紅外輻射

名詞釋義

　　波長(zhǎng)約在0.75～1 000μm之間的電磁輻射。紅外線是一種電磁波，位于可見(jiàn)光紅光外端，在絕對(duì)零度(-273℃) 以上的物體都輻射紅外能量，是紅外測(cè)溫技術(shù)的基礎(chǔ)。

　紅外輻射位于電磁波譜的中央，其波長(zhǎng)覆蓋四個(gè)數(shù)量級(jí)。在整個(gè)電磁波譜中，不管是哪一個(gè)波段，其傳播速度都是光速c，波長(zhǎng)為λ(厘米)，每秒振動(dòng)數(shù)稱(chēng)為頻率ν(秒-1)，則

　　λν＝c　(1)

波段劃分

　　紅外波段的劃分 電磁波譜劃分為許多不同名稱(chēng)的波段。主要是根據(jù)它們的產(chǎn)生方法、傳播方式、測(cè)量技術(shù)和應(yīng)用范圍的不同而自然劃分的。紅外波段又可劃分為近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外三個(gè)波段。但劃分的方法則因?qū)W科或技術(shù)領(lǐng)域不同而異。

　　由于大氣對(duì)紅外輻射的吸收,只留下三個(gè)“窗口”，即1～3微米、3～5微米、8～13微米,可讓紅外輻射通過(guò)。因而在軍事應(yīng)用上，分別稱(chēng)這三個(gè)波段為近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外波段。8～13微米，也稱(chēng)為熱波段。

　　在光譜學(xué)中，劃分波段的方法尚不統(tǒng)一。一般分別以0.75～3微米、3～40微米和40～1000微米作為近紅外、中紅外和遠(yuǎn)紅外波段。近紅外是可以用玻璃作為透射材料和用硫化鉛探測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)的波段。中紅外原來(lái)是以棱鏡作為色散元件的波段，但后來(lái)都采用光柵作為色散元件,40微米這個(gè)界限不再有意義。但是,40微米又是石英能讓紅外輻射透過(guò)的起始波長(zhǎng)，故仍可作為中紅外波段與遠(yuǎn)紅外波段的界限。在遠(yuǎn)紅外波段的長(zhǎng)波端，傳統(tǒng)的幾何光學(xué)和微波傳輸技術(shù)都不適用，需要發(fā)展新的技術(shù)。新技術(shù)適用的波段也可能是一個(gè)新名稱(chēng)的波段。此外，遠(yuǎn)紅外波段內(nèi)出現(xiàn)激光，以輻射源是否具有相干性作為遠(yuǎn)紅外與微波劃界的標(biāo)準(zhǔn)已不適用。因而暫以1000微米作為遠(yuǎn)紅外波段的界限，把波長(zhǎng)為1～3毫米的電磁波稱(chēng)為短毫米波。

產(chǎn)生原理

　　在物質(zhì)內(nèi)部，電子、原子、分子都在不斷地運(yùn)動(dòng)，有很多可能的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

　　這些狀態(tài)都是穩(wěn)定的，各具有一定的能量。通常用“能級(jí)”來(lái)表示這些狀態(tài)。在正常情況下，物質(zhì)總是處在能量最低的能級(jí)上（基態(tài)）。如果有外界的刺激或干擾，把適當(dāng)?shù)哪芰總鬟f給電子、原子或分子，后者就可以改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)入能量較高的能級(jí)（激發(fā)態(tài)）。但是，電子、原子或分子在激發(fā)態(tài)停留的時(shí)間很短，很快就回復(fù)到能量較低的能級(jí)中去，把多余的能量釋放出來(lái)。釋放能量的方式有多種，最常見(jiàn)的是發(fā)射電磁波。根據(jù)現(xiàn)代量子論的概念，從較高能級(jí)E1回復(fù)到較低能級(jí)E0時(shí),發(fā)射出來(lái)的電磁波的頻率為

　　ν＝(E1-E0)/h　(2)

　　式中h為普朗克常數(shù)，h＝6.626×10-34焦·秒,hν是發(fā)射出來(lái)的能量單元，稱(chēng)為光子。

　　因此，輻射是從物質(zhì)中發(fā)射出來(lái)的。任何一塊小的物體都包含著極大數(shù)目的原子或分子。每個(gè)原子或分子都有很多能級(jí)，從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)都能發(fā)射光子。實(shí)際發(fā)射出來(lái)的電

　　磁波就是這些大量光子的總和。各個(gè)原子或分子發(fā)射光子的過(guò)程基本上是互相獨(dú)立的；光子發(fā)射的時(shí)間有先有后。光子發(fā)射時(shí)，原子或分子在空間的取向有各種可能，因而光子可向各個(gè)方向發(fā)射，其電磁場(chǎng)振動(dòng)也可有各種方向；再加上物體內(nèi)各能級(jí)之間的相互影響，兩能級(jí)之間的能量差會(huì)有極小的變動(dòng)。所有這些因素的聯(lián)合作用，使所發(fā)射出來(lái)的輻射包含著各種頻率，沒(méi)有一定的相位，沒(méi)有一定的偏振，這就是非相干輻射。

　　現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)能采用適當(dāng)辦法，迫使某兩個(gè)能級(jí)之間的光子發(fā)射過(guò)程都發(fā)生在同一時(shí)間向同一方向，這就能得到頻帶非常狹窄、方向性極好、強(qiáng)度很高，而且是偏振的相干輻射。這就是激光。在無(wú)線電波和微波范圍內(nèi)，電磁波的產(chǎn)生是利用電子在真空里的運(yùn)動(dòng)，迫使所有電子作相同的運(yùn)動(dòng)態(tài)的改變，這就發(fā)射出單一頻率的、偏振的相干輻射。

　　輻射雖是從物體內(nèi)部發(fā)射出來(lái)的，但必須首先從外界給以擾動(dòng)，給以能量。這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為激勵(lì)。激勵(lì)的方法有多種，其中與紅外輻射關(guān)系最為密切的是加熱。因加熱而發(fā)射的輻射稱(chēng)為熱輻射。

　　紅外輻射度學(xué) 這方面的術(shù)語(yǔ)比較復(fù)雜，必須區(qū)別輻射的發(fā)出和接受兩個(gè)方面，標(biāo)明擴(kuò)展源的方向性。擴(kuò)展源就是尺寸與測(cè)量距離相比不可忽略的輻射源。反之，則可當(dāng)作點(diǎn)源看待。