15  Geschiedenis van infraroodtechnologie

Voor het jaar 1800 werd het bestaan van het infrarooddeel van het elektromagnetische spectrum niet eens vermoed. De oorspronkelijke betekenis van het infraroodspectrum,‎ of gewoon ‘het infrarood’ zoals het vaak wordt genoemd,‎ als een vorm van warmtestraling ligt nu misschien minder voor de hand dan toen het in 1800 door Herschel werd ontdekt.

De ontdekking werd toevallig gedaan toen werd gezocht naar een nieuw optisch materiaal. Sir William Herschel (astronoom aan het hof van koning George III van Engeland,‎ en al beroemd om zijn ontdekking van de planeet Uranus)‎ zocht naar een optisch filtermateriaal waarmee de helderheid van het beeld van de zon in telescopen tijdens zonneobservaties kon worden beperkt. Bij het testen van verschillende monsters van gekleurd glas die vergelijkbare helderheidsreducties gaven,‎ raakte hij geïntrigeerd door zijn ontdekking dat door sommige monsters maar heel weinig zonnewarmte heen kwam,‎ terwijl er door andere zoveel warmte binnenkwam dat hij schade aan zijn ogen riskeerde na slechts een paar seconden observeren.

Herschel was er al snel van overtuigd dat hij een systematisch experiment moest opzetten,‎ met als doel dat ene materiaal te vinden dat zowel de gewenste afname van helderheid zou geven als de maximale afname van warmte. Hij begon het experiment door het prisma-experiment van Newton te herhalen,‎ maar daarbij keek hij meer naar het verwarmingseffect dan naar de visuele verdeling van intensiteit in het spectrum. Eerst maakte hij de bel van een gevoelige kwikthermometer zwart met inkt. Dit gebruikte hij als een stralingsdetector toen hij verderging met het testen van het verwarmingseffect van de verschillende kleuren van het spectrum: dit spectrum werd op de bovenkant van een tafel gevormd doordat hij zonlicht door een glazen prisma liet vallen. Andere thermometers,‎ die buiten de stralen van de zon werden geplaatst,‎ fungeerden als controlethermometers.

Terwijl de zwartgemaakte thermometer langzaam langs de kleuren van het spectrum werd verplaatst,‎ gaven de temperatuuraflezingen een gestage toename te zien van het violet-eind naar het rode eind. Dit was niet geheel onverwacht,‎ aangezien de Italiaanse onderzoeker Landriani in een vergelijkbaar experiment in 1777 vrijwel hetzelfde effect had geconstateerd. Het was echter Herschel die als eerste inzag dat er een punt moest zijn waar het verwarmingseffect een maximum bereikt,‎ en dat dit punt niet kon worden bepaald bij metingen die alleen op het zichtbare gedeelte van het spectrum werden uitgevoerd.

Door de thermometer naar het zwarte gebied voorbij het rode eind van het spectrum te verplaatsen,‎ kon Herschel bevestigen dat de warmte bleef toenemen. Het maximumpunt,‎ toen hij dat vond,‎ lag ver voorbij het rode eind,‎ in wat we tegenwoordig de 'infraroodgolflengten' noemen.

Toen Herschel zijn ontdekking bekendmaakte,‎ noemde hij dit nieuwe gedeelte van het elektromagnetische spectrum het ‘thermometrische spectrum’. De straling zelf noemde hij soms de ‘donkere warmte’,‎ of gewoon 'de onzichtbare stralen'. Ironisch genoeg,‎ en in tegenstelling tot de algemene opvatting,‎ was het niet Herschel die de term 'infrarood' introduceerde. Het woord verscheen pas ongeveer 75 jaar later in gedrukte teksten en het is nog steeds onduidelijk van wie dit woord afkomstig was.

Dat Herschel glas gebruikte in het prisma van zijn oorspronkelijke experiment leidde in het begin tot enige controverses met zijn tijdgenoten over het werkelijke bestaan van de infraroodgolflengten. Verschillende onderzoekers gebruikten,‎ in een poging om zijn werk te bevestigen,‎ verschillende soorten glas door elkaar,‎ met verschillende transparanties in het infrarood. Door zijn latere experimenten was Herschel zich bewust van de beperkte transparantie van glas voor de nieuw ontdekte thermische straling,‎ en hij moest wel concluderen dat de optiek voor het infrarood waarschijnlijk gedoemd was uitsluitend te worden gebruikt voor reflecterende elementen (dat wil zeggen platte en gebogen spiegels)‎. Gelukkig bleek dit tot slechts 1830 het geval te zijn,‎ toen een Italiaanse onderzoeker,‎ Melloni,‎ zijn grote ontdekking deed dat in de natuur voorkomend rotszout (NaCl)‎ (dat in voldoende grote natuurlijke kristallen voorhanden was om er lenzen en prisma's van te maken)‎ bijzonder transparant is voor het infrarood. Het gevolg was dat rotszout het belangrijkste optische infraroodmateriaal werd en dat de volgende honderd jaar ook bleef,‎ tot men in de jaren 1930 de kunst van het kweken van synthetische kristallen leerde beheersen.

De positie van thermometers,‎ als stralingsdetectors,‎ bleef onbetwist tot in 1829,‎ het jaar waarin Nobili de thermokoppel uitvond. (De eigen thermometer van Herschel kon slechts worden afgelezen tot een nauwkeurigheid van 0,‎2 °C (0,‎036 °F)‎,‎ en latere modellen konden worden afgelezen tot een nauwkeurigheid van 0,‎05 °C (0,‎09 °F)‎)‎. En toen kwam er een doorbraak: Melloni sloot een aantal thermokoppels in een serie op elkaar aan en vormde daarmee de eerste thermobatterij. Dit nieuwe apparaat was minimaal 40 keer gevoeliger dan de beste thermometer van die tijd voor het detecteren van warmtestraling en kon de warmte detecteren van een persoon op drie meter afstand.

Het eerste zogenaamde warmtebeeld werd mogelijk in 1840 gemaakt,‎ en was het resultaat van werkzaamheden door Sir John Herschel,‎ zoon van de ontdekker van het infrarood en zelf ook een beroemd astronoom. Op basis van de differentiële verdamping van een dunne oliefilm die werd blootgesteld aan een warmtepatroon dat erop werd gericht,‎ kon het warmtebeeld worden gezien door gereflecteerd licht waarbij de interferentie-effecten van de oliefilm het beeld zichtbaar maakten voor het blote oog. Sir John slaagde er ook in een primitieve record van het warmtebeeld op papier te maken,‎ wat hij een 'thermogram' noemde.

De gevoeligheid van de infrarooddetector werd langzaam beter. Een andere belangrijke doorbraak,‎ waarvoor Langley zorgde in 1880,‎ was de uitvinding van de bolometer. Deze bestond uit een dunne zwartgemaakte platinastrip die werd aangesloten op één arm van een brug van Wheatstone,‎ waarop de infraroodstraling werd gericht en waarop een gevoelige galvanometer reageerde. Het schijnt dat dit instrument de warmte van een koe kon detecteren op een afstand van 400 meter.

Een Engelse wetenschapper,‎Sir James Dewar,‎ introduceerde het gebruik van vloeibaar gemaakte gassen als koelmiddel (zoals vloeibare stikstof met een temperatuur van -196 °C (-320,‎8 °F)‎)‎ in onderzoek bij lage temperaturen. In 1892 vond hij een unieke isolerende vacuümcontainer uit waarin vloeibaar gemaakte gassen hele dagen konden worden bewaard. De gewone 'thermosfles',‎ die wordt gebruikt voor het bewaren van warme en koude dranken,‎ is gebaseerd op zijn uitvinding.

Tussen 1900 en 1920 'ontdekten' de uitvinders van de wereld het infrarood. Er zijn veel patenten uitgegeven voor apparatuur om mensen,‎ wapens,‎ vliegtuigen,‎ schepen en zelfs ijsbergen te detecteren. De ontwikkeling van de eerste besturingssystemen,‎ in de moderne betekenis van het woord,‎ begon tijdens de oorlog van '14-'18,‎ toen beide partijen onderzoeksprogramma's wijdden aan militaire toepassingen van het infrarood. Deze programma's omvatten experimentele systemen voor indringing bij/detectie van de vijand,‎ registreren van temperatuur op afstand,‎ beveiligde communicatie en geleiding van vliegende torpedo's. Een infraroodzoeksysteem dat in deze periode werd getest kon een naderend vliegtuig detecteren op een afstand van 1,‎5 km (0,‎94 miles)‎ of een persoon die meer dan 300 meter (984 ft.)‎ verwijderd was.

De gevoeligste systemen tot dit moment waren alle gebaseerd op variaties van het bolometerprincipe,‎ maar in het interbellum werden twee revolutionaire nieuwe infrarooddetectoren ontwikkeld: de beeldomzetter en de fotondetector. In eerste instantie kreeg de beeldomzetter de meeste aandacht van het leger,‎ omdat het de kijker voor het eerst in de geschiedenis in staat stelde letterlijk in het donker te zien. De gevoeligheid van de beeldomzetter was echter beperkt tot de nabije-infraroodgolflengten en de interessantste militaire doelen (dat wil zeggen vijandelijke soldaten)‎ moesten worden verlicht met infraroodzoekstralen. Aangezien hierbij het risico ontstond dat de positie van de kijker werd verraden aan een met dezelfde apparatuur uitgeruste vijandelijke kijker,‎ is het begrijpelijk dat de belangstelling van het leger voor de beeldomzetter uiteindelijk verdween.

De tactische militaire nadelen van zogenaamde 'actieve' (dat wil zeggen met een zoekstraal uitgeruste)‎ warmtebeeldsystemen vormden na WOII een stimulans voor grootschalige geheime militaire IR-onderzoeksprogramma's naar de mogelijkheden van de ontwikkeling van een 'passief' (zonder zoekstraal)‎ systeem op basis van de extreem gevoelige fotondetector. In deze periode voorkwamen de militaire geheimhoudingsbepalingen dat er ook maar iets bekend werd gemaakt over de status van infraroodbeeldtechnologie. Deze geheimhouding werd pas vanaf het begin van de jaren 1950 stukje bij beetje opgeheven en vanaf dat moment kwam eindelijk geschikte apparatuur voor warmtebeeldtechnologie beschikbaar voor de burgerwetenschap en -industrie.