紅外光電世界一瞥

每當人們提到“紅外”這個詞的時候，或許不少人的頭腦中反應出的一件與紅外有關的應用就是家用的電視機的紅外線遙控器。是的，這很正確。遙控器上有紅外光發射元件而被控電器中有紅外光接收裝置。當我們按下遙控器的某個按鈕時，遙控器中的電子線路就會將這個按鈕的對應編碼通過遙控器頂端的紅外發射管發射出去。當被控的電器中的紅外探測元件“看到”這些光碼信號就把它們轉變成電信號，再通過後續電路對信號的處理、識彆等，從而執行一些操作。正是這一連串的動作，完成了我們的需求—譬如電視節目的頻道切換。這一看似簡單的操作，實際涉及了電—光、光—電的兩次轉換。
   那麼紅外光是什麼？它有什麼特點呢？生活中還有那些地方會利用它呢？讓我們進入紅外光電世界小遊一番。
一、紅外線的發現
    紅外光也叫紅外線，它是一位英國科學家發現的。1800年，赫胥爾在研究太陽光時，讓光通過棱鏡分解為彩色光帶，他用溫度計去測量光帶中不同顏色所含的熱量。試驗中，他偶然發現一個奇怪的現象：放在光帶紅光外的一支溫度計，比室內其他溫度的指示數值高。經過反複試驗，這個所謂熱量*多的高溫區，總是位於光帶*邊緣處紅光的外麵。於是他宣布太陽發出的輻射中除可見光線外，還有一種人眼看不見的“專線”，這種人的肉眼看不見的“專線”位於紅色光外側，叫做紅外線。（不過，要說明的是，事實上太陽發出的能量以波長580nm的綠光*強。）
二、紅外線的基本特性
    紅外線是一種電磁波，具有與無線電波及可見光一樣的本質。紅外線的波長在0.76～100μm之間，位於無線電波與可見光之間。通常紅外線按波長可進行簡單分類，比如近紅外、短波紅外、中波紅外、熱紅外、遠紅外等。物理學告訴我們，任何物體在常規環境下都會由於自身分子原子運動不停地輻射出紅外能量，分子和原子的運動愈劇烈，輻射的能量愈大，反之，輻射的能量愈小。溫度在**零度以上的物體，都會因自身的分子運動而輻射出紅外線。物體的溫度越高，輻射出的紅外線越多。物體在輻射紅外線的同時，也在吸收紅外線，物體吸收了紅外線後自身溫度就升高。
三、紅外的應用
    如前所述，紅外線的主要特性之一是熱作用強。因此人們利用紅外線來加熱物品。家庭用紅外烤箱烤食品，浴室暖燈用紅外線來取暖，醫療上利用紅外線來理療。這些紅外加熱的應用曾經在為我國節約能源方麵立下了赫赫戰功。至今，紅外加熱的科學研究尤其是*近與生物醫療等方麵結合的研究，還相當活躍。但是，我們在這裡不打算詳細地介紹這方麵的情況。
    根據前麵的理論介紹，我們不難設想，如果我們能過“看”到紅外線，那麼我們會看到一個光亮的世界，每一個物體都在發光。不過，如果某個物體溫度比環境的溫度高，它可能會更亮一些。因此人們想到了在夜間冇有可見光光源的情況下，可以采用紅外線成像，並采用特殊的手段使紅外圖像變**眼可以看到的可見光圖像，就是夜視儀。夜視儀在上有重要的應用。事實上，紅外技術*初的大發展，正是起源於**和**次世界大戰期間夜戰的需要。
    據說：伊拉克在攻擊科威特前，為了避免美國的飛機炸毀伊拉克的戰車。於是在沙漠中挖了很多地道，戰時讓戰車躲入沙漠下的坑道內。可惜沙漠中白天時溫度非常高，戰車又大多是金屬，吸收了很多的熱量。黑夜時，沙漠的表麵溫度很快的就降下去了，可是埋在沙土裡的戰車溫度較四周的沙土高，輻射出紅外線。於是美國的飛機黑夜時利用紅外線探測器，將每輛沙土下的戰車看得一清二楚，結果戰車被摧毀殆儘。
    另外，通過測量物體的紅外輻射的強度或者測量物體輻射出的各種波長紅外光的比例，可以判斷物體的溫度。根據這個原理研製出了工業用的紅外測溫儀。由於紅外光能從大氣中傳播，因此紅外測溫儀可以非接觸地測量物體的溫度。現代很多防盜器、自動燈、自動水龍頭、自動乾手機等等，其實大多是探測到人體紅外輻射後而執行動作的。耳溫計是一個紅外線家庭應用的好例子。將耳溫計對準耳朵內部，不到一秒鐘便可以測量出耳朵內的溫度。與傳統的體溫計相比，對於測量好動或生病的小孩*為方便。
    由於紅外線穿透雲霧的能力比較強，利用靈敏的紅外探測器可以在很遠的距離以外探測物體發出的紅外線，再經儀器的處理，可以顯示出被測物體的形狀和特征，這叫做紅外遙感。利用衛星進行紅外遙感，可以實施對地球勘測，尋找水源、監視森林火災、估測大麵積農作物的長勢和收成，天氣預報、預報風暴、寒潮和沙塵暴，甚至預報地震等。說到這裡，你可能會問：衛星高高地掛在天上，它怎麼能察覺地震呢？彆著急，聽我慢慢講來：在這裡，紅外技術又一次起到了作用。利用衛星和航天站對地麵進行紅外觀測，會使地震預測如虎添翼。我國科學家近來也開始了利用衛星熱紅外圖像進行地震短期臨震預報的研究，並取得了初步成績。原來，地震前地表溫度會發生變化，利用衛星居高臨下的優勢，通過判讀衛星拍下的熱紅外遙感圖片，我國科學家曾成功地預報了多起地震！
四、我國星載遙感儀器的部分介紹
    那麼我們中國有冇有紅外遙感儀器？有。僅在氣象衛星的平台上，我們就有“風雲一號掃描輻射計”和“風雲二號掃描輻射計”兩個係列的遙感儀器。我國的科技工作者自力更生，艱苦奮鬥，研製的儀器設備的性能達到並部分超過了國外同類儀器水平。其中風雲一號的FY-1C和FY-1D被世界氣象組織列入了世界業務極軌氣象衛星的行列，歐洲、美國和亞洲等多個國家都建立了兼容接收中國FY-1C衛星的衛星數據接收係統和相應的數據處理、應用係統。我們中國為全世界的自然災害監測、環境研究作出了應有的貢獻。
    我國於1988年9月**發射太陽同步軌道試驗氣象衛星"風雲一號"。"風雲一號"衛星星體呈盒子形，星體兩側各有一塊太陽電池翼。衛星上裝有掃描輻射計，它可以日夜觀測雲層、陸地和海麵溫度等。
    我國分彆於1997年和2000年利用長征3號火箭從西昌衛星基地發射了兩顆地球靜止氣象衛星：風雲二號A和風雲二號B氣象衛星。和FY-1係列氣象衛星一樣，FY-2衛星數據也向國際用戶開放，衛星數據可以被其它國家分享。FY-2氣象衛星從空間實施對地球觀測，可以同時獲得可見光、熱紅外及水汽紅外圖像。經一係列處理後，就得到了我們每天可以看到的中央氣象台天氣預報中的雲圖動畫。
   風雲一號和風雲二號都是氣象衛星，都載有紅外/可見多波段掃描輻射計，那麼他們有什麼不同呢？細心的讀者已經看到了，二個係列的衛星的軌道不同。一個是所謂太陽同步的極軌衛星，即軌道經過地球南北兩極，而另外一個衛星是地球同步的。這樣，風雲一號是可以全球觀察的，而風雲二號是瞄準我國上空觀測的。之後我國預計發射的氣象衛星，它們的編號繼續沿用了這一方式，例如，奇數號的風雲三號就是全球觀察的極軌衛星，而偶數號的風雲**是赤道上空主要對準我國的地球同步衛星。這兩種衛星之間的優勢是互補的。因為對於地麵上的同一點的觀測而言，同步衛星的觀測時間間隔可以做得很短，而極軌衛星因為軌道高度較低，對地麵成像的分辨率可以做得較高。
五、紅外光電儀器的核心部件之一 —— 紅外探測器
    各種紅外光電設備之所以能夠“看到”紅外光，是因為他們有一個專門對紅外線敏感的“眼睛”，人們通常把這種對紅外光敏感的元件叫做紅外探測器。紅外探測器就是能夠把入射的微弱紅外光轉換為電子線路可以測量的電信號的光電轉換器件。它與人們熟悉的太陽能電池有著相似之處：他們完成的任務都是把光轉變為電。但是，太陽能電池主要對可見光敏感，而紅外探測器的敏感對象是紅外光。
    事實上，對於整個電磁波，不同的波段有不同的敏感元件。對於這些元件有時人們稱之為探測器，有時又叫做傳感器或敏感器。這裡我們主要看一看紅外波段都有哪些探測器。
    我們知道，紅外光具有很強的熱效應，當紅外光照到探測器上被吸收後，吸收體的溫度就會有所升高，利用這一特點，人們製備了多種探測器。例如，利用溫差電動勢原理的熱點堆紅外探測器、利用熱釋電效應的紅外熱電探測器、以及利用電阻率隨溫度變化的熱敏電阻等。由於這種探測的機理是熱學的變化，因此當紅外光照射到探測器上以後，探測器的響應有一定的滯後，時間一般有毫秒到秒不等。當前，人們為了探測器的靈敏度和規模進一步提高，科學家們在研製一種叫做“微測輻射熱計”的紅外探測器的過程中，利用微機械的方法，把微小的探測靈敏元用細細“腿”從襯底上支撐起來，這樣當紅外光照射到探測靈敏元上，由於其具有近似懸空的結構，熱量不容易散失掉，因此可以得到相對較高的溫升，也就是提高了探測的靈敏度。由於這種方法，與矽的大規模集成電路工藝基本兼容，因此有希望做成大規模的探測器陣列。對於熱探測器而言，一般地對紅外光的波長冇有太多的選擇性。另外，熱探測器可以在室溫下很好地工作。
    除了熱探測器以外，還有一類探測器的工作機理是利用了紅外光子與探測器物質中的電子相互作用的原理，我們把這些探測器成為紅外光子探測器。在這些過程中，由於不同波長的紅外光子具有不同的光子能量，對於某一特定的物質，存在著一個特定的紅外波長，如果紅外光波長大於這一波長，光子與物質相互作用的程度較弱，因此無法探測，這一特定波長就叫做探測器的響應截止波長。因此，光子探測器一般都工作在特定的波段，下表列出了一些目前典型的各波段探測器。
波段（波長） 工作在該波段的典型紅外光子探測器
近紅外（0.7~1.1μm） 矽光電二極管 （Si）
短波紅外（1~3 μm） 銦镓砷（InGaAs）、硫化鉛探測器(PbS)
中波紅外（3~5 μm） 銻化銦（InSb）、碲鎘汞探測器（HgCdTe）
長波紅外、熱紅外（8~14 μm） 碲鎘汞探測器（HgCdTe）
遠紅外（16 μm以上） 量子阱探測器(QWIP)
光子探測器與熱探測器相比較，由於其探測的基本原理屬於所謂的“量子型”的，器件對紅外的敏感度優值（稱為探測率）比較高，通常被用於需要高靈敏探測的儀器中。前文所述的風雲係列紅外遙感儀器中，紅外探測器多采用了碲鎘汞紅外探測器。不過，光子探測器，尤其是中、長波紅外探測器，通常要求工作於深低溫，所以一般要采用製冷機或者液氮將他們的工作溫度降到零下190℃左右，這給一般應用增加了一些麻煩。
    但是，光子探測器具有響應速度快的特點，它的響應時間一般在微秒或納秒的數量級，因此一些快速測量的場合，隻能采用光子型探測器。譬如，隨著我國鐵路係統火車不斷提速，列車軸溫測量紅外係統的探測器已經從原來的熱探測器逐漸更換為半導體致冷的光子型紅外探測器，其原因就是原有的熱探測器的毫秒級的響應時間已經來不及測量靠得較近的兩個火車輪軸的溫度。
    隨著應用的發展以及探測器的研究開展，目前的紅外探測器已經從單元的器件朝著多元麵陣發展，美國等發達國家已經研製出了2048×2048元（400萬像素）的紅外麵陣器件，這樣的麵陣器件非常類似於大家熟知的數碼相機中的CMOS或CCD傳感器，由於這類器件工作是一般安放在成像透鏡的焦麵上，所以它們又被叫做紅外焦平麵器件（IRFPA）。另外，科學家們也在研究利用一隻器件同時探測不同波段的紅外信號，若與可見光器件做個類比，也就是紅外的“彩色CCD”。隨著紅外焦平麵技術的發展，或許不久的將來，我們會從電器店買到方便、實用的紅外彩色照相機，有了它，即使伸手不見五指的黑夜裡，也可以看到活動的人和動物。
    總之，我們堅信，雖然紅外技術*初的發展得益於戰爭的需要，但是一種拓寬人們感知世界能力的技術，勢必將為人類做出更多的貢獻。