19  Historien bag infrarød teknologi

Før året 1800 havde man ingen anelse om, at der var en infrarød del af det elektromagnetiske spektrum. Den egenskab, der oprindeligt var vigtigst ved det infrarøde spektrum eller blot ‘det infrarøde’, som det ofte kaldes, nemlig som en slags varmestråling, er måske mindre væsentlig i dag, end dengang den blev opdaget af Herschel i 1800.

Opdagelsen blev gjort ved et tilfælde, da Herschel var i færd med at søge efter et nyt optisk materiale. Sir William Herschel – Kongelig astronom for King George III af England og allerede berømt for sin opdagelse af planeten Uranus – ledte efter et optisk filtermateriale, som kunne bruges til at reducere styrken af lyset fra gengivelsen af solen i teleskoper i forbindelse med solobservationer. Under en test af forskellige farvede stykker glas, som gav lignende reduktioner af lysstyrken, fandt Herschel ud af, at nogle af glastyperne lod meget lidt af solens varme passere, mens andre lod så meget varme passere, at det kunne medføre skader på øjet efter ganske få sekunders observation.

Herschel blev hurtigt overbevist om nødvendigheden af at foretage et mere systematisk eksperiment med henblik på at finde et enkelt materiale, der kunne give den ønskede lysstyrkereduktion og samtidigt blokere for så meget varme som muligt. Han begyndte eksperimentet med at gentage Newtons prismeeksperiment, som dog nu mere havde til formål at undersøge varmeeffekten end at undersøge den visuelle distribution af intensitet i spektrummet. Han malede først kuglen på et kviksølvtermometer over med sort blæk, og med denne kugle som strålingsdetektor testede han varmeeffekten af de forskellige farver i det spektrum, som dannedes oven på et bord, ved at lade sollys passere gennem en glasprisme. Andre termometre, som var anbragt uden for sollyset, fungerede som kontroller.

Efterhånden som det sortfarvede termometer langsomt blev ført langs farverne i sprektret, viste temperaturmålingerne en støt stigning fra den violette ende til den røde ende. Dette var ikke helt uventet, eftersom den italienske forsker Landriani havde observeret den samme virkning i et lignende eksperiment i 1777. Men det var dog Herschel, der var den første til at opdage, at der måtte være et punkt, hvor opvarmningseffekten når et maksimum, og at det ikke var muligt at finde dette punkt via målinger, der var begrænset til den synlige del af spektret.

Ved at flytte termometeret ind i det mørke område uden for den røde ende af spektret bekræftede Herschel, at temperaturen fortsatte med at stige. Maksimumpunktet lå, da han fandt det, et godt stykke uden for den røde ende – i det, der i dag kaldes de ‘infrarøde bølgelængder’.

Da Herschel fortalte om sin opdagelse, kaldte han dette nye område af det elektromagnetiske spektrum det ‘termometriske spektrum’. Selve strålingen kaldte han sommetider for ‘mørk varme’ eller simpelthen for ‘de usynlige stråler’. Ironisk nok, og modsat den generelle opfattelse, var det ikke Herschel, der skabte termen ‘infrarød’. Ordet begyndte først at dukke op på tryk cirka 75 år senere, og det står stadig ikke klart, hvem der skal krediteres for at være ophavsmanden til det.

Herschels brug af glas i prismen i det oprindelige eksperiment førte til tidlige kontroverser med hans samtidige kolleger om den faktiske eksistens af de infrarøde bølgelængder. Forskellige forskere har i deres forsøg på at bekræfte hans arbejde brugt forskellige typer glas kritikløst med forskellige grader af transparens i det infrarøde. I sine senere eksperimenter var Herschel klar over glassets begrænsede transparens i forhold til den nyopdagede termiske stråling, og han blev nødt til at konkludere, at optikken til det infrarøde sandsynligvis ville være tvunget til udelukkende at bruge reflektive elementer (f.eks. plane og bølgede spejle). Heldigvis holdt dette kun stik indtil 1830, da den italienske forsker Melloni gjorde den store opdagelse, at naturligt forekommende klippesalt (NaCl) – der kunne udvindes i naturlige krystaller, der var tilstrækkeligt store til at blive formet til linser og prismer – er bemærkelsesværdigt transparent over for det infrarøde. Som et resultat heraf fungerede klippesalt som det primære infrarøde optiske materiale i de næste hundrede år, indtil man i 1930'erne lærte at fremstille syntetiske krystaller.

Termometre var de primære strålingsdetektorer indtil år 1829, da Nobili opfandt termoelementet. (Herschels eget termometer kunne læse 0,2 °C, og senere modeller kunne læse til 0,05° C). Så skete der et gennembrud. Melloni serieforbandt et antal termoelementer og dannede hermed den første termosøjle. Den nye enhed var mindst 40 gange så følsom som datidens bedste termometer til registrering af varmestråling og var i stand til at registrere varmen fra en person, der stod tre meter væk.

Det første såkaldte ‘varmebillede’ blev muliggjort i år 1840 af Sir John Herschel, berømt astronom og søn af William Herschel, som oprindeligt opdagede det infrarøde. Ved at iagttage den varierende fordampning af tynd oliefilm, der blev udsat for et koncentreret varmemønster, kunne der registreres et termisk billede af reflekteret lys, der blev synligt for det menneskelige øje som følge af oliefilmens interferensvirkninger. Det lykkedes også for Sir John at lave en primitiv registrering af det termiske billede på papir, som han kaldte for en ‘termograf’.

Den infrarøde detektors følsomhed blev langsomt forbedret. For endnu et stort gennembrud stod Langley i 1880 med opfindelsen af bolometeret. Dette bolometer bestod af et tyndt sortfarvet platinbånd sluttet til en arm på et kredsløb med en Wheatstone-bro, som den infrarøde stråling blev fokuseret på, og som et følsomt galvanometer reagerede på. Dette instrument kunne efter sigende registrere varmen fra en ko på en afstand af 400 meter.

En engelsk videnskabsmand, Sir James Dewar, introducerede som den første brugen af flydende gasser som kølemiddel (som f.eks. flydende nitrogen med en temperatur på -196 °C ) i forskning med lave temperaturer. I 1892 opfandt han en enestående vakuumisolerende beholder, i hvilken det er muligt at opbevare flydende gasser i flere dage ad gangen. Den almindelige ‘termoflaske’, som anvendes til opbevaring af varme og kolde drikke, er baseret på hans opfindelse.

I perioden 1900 til 1920 opdagede opfindere over hele verden det infrarøde. Der blev udstedt mange patenter for enheder, der kunne detektere mennesker, artilleri, fly, skibe – og selv isbjerge. De første systemer – i moderne forstand – blev udviklet i årene fra 1914-1918 under første verdenskrig, hvor begge krigens parter havde forskningsprogrammer, der var helliget den militære udnyttelse af det infrarøde. Disse programmer omfattede eksperimentelle systemer til detektering af indtrængende fjender, varmedetektering over større afstande, sikker kommunikation og systemer til styring af "flyvende torpedoer". Et infrarødt søgesystem, der blev testet i denne periode, kunne detektere et fly, der nærmede sig, på en afstand af 1,5 km eller en person, der befandt sig mere end 300 meter. væk.

De mest følsomme systemer frem til den tid var alle baseret på variationer over bolometer-princippet, men i perioden mellem de to verdenskrige blev der udviklet to revolutionerende, nye infrarøde detektorer: Billedomformeren og fotondetektoren. I starten fik billedomformeren størst opmærksomhed af militæret, da det for første gang i historien blev muligt for en observatør at ‘se i mørket’. Billedomformerens følsomhed var imidlertid begrænset til de nære infrarøde bølgelængder, og de mest interessante militære mål (f.eks. fjendens soldater) skulle først oplyses af infrarøde søgestråler. Men da man på denne måde risikerede at afsløre observatørens position over for en fjende med lignende udstyr, er det forståeligt, at militæret med tiden mistede interessen for billedomformeren.

De taktiske militære ulemper ved såkaldte 'aktive’ termiske billedsystemer (dvs. systemer, som virker ved hjælp af en stråle) satte efter anden verdenskrig fra 1939–45 gang i omfattende militære forskningsprogrammer inden for infrarød teknologi og muligheden for at udvikle ‘passive’ (ingen søgestråle) systemer omkring den meget følsomme fotondetektor. I denne periode gjorde militære sikkerhedsbestemmelser det umuligt at følge med i udviklingen af infrarød billedteknologi. Sløret blev først løftet lidt i begyndelsen af 1950'erne. Nu blev det også muligt for civile forskere og civil industri at udnytte den termiske billedteknologi.