Как увидеть инфракрасное излучение
Инфракрасный свет можно увидеть, если его импульсы будут короткими – тогда фотопигменты глаза получат достаточно фотонов, чтобы отреагировать на них и запустить передачу нервного импульса.
Мы знаем, что инфракрасное излучение не видно невооружённому человеческому глазу, или, говоря боле специальным языком, что оно находится за пределами видимой области электромагнитного спектра. Однако в некоторых случаях, как оказывается, инфракрасный свет можно увидеть.
Владимир Кефалов и его сотрудники из Вашингтонского университета в Сент-Луисе (США) заметили, что во время экспериментов с инфракрасным лазером они время от времени видят зелёные вспышки. (На всякий случай ещё раз подчеркнём, что речь идёт о невидимом инфракрасном излучении, а не о красном свете от лазерной указки.) Эксперимент повторили при разных условиях, чтобы понять, когда именно появляются видимые вспышки; одновременно в литературе искали похожие случаи, когда человек был способен увидеть «что-то инфракрасное».
Выяснилось, как пишут авторы работы в Proceedings of the National Academy of Sciences, что «видимость» инфракрасного излучения зависела от длительности импульса: при одном и том же общем количестве фотонов более короткие импульсы с какого-то момента делались видимыми. Эксперимент повторили с клетками сетчатки мышей и человека, и результат оказался тот же: клетки чувствовали инфракрасный свет, если его подавали короткими импульсами.
Мы чувствуем световые электромагнитные волны благодаря работе пигментных молекул, которые ловят фотоны и запускают нейрохимический импульс, отправляющийся в мозг. Энергией, достаточной для возбуждения пигментной молекулы, обладают фотоны видимого света. Но если два инфракрасных фотона достаточно быстро попадут на пигментную молекулу в сетчатке, то у них есть все шансы вызвать реакцию: двойной удар «невидимых» фотонов окажется равен одному удару фотона «видимого». В перспективе этот феномен может найти применение в разработке оптических приборов, в том числе и медицинских – уже сейчас исследователи работают над новой моделью офтальмоскопа, которая позволила бы с помощью такой двухфотонной схемы получить более детальную информацию о том, что происходит в глазу.
Как можно обнаружить инфракрасное излучение?
Тут многое зависит от того, что именно за ИК надо обнаруживать. Ведь инфракрасное — это всё, что до красного, и диапазон этот весьма широк. Поэтому и методы обнаружения там разные.
Универсальный метод — болометры. Это устройства, который являются приёмниками чистой энергии — она регистрируется по тепловому воздействию. И в этом случае по фигу, что регистрировать. Хоть видимый свет, хоть ближний ИК, хоть дальний. Более того, существуют приборы, где на одном кристалле сформирована матрица микроболометров, такие датчики способны выдавать натуральное изображение в ИК-диапазоне, в том числе и в дальнем ИК.
Для каких-то конкретных поддиапазонов могут применяться другие методы. Для ближнего ИК, до длины волны в 1,05 мк, годятся и обычные кремниевые фотодиоды или даже матрицы. Энергия кванта тут достаточна для генерации электронно-дырочных пар в кремнии, поэтому кремниевые датчики хоть и плохонько, но ИК с такими длинами волн регистрируют. Если же нужно уйти дальше по длине волны, то соответственно нужно брать другие материалы, с меньшей шириной запрещённой зоны. Германий, антимонид индия, соединения кадмий-ртуть-теллур и прочая экзотика — добро пожаловать в мир инфракрасной астрономии.
Ещё один тип детекторов ИК — пироэлектрические видиконы (пириконы). Это чем-то сродни болометру — регистрируется нагрев чувствительного элемента, но сама регистрация сигнала основана на изменении электрофизических параметров мишени под действием нагрева, тогда как в обычных болометрах могут меняться механические свойства датчика, как и в обычном градуснике.
Как можно обнаружить инфракрасное излучение
Группа: Пользователи
Сообщений: 737
Пол: Мужской
Репутация: 26
Замечу, что луч должен либо падать в точку, в которой расположен "наблюдатель" (регистрирующее устройство), либо на рассеивающую его поверхность, либо в среде, через которую он проходит, должны содержаться частицы (пыль, дым, конденсат и т. п.), рассеивающие луч — всё почти аналогично видимому свету (возможны отличия в оптических свойствах веществ). Многие видеокамеры регистрируют часть волн ИК диапазона — легко проверить, "посветив" источником ИК (например, пультом ДУ) в объектив. Тепловизоры, как правило, регистрируют электромагнитные волны ближнего ИК диапазона — т. е. тепловой шум. Хорошо подходят для решения поставленной задачи устройства ночного видения (с отключенным собсвенным источником ИК).
Увидеть инфракрасное излучение невооружённым взглядом помогут молекулярные датчики
Инфракрасное излучение несёт богатую информацию о мире и об объектах в нём, но глаз человека и обычные датчики изображения воспринять её не могут. Тепловизоры способны работать в этом диапазоне, но это сложные, громоздкие и дорогие устройства. Исследователи давно бьются над задачей создать компактные датчики инфракрасного зрения, и новое исследование международной группы учёных готово предложить интересное решение.
Источник изображения: Nicolas Antille, Wen Chen, Christophe Galland
Глаз и обычные датчики изображения в среднем чувствительны к диапазону частот от 400 до 750 ТГц. Частота излучения нагретого до 20 °C тела, например, излучает с частотой около 10 ТГц. Казалось бы, достаточно создать устройства с повышением частоты падающего инфракрасного излучения до частот видимого диапазона, и проблема решена. Но не тут-то было!
Частота электромагнитного излучения и, как частного случая, инфракрасного и видимого света — это фундаментальная характеристика, изменить которую простыми средствами мешает закон сохранения энергии. Просто отразив или пропустив излучение через что-то, частоту повысить нельзя. Необходимо накачать излучение энергией из внешнего источника. Чтобы изображение сохранило информацию и стало видимым, накачивать энергией необходимо каждый пиксель преобразователя и делать это согласованно по всему полю захвата изображения.
Международная группа учёных из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL, Швейцария), Уханьского технологического института, Политехнического университета Валенсии и исследовательского центра AMOLF (Нидерланды) предложила молекулярную микроструктуру для прямого преобразования инфракрасного излучения в видимое. В этой микроструктуре падающее инфракрасное излучение возбуждает колебание молекул. Одновременно на те же молекулы подаётся лазерный луч более высокой частоты, который доставляет в систему колебаний дополнительную энергию и повышает частоту колебаний молекул до частоты видимого спектра, который фиксируется обыкновенными датчиками изображений.
Учёные заявляют, что процессы накачки и преобразования происходят согласованно по всей площади датчика изображения, что позволяет наблюдать картину без искажений при преобразовании. Для усиления процесса фокусировки падающего на молекулы излучения учёные придумали систему канавок и наноразмерных частиц из золота. Такие микроструктуры можно представить как пиксели на датчике изображения и получить в итоге датчики для прямого преобразования инфракрасного света в видимый свет.
Изобретение найдёт применение не только в компактных тепловизорах. От таких датчиков можно ожидать практической спектроскопии. К примеру, спектрометрами можно вооружить смартфоны и с их помощью определять качество продуктов, свойства биоматериалов или химические составы веществ.