15  Historia de la tecnología de infrarrojos

Antes del año 1800,‎ ni siquiera se sospechaba la existencia de la región infrarroja del espectro electromagnético. La importancia original del espectro infrarrojo (al que suele hacerse referencia simplemente como "los infrarrojos")‎ como forma de radiación calorífica es probablemente menos obvia hoy en día que en la época de su descubrimiento por parte de Herschel,‎ en 1800.

El descubrimiento fue accidental y se produjo durante la investigación de un nuevo material óptico. Sir William Herschel,‎ astrónomo real del rey Jorge III de Inglaterra y ya famoso anteriormente por haber descubierto el planeta Urano,‎ estaba investigando con el fin de encontrar un material para filtros ópticos que lograse reducir el brillo de la imagen del sol en los telescopios al realizar observaciones solares. Al probar diferentes muestras de cristales de colores que proporcionaban similares reducciones del brillo,‎ le llamó la atención descubrir que algunas de las muestras dejaban pasar muy poco calor solar,‎ mientras que otras dejaban pasar tanto calor que podrían producir daños oculares tras unos pocos segundos de observación.

De inmediato,‎ Herschel se dio cuenta de la necesidad de realizar un experimento sistemático,‎ con el fin de descubrir un material que proporcionase la reducción deseada del brillo y al mismo tiempo la máxima reducción posible del calor. Empezó el experimento repitiendo el experimento de prismas de Newton,‎ pero buscando el efecto calorífico en lugar de la distribución visual de la intensidad en el espectro. Al principio oscureció el bulbo de un termómetro de mercurio con tinta y,‎ utilizándolo como detector de radiación,‎ procedió a probar el efecto calorífico de los diferentes colores del espectro que se formaban encima de una mesa haciendo pasar la luz del sol a través de un prisma de cristal. Otros termómetros,‎ colocados fuera del alcance de los rayos del sol,‎ servían como controles.

A medida que el termómetro oscurecido se movía lentamente por los colores del espectro,‎ las lecturas de las temperaturas mostraban un incremento fijo desde el extremo violeta hasta el rojo. Esto no era especialmente sorprendente,‎ ya que el investigador italiano Landriani había observado exactamente el mismo efecto en un experimento similar realizado en 1777. No obstante,‎ fue Herschel el primero en darse cuenta de que debía haber un punto en el que el efecto calorífico llegase al máximo y que las medidas confinadas a la parte visible del espectro no mostraban este punto.

Al mover el termómetro en la región oscura,‎ más allá del extremo rojo del espectro,‎ Herschel confirmó que el calor seguía aumentando. El punto máximo,‎ cuando lo encontró,‎ estaba mucho más allá del extremo rojo,‎ dentro de la región que hoy conocemos como "longitudes de onda infrarrojas".

Cuando Herschel reveló su descubrimiento,‎ denominó a esta nueva región del espectro electromagnético "espectro termométrico". A veces hizo referencia a la propia radiación como "calor oscuro" o simplemente "los rayos invisibles". Irónicamente y contradiciendo la opinión popular,‎ no fue Herschel el que acuñó el término "infrarrojo". Esta palabra sólo empezó a utilizarse en documentos impresos unos 75 años después,‎ y su creador aún permanece en el anonimato.

El que Herschel utilizara cristal en los prismas de su experimento original provocó cierta controversia inicial con algunos de sus contemporáneos acerca de la existencia real de las longitudes de onda infrarrojas. Diferentes investigadores,‎ intentando confirmar la validez de su trabajo,‎ utilizaron diferentes tipos de cristal de forma indiscriminada,‎ obteniendo diferentes transparencias en los infrarrojos. En sus experimentos posteriores,‎ Herschel observó la transparencia limitada del cristal a la radiación térmica recién descubierta,‎ y llegó a la conclusión de que las lentes utilizadas para los infrarrojos debían ser forzosamente elementos reflectantes (espejos curvos y lisos)‎. Afortunadamente,‎ en 1830 se descubrió que esto no era cierto,‎ cuando el investigador italiano Melloni realizó su gran descubrimiento: la sal de roca (NaCl)‎,‎ que estaba disponible en cristales naturales lo suficientemente grandes para hacer lentes y prismas,‎ es considerablemente transparente a los infrarrojos. La consecuencia fue que la sal de roca se convirtió en el principal material óptico para los infrarrojos,‎ y continuó siéndolo durante los 100 años siguientes,‎ hasta que se dominó el arte de la creación de cristal sintético en los años 30.

Los termómetros fueron los únicos medidores de radiación hasta 1829,‎ año en el que Nobili inventó el termopar. (El termómetro de Herschel podía medir solamente hasta 0,‎2 °C y los modelos posteriores podían hacerlo hasta 0,‎05 °C.)‎ Posteriormente se produjo un gran descubrimiento: Melloni conectó varios termopares en serie para crear la primera termopila. El nuevo dispositivo era al menos 40 veces más sensible a la radiación calorífica que el mejor termómetro del momento. Era capaz de detectar el calor de una persona a una distancia de 3 metros.

La captura de la primera "imagen de calor" se hizo posible en 1840,‎ como resultado del trabajo de Sir John Herschel,‎ hijo del descubridor de los infrarrojos y famoso astrónomo por méritos propios. Basándose en la diferente evaporación de una fina capa de aceite al exponerla a un patrón de calor enfocado hacia ella,‎ la imagen térmica podía verse gracias a la luz reflejada en los lugares en los que los efectos de interferencia de la capa de aceite hacían que la imagen fuese visible para el ojo humano. Sir John también consiguió obtener un registro primitivo de la imagen térmica en papel y lo llamó "termografía".

Las mejoras en la sensibilidad de los detectores de infrarrojos fueron sucediéndose lentamente. Otro descubrimiento de gran importancia,‎ realizado por Langley en 1880,‎ fue la invención del bolómetro. Éste consistía en una delgada tira de platino oscurecido conectada a uno de los brazos de un puente de Wheatstone sobre la que se enfocaba la radiación infrarroja y a la que respondía un galvanómetro sensible. En teoría,‎ este instrumento era capaz de detectar el calor de una vaca a una distancia de 400 metros.

Un científico inglés,‎ Sir James Dewar,‎ fue el primero en utilizar gases líquidos como agentes enfriadores (por ejemplo,‎ nitrógeno líquido con una temperatura de -196 °C)‎ en investigaciones a bajas temperaturas. En 1892 inventó un revolucionario contenedor aislante de vacío que permitía almacenar gases en estado líquido durante varios días. Los "termos" normales de hoy en día,‎ que suelen utilizarse para conservar bebidas frías o calientes,‎ están basados en su descubrimiento.

Entre los años 1900 y 1920,‎ los inventores del mundo "descubrieron" los infrarrojos. Se crearon muchas patentes de dispositivos para detectar personas,‎ artillería,‎ aviones,‎ barcos e incluso icebergs. Los primeros sistemas que funcionaban en el sentido moderno comenzaron a desarrollarse durante la guerra de 1914 a 1918,‎ cuando ambos bandos tenían programas de investigación dedicados a las aplicaciones militares de los infrarrojos. Estos programas incluían sistemas experimentales para la detección de intrusiones del enemigo,‎ sensores de temperatura remotos,‎ comunicaciones seguras y "torpedos aéreos" guiados. Un sistema de búsqueda por infrarrojos probado durante esta época fue capaz de detectar un avión aproximándose a una distancia de 1,‎5 km y una persona a una distancia de más de 300 metros.

Los sistemas más sensibles hasta la fecha estaban basados en variaciones sobre la idea del bolómetro,‎ pero el período de entreguerras fue testigo del desarrollo de dos nuevos detectores de infrarrojos revolucionarios: el conversor de imágenes y el detector de fotones. Al principio,‎ el conversor de imágenes fue el que más atención recibió por parte de los militares,‎ ya que por vez primera en la historia permitía a un observador ver en la oscuridad literalmente. Sin embargo,‎ la sensibilidad del conversor de imágenes estaba limitada a las longitudes de onda infrarrojas más cercanas y los objetivos militares más interesantes,‎ por ejemplo los soldados enemigos,‎ tenían que ser iluminados por haces infrarrojos de búsqueda. Dado que esto implicaba el riesgo de delatar la posición del observador a un observador enemigo con un equipo similar,‎ es comprensible que el interés militar en el conversor de imágenes fuera reduciéndose progresivamente.

Las desventajas tácticas para los militares de los llamados sistemas térmicos de imagen "activos" (es decir,‎ equipados con un haz de búsqueda)‎ proporcionaron un cierto impulso después de la guerra de 1939 a 1945 a programas de investigación militar secretos y más ambiciosos,‎ que tenían el objetivo de desarrollar sistemas "pasivos" (sin haz de búsqueda)‎ tomando como base el extremadamente sensible detector de fotones. Durante este período,‎ las normativas sobre los secretos militares evitaban por completo que se revelase el estado de la tecnología de imágenes infrarrojas. Este secretismo sólo empezó a desaparecer a mediados de los 50,‎ y desde ese momento la ciencia y la industria civil empezaron a tener a su disposición dispositivos de imágenes térmicas adecuados para sus necesidades.