28 为何有些气体吸收红外能量？
从简单的机械观点看，可以将气体中的分子比作重物（下图中的球体），彼此通过弹簧连接到一起。根据原子的数量、各自的大小和质量、弹簧的弹性常数，分子可以沿给定方向移动，沿某个轴振动，转动，扭转，伸展，晃动，摇摆等等。
最简单的气体分子是单原子分子，比如氦、氖或氪。它们无法振动或转动，因此它们只能一次沿一个方向平移。
图 28.1 单原子
接下来，更复杂的分子类别是双原子分子，它们由两个原子组成，比如氢气 (H2)、氮气 (N2) 和氧气 (O2)。除平移外，它们还可以绕轴翻滚。
图 28.2 两个原子
然后还有复杂的双元素分子，比如二氧化碳 (CO2)、甲烷 (CH4)、六氟化硫 (SF6) 和苯乙烯 (C6H5CH=CH2)（这些仅是几个示例）。
图 28.3 二氧化碳 (CO2) 的简单机械模型，每个分子有 3 个原子
此假定对多原子分子有效。
图 28.4 甲烷 (CH4)，每个分子有 5 个原子
图 28.5 六氟化硫 (SF6)，每个分子有 7 个原子
图 28.6 苯乙烯 (C6H5CH=CH2) 的分子轨道，每个分子有 16 个原子
它们拥有更大自由度，允许多次旋转和振动跃迁。由于它们由多个原子构成，因此它们可以比简单的分子更有效地吸收和发射热量。根据跃迁的频率，它们中的一部分会落入红外热像仪可感知的红外区域能量范围。
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跃迁类型 |
频率 |
光谱范围 |
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重分子的旋转
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109–1011 Hz
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微波，3 mm/0.118 in 以上
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轻分子的旋转和重分子的振动
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1011–1013 Hz
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远红外线，介于 30 μm 和 3 mm/0.118 in 之间
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轻分子的振动。
分子结构的旋转和振动 |
1013–1014 Hz
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红外线，介于 3 μm 和 30 μm 之间
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电子跃迁
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1014–1016 Hz
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紫外线-可见光
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为了让分子通过从一个状态到另一个状态的跃迁吸收或发射光子，分子必须具有能够按作用光子的频率短暂振动的偶极矩。这种量子力学相互作用允许光子的电磁场能量被分子捕获或发射。
FLIR GF3xx series热像仪利用某些分子的吸收和发射性质，在其本地环境中用黑或白直观地显示它们。气体可视化对比度取决于气体浓度乘以光程 (CL) 以及背景温度（如墙壁）与气体羽流温度之差。
FLIR GF3xx series焦平面列阵和光学系统专门针对极狭窄的光谱范围（数百纳米数量级）进行了调整，因此选择性极强。只会检测那些在窄带通滤波器界定的红外区域中足够活跃且信号强度大的气体。
由于气体中的能量极为微弱，因此我们对所有热像仪组件都进行了优化，以便尽可能少地发射能量。这是提供充足信噪比的极为有效的解决方案。因此，滤波器自身保持一个低温温度。
下面是测得的两种气体的透射光谱，来源：美国太平洋西北国家实验室 (PNNL)：
- 苯 (C6H6)，浓度光程：CL=5000 ppmxm — 可在 MW 区域吸收
- 六氟化硫 (SF6)，浓度光程：CL=50 ppmxm — 可在 LW 区域吸收
图 28.7 苯 (C6H6)。在 3.2 - 3.3 μm、CL=5000 ppmxm 附近吸收能力强。来源：PNNL
