре поверхности они не светятся (до 300°С). Средневолновые излучатели с более высокой температурой поверхности, характеризуют серыми, с максимальной температурой тела излучают короткие волны, их называют белыми или светлыми.

Подтверждение советскими ученными

Физические свойства инфракрасного излучения

Для инфракрасных лучей существует ряд отличий от оптических свойств видимого света. (прозрачность, коэффициент отражения, коэффициент преломления) К примеру ИК-излучения имеющего длину волны более 1 мкм, поглощаются водой в слое 1-2 см, по этому вода в некоторых случаях используется как теплозащитный барьер. Лист кремния непрозрачен в видимой области, но прозрачен в инфракрасной. Ряд металлов имеет рефлекторные качества которые для инфракрасного излучения выше, чем для воспринимаемого человеком света, вдобавок существенно улучшаются их свойства с увеличением показателя длины волны излучения. А именно, показатель отражения Al, Au, Ag при волне длиной около 10 мкм приближается к 98% . Учитывая эти свойства материалов, их используют при производстве инфракрасного оборудования . Прозрачные для инфракрасных лучей материалы - в качестве излучателей инфракрасного излучения (кварц, керамика), материалы имеющие высокую способностью к отражению лучей - в качестве рефлекторов, позволяющих сфокусировать ИК-излучение в нужном направлении (преимущественно алюминий).

Также важно знать о свойствах поглощения и рассеяния инфракрасного излучения. Сквозь воздух инфракрасные лучи распространяются практически беспрепятственно. А именно, молекулы азота и кислорода сами по себе инфракрасные лучи не поглощают, а только незначительно рассеивают, уменьшая интенсивность. Водяной пар, озон, углекислый газ, а также другие примеси, находящиеся в воздухе, абсорбируют инфракрасное излучение: водяной пар - практически во всей инфракрасной области спектра, углекислый газ - в средней части инфракрасной области. Присутствие в воздухе мелких частиц - пыли, дыма, мелких капель жидкостей приводит к ослаблению силы инфракрасного излучения в результате рассеяния его на этих частицах.

Перевод Дмитрия Викторова

Аббревиатура: ИК излучение
Определение: невидимое излучение с длинами волн примерно от 750 нм до 1мм.

Инфракрасное излучение - это излучение с длиной волны больше чем 700 - 800 нм, верхняя граница видимого диапазона длин волн. Эта граница не определяет, как снижается чувствительность глаза к видимому излучению в данной спектральной области.

Несмотря на то, что чувствительность глаза к видимому излучению, например, при 700 нм уже очень слабая, излучение от некоторых лазерных диодов с длиной волны выше 750 нм все равно можно увидеть, если это излучение достаточно интенсивно. Такое излучение может быть вредно для глаз, даже если оно не воспринимается как очень яркое. Верхний предел инфракрасной области спектра с точки зрения длины волны также четко не определен, под ним обычно понимается примерно 1 мкм.

Для того, чтобы "видеть" в инфракрасном свете, используются приборы ночного видения .

Для областей инфракрасного спектра используется следующая классификация:

- ближняя инфракрасная область спектра (также называется ИК-A) составляет ~ от 700 до 1400 нм. Лазеры, излучающие в этом диапазоне длин волн, особенно опасны для глаз, так как ближнее инфракрасное излучение передается и фокусируется на чувствительной сетчатки так же, как видимый свет, в то же время не вызывает защитного рефлекса моргания. Необходима соответствующая защита для глаз.
- коротковолновый инфракрасный (ИК-B) распространяется от 1,4 до 3 мкм . Этот диапазон является относительно безопасным для глаз, так как такое излучение будет поглощено веществом глаза прежде, чем оно сможет достичь сетчатки. Легированные эрбием волоконные усилители для оптоволоконной связи работают в этом диапазоне.
- средневолновый инфракрасный диапазон (ИК-C) от 3 до 8 мкм . Атмосфера испытывает сильное поглощение в этом диапазоне. Существует много линий поглощений, например, для двуокиси углерода (CO2) и водяного пара (H2O). Многие газы обладают сильными и характерными линиями поглощения среднего ИК излучения, что делает эту область спектра интересной для высокочувствительной газовой спектроскопии.
- длинноволновый ИК варьируется от 8 до 15 мкм , следуя за дальним инфракрасным, который распространяется до 1 мм, в литературе иногда он начинается уже с 8 мкм. Длинноволновую ИК область спектра используют для тепловидения.

Однако следует отметить, что определения этих терминов существенно различаются в литературе. Большая часть стекол прозрачна для ближнего инфракрасного излучения, но сильно поглощает излучение больших длин волн, при этом фотоны этого излучения могут быть напрямую превращены в фононы. Для кварцевого стекла, используемого в кварцевых волокнах, сильное поглощение происходит после 2 мкм.

Инфракрасное излучение также называется тепловым излучением, так как тепловое излучение от нагретых тел находится в большей степени в инфракрасной области. Даже при комнатной температуре и ниже, тела выделяют значительное количество среднего и дальнего инфракрасного излучения, который может быть использован для тепловидения.
Например, инфракрасные изображения нагретого зимой дома могут выявить утечки тепла (например, на окнах, крыше, или в плохо изолированных стенах за радиаторами) и тем самым помогают принять эффективные меры по улучшению.

По материалам интернет-портала

Умеем делать? Не-а.

Мы все привыкли к тому, что цветы красные, черные поверхности не отражают свет, кока-кола непрозрачная, горячим паяльником нельзя ничего осветить как лампочкой, а фрукты можно легко отличить по их цвету. Но давайте представим на минутку, что мы может видеть не только видимый диапазон(хи-хи), но и ближний инфракрасный. Ближний инфракрасный свет - это вовсе не то, что можно увидеть в тепловизоре . Он скорее ближе в видимому свету, чем к тепловому излучению. Но у него есть ряд интересных особенностей - часто совершенно непрозрачные в видимом диапазоне предметы отлично просвечиваются в инфракрасном свете - пример на первой фотографии.
Черная поверхность плитки прозрачна для ИК, и с помощью камеры, у которой снят с матрицы фильтр можно рассмотреть часть платы и нагревательный элемент.

Для начала - небольшое отступление. То, что мы называем видимым светом - всего лишь узкая полоска электромагнитного излучения .
Вот, например я упер с википедии такую картинку:

Мы просто не видим ничего кроме этой маленькой части спектра. И фотоаппараты, которые делают люди - изначально кастрированы, чтобы добиться похожести фотоснимка и человеческого зрения. Матрица фотоаппарата способна видеть инфракрасный спектр, но специальным фильтром(он называется Hot-mirror) эта возможность убирается - иначе снимки будут выглядеть несколько непривычно для человеческого глаза. А вот если этот фильтр убрать…

Камера

Подопытным выступил китайский телефон, который изначально предназначался для обзора. К сожалению, выяснилось что радиочасть у него жестоко глючит - то принимает, то не принимает звонки. Само-собой, писать я про него не стал, но китайцы не захотели ни выслать замену, ни забрать этот. Так он остался у меня.
Разбираем телефон:

Вытаскиваем камеру. Паяльником и скальпелем аккуратно отделяем фокусировочный механизм(сверху) от матрицы.

На матрице должно быть тонкое стеклышко, возможно с зеленоватым или красноватым отливом. Если там его не - посмотрите на часть с «объективом». Если нет и там, то скорее всего все плохо - оно напылено на матрицу или на одну из линз, и снять ее будет более проблематично, чем найти нормальную камеру.
Если оно есть - нам надо его как можно более аккуратно снять, не повредив матрицу. У меня оно треснуло при этом, и пришлось долго выдувать осколки стекла с матрицы.

К сожалению, я потерял свои фотки, поэтому покажу фотку irenica из ее блога , которая делала тоже самое, но с веб-камерой.

Вот тот осколок стекла в углу - как раз и есть фильтр. Был фильтр.

Собираем все обратно, учитывая то, что при изменении зазора между объективом и матрицей камера не сможет правильно сфокусироваться - у вас получится или близорукая, или дальнозоркая камера. Мне потребовалось три раза собрать-разобрать камеру, чтобы добиться корректно работы механизма автофокуса.

Вот теперь можно окончательно собрать телефон, и начать исследовать этот новый мир!

Краски и вещества

Кока-кола внезапно стала полупрозрачной. Сквозь бутылку проникает свет с улицы, а через стакан видны даже предметы в комнате.

Плащ из черного стал розовым! Ну, кроме пуговиц.

Черная часть отвертки тоже посветлела. А вот у телефона эта участь постигла только кольцо джойстика, остальная часть покрыта другой краской, которая ИК не отражает. Так же как и пластик док-станции для телефона на заднем плане.

Таблетки из зеленых превратились в сиреневые.

Оба кресла в офисе тоже превратились из готично-черных в непонятные цветные.

Искусственная кожа осталась черной, а ткань - оказалось розовой.

Рюкзаку(он есть на заднем плане предыдущей фотки) стало еще хуже - он практически весь стал сиреневым.

Как и сумка для фотоаппарата. И обложка электронной книги

Коляска из синий превратилась в ожидаемо-фиолетовую. А световозвращающая нашивка, хорошо видимая в обычную камеру совсем не видна в ИК.

Красная краска, как близкая к нужной нам части спектра, отражая красный свет, захватывает и часть ИК. В итоге красный цвет заметно светлеет.

Причем таким свойством обладает все красная краска, что я замечал.

Огонь и температура

Еле тлеющая сигарета выглядит в ИК как очень яркая точка. Стоят ночью люди на остановке с сигаретами - а их кончики освещают им лица.

Зажигалка, свет которой на обычной фотографии вполне сравним с фоновым освещением в ИК режиме перекрыла жалкие потуги фонарей на улице. На фотографии даже не видно фона - умный фотоаппарат отработал изменение яркости, уменьшив экспозицию.

Паяльник при разогреве светится как небольшая лампочка. А в режиме поддержания температуры имеет нежно-розовый свет. А еще говорят что пайка не для девушек!

Горелка выглядит практически одинаково - ну разве что факел чуть дальше(на конце температура падает довольно быстро, и на определенном этапе уже перестает светить в видимом свете, но еще светит в ИК).

А вот если нагреть горелкой стеклянную палочку - стекло начнет светиться в ИК довольно ярко, и палочка будет выступать волноводом(яркий кончик)

Причем палочка будет светиться довольно долго и после прекращения нагрева

А фен термовоздушной станции вообще выглядит как фонарик с сеточкой.

Лампы и свет

Буква М на входе в метро горит гораздо ярче - в ней все еще используются лампы накаливания. А вот вывеска с название станции почти не изменила яркость - значит там люминесцентные лампы.

Двор ночью выглядит немного странно - сиреневая трава и гораздо светлее. Там, где камера в видимом диапазоне уже не справляется и вынуждена повышать исо(зернистость в верхней части), камере без ИК фильтра хватает света с запасом.

На этой фотографии получилась забавная ситуация - одно и то же дерево освещают два фонаря с разными лампами - слева лампой НЛ (оранжевая уличная), а справа - светодиодной. У первой в спектре излучения есть ик, и поэтому на фотографии листва под ней выглядит светлофиолетовой.

А у светодиодной нет ИК, а только видимый свет(поэтому лампы на светодиодах более энергоэффективны - энергия не тратится на излучение ненужного излучения, которое человек все равно не увидит). Поэтому листве приходится отражать то, что есть.

А если посмотреть на дом вечером, то можно заметить, что разные окна имеют разный оттенок - одни ярко-фиолетовые, а другие желтые или белые. В тех квартирах, чьи окна светятся фиолетовым(голубая стрелка) до сих пор используют лампы накаливания - горячая спираль светит всем подряд равномерно по всему спектру, захватывая и УФ и ИК диапазон. В подъездах используются энергосберегающие лампы холодного белого света(зеленая стрелка), а в части квартир - люминесцентные теплого света(желтая стрелка).

Восход. Просто восход.

Закат. Просто закат. Интенсивности солнечного света недостаточно для тени, а вот в инфракрасном диапазоне(может из-за разного преломления света с разной длинной волны, или из-за проницаемости атмосферы) тени видны отлично.

Занимательно. У нас в коридоре одна лампа сдохла и свет еле-еле, а вторая - нет. В инфракрасном свете наоборот - дохлая лампа светит гораздо ярче, чем живая.

Домофон. Точнее, штука рядом с ним, которая с камерами и подсветкой, которая включается в темноте. Она такая яркая, что видна и на обычную камеру, но для инфракрасной - это почти прожектор.

Подсветку можно включить и днем, закрыв пальцем датчик освещения.

Подсветка видеонаблюдения. У самой камеры подсветки не было, поэтому ее сколхозили из говна и палок. Она не очень яркая, потому что снята днем.

Живая природа

Волосатый киви и зеленый лайм по цвету почти не отличаются друг от друга.

Зеленые яблоки стали желтыми, а красные - ярко-сиреневыми!

Белые перцы стали желтыми. А привычные зеленый огурцы - каким-то инопланетным фруктом.

Яркие цветки стали практически однотонными:

Цветок почти не отличается по цвету от окружающей травы.

Да и яркие ягоды на кусте стало очень трудно увидеть в листве.

Да что ягоды - даже разноцветная листва стала однотонной.

Короче, выбрать фрукты по их цвету уже не получится. Придется спрашивать продавца, у него-то нормальное зрение.

Но почему на фотографиях все розовое?

Для ответа на этот вопрос нам придется вспомнить строение матрицы фотоаппарата. Я опять спер картинку из википедии.

Это фильтр байера - массив фильтров окрашенных в три разных цвета, расположенных над матрицей. Матрица воспринимает весь спектр одинаково, и только фильтры помогают построить полноцветную картинку.
Но инфракрасный спектр фильтры пропускают неодинаково - синие и красные больше, а зеленые меньше. Камера думает, что вместо инфракрасного излучения на матрицу попадает обычный свет и пытается формировать цветную картинку. На фотографиях, где яркость ИК-излучения минимальна обычные цвета еще пробиваются - на фотографиях можно заметить оттенки цветов. А там, где яркость большая, например на улице под ярким солнцем - ИК попадает на матрицу именно в той пропорции, которую пропускают фильтры, и которое образует розовый или фиолетовый цвет, забивая своей яркостью всю остальную цветовую информацию.
Если фотографировать с надетым на объектив фильтром - пропорция цветов получается другой. Например вот такой:

Эту картинку я нашел в сообществе ru-infrared.livejournal.com
Там же еще куча картинок снятых в инфракрасном диапазоне. Зелень на них белая потому, что ББ выставляется как раз по листве.

Но почему растения получаются такими яркими?

На самом деле, этот вопрос состоит из двух - почему зелень выглядит ярко и почему фрукты яркие.
Зелень яркая потому что в инфракрасной части спектра поглощение минимально(а отражение - максимально, что и показывает график):

Виновен в этом хлорофил. Вот его спектр поглощения:

Скорее всего это связано с тем, что растение защищается от высокоэнергетического излучения, подстраивая спектры поглощения таким образом, чтобы получить и энергию для существования и не быть засушенным от слишком щедрого солнца.

А это спектр излучения солнца(точнее, той части солнечного спектра, который достигает земной поверхности):

А почему ярко выглядит фрукты?

У плодов в кожуре зачастую нет хлорофилла, но тем не менее - они отражают ИК. Ответственно за это вещество, которое называется эпикутикулярный воск - тот самый белый налет на огурцах и сливах. Кстати, еспи погуглить «белый налет на сливах», то результатами будет что угодно, но только не это.
Смысл в этом примерно такой же - надо и окраску сохранить, которая может быть критична для выживания, и не дать солнцу высушить плод еще на дереве. Сушеный чернослив на деревьях это, конечно, отлично, но немного не вписывается в жизненные планы растения.

Но блин, почему рака-богомола?

Сколько я не искал, какие животные видят инфракрасный диапазон, мне попадались только раки-богомолы(ротоногие). Вот такие лапочки:

Кстати, если вы не хотите пропустить эпопею с чайником или хотите увидеть все новые посты нашей компании, вы можете подписаться на на странице компании (кнопка «подписаться»)

Теги: Добавить метки

Инфракрасное излучение является естественным природным видом излучения. Каждый человек ежедневно подвергается его действию. Огромная часть энергии Солнца поступает на нашу планету именно в виде ИК-лучей. Однако в современном мире существует множество приборов, в которых задействовано инфракрасное излучение. На организм человека оно может воздействовать различным образом. Во многом это зависит от типа и целей использования этих самых приборов.

Что это такое

Инфракрасное излучение, или ИК-лучи, - это вид электромагнитного излучения, занимающий спектральную область от красного видимого света (для которого характерна длина волны 0,74 мкм) до коротковолнового радиоизлучения (с длиной волны 1-2 мм). Это довольно обширная область спектра, поэтому ее дополнительно подразделяют на три области:

ближний (0,74 - 2,5 мкм);
средний (2,5 - 50 мкм);
дальний (50-2000 мкм).

История открытия

В 1800 году ученый из Англии В. Гершель сделал наблюдение, что в невидимой части солнечного спектра (за пределами красного света) повышается температура термометра. Впоследствии была доказана подчиненность инфракрасного излучения законам оптики и сделан вывод о его родстве с видимым светом.

Благодаря трудам советского физика А. А. Глаголевой-Аркадьевой, в 1923 году получившей радиоволны с λ=80 мкм (ИК-диапазон), было экспериментально доказано существование непрерывного перехода от видимого излучения к ИК-излучению и радиоволновому. Таким образом, был сделан вывод об их общей электромагнитной природе.

Практически все в природе способно испускать длины волн, соответствующих инфракрасному спектру, а значит, является Тело человека не является исключением. Все мы знаем, что все вокруг состоит из атомов и ионов, даже человек. А эти возбужденные частицы способны испускать Переходить в возбужденное состояние они могут под действием различных факторов, например электрических разрядов или при нагревании. Так, в спектре излучения пламени газовой плиты имеется полоса с λ=2,7 мкм от молекул воды и с λ=4,2 мкм от углекислого газа.

ИК-волны в быту, науке и промышленности

Используя дома и на работе те или иные приборы, мы редко задаемся вопросом о влиянии инфракрасного излучения на организм человека. Между тем довольно популярными сегодня являются ИК-обогреватели. Принципиальным их отличаем от масляных радиаторов и конвекторов является способность нагревать не сам воздух непосредственно, а все объекты, находящиеся в помещении. То есть сначала нагреваются мебель, полы и стены, а затем они отдают свое тепло в атмосферу. При этом оказывает действие инфракрасное излучение и на организмы - человека и его питомцев.

Также широко применяются ИК-лучи при передаче данных и дистанционном управлении. Во многих мобильных телефонах имеются ИК-порты, предназначенные для обмена файлами между ними. А все пульты от кондиционеров, музыкальных центров, телевизоров, некоторых управляемых детских игрушек также используют электромагнитные лучи в инфракрасном диапазоне.

Использование ИК-лучей в армии и космонавтике

Наиболее важное значение инфракрасные лучи имеют для авиакосмической и военной отраслей. На базе фотокатодов, имеющих чувствительность к ИК-излучению (до 1,3 мкм), создаются (различные бинокли, прицелы и т. д.). Они позволяют при одновременном облучении объектов инфракрасным излучением произвести прицеливание или осуществлять наблюдение в абсолютной темноте.

Благодаря созданным высокочувствительным приемникам инфракрасных лучей стало возможным производство самонаводящихся ракет. Датчики в их головной части реагируют на ИК-излучение цели, температура которой, как правило, выше окружающей среды, и направляют ракету в цель. На том же принципе основано обнаружение с помощью теплопеленгаторов нагретых частей кораблей, самолетов, танков.

ИК-локаторы и дальномеры могут обнаруживать в полной темноте различные объекты и соизмерять расстояние до них. Особые приборы - которые излучают в инфракрасной области, применяются для космической и дальней наземной связи.

Инфракрасное излучение в научной деятельности

Одним из самых распространенных является изучение спектров испускания и поглощения в ИК-области. Применяется оно при изучении особенностей электронных оболочек атомов, для определения структур всевозможных молекул, а кроме того, и в качественном и количественном анализе смесей различных веществ.

Из-за различий коэффициентов рассеяния, пропускания и отражения тел в видимых и ИК-лучах фотографии, сделанные в различных условиях, несколько отличаются. На снимках, выполненных в инфракрасном диапазоне, зачастую видно больше деталей. Такие снимки широко распространены в астрономии.

Изучение влияния ИК-лучей на организм

Первые научные данные о влиянии инфракрасного излучения на организм человека датированы 1960 годами. Автором исследований является японский врач Тадаши Ишикава. В ходе своих экспериментов ему удалось установить, что ИК-лучи имеют свойство проникать глубоко внутрь тела человека. При этом происходят процессы терморегуляции, сходные с реакцией на нахождение в сауне. Однако потоотделение начинается при более низкой температуре окружающего воздуха (она составляет порядка 50 °С), а прогревание внутренних органов происходит гораздо глубже.

В ходе такого прогревания происходит усиление кровообращения, расширяются сосуды органов дыхания, подкожной клетчатки и кожи. Вместе с тем длительное воздействие инфракрасного излучения на человека способно вызвать тепловой удар, а сильное ИК-излучение приводит к появлению ожогов различной степени.

Защита от ИК-излучения

Существует небольшой перечень мероприятий, направленных на уменьшение опасности воздействия инфракрасного излучения на организм человека:

Понижение интенсивности излучения. Достигается оно посредством выбора соответствующего технологического обо-ру-до-ва-ния, своевременной заменой устаревшего, а также его рациональной компоновкой.
Удаление рабочих от источника излучения. Если позволяет технологическая линия, следует предпочесть дистанционное управление ею.
Установка защитных экранов на источник или рабочее место. Такие ограждения могут быть устроены двумя способами, позволяющими снизить влияние инфракрасного излучения на организм человека. В первом случае они должны отражать электромагнитные волны, а во втором - задерживать их и преобразовывать энергию излучения в тепловую с последующим ее отведением. В связи с тем, что защитные экраны не должны лишать специалистов возможности вести мониторинг происходящих на производстве процессов, они могут изготавливаться прозрачными или полупрозрачными. Для этого в качестве материалов выбирают силикатные или кварцевые стекла, а также металлические сетки и цепи.
Теплоизоляция или охлаждение горячих поверхностей. Главной целью тепловой изоляции является снижение риска получения рабочими различных ожогов.
Средства индивидуальной защиты (разнообразная спецодежда, очки со встроенными светофильтрами, щит-ки).
Профилактические мероприятия. Если в ходе вышеперечисленных действий уровень воздействия ИК-излучения на организм остается достаточно высоким, то следует подобрать соответствующий режим труда и отдыха.

Польза для организма человека

Инфракрасное излучение, воздействующее на тело человека, приводит к улучшению циркуляции крови вследствие расширения сосудов, лучшему насыщению органов и тканей кислородом. Кроме того, повышение температуры тела оказывает болеутоляющий эффект за счет воздействия лучей на нервные окончания в кожных покровах.

Было подмечено, что хирургические операции, проведенные под действием ИК-излучения, имеют ряд преимуществ:

несколько легче переносятся боли после операций;
быстрее идет регенерация клеток;
влияние инфракрасного излучения на человека позволяет избежать охлаждения внутренних органов в случае выполнения операции на открытых полостях, что понижает риск развития шока.

У больных с ожогами инфракрасное излучение создает возможность удаления некрозов, а также выполнения аутопластики на более раннем этапе. Кроме того, снижается срок лихорадки, в меньшей степени выражены анемия и гипопротеинемия, снижается частота осложнений.

Доказано, что ИК-излучение способно ослабить действие некоторых ядохимикатов, путем повышения неспецифического иммунитета. Многие из нас знают о лечении ринита и некоторых других проявления простуды синими ИК-лампами.

Вред для человека

Стоит отметить, что вред от инфракрасного излучения для организма человека тоже может быть весьма существенным. Наиболее очевидные и распространенные случаи - ожоги кожи и дерматиты. Происходить они могут либо при слишком длительном воздействии слабых волн инфракрасного спектра, либо в ходе интенсивного облучения. Если говорить о медицинских процедурах, то редко, но все же случаются тепловые удары, астении и обострения болей при неправильном лечении.

Одной из современных проблем являются ожоги глаз. Наиболее опасны для них ИК-лучи с длинами волн в пределах 0,76-1,5 мкм. Под их влиянием происходит нагревание хрусталика и водянистой влаги, что может приводить к различным нарушениям. Одним из самых распространенных последствий является светобоязнь. Об этом стоит помнить детям, играющим с лазерными указками, и сварщикам, пренебрегающим средствами индивидуальной защиты.

ИК-лучи в медицине

Лечение с помощью инфракрасного излучения бывает местным и общим. В первом случае осуществляется локальное действие на определенный участок тела, а во втором действию лучей подвергается весь организм. Курс лечения зависит от заболевания и может составлять от 5 до 20 сеансов по 15-30 минут. При проведении процедур обязательным условием является использование защитных средств. Для сохранения здоровья глаз используются особые картонные накладки или очки.

После первой же процедуры на поверхности кожи появляются покраснения с нечеткими границами, проходящие примерно через час.

Действие ИК-излучателей

В условиях доступности многих медицинских приборов люди приобретают их для индивидуального пользования. Однако необходимо помнить, что такие устройства должны соответствовать особым требованиям и использоваться с соблюдением правил безопасности. Но главное - важно понимать, что, как и любой медицинский прибор, излучатели инфракрасных волн нельзя использовать при ряде заболеваний.

Влияние инфракрасного излучения на организм человека

Длина волны, мкм	Полезное действие
9,5 мкм	Иммунокоррегирующее действие при иммунодефицитных состояниях, вызванных голоданием, отравлением четыреххлористым углеродом, применением иммунодепрессантов. Приводит к восстановлению нормальных показателей клеточного звена иммунитета.
16.25 мкм	Антиоксидантное действие. Осуществляется за счет образования свободных радикалов из супероксидов и гидроперекисей, и их рекомбинации.
8,2 и 6,4 мкм	Антибактериальное действие и нормализация микрофлоры кишечника за счет влияния на процесс синтеза гормонов простагландинов, приводящая к иммуномоделирующему эффекту.
22,5 мкм	Приводит к переводу многих нерастворимых соединений, таких как тромбы и атеросклеротические бляшки, в растворимое состояние, позволяющее выводить их из организма.

Поэтому подбирать курс терапии должен квалифицированный специалист, опытный врач. В зависимости от длины испускаемых инфракрасных волн, приборы могут быть использованы для разных целей.

В невидимой области электромагнитного спектра, которая начинается за видимым красным светом и заканчивается перед микроволновым излучением между частотами 10 12 и 5∙10 14 Гц (или находится в диапазоне длин волн 1-750 нм). Название происходит от латинского слова infra и означает «ниже красного».

Применение инфракрасных лучей разнообразно. Они используются для визуализации объектов в темноте или в дыму, отопления саун и подогрева крыльев воздушных судов для защиты от обледенения, в ближней связи и при проведении спектроскопического анализа органических соединений.

Открытие

Инфракрасные лучи были обнаружены в 1800 г. британским музыкантом и астрономом-любителем немецкого происхождения Уильямом Гершелем. Он с помощью призмы разделил солнечный свет на составляющие его компоненты и за красной частью спектра с помощью термометра зарегистрировал увеличение температуры.

ИК-излучение и тепло

Инфракрасное излучение часто называют тепловым. Следует, однако, отметить, что оно является лишь его следствием. Тепло - это мера поступательной энергии (энергии движения) атомов и молекул вещества. «Температурные» датчики фактически измеряют не тепло, а только различия в ИК-излучении различных объектов.

Многие учителя физики инфракрасным лучам традиционно приписывают всю тепловую радиацию Солнца. Но это не совсем так. С видимым солнечным светом поступает 50% всего тепла, и электромагнитные волны любой частоты при достаточной интенсивности могут вызвать нагрев. Однако справедливо будет сказать, что при комнатной температуре объекты выделяют тепло в основном в полосе среднего инфракрасного диапазона.

ИК-излучение поглощается и испускается вращениями и вибрациями химически связанных атомов или их групп и, следовательно, многими видами материалов. Например, прозрачное для видимого света оконное стекло ИК-радиацию поглощает. Инфракрасные лучи в значительной степени абсорбируются водой и атмосферой. Хотя они и невидимы для глаз, их можно ощутить кожей.

Земля как источник инфракрасного излучения

Поверхность нашей планеты и облака поглощают солнечную энергию, большую часть которой в виде ИК-радиации отдают в атмосферу. Определенные вещества в ней, в основном пар и капли воды, а также метан, углекислый газ, оксид азота, хлорфторуглероды и гексафторид серы, поглощают в инфракрасной области спектра и переизлучают во всех направлениях, в том числе на Землю. Поэтому из-за парникового эффекта земная атмосфера и поверхность намного теплее, чем если бы вещества, поглощающие ИК-лучи, в воздухе отсутствовали.

Это излучение играет важную роль в теплопередаче и является неотъемлемой частью так называемого парникового эффекта. В глобальном масштабе влияние инфракрасных лучей распространяется на радиационный баланс Земли и затрагивает почти всю биосферную активность. Практически каждый объект на поверхности нашей планеты испускает электромагнитное излучение в основном в этой части спектра.

Области ИК-диапазона

ИК-диапазон часто разделяется на более узкие участки спектра. Немецкий институт стандартов DIN определил такие области длин волн инфракрасных лучей:

ближний (0,75-1,4 мкм), обычно используемый в волоконно-оптической связи;
коротковолновой (1,4-3 мкм), начиная с которого значительно возрастает поглощение ИК-излучения водой;
средневолновой, также называемый промежуточным (3-8 мкм);
длинноволновый (8-15 мкм);
дальний (15-1000 мкм).

Однако эта схема классификации не используется повсеместно. Например, в некоторых исследованиях указываются следующие диапазоны: ближний (0,75-5 мкм), средний (5-30 мкм) и длинный (30-1000 мкм). Длины волн, используемые в телекоммуникации, подразделяются на отдельные полосы из-за ограничений детекторов, усилителей и источников.

Общая система обозначений оправдана реакциями человека на инфракрасные лучи. Ближняя ИК-область наиболее близка к длине волны, видимой человеческим глазом. Среднее и дальнее ИК-излучение постепенно удаляются от видимой части спектра. Другие определения следуют различным физическим механизмам (таким как пики эмиссии и поглощение воды), а самые новые основаны на чувствительности используемых детекторов. Например, обычные кремниевые сенсоры чувствительны в области около 1050 нм, а арсенид индий-галлия - в диапазоне от 950 нм до 1700 и 2200 нм.

Четкая граница между инфракрасным и видимым светом не определена. Глаз человека значительно менее чувствителен к красному свету, превышающему длину волны 700 нм, однако интенсивное свечение (лазера) можно видеть примерно до 780 нм. Начало ИК-диапазона определяется в разных стандартах по-разному - где-то между этими значениями. Обычно это 750 нм. Поэтому видимые инфракрасные лучи возможны в диапазоне 750-780 нм.

Обозначения в системах связи

Оптическая связь в ближней ИК-области технически подразделяется на ряд полос частот. Это связано с различными поглощающими и передающими материалами (волокнами) и детекторами. К ним относятся:

О-диапазон 1,260-1,360 нм.
Е-диапазон 1,360-1,460 нм.
S-диапазон 1,460-1,530 нм.
C-диапазон 1,530-1,565 нм.
L-диапазон 1,565-1,625 нм.
U-диапазон 1,625-1,675 нм.

Термография

Термография, или тепловидение - это тип инфракрасного изображения объектов. Поскольку все тела излучают в ИК-диапазоне, а интенсивность радиации увеличивается с температурой, для ее обнаружения и получения снимков можно использовать специализированные камеры с ИК-датчиками. В случае очень горячих объектов в ближней инфракрасной или видимой области, этот метод называется пирометрией.

Термография не зависит от освещения видимым светом. Следовательно, можно «видеть» окружающую среду даже в темноте. В частности, теплые предметы, в том числе люди и теплокровные животные, хорошо выделяются на более холодном фоне. Инфракрасная фотография ландшафта улучшает отображение объектов в зависимости от их теплоотдачи: голубое небо и вода кажутся почти черными, а зеленая листва и кожа ярко проявляются.

Исторически термография широко использовалась военными и службами безопасности. Кроме того, она находит множество других применений. Например, пожарные используют ее, чтобы видеть сквозь дым, находить людей и локализовать горячие точки во время пожара. Термография может выявить патологический рост тканей и дефекты в электронных системах и схемах из-за их повышенного выделения тепла. Электрики, обслуживающие линии электропередач, могут обнаружить перегревающиеся соединения и детали, что сигнализирует о нарушении их работы, и устранить потенциальную опасность. При нарушении теплоизоляции специалисты-строители могут увидеть утечки тепла и повысить эффективность систем охлаждения или обогрева. В некоторых автомобилях высокого класса тепловизоры устанавливаются для помощи водителю. С помощью термографических изображений можно контролировать некоторые физиологические реакции у людей и теплокровных животных.

Внешний вид и способ работы современной термографической камеры не отличаются от таковых у обычной видеокамеры. Возможность видеть в инфракрасном спектре является настолько полезной функцией, что возможность записи изображений часто является опциональной, и модуль записи не всегда доступен.

Другие изображения

В ИК-фотографии ближний инфракрасный диапазон захватывается с помощью специальных фильтров. Цифровые фотоаппараты, как правило, блокируют ИК-излучение. Однако дешевые камеры, у которых нет соответствующих фильтров, способны «видеть» в ближнем ИК-диапазоне. При этом обычно невидимый свет выглядит ярко-белым. Особенно это заметно во время съемки вблизи освещенных инфракрасных объектов (например, лампы), где возникающие помехи делают снимок блеклым.

Также стоит упомянуть Т-лучевую визуализацию, которая представляет собой получение изображения в дальнем терагерцовом диапазоне. Отсутствие ярких источников делает такие снимки технически более сложными, чем большинство других методов ИК-визуализации.

Светодиоды и лазеры

Искусственные источники инфракрасного излучения включают, помимо горячих объектов, светодиоды и лазеры. Первые представляют собой небольшие недорогие оптоэлектронные устройства, изготовленные из таких полупроводниковых материалов, как арсенид галлия. Они используются в качестве оптоизоляторов и в качестве источников света в некоторых системах связи на основе волоконной оптики. Мощные ИК-лазеры с оптической накачкой работают на основе двуокиси и окиси углерода. Они используются для инициации и изменения химических реакций и разделения изотопов. Кроме того, они применяются в лидарных системах определения дистанции до объекта. Также источники инфракрасного излучения используются в дальномерах автоматических самофокусирующих камер, охранной сигнализации и оптических приборах ночного видения.

ИК-приемники

К приборам обнаружения ИК-излучения относятся термочувствительные устройства, такие как термопарные детекторы, болометры (некоторые из них охлаждаются до температур, близких к абсолютному нулю, чтобы снизить помехи от самого детектора), фотогальванические элементы и фотопроводники. Последние изготавливаются из полупроводниковых материалов (например, кремния и сульфида свинца), электрическая проводимость которых увеличивается при воздействии инфракрасных лучей.

Обогрев

Инфракрасное излучение используется для нагрева - например, для отопления саун и удаления льда с крыльев самолетов. Кроме того, оно все чаще применяется для плавления асфальта во время укладки новых дорог или ремонта поврежденных участков. ИК-излучение может использоваться при приготовлении и подогреве пищи.

Связь

ИК-длины волн применяются для передачи данных на небольшие расстояния, например, между компьютерной периферией и персональными цифровыми помощниками. Эти устройства обычно соответствуют стандартам IrDA.

ИК-связь обычно используется внутри помещений в районах с высокой плотностью населения. Это наиболее распространенный способ дистанционного управления устройствами. Свойства инфракрасных лучей не позволяют им проникать сквозь стены, и поэтому они не взаимодействуют с техникой в соседних помещениях. Кроме того, ИК-лазеры используются в качестве источников света в оптоволоконных системах связи.

Спектроскопия

Инфракрасная радиационная спектроскопия - это технология, используемая для определения структур и составов (главным образом) органических соединений путем изучения пропускания ИК-излучения через образцы. Она основана на свойствах веществ поглощать определенные его частоты, которые зависят от растяжения и изгиба внутри молекул образца.

Характеристики инфракрасного поглощения и излучения молекул и материалов дают важную информацию о размере, форме и химической связи молекул, атомов и ионов в твердых телах. Энергии вращения и вибрации квантуются во всех системах. ИК-излучение энергии hν, испускаемое или поглощаемое данной молекулой или веществом, является мерой разности некоторых внутренних энергетических состояний. Они, в свою очередь, определяются атомным весом и молекулярными связями. По этой причине инфракрасная спектроскопия является мощным инструментом определения внутренней структуры молекул и веществ или, когда такая информация уже известна и табулирована, их количества. ИК-методы спектроскопии часто используются для определения состава и, следовательно, происхождения и возраста археологических образцов, а также для обнаружения подделок произведений искусства и других предметов, которые при осмотре под видимым светом напоминают оригиналы.

Польза и вред инфракрасных лучей

Длинноволновое ИК-излучение применяется в медицине с целью:

нормализации артериального давления путем стимуляции кровообращения;
очищения организма от солей тяжелых металлов и токсинов;
улучшения кровообращения мозга и памяти;
нормализации гормонального фона;
поддержания водно-солевого баланса;
ограничения распространения грибков и микробов;
обезболивания;
снятия воспаления;
укрепления иммунитета.

Вместе с тем ИК-излучение может нанести вред при острых гнойных заболеваниях, кровотечениях, острых воспалениях, болезнях крови, злокачественных опухолях. Неконтролируемое продолжительное воздействие ведет к покраснению кожи, ожогам, дерматиту, тепловому удару. Коротковолновые ИК-лучи опасны для глаз - возможно развитие светобоязни, катаракты, нарушений зрения. Поэтому для отопления должны применяться исключительно источники длинноволнового излучения.