19  Enfraruj teknolojisinin tarihi

1800 yılından önce, elektromanyetik spektruma ait enfrarujun varlığından şüphe dahi edilmiyordu. Enfraruj spektrumunun ya da sık kullanılan adıyla ‘enfraruj’ un ısı radyasyon biçimi olarak esas önemi, günümüzde, Herschel tarafından keşfedildiği 1800 yılına oranla belki de daha azdır.

Bu keşif, yeni bir optik malzemenin araştırılması sırasında tesadüfen ortaya çıkmıştır. Sir William Herschel - İngiltere Kralı III. George'un Kraliyet Astronomudur ve Uranüs gezegenini keşfeden kişi olarak ünlenmiştir - güneşle ilgili gözlemleri sırasında teleskoplardaki güneş görüntüsünün parlaklığını azaltmak için yeni bir optik filtre materyali üzerinde araştırma yapmaktaydı. Parlaklıkta benzer şekilde azalma sağlayan farklı renkli cam numuneleri üzerinde testler yaparken, bazı numunelerin güneş ısısını çok az geçirdiğini ve diğerlerinin sadece birkaç saniye içinde gözlere zarar verebilecek bir ısı geçirdiğini farketmiştir.

Herschel daha sonra, parlaklıkta istediği sonucu verirken, aynı zamanda ısıyı maksimum derecede düşürecek tek bir madde bulma amacıyla, sistematik bir deney yapılmasının gerekli olduğu kanısına varmıştır. Newton'un prizma deneyini tam olarak tekrarlayarak ancak spektrum içinde yoğunluğun görsel dağılımı yerine ısınma etkisini arayarak, deneylerine başlamıştır. Önce, camlı termometresinin hassas cıva dolu ampulünü mürekkeple karartmış ve bunu radyasyon dedektörü olarak kullanmış, güneş ışığını bir cam prizmadan geçirerek, bir masanın üzerinde oluşan spektrumdaki değişik renklerin ısınma etkisini test etmeye başlamıştır. Güneş ışınlarının dışında bulunan diğer termometreler kontrol olarak kullanılmıştır.

Karartılmış termometre, spektrumun renkleri arasında yavaşça ilerlerken, elde edilen sıcaklık değerleri, mor uçtan kırmızı uca tutarlı bir artış olduğunu göstermiştir. Bu tamamen beklenmedik bir olay değildi, İtalyan araştırmacı Landriani, 1777 yılında gerçekleştirdiği benzer bir deneyde bu etkinin hemen hemen aynısını gözlemlemişti. Ancak, ısınma etkisinin maksimum bir değere ulaştığı bir nokta olması gerektiğini ilk anlayan Herschel olmuş, ancak spektrumun görülen kısmındaki ölçümler bu noktanın yerini tespit edememiştir.

Herschel, termometreyi spektrumun kırmızı ucunun ötesindeki koyu bölgeye ilerleterek, ısınmanın artmaya devam ettiğini doğrulamıştır. Bulduğunda, maksimum nokta, kırmızı ucun tam olarak ötesinde kalmıştı – ki bugün bu noktaya 'enfraruj dalgaboyları' adı verilmektedir.

Herschel buluşunu açıkladığında, elektromanyetik spektrumun bu yeni bölümüne 'termometrik spektrum' adını vermiştir. Radyasyonun kendisi de bazen "kızıl ötesi ışınların sıcaklığı" veya kısaca "görünmez ışınlar" olarak adlandırılmıştır. İronik olarak ve bilinen görüşün aksine, "enfraruj" terimini ilk bulan Herschell değildir. Bu sözcük yaklaşık 75 yıl sonra ortaya çıkmış olup, kimin bulduğu halen daha bilinmemektedir.

Herschel'in orijinal deneyinde prizma camını kullanması, enfraruj dalgaboylarının gerçekten varolmasıyla ilgili olarak çağdaşlarıyla ihtilaflar doğmasına neden olmuştur. Çalışmasını doğrulama amacındaki farklı araştırmacılar, ayrım gözetmeden, enfrarujda farklı saydamlıklar gösteren farklı cam türleri kullanmıştır. Herschel daha sonra yaptığı deneyler yoluyla, camın yeni keşfedilen termik radyasyon konusunda sınırlı bir saydamlığa sahip olduğunun farkına varmış ve enfraruj için kullanılan optiklerin, sadece yansıtıcı elemanların kullanılmasıyla sınırlı olabileceği sonucuna varmıştır (örneğin düz ve eğri aynalar). Bu durum. 1830 yılında İtalyan araştırmacı Melloni'ye kadar doğru kabul edilmiştir. Melloni, doğal kaya tuzunu (NaCl) keşfetmiştir – ki bu merceklerde ve prizmalarda kullanılan doğal kristallerde kullanmaya yetecek kadar çoktur – ve enfraruj karşısında önemli ölçüde geçirgendir. Sonuçta, kaya tuzu asıl enfraruj optik maddesi haline gelmiştir ve bir yüz yıl boyunca, 1930'larda sentetik kristal yetiştirme sanatı bulunana kadar öyle kalmıştır.

Radyasyon algılayıcıları kullanılan termometreler, Nobili'nin termokuplu icat ettiği 1829 yılına kadar rakipsiz kalmıştır. (Herschel'in kendi termometresi 0,2°C değerine kadar, daha sonraki modeller ise 0,05°C değerine kadar okunabilmekteydi). Daha sonra çok önemli bir gelişme yaşandı ve Melloni, birkaç termokuplu birbirine bağlayarak ilk termopili geliştirdi. Bu yeni cihaz, ısı radyasyonunu algılama konusunda o güne kadarki en iyi termometreden en az 40 kat daha hassastı ve üç metre uzakta duran bir insandan yayılan ısıyı algılayabiliyordu.

İlk "ısıl resim" 1840 yılında, enfrarujun kaşifinin ve en ünlü astronomlardan birinin oğlu olan Sir John Herschel'in çalışmasının ürünü olarak ortaya çıkmıştır. İnce bir yağ film tabakasının kendi üzerine odaklanan bir ısı modeline maruz kalması sonucu ortayla çıkardığı farklı buharlaşmaya dayalı olarak, termik resim yansıyan ışıktan görülebilmekteydi, burada yağ film tabakasının bozucu etkileri resmin gözle görülür olmasını sağlamaktadır. Sir John ayrıca , termik resmin kağıt üzerinde ilkel bir kaydını almayı da başarmış ve "termograf" adını vermiştir.

Enfraruj algılayıcılarının hassasiyeti üzerindeki gelişimler yavaş ilerlemiştir. Başka bir önemli gelişme ise, Langley tarafından 1880 yılında gerçekleştirilen bolometrenin keşfidir. Bu cihaz, Wheatstone köprüsü devresinin bir koluna bağlanan ve üzerine enfrarujlu radyasyonun odaklandığı ve hassas bir galvanometrenin tepki verdiği, ince bir karartılmış platin şeridinden oluşmaktaydı. Bu cihaz hakkında, 400 metre uzaklıkta duran bir inekten gelen ısıyı algılayabileceği söylenmişti.

Bir İngiliz bilim insanı olan Sir James Dewar, düşük sıcaklık araştırmalarında soğutucu madde olarak ilk kez sıvılaştırılmış gazları (ör. -196°C sıcaklıktaki sıvı nitrojen) kullandı. 1892'de ise sıvılaştırılmış gazların günlerce saklanabileceği benzersiz bir vakumlu yalıtkan kap keşfetti. Yaygın adıyla "termos şişesi", sıcak ve soğuk içecekleri saklamak için kullanılır ve bu buluşa dayanmaktadır.

1900 ve 1920 yılları arasında, dünya kaşifleri kızılötesini "keşfetmiştir". İnsan, silah, uzay gemisi ve hatta buz dağlarını algılamak üzere birçok patent alınmıştır. Modern anlamda ilk operasyonel sistemler 1914-18 yılları arasında, kızılötesini her iki tarafın askeri alanda kullanımına yönelik araştırmalar yaptığı Birinci Dünya Savaşı sırasında geliştirilmeye başlamıştır. Bu programlar arasında düşman saldırılarının algılanması, uzaktan sıcaklık algılama, güvenli haberleşme ve "uçan torpido" kılavuzluğu ile ilgili deneysel sistemler sayılabilir. Bu dönemde test edilen kızılötesi özellikli bir arama sistemi, yaklaşmakta olan bir uçağı 1,5 km veya bir insanı 300 metre uzaktan tespit edebiliyordu.

Bu zamana kadar gerçekleştirilen en hassas sistemlerin tamamı bolometre fikrinin varyasyonlarına dayanmaktaydı, ancak, iki savaş arasındaki dönemde devrim yaratacak iki enfrarujlu dedektörün keşfi yaşanmıştır: görüntü çevirici ve foton dedektörü. Başlangıçta, görüntü çevirici askeri kesimlerin son derece ilgisini çekmişti, çünkü bir gözcünün tarihte gerçek anlamda ilk kez 'karanlıkta görmesini' sağlıyordu. Ancak, görüntü dönüştürücünün hassasiyeti yakındaki enfraruj dalgaboylarıyla sınırlıydı ve en ilgi çekici askeri hedeflerin (örneğin düşman askerleri), enfrarujlu arama ışınlarıyla resmedilmesi gerekiyordu. Bu durum, gözcünün konumunun benzer donanıma sahip bir düşman askeri tarafından tespit edilmesi riski taşıdığından, askeri kesimlerin görüntü dönüştürücüye olan ilgisi yavaş yavaş kaybolmuştur.

'Aktif' (örneğin arama ışını donanımlı) termik görüntüleme sistemlerin askeri anlamdaki taktiksel dezavantajları, 1939-45 yılları arasında, gelişmiş gizli askeri enfrarujlu araştırma programlarının, aşırı hassas foton dedektörü çevresinde, 'pasif' (arama ışını olmayan) sistemlerin geliştirilmesi yönünde bir hız kazandırmıştır. Bu dönem boyunca, askeri gizlilik kuralları, enfrarujlu görüntüleme teknolojisinin durumu hakkında açıklama yapılmasını tamamen engellemiştir. Bu gizlilik, 1950'li yılların ortalarından itibaren kaldırılmış ve bu tarihten sonra, uygun termik görüntüleme cihazları sivil bilim ve sanayi ortamında kullanılmaya başlamıştır.