研究红外辐射的产生、传播、转化和测量及其应用的技术科学。红外辐射包括介于可见光与微波之间的广阔的电磁波段。红外技术的内容包含四个主要部分：①红外辐射的性质，其中有受热物体所发射的辐射在光谱、强度和方向的分布；辐射在媒质中的传播特性──反射、折射、衍射和散射；热电效应和光电效应等。②红外元件、部件的研制，包括辐射源、微型制冷器、窗口材料和滤光片等。③把红外元件部件组织成系统的光学、电子学和精密机械。④在军事上和国民经济中的应用。

一、简史

1800年，F.W.赫歇耳发现了红外辐射。此后，红外辐射和红外元件、部件的科学研究逐步发展，但比较缓慢，直到1940年前后才真正出现现代的红外技术。当时，德国研制成硫化铅和几种红外透射材料，利用这些元件、部件制成一系列军用红外系统，如高射炮用导向仪、海岸用船舶侦察仪、船舶探测和跟踪系统、机载轰炸机探测仪和火控系统、通话设备等。其中有些达到实验室试验阶段，有些已小批量生产，但都未来得及实际使用。此后，美、英、苏等国竞相发展。特别是美国，大力研究红外技术在军事方面的应用。

    红外探测器的发展是红外技术发展的先导。1940年以前研制成的红外探测器，主要是热敏型探测器。19世纪,由于热敏型红外探测器的应用,科学家们认识了红外辐射的特性及其规律，验证了J.C.麦克斯韦的经典的电磁理论。从黑体辐射的研究导致普朗克的量子假设，从而开创了20世纪的量子物理学。20世纪初开始，测量了大量的有机和无机物质的吸收、发射和反射光谱，证明红外技术在物质分析中的价值。30年代，首次出现红外光谱仪，以后发展成在物质分析方面不可缺少的仪器。

    以硫化铅红外探测器为开端的光电型（光子型）探测器，性能优良、结构牢靠。50年代半导体物理学的迅速发展，使光电型红外探测器得到新的推动。到60年代初期,对于1～3、3～5和8～13微米三个重要的大气窗口都有了性能优良的红外探测器。在同一时期内，固体物理、光学、电子学、精密机械和微型致冷器等方面的发展，使红外技术在军事技术上和国民经济建设的各个方面得到广泛的应用。

    60年代中叶起,红外探测器开始向两个方面发展:①在1～14微米范围内的探测器,由单元向多元发展。第一步是线列多元探测器，元数密度逐步增大。以多元探测器先后扫过（串扫）同一目标时，可得到比单元探测器的输出高倍的信噪比,n为元数。以多元探测器平行扫过（平扫）目标时，可得到目标辐射的一维分布。以这类线列探测器为基础的探测系统，大都装在遥感平台（飞机或卫星）上，平台的前进运动垂直于线列作为第二维，就可得到目标辐射的分布图像。因此，可省去使用单元探测器的红外相机所必需的光机扫描结构。多元探测器的第二步发展是研制二维列阵探测器。以nm个元件排成n行m列的方阵，放在光学系统的焦平面上（又称焦平面红外探测器）就能获取目标的瞬时红外图像。每个元件的输出信号，由电荷耦合器件或其他方式按顺序输出，经用电子技术处理后，以黑白或彩色在屏幕上显示出目标的红外图像。二维列阵探测器在摄取红外图像时，不需要运动部件，也可对准同一目标连续摄取红外图像的时间变化，因而，也称为凝视型红外探测器。这种探测器还可加上信息处理电路，直按输出所需的信息。在多元探测器的发展过程中,又出现碲镉汞(Hg1-xCdxTe)红外探测器，根据化学配比的不同，制成响应不同波段的各种探测器。这种材料还具有若干特别符合红外探测器要求的特性，用这种材料制成的探测器，堪与过去在1～14微米范围的各种光电探测器相比。因此,碲镉汞材料就成为发展多元红外探测器的基础材料。②响应波段向长波延伸，从几十微米到几百微米以至几千微米。在15～1000微米波段，大气吸收严重，在野外使用的前途较小，但其科学研究内容丰富。对于这一波段，已有一些性能良好的探测器可供选用。在1～3毫米波段，有大气吸收很小的透射窗口，而且可以制造相当强的相干辐射源,因而可以采用外差探测技术,具有重要的应用前景。

    60年代，激光的出现极大地影响了红外技术的发展。在这以前，红外技术仅探测非相干红外辐射。激光的出现，很多重要的激光都在红外波段，其相干性便于移用电子技术中的外差接收技术。探测性能比功率探测高好几个数量级。雷达和通信等，都有可能在红外波段实现，而且可以得到更高的分辨率和更大的信息容量。由于这类应用的需要，出现了新的探测器件和新的辐射传输方式。

二、应用

    红外技术在军事上和国民经济各部门都有广泛的应用。

    1、军用  红外技术可用于目标探测、通信和夜视。

    ①军事目标的探测与跟踪：红外探测技术有广泛的用途，其根本原因之一就在于一切物体都在不断地产生红外辐射。物体温度越高，其红外辐射的波长就越短。例如,室温(≈300 K)物体发出大量的8～13微米内的辐射，飞机发动机在工作时发出大量的3～5微米的辐射。利用红外探测技术，就有可能发现这些物体。这一可能性首先受到军事上的重视。因为一切军事目标，如空中的飞机、导弹，海洋中的军舰，甚至部队的行动，都散发热量，发出大量的红外辐射。利用红外探测技术可以侦察、跟踪和监视这些目标，或者引导炸弹投向这些目标。70年代以来,红外预警卫星一直监视着弹道导弹的发射,红外反导弹在大气外层的搜索、跟踪距离已接近2000公里，侦察卫星依靠红外和多光谱仪器及时获取大量的军事情报。红外制导导弹已成为用量最大的近程战术导弹。红外探测装置能比微波雷达更为有效地追踪贴近海面飞行的低仰角导弹和飞机。

    ②红外通信：在发射端，用红外辐射的平行光束作载波，其强度受发送信息的调制。在接收端收到这束红外辐射时，就能从强度的变化获得所需的信息。激光完全可以移用于微波通信技术。与微波通信相比，红外通信具有更好的方向性，适用于国防边界哨所与哨所之间的保密通信。

    ③军用夜视仪：在夜间军事行动中用来“照明”或侦察敌方行动的仪器。夜视仪分为主动式和被动式两类。主动式夜视仪是利用光电子发射现象的变像管，工作波段不大于1.3微米，用近红外辐射照射敌方目标,变像管将反射回来的红外像转变成可见像而显示在屏幕上。这种夜视仪有着广泛的用途，但其缺点是易为对方发现。被动式夜视仪则是利用目标本身发射的辐射，利用单元红外探测器加光机扫描或多元列阵探测器摄取目标的热图像，并转变成可见图像显示出来。这种夜视仪，实质上就是热像仪。根据军事上的需要，红外成像装置有各种不同形式的发展，热像仪就是这类装置的总称。

    2、民用  红外技术广泛用于工业、医学和科学研究等许多方面。

    ①热源探测：首先是对异常热源的检测,例如,火车车辆运行中，轮轴摩擦过甚使温度升高；森林在冬、春季节局部腐植质发热，可能导致自然火灾；机房中变压器、发电机、闸刀、锅炉和轮机等运动发生故障时局部温度异常升高。用红外技术探测这些异常的热源，就能对事故的发生及时报警。为节约能源而对锅炉和建筑物的漏热检测,防贼防盗的入侵警报器,也属这类应用。又如，一块很小的集成电路某一点有缺陷，通电工作时那一点的温度就过高；大型机器部件内部有无法看到的缺陷，在均匀加热的条件下，那一点温度就异常。利用红外技术就能检查出这些缺陷。这类应用也称为无损探伤。

    ②医用热像仪: 检查人体的表皮温度,如脉管炎、静脉曲张，和一些表浅部位的癌症，可得到早期诊断。这一应用类似于无损探伤。

    ③温度测量与过程控制：在一般接触式的测温方法无法到达之处，只有利用红外技术，如炼钢工业中的钢水温度，轧钢时的钢板温度，机械制造业中的热处理温度，工件切割和焊接温度，化工中的化学反应温度，纺织工业中织物的热定形温度，食品工业、造纸和印染工业中各道工序中的工艺温度，利用红外技术都可以有效地测量或监视，从而对这些过程进行控制。

    ④红外光谱分析：是以红外辐射与物质相互作用的原理为基础的。用红外辐射照射物体时，透过物体的、从物体反射回来的或散射出去的红外辐射，都包含着有关物质内部结构的信息。专门研究物质结构的红外光谱学，就是以红外技术作为基本工具，其发展水平也在很大程度上取决于红外技术的发展水平。红外光谱仪已经是化学分析中不可缺少的手段。此外，如塑料制造工业中的产品检验、木材加工和造纸业中的湿度检测、煤矿中易燃易爆气体的指示和警报、大气污染的检测、人体呼吸道疾病的诊断等，都可借助红外技术解决。

    ⑤红外加热干燥：利用热源光谱和物质吸收光谱知识而发展起来的红外加热干燥技术，已在工农业的很多方面得到应用。与传统的加热烘烤技术相比，可以节约大量的能源。

    ⑥红外遥感：用红外技术研究物质结构和识别物体，通常是指物质的微观结构。红外技术的作用是扩大人类对微观世界的观察能力。红外遥感技术，从某种意义上讲，也是利用红外技术对地球那样大的宏观物体进行物质结构研究和物体识别。红外技术的作用能扩大人类在空间上和时间上的观察能力。把红外仪器装在飞机上或人造卫星上,能在较短的时间内,收集到地面各种目标如河流、山脉、土壤、冰川、沙漠、森林、农作物和云雾等的状况和变化。这种遥感技术已用在气象卫星中，对实现全球性长、短期天气预报起着重要作用；也用在地球资源卫星上，预报洪水灾情、推测土壤含盐和含水量、观察作物生长情况和预报病虫害等；也能估计作物收成，协助地面寻找富铁、镍、铜和石油等重要矿床分布。

⑦红外天文学：是利用红外技术扩大人类观察能力的又一成就。60年代以前，对天体的认识，只限于从天体发射来的可见光和射电无线电波。后来又增加了红外波段。宽波段红外望远镜已经为揭示宇宙奥秘作出了重要贡献，如发现了宇宙间充满着2.7K的辐射背景。又如美、英、荷三国联合发射的红外天文卫星，在10个月内对95％的宇宙空间进行观察，发现了过去人类一无所知的红外天体达20万个。 

三、红外光谱仪

    通过物质的红外辐射透射比的仪器。所得到的谱图，称为红外光谱图。分子的振动－转动光谱主要在红外波段，利用红外光谱方法可测定分子的键长、键角，并由此推测分子的立体构型。根据所得的力常数可推知化学键的强弱，由简正频率计算热力学函数等。但是，红外光谱最广泛的应用还在于对化学组成的分析，依照特征吸收峰的强度测定混合物中各组分的含量。红外光谱是公认的一种重要分析工具。

    1、发展简况  20世纪40年代中期，出现双光束红外光谱仪。它们大都采用棱镜作为色散元件，称为棱镜式红外光谱仪。50年代末期，用光栅作为色散元件的光栅式红外光谱仪问世。由于对气象和大气污染研究的需要，以及电子技术的发展，60年代以来，基于干涉调频分光的傅里叶变换红外光谱仪得到迅速发展。这种仪器的特点是分辨力极高和扫描速度极快，对弱信号和微小样品的测定具有很大的优越性。

    2、色散型红外光谱仪  棱镜式和光栅式的红外光谱仪都是色散型的光谱仪。色散型双光束红外光谱仪大多数采用光学零位平衡系统。它主要由5个部分组成,即光源、单色器、检测器、电子放大器和记录机械装置（图1 色散型红外光谱仪原理图）。

如果样品光路中没有放置样品，或样品光路和参比光路的吸收情况相同，检测器即不输出信号。若把样品插入样品光路中，则样品的吸收破坏两束光的平衡，检测器就有信号输出。这种信号经放大后用于驱动梳状光阑,使它进入参比光路以遮挡辐射,直到参比光路的辐射强度与样品光路的辐射强度相等为止。这就是所谓的光学零位平衡法。参比光路中梳状光阑所削弱的能量，就等于样品所吸收的能量。因此，当记录笔和梳状光阑作同步运动时，就直接记下样品的吸收百分比。另外，有些仪器采用双光束电比率记录系统。在这种系统中，检测中输出的电信号经放大后，不是去驱动梳状光阑，而是输入到解调器中，使代表样品光束和参比光束的电信号得到解调。这两个分开的电信号在数字比率器中进行比较,并经数字-模拟转换器变成模拟输出（相应于透射比）,用X-Y型记录器记录下来。这种记录机构的最大特点是具有高的信噪比。

    3、干涉分光型红外光谱仪  傅里叶变换红外光谱仪主要由光学探测部分和计算机部分组成。光学部分大多数是由迈克耳逊干涉仪组成。干涉仪将来自光源的信号以干涉图的形式送经计算机进行傅里叶变换的数学处理，将干涉图还原成光谱图。

迈克耳逊干涉仪由互成直角的两块平面镜M1、M2和与M1、M2分别成45°角的光束分裂器所构成（图2迈克耳逊干涉仪和干涉图）。其中M2可以沿箭头方向等速移动,而M1为固定平面镜。从M1和M2反射回来进入探测器之前的两束光的光程差，随平面镜M2的等速直线运动而周期性变化。因而对频率为 n 的单色光来说,干涉图的强度为

                      I(x)＝B(n)cos(2pnx)

式中x为光程差；B(n)为光源（被测对象）的强度,是一个恒定值。对于多色光源来说，其干涉图I(x)是光源中各个频率所产生的干涉图强度的叠加。其结果是一个迅速衰减的干涉图，中央为极大的对称图形。单色光和多色光的干涉图见图2 迈克耳逊干涉仪和干涉图中b和c。在数学上，多色光干涉图中的变化部分表示为

           

这是对光源中频率范围积分的结果。根据博里叶变换原理，可由I(x)计算出光源的光谱分布B(n)

           

    干涉图包含着光源的全部频率和强度按频率分布的信息。因此，如将一个有红外吸收的样品放在干涉仪的光路中，由于样品吸收掉某些频率的能量，所得到的干涉图强度曲线就相应地产生某些变化。对这个包含每个频率强度信息的干涉图进行傅里叶变换，就能得到红外光谱。但是,这种变换的数学运算非常冗长,为了得到准确的频率和强度的数值，必须用电子计算机来完成。傅里叶变换红外光谱仪的排列和工作如图3 傅里叶变换红外光谱仪的排列和工作示意图。

光源的辐射经过干涉扫描得到干涉图。探测器将干涉图光信号转变成电信号，后者经数字化后进入计算机作傅里叶变换，最后显示成光谱并记录下来。