25  Infrapunatekniikan historiaa

Ennen vuotta 1800 ei sähkömagneettisen spektrin infrapunaisen kaistan olemassaoloa osattu edes ajatella. Infrapunaspektrin,‎ tai vain 'infrapunaisen',‎ kuten sitä tavallisesti kutsutaan,‎ alkuperäinen merkitys lämpösäteilynä on nykyään ehkä vähemmän ilmeistä kuin Herschelin törmätessä ilmiöön vuonna 1800.

Infrapunainen löytyi vahingossa etsittäessä uutta optista ainetta. Sir William Herschel – kuningas Yrjö III:n tähtitieteilijä ja jo kuuluisa löydettyään planeetta Uranuksen - etsi optista suodatinmateriaalia,‎ jonka avulla auringon teleskooppikuvan kirkkautta olisi voitu vähentää auringon havainnoinnin aikana. Tehdessään kokeita eri värisillä kirkkautta himmentävillä laseilla hän kiinnostui huomatessaan,‎ että jotkin lasit läpäisivät auringon lämpöä vain vähän,‎ kun taas toiset läpäisivät sitä siinä määrin,‎ että silmät oli suojattava vain muutaman sekunnin tarkkailun ajaksi.

Herschel vakuuttui pian siitä,‎ että tarvittiin systemaattinen koe,‎ jonka tavoitteena oli löytää aine,‎ joka samanaikaisesti himmentäisi kuvaa halutulla tavalla ja vähentäisi lämpöä. Hän aloitti toistamalla Newtonin prismakokeen,‎ mutta kiinnitti huomiota spektrin näkyvän alueen voimakkuuksien jakautumisen sijaan sen lämpövaikutukseen. Aluksi hän mustasi herkän elohopealämpömittarin säiliöosan musteella ja hän ryhtyi tätä säteilynilmaisimenaan käyttämällä tutkimaan auringosta pöydän pinnalle lasiprisman kautta heijastuvien spektrin eri värien lämpövaikutusta. Vertailutarkoituksiin hänellä oli muita lämpömittareita,‎ jotka oli suojattu auringon valolta.

Kun mustattua lämpömittaria siirrettiin hitaasti spektrin väristä toiseen,‎ lukemat osoittivat lämpötilan nousevan tasaisesti siirryttäessä spektrin violetista päästä punaiseen päin. Tämä ei sinänsä ollut täysin odottamatonta,‎ sillä italialainen tutkija Landriani oli havainnut pitkälti saman ilmiön vuonna 1777 suorittamassaan kokeessa. Herschel oli kuitenkin ensimmäinen,‎ joka ymmärsi,‎ että lämpövaikutuksella oli pakko olla huippu,‎ joka ei näyttänyt sijaitsevan näkyvän valon alueella.

Siirtäessään lämpömittarin spektrin punaisen pään ulkopuolella olevalle pimeälle alueelle Herschel totesi,‎ että lämpövaikutus jatkoi voimistumistaan. Huippukohta,‎ kun se löytyi,‎ sijaitsi selvästi punaisen valon ulkopuolella alueella,‎ jota nykyään kutsutaan 'infrapuna-aallonpituuksiksi'.

Kun Herschel julkisti löytönsä,‎ hän kutsui tätä uutta sähkömagneettista spektrin aluetta 'termometriseksi spektriksi'. Itse säteilyä hän kutsui 'pimeäksi lämmöksi',‎ tai vain 'näkymättömiksi säteiksi'. Ironista kyllä,‎ ja vastoin yleistä käsitystä,‎ Herschel ei keksinyt termiä 'infrapunainen'. Kyseinen sana alkoi esiintyä teksteissä noin 75 vuotta myöhemmin ja edelleen on epäselvää,‎ kenelle kunnia sanan keksimisestä kuuluu.

Se,‎ että Herschel käytti alkuperäiskokeessaan prismana lasia,‎ sai aikaan aikalaisten piirissä aikaan keskustelua siitä,‎ oliko infrapunaisia aallonpituuksia todellisuudessa lainkaan olemassa. Yrittäessään vahvistaa Herschelin löytöä eri tutkijat käyttivät umpimähkäisesti useita erilaisia lasityyppejä,‎ jotka läpäisivät infrapunaisia aallonpituuksia eri tavoin. Myöhempien kokeidensa ansiosta Herschel tuli huomaamaan,‎ että lasi läpäisi vasta keksittyä lämpösäteilyä vain osittain ja hänen olikin todettava,‎ että infrapunaisen tutkimuksessa voitiin todennäköisesti käyttää ainoastaan heijastavaa optiikkaa,‎ ts. tasaisia ja kaarevia peilejä. Onneksi tämä piti paikkansa ainoastaan vuoteen 1830 asti,‎ jolloin italialainen tutkija Melloni teki sen merkittävän havainnon,‎ että luonnossa esiintyvä vuorisuola (NaCl)‎ – jota oli saatavana suurina,‎ linssien ja prismojen valmistukseen sopivina luonnonkiteinä - läpäisi infrapunasäteilyä erinomaisesti. Tämän seurauksena vuorisuolasta tuli infrapunasäteilyn tutkimuksessa ensiarvoisen tärkeä optinen materiaali,‎ mikä tilanne säilyi muuttumattomana seuraavan 100 vuoden ajan aina 1930-luvulle,‎ jolloin kiteitä opittiin valmistamaan keinotekoisesti.

Lämpömittarit säilyttivät asemansa säteilynilmaisimina vuoteen 1829,‎ jolloin Nobili keksi lämpöparin. (Herschelin käyttämän lämpömittarin tarkkuus oli 0,‎2 °C (0,‎036 °F)‎,‎ ja myöhempien mallien tarkkuus parani 0,‎05 °C:een (0,‎09 °F)‎)‎. Sitten tapahtui läpimurto. Melloni liitti useita lämpöpareja sarjaksi muodostaen ensimmäisen infrapunalämpömittarin (thermopile)‎. Uusi laite mittasi lämpösäteilyä vähintään 40 kertaa herkemmin kuin oman aikansa parhaat lämpömittarit,‎ sillä se pystyi havaitsemaan henkilöstä lähtöisin olevan lämmön kolmen metrin etäisyydeltä.

Ensimmäinen nk. 'lämpökuva' tuli mahdolliseksi vuonna 1840 Sir John Herschelin,‎ infrapunaisen keksijän pojan ja itse ansioituneen astronomin työn tuloksena. Kuva perustui siihen,‎ että ohuesta öljykerroksesta haihtuu öljyä sen mukaan,‎ missä määrin sen eri kohtiin kohdistuu lämpöä. Lämpökuva näkyi öljykalvosta heijastuvassa valossa interferenssi-ilmiöiden taittaessa sitä eri tavoin. Sir John onnistui tuottamaan alkeellisen kuvan myös paperille,‎ mitä kuvaa hän sitten kutsui 'lämpökuvaksi'.

Infrapunailmaisimien herkkyys parani hitaasti. Toinen merkittävä läpimurto tapahtui,‎ kun Langley keksi bolometrin vuonna 1880. Kyseessä oli ohut mustattu platinaliuska,‎ joka oli kytketty Wheatstonen sillan toiseen varteen. Herkkä galvanometri reagoi,‎ kun tähän piiriin kohdistettiin infrapunasäteilyä. Laitteen sanottiin havaitsevan lehmän lämmön 400 metrin etäisyydeltä.

Englantilainen tiedemies Sir James Dewar alkoi ensimmäisenä käyttää nestemäisiä kaasuja (mm. nestemäinen typpi,‎ jonka lämpötila on -196 °C (-320,‎8 °F)‎)‎ alhaisten lämpötilojen tutkimuksessa tarvittavina jäähdyttiminä. Vuonna 1892 hän keksi ainutlaatuisen tyhjiöeristeisen säiliön,‎ jossa nesteytettyjä kaasuja saattoi säilyttää kokonaisia vuorokausia. Tavallinen 'termospullo',‎ jota käytetään kuumien ja kylmien juomien säilyttämiseen,‎ perustuu tähän keksintöön.

Vuosien 1900 ja 1920 välillä maailman keksijät sitten 'löysivät' infrapunaisen. Useita patentteja myönnettiin laitteille,‎ jotka oli suunniteltu henkilöiden,‎ tykistön,‎ lentokoneiden,‎ laivojen ja jopa jäävuorten havaitsemiseen. Ensimmäiset toimivat järjestelmät sanan nykyisessä merkityksessä alkoivat kehittyä vuosien 1914–18 sodan aikana,‎ kun sodan osapuolet käynnistivät infrapunasäteilyn sotilaalliseen hyväksikäyttöön tähtääviä tutkimusohjelmia. Kyseisiin ohjelmiin kuului mm. kokeellisia järjestelmiä vihollisen maahantunkeutumisen ja/tai miehistön havaitsemiseen,‎ lämpötilan kaukomittausta,‎ viestiliikenteen turvaamista ja 'lentävien torpedojen' ohjausjärjestelmiä. Tänä aikana kokeiltu infrapunasäteilyyn perustuva hakujärjestelmä pystyi havaitsemaan lähestyvän lentokoneen 1,‎5 kilometrin päästä tai henkilön yli 300 metrin etäisyydeltä.

Herkimmät järjestelmät olivat tähän saakka perustuneet bolometrin toimintaperiaatteen eri muunnelmiin,‎ mutta sotien välisenä kautena kehitettiin kaksi käänteentekevää uutta infrapunailmaisinta: kuvanmuunnin ja fotoni-ilmaisin. Aluksi kuvanmuunnin sai enemmän huomiota sotilaspiireissä,‎ koska sen avulla tarkkailijat saattoivat ensimmäistä kertaa historiassa kirjaimellisesti 'nähdä pimeässä'. Kuvanmuuntimen herkkyys oli kuitenkin rajoittunut lähi-infrapunaisille aallonpituuksille ja kaikkein kiinnostavimmat sotilaalliset kohteet (eli vihollisen sotilaat)‎ oli valaistava infrapunaisin valonheittimin. Koska tähän liittyi se vaara,‎ että vastaavilla laitteilla varustettu vihollisen tarkkailija saattoi nähdä oman puolen tarkkailijan sijainnin,‎ sotilaallinen kiinnostus kuvanmuuntajaa kohtaan lopulta hiipui.

Niin kutsuttujen 'aktiivisten' (eli valonheittimiin perustuvien)‎ lämpökuvausmenetelmien sotilaallisesta kannalta katsottuna taktiset haitat antoivat pontta vuosien 1939-45 sodan jälkeen käynnistetyille mittaville ja salaisille sotilaallisille infrapunasäteilyn tutkimusohjelmille. Nämä keskittyivät 'passiivisiin' (ei valonheittimiä)‎ järjestelmiin,‎ jotka taas perustuivat äärimmäisen herkän fotoni-ilmaisimen käyttöön. Tänä aikana sotilassalaisuuksia koskevat säädökset estivät kokonaan lämpökuvaustekniikan edistymistä koskevan tiedottamisen. Salailu alkoi väistyä vasta 1950-luvun puolivälissä,‎ josta lähtien vastaavia lämpökuvauslaitteita alkoi viimein tulla saataville siviilitutkimuksen ja -teollisuuden käyttöön.