25  Historie og infrarød teknologi

Før år 1800 hadde man ikke en gang mistanke om at den infrarøde delen av det elektromagnetiske spektret eksisterte. Den opprinnelige betydningen av det infrarøde spektret,‎ eller ganske enkelt ‘infrarødt’ som det ofte kalles,‎ som en form for varmestråling er muligens mindre åpenbar i dag enn da det ble oppdaget av Herschel i 1800.

Oppdagelsen skjedde ved en tilfeldighet under søking etter et nytt optisk materiale. Sir William Herschel – kongelig astronom for Kong George III av England,‎ og allerede berømt for oppdagelsen av planeten Uranus –,‎ lette etter et optisk filtermateriale for å redusere lysstyrken når man så på solen gjennom teleskoper ved solobservasoner. Under testing av forskjellige prøver av farget glass som ga samme reduksjon i lysstyrke,‎ oppdaget han at noen av prøvene slapp gjennom svært lite av solens varme,‎ mens andre slapp gjennom så mye varme at ha risikerte å skade øynene etter bare noe få sekunders’ observasjon.

Herschel ble snart overbevist om nødvendigheten av å sette i gang et systematisk eksperiment for å finne ett enkelt materiale som ville gi ønsket reduksjon i lysstyrke,‎ samtidig som det ga maksimal varmereduksjon. Han startet eksperimentet ved å gjenta Newton’s prismeeksperiment,‎ men han var på utkikk etter varmeeffekten i stedet for den visuelle fordelingen av intensiteten i spektret. Først svertet han pæren til et følsomt kvikksølvtermometer i glass med blekk,‎ og med dette som strålingsdetektor fortsatte han å teste varmeeffekten til de forskjellige fargene i spektret som ble dannet på toppen av et bord ved å slippe sollys gjennom et glassprisme. Andre termometre som var plassert utenfor solstrålene,‎ fungerte som kontroll.

Etter hvert som det svertede termometeret ble flyttet sakte langs fargene i spektret,‎ viste temperaturavlesingene en konstant økning fra den fiolette enden til den røde enden. Dette var ikke helt uventet,‎ siden den italienske forskeren Landriani,‎ i et lignende eksperiment i 1777 hadde observert mye av den samme effekten. Det var imidlertid Herschel som først innså at det må være et punkt hvor varmeeffekten nådde et maksimum,‎ og at målinger som er begrenset til den synlige delen av spektret ikke klarer å finne dette punktet.

Ved å flytte termometeret inn i det mørke området utenfor den røde enden av spektret,‎ bekreftet Herschel at varmen fortsatte å øke. Da han fant maksimumspunktet,‎ lå det godt utenfor den røde enden – i det som i dag er kjent som de ‘infrarøde bølgelengdene’.

Da Herschel avslørte oppdagelsen sin,‎ refererte han til denne nye delen av det elektromagnetiske spektret som det ‘termometriske spektret’. Noen ganger refererte han til selve strålingen som ‘mørk varme’,‎ eller ganske enkelt ‘de usynlige strålene’. Ironisk nok,‎ og i motsetning til folks oppfatning,‎ var det ikke Herschel som var opphavet til uttrykket ‘infrarød’. Ordet begynte bare å opptre i litteraturen omlag 75 år senere,‎ og det er fortsatt uklart hvem som var opphavet til det.

Herschel’s bruk av glass i prismen i det opprinnelige eksperimentet førte til noen tidlige kontroverser med hans samtidige om de infrarøde bølgelengdene virkelig eksisterte. I forsøk på å bekrefte dette arbeidet,‎ brukte ulike forskere forskjellige typer glass med forskjellig gjennomsiktighet i det infrarøde området. I de senere eksperimentene sine ble Herschel klar over den begrensede gjennomsiktigheten til glass i forhold til den nyoppdagede termiske strålingen,‎ og han ble tvunget til å konkludere med at optikk for infrarøde stråler muligens ville bli henvist til å bruke kun reflektive elementer (dvs. flate og buede speil)‎. Heldigvis var dette sant bare til 1830,‎ da den italienske forskerenMelloni,‎ gjorde den store oppdagelsen at steinsalt (NaCl)‎ – som forekommer naturlig,‎ og som fantes i store nok naturlige krystaller slik at man kunne lage linser og prismer – er bemerkelsesverdi gjennomsiktig for infrarød stråling. Resultatet var at steinsalt ble det viktigste infrarøde optiske materialet,‎ og det fortsatte å være det de neste hundre årene,‎ helt til man utviklet syntetisk krystall i 1930’-årene.

Termometre som strålingsdetektorer ble ikke utfordret før i 1829,‎ året daNobili oppfant termoelementet. (Herschel’s eget termometer kunne leses til 0,‎2 °C (0,‎036 °F)‎,‎ og senere modeller kunne leses til 0,‎05 °C (0,‎09 °F)‎)‎. Så skjedde det et gjennombrudd; Melloni koblet flere termoelementer i serie for til den første termosøylen. Denne nye anvendelsen var minst 40 ganger så følsom som det beste termometeret den gang av til å detektere varmestråling – og det var i stand til å detektere varmen fra en person som stod tre meter unna.

Det første såkalte ‘varmebildet’ ble mulig i 1840. Dette var et resultat av arbeidet til Sir John Herschel,‎ sønn av mannen som oppdaget den infrarøde strålingen,‎ og en berømt astronom. Basert på forskjellen i fordamping fra en tynn oljefilm når den eksponeres for et varmemønster som fokuseres på den,‎ kunne man se det termiske bildet fra reflektert lys,‎ hvor interferenseffektene til oljefilmen gjorde bildet synlig for øyet. Sir John klarte fikk også til en primitiv registrering av det termiske bildet på papir. Dette kalte han en ‘termograf’.

Forbedringen av følsomheten til den infrarøde detektoren gikk sakte. Et annet viktig gjennombrudd,‎ som Langley sto for i 1880,‎ var oppfinnelsen av bolometeret. Dette besto av en tynn svertet stripe i platina koblet i én arm på en Wheatstonebru-krets,‎ og som den infrarøde strålingen ble fokusert mot og som et følsomt galvanometer reagerte på. Det sies at dette instrumentet har vært i stand til å oppdage varmen fra ei ku i en avstand på 400 meter.

En engelsk vitenskapsmann,‎Sir James Dewar,‎ var den som først introduserte bruk av flytende gasser som kjølevæske (som flytende nitrogen med en temperatur på -196 °C (-320,‎8 °F)‎)‎ innen lavtemperaturforskning. I 1892 oppfant han en unik vakuumisolert beholder hvor man kan lagre flytende gasser i flere dager. Den vanlige ‘termosflasken’,‎ som brukes til å oppbevare varm og kald drikke,‎ er basert på denne oppfinnelsen.

I årene mellom 1900 og 1920 oppdaget verdens oppfinnere ‘’ den infrarøde strålingen". Det ble utstedt mange patenter for apparater som detekterte personell,‎ artilleri,‎ fly,‎ skip – og til og med isberg. De første fungerende systemene i moderne betydning av ordet,‎ begynte å bli utviklet under første verdenskrig 1914–18,‎ hvor begge sider hadde forskningsprogrammer som arbeidet med militær utnyttelse av infrarød stråling. Disse programmene omfattet eksperimentelle systemer for inntrenging/detektering av fiender,‎ ekstern temperaturregistrering,‎ sikker kommunikasjon og ‘flyvende torpedostyring. Et infrarødt søkesystem som ble testet i denne perioden kunne detektere et fly som nærmet seg ved en avstand på 1,‎5 km (0,‎94 miles)‎,‎ eller en person mer enn 300 meter (984 ft.)‎ unna.

De mest følsomme systemene inntil da var alle basert på variasjoner av bolometer-ideen,‎ men i mellomkrigstiden fikk man to revolusjonerende nye infrarøde detektorer: bildeomformeren og fotondetektoren. I starten fikk bildeomformeren mest oppmerksomhet fra det militære,‎ fordi den satte en observatør for første gang i historien i stand til å praktisk talt å se i mørket’. Men følsomheten til bildeomformeren var begrenset til de nære infrarøde bølgelengdene,‎ og de mest interessante militære målene (dvs. fiendlige soldater)‎ måtte lyses opp med infrarøde søkestråler. Siden dette innebar fare for å avsløre observatørens posisjon til en fiendtlig observatør med lignende utstyr,‎ er det forståelig at den militære interessen for bildeomformeren etter hvert avtok.

De taktisk militære ulempene til såkalt aktive (dvs. utstyrt med søkestråle)‎ termiske bildesystemer ga etter andre verdenskrig 1939–45 støtet til et omfattende hemmelig infrarødt forskningsprogram for utvikling av ‘passive’ (uten søkestråle)‎ systemer basert på den ekstremt følsomme fotondetektoren. I løpet av denne perioden hindret militært hemmelighold åpen informasjon om statusen til infrarød bildeteknologi. Det begynte å bli slutt på dette hemmeligholdet midt på 1950-tallet,‎ og fra da av ble systemer basert på termisk bildegjengivelse å bli tilgjengelig for sivil vitenskap og industri.