33  Ιστορικό της υπέρυθρης τεχνολογίας

Πριν από το 1800,‎ κανείς δεν μπορούσε ούτε καν να φανταστεί την ύπαρξη του υπέρυθρου τμήματος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Η αρχική σημασία του υπέρυθρου φάσματος,‎ ή απλώς των ‘υπερύθρων’ όπως συχνά ονομάζεται αυτό,‎ ως μια μορφή ακτινοβολίας θερμότητας είναι σήμερα ίσως λιγότερο προφανής από ό,‎τι κατά την εποχή της ανακάλυψής του από τον Herschel το 1800.

Η ανακάλυψη έγινε συμπτωματικά κατά τη διάρκεια έρευνας πάνω σε ένα καινούργιο οπτικό υλικό. Ο Sir William Herschel – βασιλικός αστρονόμος του βασιλιά Γεωργίου του III της Αγγλίας και ήδη διάσημος για την ανακάλυψη του πλανήτη Ουρανού – αναζητούσε ένα υλικό οπτικού φίλτρου που θα μείωνε τη φωτεινότητα της εικόνας του ήλιου στα τηλεσκόπια κατά τις παρατηρήσεις της ηλιακής επιφάνειας. Καθώς δοκίμαζε διάφορα δείγματα έγχρωμου γυαλιού τα οποία έδιναν παρόμοιες μειώσεις της φωτεινότητας,‎ εντυπωσιάστηκε όταν ανακάλυψε ότι μερικά από τα δείγματα άφηναν να περάσει ελάχιστη από τη θερμότητα του ήλιου,‎ ενώ άλλα άφηναν να περάσει τόσο πολλή θερμότητα που κινδύνευε το μάτι του μετά από ελάχιστα λεπτά παρατήρησης.

Ο Herschel σύντομα πείστηκε για την ανάγκη διεξαγωγής ενός συστηματικού πειράματος,‎ με στόχο την εύρεση ενός υλικού που θα επιτύγχανε την επιθυμητή μείωση φωτεινότητας καθώς και τη μέγιστη μείωση της διάδοσης θερμότητας. Άρχισε το πείραμα επαναλαμβάνοντας ουσιαστικά το πείραμα με το πρίσμα του Νεύτωνα,‎ αναζητώντας όμως το φαινόμενο θέρμανσης αντί της οπτικής κατανομής της έντασης στο φάσμα. Αρχικά,‎ μαύρισε με μελάνη τη σφαίρα ενός ευαίσθητου,‎ γυάλινου θερμομέτρου υδραργύρου και,‎ χρησιμοποιώντας αυτό ως ανιχνευτή ακτινοβολίας,‎ συνέχισε δοκιμάζοντας τις θερμαντικές επιπτώσεις των διαφόρων χρωμάτων του φάσματος που σχηματιζόταν στην επιφάνεια ενός τραπεζιού καθώς περνούσε το φως του ήλιου μέσα από ένα γυάλινο πρίσμα. Άλλα θερμόμετρα,‎ που ήταν τοποθετημένα μακριά από τις ακτίνες του ήλιου,‎ εξυπηρετούσαν ως στοιχεία ελέγχου.

Καθώς το μαυρισμένο θερμόμετρο μετακινείτο αργά κατά μήκος των διαφόρων χρωμάτων του φάσματος,‎ η μετρούμενη θερμοκρασία έδειχνε μια σταθερή αύξηση από το ιώδες άκρο προς το ερυθρό άκρο. Αυτό ήταν εν μέρει αναμενόμενο,‎ καθώς ο Ιταλός ερευνητής,‎ Landriani,‎ σε παρόμοιο πείραμα το 1777 είχε παρατηρήσει περίπου το ίδιο φαινόμενο. Ωστόσο,‎ ο Herschel ήταν ο πρώτος που αναγνώρισε ότι θα πρέπει να υπάρχει ένα σημείο όπου το φαινόμενο θέρμανσης φτάνει στο μέγιστο όριό του,‎ καθώς και ότι οι μετρήσεις που περιορίζονταν στο ορατό τμήμα του φάσματος δεν είχαν καταφέρει να εντοπίσουν αυτό το σημείο.

Μετακινώντας το θερμόμετρο στη σκοτεινή περιοχή πέρα από το ερυθρό άκρο του φάσματος,‎ ο Herschel επιβεβαίωσε ότι η θέρμανση συνέχιζε να αυξάνεται. Όταν εντόπισε το σημείο μεγιστοποίησης,‎ διαπίστωσε ότι αυτό βρισκόταν αρκετά πέρα από το ερυθρό άκρο του φάσματος –στην περιοχή που σήμερα είναι γνωστή ως ‘υπέρυθρα μήκη κύματος’.

Όταν ο Herschel αποκάλυψε την ανακάλυψή του,‎ ονόμασε το νέο αυτό τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος ‘θερμομετρικό φάσμα’. Την ίδια την ακτινοβολία συχνά την ονόμαζε ‘σκοτεινή θερμότητα’ ή απλώς ‘αόρατες ακτίνες’. Παραδόξως και αντίθετα από αυτό που νομίζουν πολλοί,‎ η επινόηση του όρου ‘υπέρυθρες’ δεν αποδίδεται στον Herschel. Ο όρος αυτός άρχισε να εμφανίζεται σε έντυπες εκδόσεις σχεδόν 75 χρόνια αργότερα και εξακολουθεί ακόμη και σήμερα να αγνοείται το όνομα εκείνου που πρώτος τον χρησιμοποίησε.

Η χρήση γυαλιού από τον Herschel στο πρίσμα του αρχικού του πειράματος προκάλεσε αρχικά κάποιες διενέξεις με τους σύγχρονούς του σχετικά με την ίδια την ύπαρξη των υπέρυθρων μηκών κύματος. Διάφοροι ερευνητές,‎ που επιχείρησαν να επιβεβαιώσουν την εργασία του,‎ χρησιμοποίησαν αδιακρίτως διάφορους τύπους γυαλιού οι οποίοι παρουσίαζαν διαφορετική διαπερατότητα στις υπέρυθρες. Με μεταγενέστερα πειράματα,‎ ο Herschel αντιλήφθηκε την περιορισμένη περατότητα του γυαλιού στη νεο-ανακαλυφθείσα θερμική ακτινοβολία και αναγκάστηκε να συμπεράνει ότι ο οπτικός εξοπλισμός για υπέρυθρες ίσως ήταν καταδικασμένος να χρησιμοποιεί μόνο ανακλαστικά στοιχεία (δηλ. επίπεδα και κοίλα κάτοπτρα)‎. Ευτυχώς,‎ αυτό αποδείχθηκε αληθές μόνο μέχρι το 1830,‎ όταν ο Ιταλός ερευνητής,‎ Melloni,‎ έκανε τη σημαντικότατη ανακάλυψη ότι το ορυκτό αλάτι (NaCl)‎ – το οποίο υπήρχε σε αρκετά μεγάλους φυσικούς κρυστάλλους για να μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως υλικό κατασκευής φακών και πρισμάτων – είναι αξιοσημείωτα διαπερατό στις υπέρυθρες. Το αποτέλεσμα ήταν ότι το ορυκτό αλάτι αποτέλεσε το κύριο οπτικό υλικό υπερύθρων και παρέμεινε τέτοιο για τα επόμενα εκατό χρόνια,‎ ώσπου τελειοποιήθηκε η τέχνη των συνθετικών κρυστάλλων στη δεκαετία του 1930.

Τα θερμόμετρα,‎ ως ανιχνευτές ακτινοβολίας,‎ παρέμειναν χωρίς ουσιαστικό αντίπαλο μέχρι το 1829,‎ τη χρονιά που ο Nobili εφηύρε το θερμοζεύγος. Το θερμόμετρο του Herschel είχε ακρίβεια 0,‎2 °C,‎ ενώ τα μεταγενέστερα μοντέλα είχαν ακρίβεια 0,‎05 °C. Τότε,‎ έγινε μια εντυπωσιακή ανακάλυψη: ο Melloni συνέδεσε πολλά θερμοζεύγη εν σειρά και σχημάτισε την πρώτη θερμοηλεκτρική στήλη. Η νέα συσκευή ήταν τουλάχιστον 40 φορές πιο ευαίσθητη από το καλύτερο θερμόμετρο εκείνης της εποχής στην ανίχνευση ακτινοβολίας θερμότητας — με δυνατότητα ανίχνευσης της θερμότητας ενός ανθρώπου σε απόσταση τριών μέτρων.

Η πρώτη λεγόμενη ‘θερμική φωτογραφία’ κατέστη εφικτή το 1840,‎ ως αποτέλεσμα της εργασίας του Sir John Herschel,‎ γιου του επιστήμονα που ανακάλυψε τις υπέρυθρες και διάσημου αστρονόμου χάρη στις δικές του εργασίες. Σύμφωνα με το φαινόμενο της διαφορικής εξάτμισης ενός λεπτού φιλμ ελαίου όταν αυτό εκτίθεται σε μοτίβο θερμότητας που εστιάζεται πάνω του,‎ η θερμική φωτογραφία καθίσταται ορατή μέσω ανακλώμενου φωτός,‎ όπου τα φαινόμενα συμβολής του φιλμ ελαίου καθιστούσαν την εικόνα ορατή στο ανθρώπινο μάτι. Ο Sir John κατάφερε επίσης να πραγματοποιήσει μια πρωτόγονη καταγραφή της θερμικής φωτογραφίας σε χαρτί,‎ που την ονόμασε ‘θερμογράφημα’.

Η βελτίωση της ευαισθησίας των ανιχνευτών υπερύθρων εξελίχθηκε αργά. Μια άλλη επαναστατική ανακάλυψη,‎ αυτήν τη φορά από τονLangley το 1880,‎ ήταν η εφεύρεση του βολόμετρου. Αυτό αποτελείτο από μια λεπτή,‎ μαυρισμένη λωρίδα λευκόχρυσου συνδεδεμένη στον ένα βραχίονα ενός κυκλώματος γέφυρας Wheatstone,‎ πάνω στην οποία εστιαζόταν η υπέρυθρη ακτινοβολία και στην οποία αποκρινόταν ένα ευαίσθητο γαλβανόμετρο. Το όργανο αυτό λέγεται ότι μπορούσε να ανιχνεύσει τη θερμότητα μιας αγελάδας σε απόσταση 400 μέτρων.

Ο Άγγλος επιστήμονας,‎ Sir James Dewar,‎ εισήγαγε πρώτος τη χρήση υγροποιημένων αερίων ως παραγόντων ψύξης (όπως το υγρό άζωτο με θερμοκρασία -196 °C)‎ στην έρευνα χαμηλών θερμοκρασιών. Το 1892,‎ εφηύρε ένα μοναδικό μονωτικό δοχείο κενού,‎ στο οποίο ήταν δυνατή η φύλαξη υγροποιημένων αερίων για ολόκληρες ημέρες. Το γνωστό σε όλους μας σήμερα ‘θερμός’,‎ που χρησιμοποιείται για τη φύλαξη θερμών και ψυχρών ποτών,‎ βασίζεται στην εφεύρεσή του αυτή.

Στην περίοδο από το 1900 μέχρι το 1920,‎ οι εφευρέτες σε ολόκληρο τον κόσμο ‘ανακάλυπταν’ τις υπέρυθρες. Κατοχυρώθηκαν πολλά διπλώματα ευρεσιτεχνίας για διατάξεις ανίχνευσης προσωπικού,‎ πυροβόλων όπλων,‎ αεροσκαφών,‎ πλοίων – ακόμη και παγόβουνων. Τα πρώτα λειτουργούντα συστήματα,‎ με τη σύγχρονη έννοια του όρου,‎ άρχισαν να αναπτύσσονται κατά τον Α' Παγκόσμιο Πόλεμο του 1914–18,‎ όταν και οι δύο αντίπαλες πλευρές διατηρούσαν ερευνητικά προγράμματα αφιερωμένα στην αξιοποίηση των υπερύθρων για στρατιωτικούς σκοπούς. Στα προγράμματα αυτά περιλαμβάνονταν πειραματικά συστήματα για εχθρική παρείσδυση/ ανίχνευση,‎ ανίχνευση θερμοκρασίας από απόσταση,‎ ασφαλείς επικοινωνίες και καθοδήγηση ‘ιπτάμενων τορπιλών’. Ένα από τα ερευνητικά συστήματα υπερύθρων που δοκιμάστηκαν κατά την περίοδο αυτή είχε τη δυνατότητα να ανιχνεύει αεροσκάφος σε πορεία προσέγγισης σε απόσταση 1,‎5 χιλιομέτρου ή άνθρωπο σε απόσταση μεγαλύτερη των 300 μέτρων.

Τα πλέον ευαίσθητα συστήματα εκείνης της εποχής βασίζονταν όλα σε διάφορες παραλλαγές της αρχής του βολόμετρου,‎ αλλά κατά την περίοδο ανάμεσα στους δύο Παγκόσμιους Πολέμους σημειώθηκε η ανάπτυξη δύο επαναστατικών νέων ανιχνευτών υπερύθρων: ο μετατροπέας εικόνας και ο ανιχνευτής φωτονίων. Αρχικά,‎ ο μετατροπέας εικόνας αποτέλεσε το επίκεντρο της προσοχής των ενόπλων δυνάμεων,‎ διότι επέτρεπε σε έναν παρατηρητή για πρώτη φορά στην ιστορία κυριολεκτικά να ‘βλέπει στο σκοτάδι’. Ωστόσο,‎ η ευαισθησία του μετατροπέα εικόνας ήταν περιορισμένη στα μήκη κύματος κοντά στο φάσμα των υπερύθρων,‎ οπότε οι σημαντικότεροι στρατιωτικοί στόχοι (δηλ. οι στρατιώτες του εχθρού)‎ έπρεπε να φωτίζονται με δέσμες υπερύθρων. Επειδή αυτό αύξανε τον κίνδυνο αποκάλυψης της θέσης του παρατηρητή σε κάποιον αντίστοιχο παρατηρητή του εχθρού,‎ είναι απόλυτα κατανοητός ο λόγος που τελικά χάθηκε το ενδιαφέρον των ενόπλων δυνάμεων για το μετατροπέα εικόνας.

Τα τακτικά στρατιωτικά μειονεκτήματα των λεγόμενων ‘ενεργητικών’ συστημάτων θερμικής απεικόνισης (δηλ. εκείνων που απαιτούσαν τη χρήση δέσμης υπερύθρων)‎ αποτέλεσαν μετά τον Β' Παγκόσμιο Πόλεμο του 1939–45 το έναυσμα για εκτεταμένα μυστικά στρατιωτικά ερευνητικά προγράμματα πάνω στις υπέρυθρες,‎ αναφορικά με τη δυνατότητα ανάπτυξης ‘παθητικών’ συστημάτων (δηλ. χωρίς τη χρήση δέσμης υπερύθρων)‎ με επίκεντρο τον εξαιρετικά ευαίσθητο ανιχνευτή φωτονίων. Κατά την περίοδο αυτή,‎ οι στρατιωτικοί κανονισμοί περί απορρήτου απέκλεισαν τελείως τη δημοσίευση της κατάστασης της τεχνολογίας απεικόνισης με υπέρυθρες. Το απόρρητο αυτό άρχισε να αίρεται στα μέσα της δεκαετίας του '50 και από εκείνη τη στιγμή αρκετές συσκευές θερμικής απεικόνισης άρχισαν να καθίστανται διαθέσιμες στη μη στρατιωτική επιστήμη και βιομηχανία.