每當(dāng)人們提到“紅外”這個詞的時候，或許不少人的頭腦中反應(yīng)出的一件與紅外有關(guān)的應(yīng)用就是家用的電視機(jī)的紅外線遙控器。是的，這很正確。遙控器上有紅外光發(fā)射元件而被控電器中有紅外光接收裝置。當(dāng)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(yīng)編碼通過遙控器頂端的紅外發(fā)射管發(fā)射出去。當(dāng)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(zhuǎn)變成電信號，再通過后續(xù)電路對信號的處理、識別等，從而執(zhí)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(jié)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(zhuǎn)換。
   那么紅外光是什么？它有什么特點呢？生活中還有那些地方會利用它呢？讓我們進(jìn)入紅外光電世界小游一番。
一、紅外線的發(fā)現(xiàn)
    紅外光也叫紅外線，它是一位英國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)一個奇怪的現(xiàn)象：放在光帶紅光外的一支溫度計，比室內(nèi)其他溫度的指示數(shù)值高。經(jīng)過反復(fù)試驗，這個所謂熱量*多的高溫區(qū)，總是位于光帶*邊緣處紅光的外面。于是他宣布太陽發(fā)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”位于紅色光外側(cè)，叫做紅外線。（不過，要說明的是，事實上太陽發(fā)出的能量以波長580nm的綠光*強(qiáng)。）
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(zhì)。紅外線的波長在0.76～100μm之間，位于無線電波與可見光之間。通常紅外線按波長可進(jìn)行簡單分類，比如近紅外、短波紅外、中波紅外、熱紅外、遠(yuǎn)紅外等。物理學(xué)告訴我們，任何物體在常規(guī)環(huán)境下都會由于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，物體吸收了紅外線后自身溫度就升高。
三、紅外的應(yīng)用
    如前所述，紅外線的主要特性之一是熱作用強(qiáng)。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(yī)療上利用紅外線來理療。這些紅外加熱的應(yīng)用曾經(jīng)在為我國節(jié)約能源方面立下了赫赫戰(zhàn)功。至今，紅外加熱的科學(xué)研究尤其是*近與生物醫(yī)療等方面結(jié)合的研究，還相當(dāng)活躍。但是，我們在這里不打算詳細(xì)地介紹這方面的情況。
    根據(jù)前面的理論介紹，我們不難設(shè)想，如果我們能過“看”到紅外線，那么我們會看到一個光亮的世界，每一個物體都在發(fā)光。不過，如果某個物體溫度比環(huán)境的溫度高，它可能會更亮一些。因此人們想到了在夜間沒有可見光光源的情況下，可以采用紅外線成像，并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(yīng)用。事實上，紅外技術(shù)*初的大發(fā)展，正是起源于**和**次世界大戰(zhàn)期間夜戰(zhàn)的需要。
    據(jù)說：伊拉克在攻擊科威特前，為了避免美國的飛機(jī)炸毀伊拉克的戰(zhàn)車。于是在沙漠中挖了很多地道，戰(zhàn)時讓戰(zhàn)車躲入沙漠下的坑道內(nèi)?？上衬邪滋鞎r溫度非常高，戰(zhàn)車又大多是金屬，吸收了很多的熱量。黑夜時，沙漠的表面溫度很快的就降下去了，可是埋在沙土里的戰(zhàn)車溫度較四周的沙土高，輻射出紅外線。于是美國的飛機(jī)黑夜時利用紅外線探測器，將每輛沙土下的戰(zhàn)車看得一清二楚，結(jié)果戰(zhàn)車被摧毀殆盡。
    另外，通過測量物體的紅外輻射的強(qiáng)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(jù)這個原理研制出了工業(yè)用的紅外測溫儀。由于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(xiàn)代很多防盜器、自動燈、自動水龍頭、自動干手機(jī)等等，其實大多是探測到人體紅外輻射后而執(zhí)行動作的。耳溫計是一個紅外線家庭應(yīng)用的好例子。將耳溫計對準(zhǔn)耳朵內(nèi)部，不到一秒鐘便可以測量出耳朵內(nèi)的溫度。與傳統(tǒng)的體溫計相比，對于測量好動或生病的小孩*為方便。
    由于紅外線穿透云霧的能力比較強(qiáng)，利用靈敏的紅外探測器可以在很遠(yuǎn)的距離以外探測物體發(fā)出的紅外線，再經(jīng)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(wèi)星進(jìn)行紅外遙感，可以實施對地球勘測，尋找水源、監(jiān)視森林火災(zāi)、估測大面積農(nóng)作物的長勢和收成，天氣預(yù)報、預(yù)報風(fēng)暴、寒潮和沙塵暴，甚至預(yù)報地震等。說到這里，你可能會問：衛(wèi)星高高地掛在天上，它怎么能察覺地震呢？別著急，聽我慢慢講來：在這里，紅外技術(shù)又一次起到了作用。利用衛(wèi)星和航天站對地面進(jìn)行紅外觀測，會使地震預(yù)測如虎添翼。我國科學(xué)家近來也開始了利用衛(wèi)星熱紅外圖像進(jìn)行地震短期臨震預(yù)報的研究，并取得了初步成績。原來，地震前地表溫度會發(fā)生變化，利用衛(wèi)星居高臨下的優(yōu)勢，通過判讀衛(wèi)星拍下的熱紅外遙感圖片，我國科學(xué)家曾成功地預(yù)報了多起地震！
四、我國星載遙感儀器的部分介紹
    那么我們中國有沒有紅外遙感儀器？有。僅在氣象衛(wèi)星的平臺上，我們就有“風(fēng)云一號掃描輻射計”和“風(fēng)云二號掃描輻射計”兩個系列的遙感儀器。我國的科技工作者自力更生，艱苦奮斗，研制的儀器設(shè)備的性能達(dá)到并部分超過了國外同類儀器水平。其中風(fēng)云一號的FY-1C和FY-1D被世界氣象組織列入了世界業(yè)務(wù)極軌氣象衛(wèi)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(wèi)星的衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理、應(yīng)用系統(tǒng)。我們中國為全世界的自然災(zāi)害監(jiān)測、環(huán)境研究作出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
    我國于1988年9月**發(fā)射太陽同步軌道試驗氣象衛(wèi)星"風(fēng)云一號"。"風(fēng)云一號"衛(wèi)星星體呈盒子形，星體兩側(cè)各有一塊太陽電池翼。衛(wèi)星上裝有掃描輻射計，它可以日夜觀測云層、陸地和海面溫度等。
    我國分別于1997年和2000年利用長征3號火箭從西昌衛(wèi)星基地發(fā)射了兩顆地球靜止氣象衛(wèi)星：風(fēng)云二號A和風(fēng)云二號B氣象衛(wèi)星。和FY-1系列氣象衛(wèi)星一樣，F(xiàn)Y-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)也向國際用戶開放，衛(wèi)星數(shù)據(jù)可以被其它國家分享。FY-2氣象衛(wèi)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(jīng)一系列處理后，就得到了我們每天可以看到的中央氣象臺天氣預(yù)報中的云圖動畫。
   風(fēng)云一號和風(fēng)云二號都是氣象衛(wèi)星，都載有紅外/可見多波段掃描輻射計，那么他們有什么不同呢？細(xì)心的讀者已經(jīng)看到了，二個系列的衛(wèi)星的軌道不同。一個是所謂太陽同步的極軌衛(wèi)星，即軌道經(jīng)過地球南北兩極，而另外一個衛(wèi)星是地球同步的。這樣，風(fēng)云一號是可以全球觀察的，而風(fēng)云二號是瞄準(zhǔn)我國上空觀測的。之后我國預(yù)計發(fā)射的氣象衛(wèi)星，它們的編號繼續(xù)沿用了這一方式，例如，奇數(shù)號的風(fēng)云三號就是全球觀察的極軌衛(wèi)星，而偶數(shù)號的風(fēng)云**是赤道上空主要對準(zhǔn)我國的地球同步衛(wèi)星。這兩種衛(wèi)星之間的優(yōu)勢是互補(bǔ)的。因為對于地面上的同一點的觀測而言，同步衛(wèi)星的觀測時間間隔可以做得很短，而極軌衛(wèi)星因為軌道高度較低，對地面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(shè)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(zhuǎn)換為電子線路可以測量的電信號的光電轉(zhuǎn)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(wù)都是把光轉(zhuǎn)變?yōu)殡?。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，對于整個電磁波，不同的波段有不同的敏感元件。對于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。這里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(qiáng)的熱效應(yīng)，當(dāng)紅外光照到探測器上被吸收后，吸收體的溫度就會有所升高，利用這一特點，人們制備了多種探測器。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(yīng)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。由于這種探測的機(jī)理是熱學(xué)的變化，因此當(dāng)紅外光照射到探測器上以后，探測器的響應(yīng)有一定的滯后，時間一般有毫秒到秒不等。當(dāng)前，人們?yōu)榱颂綔y器的靈敏度和規(guī)模進(jìn)一步提高，科學(xué)家們在研制一種叫做“微測輻射熱計”的紅外探測器的過程中，利用微機(jī)械的方法，把微小的探測靈敏元用細(xì)細(xì)“腿”從襯底上支撐起來，這樣當(dāng)紅外光照射到探測靈敏元上，由于其具有近似懸空的結(jié)構(gòu)，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。由于這種方法，與硅的大規(guī)模集成電路工藝基本兼容，因此有希望做成大規(guī)模的探測器陣列。對于熱探測器而言，一般地對紅外光的波長沒有太多的選擇性。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(jī)理是利用了紅外光子與探測器物質(zhì)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，由于不同波長的紅外光子具有不同的光子能量，對于某一特定的物質(zhì)，存在著一個特定的紅外波長，如果紅外光波長大于這一波長，光子與物質(zhì)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(yīng)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） 硅光電二極管 （Si）
短波紅外（1~3 μm） 銦鎵砷（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(yuǎn)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，由于其探測的基本原理屬于所謂的“量子型”的，器件對紅外的敏感度優(yōu)值（稱為探測率）比較高，通常被用于需要高靈敏探測的儀器中。前文所述的風(fēng)云系列紅外遙感儀器中，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，通常要求工作于深低溫，所以一般要采用制冷機(jī)或者液氮將他們的工作溫度降到零下190℃左右，這給一般應(yīng)用增加了一些麻煩。
    但是，光子探測器具有響應(yīng)速度快的特點，它的響應(yīng)時間一般在微秒或納秒的數(shù)量級，因此一些快速測量的場合，只能采用光子型探測器。譬如，隨著我國鐵路系統(tǒng)火車不斷提速，列車軸溫測量紅外系統(tǒng)的探測器已經(jīng)從原來的熱探測器逐漸更換為半導(dǎo)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(yīng)時間已經(jīng)來不及測量靠得較近的兩個火車輪軸的溫度。
    隨著應(yīng)用的發(fā)展以及探測器的研究開展，目前的紅外探測器已經(jīng)從單元的器件朝著多元面陣發(fā)展，美國等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)研制出了2048×2048元（400萬像素）的紅外面陣器件，這樣的面陣器件非常類似于大家熟知的數(shù)碼相機(jī)中的CMOS或CCD傳感器，由于這類器件工作是一般安放在成像透鏡的焦面上，所以它們又被叫做紅外焦平面器件（IRFPA）。另外，科學(xué)家們也在研究利用一只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”。隨著紅外焦平面技術(shù)的發(fā)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(jī)，有了它，即使伸手不見五指的黑夜里，也可以看到活動的人和動物。
    總之，我們堅信，雖然紅外技術(shù)*初的發(fā)展得益于戰(zhàn)爭的需要，但是一種拓寬人們感知世界能力的技術(shù)，勢必將為人類做出更多的貢獻(xiàn)。