15  Storia della tecnologia ad infrarossi

Fino a 200 anni fa circa,‎ non si sospettava neanche l'esistenza della porzione ad infrarossi dello spettro elettromagnetico. Il significato originale dello spettro infrarosso o,‎ come spesso viene chiamato,‎ semplicemente "infrarosso",‎ come forma di irradiazione di calore è forse meno ovvio oggi di quanto non lo fosse ai tempi in cui è stato scoperto da Herschel,‎ nel 1800.

La scoperta avvenne accidentalmente durante la ricerca di un nuovo materiale ottico. Sir William Herschel,‎ astronomo reale del re Giorgio III d'Inghilterra e già famoso per aver scoperto il pianeta Urano,‎ era alla ricerca di un filtro ottico in grado di ridurre la luminosità dell'immagine del sole nei telescopi durante le osservazioni. Mentre provava diversi campioni di vetro colorato che fornivano analoghe riduzioni di luminosità,‎ fu attratto dalla constatazione che alcuni di questi campioni filtravano quantità ridotte del calore del sole,‎ mentre altri ne filtravano così tanto che egli rischiò di ferirsi gli occhi dopo solo pochi secondi di osservazione.

Herschel si convinse presto della necessità di condurre un esperimento sistematico,‎ con l'obiettivo di individuare un unico materiale in grado di ridurre la luminosità ai valori desiderati ed allo stesso tempo di ridurre al massimo il calore. All'inizio,‎ i suoi esperimenti si basarono sull'esperimento del prisma condotto da Newton,‎ ma furono rivolti più all'effetto termico che alla distribuzione visiva dell'intensità nello spettro. Herschel annerì con inchiostro il bulbo di un termometro sensibile contenente mercurio e lo utilizzò come rilevatore di radiazioni per studiare l'effetto termico dei vari colori dello spettro,‎ definiti in base ad una tabella,‎ mediante il passaggio di luce solare attraverso un prisma di vetro. Altri termometri,‎ collocati al riparo dai raggi del sole,‎ servivano da elementi di controllo.

Man mano che il termometro annerito veniva spostato lentamente lungo i colori dello spettro,‎ i valori della temperatura mostravano un aumento costante passando dal violetto al rosso. Il risultato non era del tutto imprevisto,‎ considerato che il ricercatore italiano Landriani aveva osservato lo stesso effetto in un esperimento analogo condotto nel 1777. Fu Herschel,‎ tuttavia,‎ il primo a riconoscere l'esistenza di un punto in cui l'effetto termico raggiunge un massimo e che le misurazioni limitate alla porzione visibile dello spettro non erano in grado di individuare questo punto.

Spostando il termometro nella regione scura,‎ oltre l'estremità rossa dello spettro,‎ Herschel ebbe la conferma che il calore continuava ad aumentare. Il punto massimo venne individuato da Herschel ben oltre l'estremità rossa,‎ in quelle che oggi chiamiamo le “lunghezze d'onda degli infrarossi”.

Quando Herschel compì la sua scoperta,‎ denominò questa nuova porzione dello spettro elettromagnetico “spettro termometrico”,‎. Definì la radiazione stessa a volte come “calore nero”,‎ a volte semplicemente come “raggi invisibili”. Paradossalmente,‎ e contrariamente a quanto si pensa,‎ non fu Herschel ad introdurre il termine “infrarosso”. La parola cominciò a comparire nei testi circa 75 anni più tardi e non è stato ancora chiarito a chi attribuirne la paternità.

L'uso del vetro nel prisma fatto da Herschel nel suo primo esperimento originale sollevò alcune dispute tra i suoi contemporanei sull'esistenza effettiva delle lunghezze d'onda degli infrarossi. Diversi ricercatori,‎ nel tentativo di confermare i risultati del suo lavoro,‎ utilizzarono indiscriminatamente vari tipi di vetro,‎ ottenendo trasparenze diverse nell'infrarosso. Nei suoi esperimenti successivi,‎ Herschel si rese conto della trasparenza limitata del vetro rispetto alla radiazione termica recentemente scoperta e fu costretto a concludere che l'ottica per l'infrarosso era probabilmente determinata esclusivamente dall'uso di elementi riflessivi,‎ quali specchi piani o curvati. Fortunatamente,‎ ciò si dimostrò vero solo fino al 1830,‎ quando il ricercatore italiano Melloni fece una scoperta molto importante: il salgemma presente in natura (NaCl)‎,‎ contenuto nei cristalli naturali sufficientemente grandi per produrre lenti e prismi,‎ è notevolmente trasparente all'infrarosso. Il risultato fu che il salgemma divenne il principale materiale ottico infrarosso nei successivi cento anni,‎ fino a quando non si perfezionò la produzione di cristalli sintetici negli anni '30 del XX secolo.

I termometri utilizzati come rilevatori di radiazioni rimasero immutati fino al 1829,‎ anno in cui Nobili inventò la termocoppia. (Il termometro di Herschel poteva segnare fino a 0,‎2 °C di temperatura,‎ i modelli successivi fino a 0,‎05 °C)‎. Grazie a Melloni,‎ che collegò una serie di termocoppie in sequenza per formare la prima termopila,‎ si realizzò una svolta decisiva. Il nuovo dispositivo era almeno 40 volte più sensibile del miglior termometro disponibile allora per il rilevamento dell'irradiazione di calore,‎ in grado di rilevare il calore di una persona a tre metri di distanza.

La prima cosiddetta “immagine del calore” fu possibile nel 1840,‎ frutto del lavoro di Sir John Herschel,‎ figlio dello scopritore dell'infrarosso e già famoso astronomo. In base all'evaporazione differenziale di una sottile pellicola di olio esposta ad un modello termico,‎ l'immagine termica poteva essere visualizzata dalla luce riflessa,‎ laddove l'interferenza della pellicola di olio rendeva l'immagine visibile all'occhio umano. Sir John riuscì inoltre ad ottenere un primitivo risultato di immagine termica su carta,‎ che denominò “termografia”.

Il perfezionamento della sensibilità del rilevatore di raggi infrarossi proseguì lentamente. Un'altra scoperta importante,‎ il cui autore fu Langley nel 1880,‎ fu l'invenzione del bolometro. Questo strumento era costituito da una sottile striscia annerita di platino collegata ad un ramo di un circuito a ponte Wheatstone,‎ esposta alle radiazioni dei raggi infrarossi e collegata ad un galvanometro sensibile. Allo strumento era stata attribuita la capacità di rilevare il calore di una mucca ad una distanza di 400 metri.

Lo scienziato inglese Sir James Dewar fu il primo ad introdurre l'uso di gas liquefatti come agenti di raffreddamento,‎ come l'azoto liquido ad una temperatura di -196 °C nella ricerca sulle basse temperature. Nel 1892 inventò un contenitore a chiusura ermetica in cui era possibile conservare gas liquefatti per giorni interi. Il comune “thermos”,‎ utilizzato per conservare bevande calde o fredde,‎ si basa su questa invenzione.

Tra il 1900 e il 1920,‎ venne “scoperto” l'infrarosso. Furono concessi molti brevetti per dispositivi in grado di rilevare individui,‎ artiglieria,‎ velivoli,‎ navi e perfino iceberg. Il primo sistema operativo,‎ nel senso moderno,‎ venne sviluppato durante la prima guerra mondiale,‎ quando entrambe le parti in conflitto conducevano programmi di ricerca dedicati allo sfruttamento militare dell'infrarosso. Questi programmi includevano sistemi sperimentali per il rilevamento di intrusioni nemiche,‎ il rilevamento della temperatura di oggetti lontani,‎ le comunicazioni sicure e la guida dei “missili guidati”. Un sistema di ricerca ad infrarossi collaudato durante questo periodo era in grado di rilevare un velivolo in avvicinamento ad una distanza di 1,‎5 km o una persona a più di 300 metri.

In questo periodo,‎ i sistemi più sensibili furono tutti basati su variazioni dell'idea di bolometro,‎ ma fu nel periodo tra le due guerre che si assistette allo sviluppo di due nuovi rilevatori di raggi infrarossi rivoluzionari: il convertitore di immagini e il rilevatore di fotoni. All'inizio,‎ il convertitore di immagini ricevette un'estrema attenzione da parte del settore militare,‎ perché consentì per la prima volta nella storia,‎ letteralmente,‎ di “vedere nel buio”. Tuttavia,‎ la sensibilità del convertitore di immagini era limitata alle lunghezze d'onda degli infrarossi vicini e gli obiettivi militari più interessanti,‎ i soldati nemici,‎ dovevano essere illuminati da raggi di ricerca ad infrarossi. Considerato che ciò comportava il rischio di annullare il vantaggio dell'osservatore perché il nemico poteva essere analogamente equipaggiato,‎ è comprensibile che l'interesse militare per il convertitore di immagini alla fine diminuì.

Gli svantaggi militari tattici dei cosiddetti sistemi di imaging termico “attivi”,‎ vale a dire attrezzati con raggi di ricerca,‎ fornirono l'occasione dopo la seconda guerra mondiale per ulteriori ricerche sugli infrarossi coperte da segreto militare,‎ mirati allo sviluppo di sistemi “passivi”,‎ privi di raggi di ricerca,‎ basati sul rilevatore di fotoni particolarmente sensibile. Durante questo periodo,‎ i regolamenti sul segreto militare impedirono la diffusione della tecnologia di imaging ad infrarossi. Solo alla metà degli anni '50 il segreto fu rimosso e i dispositivi di imaging termico cominciarono ad essere disponibili per la scienza e l'industria civili.