“看得见”的红外线

梁岩　常发冉　牛智川　施毅

在讲解红外线之前，我们先来认识一下电磁波。它包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线。它们的波长依次逐渐减小，频率逐渐增大，在真空中都以光速（3×108米/秒）传播。

本文的“主角”——红外线，在电磁波谱中位于可见光和微波之间，波长在700纳米～1毫米之间，包括近红外、中红外和远红外。近红外是指红外光谱中靠近可见光的部分，远红外是指红外光谱中靠近微波的部分，中红外则介于两者之间。

需要注意的是，红外线是“无形”的，即我们肉眼看不到的，它位于人类肉眼看到的红光之外，频率低于红光。同理紫外线也是如此，它位于人类肉眼所看到的紫光之外，频率高于紫光。

无论有无生命，物体都向外辐射红外线，温度越高，辐射红外线的本领越强。

红外线是我们肉眼无法观测的，想要“看见”红外线就需要用到特殊的设备，也就是红外探测器。红外探测器是对红外辐射做出反应的探测器，根据原理的不同主要分为热探测器和光子探测器。

入射的红外线产生的热效应一般会产生温度的变化，热探测器是通过对这种变化进行追踪测量，将温度信号转化为电信号进行探测的。而光电探测器一般指的是光子探测器，是利用光电效应（在高于某特定频率的电磁波照射下，某些物质内部的电子吸收能量后逸出而形成电流，即光生电）将光信号转化为电信号进行探测，这种探测器的响应速度和灵敏度更高。

电磁波谱图

人们利用红外线制造出了多种多样的红外探测器，能够帮助我们更好地认识世界。如今，红外探测器已在夜视、热成像、高光谱成像、气象、天文学等领域被广泛应用，在我们的生产、生活中“大显神通”。

黑夜里的“眼睛”

夜晚，人们在微光下很难分辨周围的环境和物体，而红外夜视仪可以帮助我们在这种弱光的情况下看清周围的环境。

在没有足够的可见光时，夜视仪可以将微弱光环境下的光子转化为电子，通过信号放大和转换，形成可见光信号。其中的主动型夜视仪，因为它自身具有红外光源，可以用于增加夜视设备转换的可用环境光，增加黑暗环境下的能见度，最终通过红外探测器进行探测。

家用主动型红外夜视仪

热红外光谱中人体温度的图解

用温度捕捉图像

日常生活中，我们经常需要测量体温，传统的水银体温计费时且不安全，现在可以用红外热成像技术快速测体温。

红外热成像技术是通过热像仪捕捉物体在某一过程中发出的红外辐射来成像的。根据黑体辐射定律，红外辐射由温度高于绝对零度（0开尔文=零下273.15摄氏度）的所有物体发出，所以无论有无照明光源，热成像系统都可以看到周围的环境。而且物体发出的辐射量随着温度的升高而增加，因此人们可以通过热像仪观察到物体温度的变化。

洞察万物的红外线“侦探”

红外探测器还可以用于高光谱成像技术，通过收集和处理整个电磁波谱的信息来获取场景图像中每个像素的光谱，从而达到寻找物体、识别材料并进行检测的目的。

人眼看到的可见光可以分为长波段的红色、中波段的绿色和短波段的蓝色，而高光谱成像则将光谱划分为更多更细的波段。在高光谱成像中，探测器捕捉的光谱具有精细的波长分辨率，能够覆盖广泛而连续的波长范围。简单来说，高光谱探测器可以利用一组“图像”来收集特定区域的电磁波谱的信息，每个“图像”都代表一段狭窄的光谱波长范围，将这些“图像”组合成一个三维的高光谱数据立方，对这些数据进行处理，最终形成高光谱图像。

工程师们在天文学、农业、分子生物学、地球科学等领域都建立了高光谱传感器系统。现今已经发展到生态学和监控等领域，例如近红外高光谱成像可用于快速监测杀虫剂在单个种子上的剂量，以便对杀虫剂喷洒最佳剂量和覆盖的均匀度进行控制。

高光谱成像原理示意图（绘图/魏欣）

监测气象变化

装备着红外相机的气象卫星可以通过扫描产生红外图像，圖像中不同位置的云或者陆地会呈现出不同的颜色，工程师通过对图像进行分析可以确定云的高度和类型、计算陆地和表面水的温度，并确定海洋表面特征的位置，从而监测气象变化。

同时，这些红外卫星图片也可以描绘出海洋漩涡或涡流，例如绘制海流图，这对航运业很有价值。农民和渔民可以通过红外卫星图像了解陆地和海水的温度变化，以保护农作物使其免受霜冻影响，或者增加海上的鱼类捕获量，甚至厄尔尼诺现象（发生在热带太平洋海温异常增暖的一种气候现象）也可以被发现。

超级台风曼克胡特红外图像

飞马座螺旋星系图

探索无垠宇宙

在天文学上，红外探测器可以对天体的红外辐射进行观测和分析。由于每个有温度的物体都会进行红外辐射，因此红外天文学的研究几乎包括宇宙中的所有事物。

宇宙以电磁辐射（或光）的形式向我们发送大量的信息，这些信息大部分位于红外波段，我们用眼睛或可见光望远镜是观测不到的。此外，这些红外信息大部分被大气层隔绝，只有少量到达地球表面，然而通过研究这一小段红外波长，天文学家发现了大量的新信息。20世纪80年代，随着科技的发展，人类将红外望远镜送入大气之外的卫星轨道，有了更为惊人的发现。

2022年12月，詹姆斯·韦伯太空望远镜发布了一张距离地球2.2亿光年的飞马座螺旋星系NGC7469图像。通过韦伯太空望远镜的红外线观测，可观察到其明亮中心附近密集的恒星形成环等特征。

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（责任编辑/张丽静 美术编辑/周游）