15  Historia techniki podczerwieni

Przed rokiem 1800 nie podejrzewano w ogóle obszaru podczerwieni w widmie magnetycznym. Pierwotne znaczenie obszaru widma przypisanego podczerwieni jako formy wypromieniowywania ciepła jest dziś prawdopodobnie mniej oczywiste niż w chwili odkrycia tego promieniowania przez Herschela w 1800 roku.

Odkrycia dokonano przypadkowo w trakcie poszukiwań nowego materiału optycznego. Sir William Herschel — królewski astronom angielskiego króla Jerzego III,‎ który zdobył sławę za odkrycie planety Uran — poszukiwał materiału pełniącego rolę filtru optycznego,‎ który mógłby ograniczać jaskrawość obrazu słońca w teleskopach podczas obserwacji astronomicznych. Testując różne próbki kolorowego szkła w podobnym stopniu ograniczające jasność,‎ zauważył,‎ że niektóre przepuszczały tylko niewielką ilość ciepła słonecznego,‎ natomiast inne tak dużo,‎ że zaledwie kilkusekundowa obserwacja groziła uszkodzeniem wzroku.

Herschel wkrótce doszedł do wniosku,‎ że konieczne jest przeprowadzenie systematycznych eksperymentów w celu znalezienia materiału jednocześnie zapewniającego pożądane ograniczenie jasności oraz przepuszczającego jak najmniej ciepła. Badania rozpoczął od powtórzenia eksperymentu Newtona z pryzmatem,‎ zwracając jednak uwagę na efekt cieplny,‎ a nie na rozkład kolorów w widmie. Najpierw zaciemnił atramentem zbiornik czułego termometru rtęciowego i używając tak skonstruowanego przyrządu jako detektora ciepła zaczął testować efekt cieplny,‎ jaki poszczególne barwy widma wywierały na blacie stołu. W tym celu przepuszczał promieniowanie słoneczne przez szklany pryzmat. Inne termometry,‎ umieszczone poza zasięgiem promieni słonecznych,‎ służyły celom kontrolnym.

W miarę powolnego przemieszczania zaciemnionego termometru wzdłuż barw widma,‎ od fioletu do czerwieni,‎ odczyty temperatury równomiernie wzrastały. Zjawisko to nie było całkowicie nieoczekiwane,‎ gdyż włoski badacz Landriani w eksperymencie przeprowadzonym w 1777 r. zaobserwował bardzo podobny efekt. Jednak to właśnie Herschel jako pierwszy stwierdził,‎ że musi istnieć punkt,‎ w którym efekt cieplny osiąga maksimum. Z pomiarów wynikało,‎ że nie jest możliwe zlokalizowanie tego punktu w części widzialnej widma.

Przesuwając termometr w ciemny obszar poza czerwony koniec widma,‎ Herschel potwierdził,‎ że efekt cieplny był w dalszym ciągu coraz intensywniejszy. Zlokalizowany punkt maksimum leżał daleko poza czerwienią,‎ w obszarze zwanym dziś „długościami fal podczerwonych”.

Prezentując swoje odkrycie,‎ Herschel nazwał nowy obszar widma elektromagnetycznego „widmem termometrycznym”. Samo promieniowanie nazywał „ciemnym ciepłem” lub po prostu „promieniowaniem niewidzialnym”. Paradoksalnie,‎ wbrew powszechnemu przekonaniu,‎ to nie Herschel jako pierwszy użył terminu „podczerwień”. Słowo to zaczęło pojawiać się w publikacjach drukowanych dopiero 75 lat później i do dziś nie jest jasne,‎ komu należy przypisać jego autorstwo.

Zastosowanie przez Herschela szklanego pryzmatu w oryginalnym eksperymencie doprowadziło do sporów pomiędzy ówczesnymi naukowcami co do istnienia promieniowania podczerwonego. W celu potwierdzenia pierwszych wyników badacze używali różnych typów szkła,‎ które charakteryzowały się odmienną przepuszczalnością w obszarze podczerwieni. W wyniku późniejszych eksperymentów Herschel zdał sobie sprawę z ograniczonej przepuszczalności szkła dla nowo odkrytego promieniowania cieplnego i wywnioskował,‎ że układy optyczne dla podczerwieni muszą składać się wyłącznie z elementów odbijających promieniowanie (tj. luster płaskich i zakrzywionych)‎. Na szczęście pogląd taki panował tylko do 1830 r.,‎ kiedy to włoski badacz Melloni dokonał istotnego odkrycia,‎ a mianowicie stwierdził,‎ że występująca w przyrodzie sól kamienna (NaCl)‎ — dostępna w naturalnych kryształach na tyle dużych,‎ by dało się z nich budować soczewki i pryzmaty — bardzo dobrze przepuszcza podczerwień. W efekcie sól kamienna stała się podstawowym materiałem optycznym w układach operujących podczerwienią i utrzymała tę pozycję przez następne sto lat,‎ dopóki w latach trzydziestych XX wieku nie opracowano metody otrzymywania kryształów syntetycznych.

Termometry były stosowane jako detektory promieniowania aż do 1829 r.,‎ kiedy to Nobili wynalazł termoparę. (termometr używany pierwotnie przez Herschela zapewniał dokładność 0,‎2°C (0,‎036°F)‎,‎ a późniejsze modele umożliwiały odczyt z dokładnością do 0,‎05°C (0,‎09°F)‎)‎. Wtedy miał miejsce przełom. Melloni połączył szereg termopar,‎ tworząc pierwszy termostos. Nowe urządzenie wykrywało promieniowanie cieplne z czułością co najmniej 40 razy większą niż najlepsze dostępne wówczas termometry i było w stanie wykryć ciepło wypromieniowywane przez człowieka stojącego w odległości trzech metrów.

Uzyskanie pierwszego tzw. „obrazu cieplnego” stało się możliwe w 1840 r. w wyniku prac Sir Johna Herschela,‎ uznanego astronoma i syna odkrywcy podczerwieni. W wyniku zróżnicowanego parowania cienkiej warstwy oleju wystawionej na działanie skupionej niejednorodnej wiązki promieniowania cieplnego powstał obraz cieplny. Był on widoczny dzięki efektowi interferencji w warstwie oleju. Sir Johnowi udało się także uzyskać prymitywny zapis obrazu cieplnego na papierze,‎ który nazwał „termografem”.

Powoli zwiększała się czułość detektorów podczerwieni. Kolejnym przełomem,‎ którego dokonał Langley w 1880 r.,‎ było wynalezienie bolometru. Składał się on z cienkiego zaczernionego paska platyny włączonego w jedno ramię mostka Wheatstone'a. Na pasku skupione było promieniowanie podczerwone,‎ na które reagował czuły galwanometr. Przyrząd ten był podobno w stanie reagować na ciepło krowy stojącej w odległości 400 metrów.

Angielski uczony Sir James Dewar jako pierwszy zastosował ciekłe gazy jako czynniki chłodzące (na przykład ciekły azot o temperaturze -196°C (-320,‎8°F)‎)‎ w badaniach niskich temperatur. W roku 1892 wynalazł próżniowo izolowany pojemnik,‎ w którym można było przechowywać ciekłe gazy nawet przez kilka dni. Popularny „termos”,‎ służący do przechowywania gorących i zimnych napojów,‎ to rozwinięcie tamtego wynalazku.

W latach 1900-1920 wynalazcy na całym świecie „odkryli” podczerwień. Wydano szereg patentów na urządzenia służące do wykrywania ludzi,‎ artylerii,‎ samolotów,‎ statków,‎ a nawet gór lodowych. Pierwsze systemy operacyjne we współczesnym znaczeniu zaczęto opracowywać w czasie I Wojny Światowej,‎ kiedy to obie strony prowadziły badania naukowe nad wojskowymi zastosowaniami podczerwieni. Programy te obejmowały eksperymentalne systemy wykrywania wtargnięć/wroga,‎ zdalne detektory temperatury,‎ mechanizmy bezpiecznej komunikacji i naprowadzania „latających torped”. Testowany system poszukiwawczy bazujący na podczerwieni był w stanie wykryć zbliżający się samolot z odległości 1,‎5 km albo człowieka z odległości ponad 300 metrów.

Wszystkie najbardziej czułe systemy były zbudowane w oparciu o różne warianty koncepcji bolometru,‎ jednak w okresie między wojnami opracowano dwa nowe,‎ rewolucyjne detektory podczerwieni: przetwornik obrazu i detektor fotonowy. Przetwornikiem obrazu zainteresowali się najpierw wojskowi,‎ gdyż po raz pierwszy w historii pozwalał on obserwatorowi dosłownie „widzieć w ciemności”. Jednak czułość przetwornika obrazu ograniczała się do obszaru bliskiej podczerwieni,‎ a najbardziej interesujące cele militarne (tj. żołnierze wroga)‎ musiały być oświetlane promieniami podczerwonymi. Ponieważ groziło to ujawnieniem pozycji obserwatora wrogowi dysponującemu podobnym wyposażeniem,‎ nietrudno zrozumieć stopniowy spadek zainteresowania wojska przetwornikiem obrazu.

Taktyczne niedogodności tzw. aktywnych (tj. emitujących promieniowanie)‎ systemów obrazowania termicznego były bezpośrednim powodem rozpoczęcia po II Wojnie Światowej intensywnych tajnych badań wojskowych nad możliwością opracowania „biernych” (nie emitujących promieniowania)‎ systemów na bazie niezwykle czułego detektora fotonowy. W tym okresie przepisy dotyczące tajemnicy wojskowej całkowicie uniemożliwiały ujawnianie aktualnego stanu rozwoju techniki podczerwieni. Utajnienie zaczęto powoli eliminować dopiero w połowie lat 50. Od tej pory odpowiedniej jakości urządzenia do obrazowania termicznego stały się dostępne dla cywilnych ośrodków naukowych i przemysłowych.