15  Az infravörös technológia története

Az 1800-‎as évek előtt még nem is sejtették az elektromágneses spektrum infravörös tartományának létezését. Az infravörös spektrum,‎ vagy egyszerűen ‘az infravörös’ eredeti jelentősége ma talán kevésbé nyilvánvaló,‎ mint abban az időben,‎ amikor Herschel 1800-‎ban felfedezte.

A felfedezés véletlenül történt,‎ egy új optikai anyag keresése közben. Sir William Herschel – III. György angol király csillagásza,‎ aki már híres volt az Uránusz bolygó felfedezéséről – egy optikai szűrőt keresett a Nap megfigyeléséhez használt távcsövekbe a Nap fényerejének csökkentéséhez. A hasonló mértékű fényerőcsökkentést biztosító színezettüvegek különböző mintáinak tesztelése közben érdekes módon azt találta,‎ hogy egyes minták a Nap hőjének csak kis részét engedték át,‎ míg mások annyi hőt bocsátottak át,‎ hogy már néhány másodpercnyi megfigyelés után a szemsérülés kockázata állt fenn.

Herschel hamar meggyőződött arról,‎ hogy szisztematikus kísérletre van szükség,‎ amelynek célja egyetlen olyan anyag megtalálása,‎ amely biztosítja a kívánt fényerőcsökkentést,‎ emellett maximálisan csökkenti a hőt. A kísérletet valójában Newton prizmás kísérletének megismétlésével kezdte,‎ azonban a spektrum vizuális intenzitáseloszlása helyett a melegítő hatást vizsgálta. Először tintával elfeketítette az érzékeny higany-‎üveg hőmérőt,‎ majd ezzel a sugárzásérzékelővel vizsgálta a spektrumban található különböző színek melegítő hatását az asztal tetején,‎ a nap sugarát egy üvegprizmán átengedve. A nap sugarain kívül eső többi hőmérő ellenőrzésként szolgált.

Ahogy az elfeketített hőmérőt lassan végigmozgatta a spektrum színein,‎ a leolvasott hőmérséklet folyamatos emelkedést mutatott az ibolya színű végponttól a vörös végpont felé haladva. Ez nem volt teljesen váratlan,‎ miután az olasz kutató,‎ Landriani 1777-‎ben egy hasonló kísérlet során ugyanezt a hatást tapasztalta. Ugyanakkor Herschel volt az,‎ aki először felismerte,‎ hogy kell lennie egy olyan pontnak,‎ ahol a melegítő hatás eléri a maximális értéket. A spektrum látható részére korlátozódó mérésekkel nem sikerült ezt a pontot megtalálni.

A hőmérő vörös színen túli sötét régióba történő mozgatásával Herschel megerősítette,‎ hogy a melegítő hatás tovább nőtt. Amikor megtalálta a maximum pontot,‎ az jóval túl volt a vörös oldali végponton – ahogy ma ismerjük ‘az infravörös hullámhossz tartományában’.

Amikor Herschel közzétette felfedezését,‎ az elektromágneses spektrum ezen új részét ‘termometriai spektrumként’ említette. Magát a sugárzást időnként ‘sötét hőnek’ vagy egyszerűen ‘láthatatlan sugaraknak’ nevezte. Ironikus módon,‎ és a köztudattal ellentétben,‎ nem Herschel volt az,‎ aki az ‘infravörös’ kifejezést bevezette. Ez a szó nyomtatásban körülbelül 75 évvel később jelent meg,‎ és máig tisztázatlan,‎ hogy kihez köthető.

Az,‎ hogy Herscheleredeti kísérletében üveget használt prizmaként,‎ némi korai vitához vezetett a kortársaival az infravörös hullámhossz tényleges létezését illetően. Különböző kutatók,‎ akik az ő munkáját próbálták ellenőrizni,‎ válogatás nélkül különböző típusú üvegeket használtak,‎ amelyek különböző módon voltak átlátszóak az infravörös sugarak számára. Herschel későbbi kísérletei nyomán tisztában volt az üveg újonnan felfedezett termikus sugárzással szembeni korlátozott mértékű átlátszóságával,‎ és arra a következtetésre kellett jutnia,‎ hogy az infravörös sugarakhoz használandó optikákban valószínűleg kizárólag reflexiós elemek (vagyis sík és görbe tükrök)‎ alkalmazhatók. Ez szerencsére csak 1830-‎ig bizonyult igaznak,‎ amikor az olasz kutató Melloni nagyszerű felfedezést tett,‎ miszerint a természetben előforduló kősó (NaCl)‎ – amely kellően nagy méretű természetes kristályok formájában fordult elő lencsék és prizmák készítéséhez – feltűnően átlátszó az infravörös sugarak számára. Ennek eredményeként a kősó vált az infravörös sugarak fő optikai anyagává,‎ és az elkövetkező száz évben ez így is maradt,‎ amíg az 1930-‎as években ki nem fejlődött a szintetikus kristálynövesztés.

A hőmérőknek mint sugárérzékelőknek 1829-‎ig nem lett versenytársuk,‎ ekkor azonban Nobili feltalálta a hőelemet. (Herschel saját hőmérője 0,‎2°C pontosságú volt,‎ a későbbi típusok pedig 0,‎05°C pontosságúak. Ekkor áttörés következett be: Melloni több hőelemet sorba kapcsolt,‎ létrehozva ezzel az első hőelemoszlopot. Az új eszköz legalább 40-‎szer érzékenyebb volt az akkori legjobb hőmérőnél,‎ és képes volt egy 3 méterre álló ember hőjét érzékelni.

Az első úgynevezett ‘hőkép’ először 1840-‎ben vált lehetővé Sir John Herschel,‎ az infravörös sugarak felfedezője és híres csillagász fia munkája nyomán. Egy vékony olajréteg rá fókuszált hő hatására történő differenciált párolgása alapján a hőkép a visszavert fény által vált láthatóvá,‎ amelynek során az olaj interferencia hatása által láthatóvá tette a képet a szem számára. Sir John képes volt a hőkép papíron történő kezdetleges rögzítésére is,‎ amelyet ‘termográfnak’ nevezett.

Az infravörös érzékelők érzékenysége lassan fejlődött. Egy másik nagyobb áttörés Langley-‎nek és 1880-‎ban a bolométer feltalálásának volt köszönhető. Ez egy vékony,‎ feketített platinacsíkból állt,‎ amely egy Wheatstone-‎híd egyik ágához csatlakozott,‎ majd erre a hídáramkörre volt az infravörös sugárzás fókuszálva,‎ és erre reagált az érzékeny galvanométer. A műszer állítólag 400 méterről képes volt egy tehén hőjét érzékelni.

Egy angol tudós,‎ Sir James Dewar,‎ először vezette be folyékony gázok (például -‎196°C hőmérsékletű folyékony nitrogén)‎ hűtőközegként való használatát az alacsony hőmérséklettel kapcsolatos kutatásban. 1892-‎ben feltalált egy egyedülálló vákuumszigetelésű tárolót,‎ amelyben napokig lehetett folyékony gázokat tárolni. A közönséges ‘termoszüveg’,‎ amelyet hideg italok tárolására használunk,‎ az ő találmányán alapul.

1900 és 1920 között a világ feltalálói ‘felfedezték’ az infravörös sugárzást. Számos szabadalom született emberek,‎ tüzérségek,‎ repülőgépek,‎ hajók – sőt még jéghegyek érzékelésére is. Az első,‎ modern értelemben működő rendszerek az 1914–18 közötti háborúban kezdtek fejlődni,‎ amikor mindkét oldal kutatásait az infravörös sugarak katonai kiaknázásának szentelték. Ezekben a programokban szerepeltek kísérleti rendszerek az ellenség behatolásának érzékelésére,‎ a távoli hőérzékelésre,‎ a biztonságos kommunikációra és ‘repülő torpedó’ irányítására. Az ebben az időszakban tesztelt infravörös keresőrendszer 1,‎5 km-‎ről képes volt érzékelni egy közeledő repülőgépet,‎ egy embert pedig 300 méterről.

Az addigi legérzékenyebb rendszerek mind a bolométer ötletének változatain alapultak,‎ de a két háború közötti időszak során két forradalmian új infravörös érzékelőt fejlesztettek ki: a képátalakítót és a fotondetektort. A képátalakító először a katonai alkalmazással összefüggésben kapta a legnagyobb figyelmet,‎ mivel a történelem során először lehetővé tette a megfigyelő számára,‎ hogy szó szerint ‘lásson a sötétben’. A képátalakító érzékenysége ugyanakkor a közeli infravörös sugarakra korlátozódott,‎ és a legérdekesebb katonai célpontokat infravörös keresősugarakkal kellett megvilágítani. Mivel ez magában foglalta a megfigyelő által elfoglalt helyzet elárulásának kockázatát a hasonlóan felszerelt ellenséges megfigyelő számára,‎ a katonai érdeklődés érthető módon alábbhagyott.

Az úgynevezett 'aktív’ (vagyis keresősugaras)‎ termikus képalkotó rendszerek katonai hátrányai lökést adtak az 1939–45 közötti háború utáni,‎ kiterjedt,‎ titkos katonai infravörös-‎kutatási programok számára,‎ lehetővé téve a ‘passzív’ (keresősugár nélküli)‎,‎ különösen érzékeny fotodetertor köré épült rendszerek fejlesztését. Ebben az időszakban a katonai titokvédelmi rendelkezések teljesen megakadályozták az infravörös képalkotási technológia állapotának közzétételét. A titkosságot csak az 1950-‎es évek közepén oldották fel,‎ és azóta a megfelelő termikus képalkotó eszközök a tudomány és az ipar számára is elérhetővé váltak.