33  История инфракрасной технологии

Еще 200 лет назад о существовании инфракрасного диапазона спектра электромагнитного излучения даже не было известно. Первоначальное значение открытия инфракрасного диапазона спектра или,‎ как это часто называется ИК-излучения,‎ как формы теплового излучения,‎ какое оно имело во время его открытия Гершелем в 1800 году,‎ в настоящее время,‎ вероятно,‎ трудно понять.

Это открытие произошло случайно во время поиска нового оптического материала. Сэр Уильям Гершель,‎ астроном при дворе короля Англии Георга III,‎ к тому времени уже получивший известность за открытие планеты Уран,‎ был занят поиском материала оптического фильтра,‎ чтобы уменьшить яркость изображения солнца в телескопах во время наблюдений за ним. Испытывая различные образцы цветного стекла,‎ дающие одинаковое понижение яркости,‎ он,‎ к своему удивлению,‎ обнаружил,‎ что некоторые образцы пропускали лишь незначительное количество солнечного тепла,‎ в то время как другие пропускали столько тепла,‎ что это могло привести к повреждению глаза уже через несколько секунд наблюдения.

Гершель вскоре пришел к выводу о необходимости проведения систематических исследований с целью нахождения того материала,‎ который бы обеспечил необходимое понижение яркости в сочетании с максимальным понижением потока тепла через него. В начале исследований он фактически повторил эксперимент с призмой Ньютона,‎ но при этом более чем видимое распределение интенсивности спектра его интересовал эффект нагрева. Сначала он закрасил чернилами шарик чувствительного стеклянного ртутного термометра,‎ в результате чего получился своеобразный детектор излучения,‎ который был использован для исследования эффекта нагрева,‎ получаемого при использовании различных цветов спектра,‎ формируемого в верхней части распределения,‎ путем пропускания солнечных лучей через стеклянную призму. Другие термометры,‎ помещенные в стороне от солнечных лучей,‎ служили для получения контрольных значений.

По мере медленного перемещения зачерненного термометра по цветам спектра значения температуры неуклонно повышались при движении от фиолетового к красному краю спектра. Это не явилось полной неожиданностью,‎ поскольку итальянский исследователь,‎ Ландриани,‎ в аналогичном эксперименте в 1777 г. наблюдал схожий эффект. Однако именно Гершель первым установил,‎ что должна существовать точка,‎ в которой эффект нагрева достигает максимума и что эту точку не удается найти с помощью измерений,‎ относящихся к видимой части спектра.

Перемещая термометр в темную область за пределы красной границы спектра,‎ Гершель установил,‎ что нагрев продолжает увеличиваться. Точка максимального нагрева,‎ которую он обнаружил,‎ находилась далеко за пределами красной границы - сейчас мы называем это «инфракрасными длинами волн».

Когда Гершель сделал это открытие,‎ он назвал эту новую часть электромагнитного спектра «термометрическим спектром».. Само излучение Гершель иногда называл «темным теплом» или просто «невидимыми лучами». По иронии судьбы,‎ несмотря на распространенное мнение,‎ термин «инфракрасный» придумал не Гершель. Это слово стало впервые появляться в печатных материалах около 75 лет спустя,‎ и его автор до сих пор не известен.

Использование Гершелем в исходном эксперименте стекла поначалу привело к полемике с его современниками на предмет реальности существования инфракрасных волн. Различные исследователи в попытках найти подтверждение его открытию использовали самые разные виды стекла без разбора,‎ получая разную степень прозрачности в инфракрасном диапазоне. В своих более поздних экспериментах Гершель установил ограниченную прозрачность стекла для недавно открытого теплового излучения,‎ в результате чего он был вынужден сделать вывод,‎ что оптика для инфракрасного излучения,‎ вероятно,‎ обречена быть,‎ исключительно,‎ из отражательных элементов (т.е. плоских и изогнутых зеркал)‎. К счастью,‎ это казалось истинным только до 1830 года,‎ когда итальянский исследователь Меллони совершил выдающееся открытие: оказалось,‎ что встречающаяся в природе каменная соль (NaCl)‎,‎ кристаллы которой могли иметь достаточную величину для того,‎ чтобы из них можно было изготавливать линзы и призмы,‎ имеет необычайно высокую степень прозрачности для инфракрасного излучения. В результате каменная соль стала основным материалом для инфракрасной оптики в следующие сто лет,‎ вплоть до начала искусственного выращивания синтетических кристаллов,‎ начиная с 1930 года.

Термометры в качестве детекторов излучения использовались в неизменном виде вплоть до 1829 г.,‎ когда Нобили изобрел термопару. (Собственный термометр Гершеля обеспечивал разрешение до 0,‎2 °C,‎ а более поздние модели давали точность до 0,‎05 °C)‎ Затем произошел прорыв; Меллони последовательно соединил некоторое количество термопар,‎ которые образовали первую термобатарею. Новое устройство обладало,‎ как минимум,‎ в 40 раз большей чувствительностью по сравнению с лучшим термометром той эпохи в обнаружении теплового излучения - оно могло обнаружить тепло от человека,‎ стоящего на расстоянии в три метра от него.

Первое,‎ так называемое,‎ «тепловое изображение» стало возможным в 1840 г. в результате работы Сэра Джона Гершеля,‎ сына открывателя инфракрасного излучения,‎ также ставшего знаменитым астрономом. Возникающее благодаря неравномерному испарению тонкой масляной пленки,‎ подвергающейся воздействию сфокусированной на ней тепловой картинки,‎ тепловое изображение можно было видеть в отраженном свете,‎ когда интерференционные эффекты масляной пленки делали его видимым для глаза. Сэру Джону также удалось получить простейшее воспроизведение теплового изображения на бумаге,‎ которое он назвал «термографом».

Прогресс в повышении чувствительности детектора инфракрасного излучения был медленным. Следующим крупным прорывом,‎ сделанным Лэнгли в 1880 г.,‎ явилось изобретение болометра. Болометр состоял из тонкой зачерненной полоски платины,‎ подсоединенной к одному плечу цепи измерительного моста Уитстона,‎ на которой было сфокусировано инфракрасное излучение и к которой был подключен чувствительный гальванометр. Имеются свидетельства о том,‎ что данный инструмент мог обнаружить тепло от коровы на расстоянии 400 метров.

Английский ученый Сэр Джеймс Дьюар первым ввел использование сжиженных газов в качестве охлаждающей среды (таких как жидкий азот с температурой -196 °C)‎ в исследованиях при низкой температуре. В 1892 г. он изобрел уникальный контейнер с вакуумной термоизоляцией,‎ в котором можно хранить сжиженные газы в течение многих дней. Обычный «термос»,‎ используемый для хранения горячих и холодных напитков,‎ создан на основе изобретения Дьюара.

В первые два десятилетия ХХ века изобретатели во всем мире осваивали использование инфракрасного излучения. Было выдано много патентов на устройства обнаружения людей,‎ артиллерии,‎ самолетов,‎ кораблей и даже айсбергов. Первые работающие системы,‎ в современном смысле,‎ начали разрабатываться во время Первой мировой войны,‎ когда обе противоборствующие стороны запустили исследовательские программы,‎ направленные на военное использование инфракрасного излучения. В рамках этих программ велась разработка экспериментальных систем для обнаружения вторжения противника,‎ замера температуры на расстоянии,‎ защиты средств связи,‎ а также для наведения «летающей торпеды». Проходившая испытания в этот период система инфракрасного поиска могла обнаружить приближающийся аэроплан на расстоянии 1,‎5 км или человека на расстоянии более 300 метров.

Наиболее чувствительные системы в то время создавались на основе принципа болометра,‎ однако в период между двумя мировыми войнами были разработаны два существенно новых инфракрасных детектора: преобразователь изображения и детектор фотонов. Поначалу преобразователь изображения привлекал сильнейшее внимание военных,‎ поскольку он впервые в истории открывал возможность наблюдателю буквально «видеть в темноте». Однако чувствительность преобразователя изображения была ограничена ближним ИК диапазоном,‎ и наиболее важные военные цели (т.е. солдаты противника)‎ требовалось освещать инфракрасными поисковыми лучами. Поскольку при этом возникал риск обнаружения позиции наблюдателя аналогично оснащенным наблюдателем противника,‎ то,‎ понятно,‎ что интерес военных к преобразователю изображения,‎ в конечном счете,‎ угас.

Тактические недостатки военного использования,‎ так называемых,‎ «активных» (т.е. оснащенных поисковыми лучами)‎ систем теплового изображения дали толчок во время Второй мировой войны развитию интенсивных засекреченных военных программ по исследованию инфракрасного излучения с целью разработки «пассивных» систем (без поисковых лучей)‎ на базе чрезвычайно чувствительного фотонного детектора. В этот период режим секретности военных разработок полностью скрывал состояние технологии инфракрасных изображений. Завеса секретности начала приоткрываться,‎ только начиная с середины 1950-х годов,‎ и с того времени соответствующие устройства тепловидения,‎ наконец,‎ стали становиться доступными для гражданской науки и промышленности.