Infrarrojo

Una imagen pseudocolor de dos personas tomadas en radiación infrarroja de longitud de onda larga (temperatura corporal térmica).

Esta imagen del telescopio espacial infrarrojo de color falso tiene azul, verde y rojo correspondiente a 3.4, 4.6, y 12 μm longitudes de onda, respectivamente.

Infrarrojo (IR), a veces llamado luz infrarroja, es radiación electromagnética (EMR) con longitudes de onda más largas que las de la luz visible. Por lo tanto, es invisible para el ojo humano. En general, se entiende que IR abarca longitudes de onda desde alrededor de 1 milímetro (300 GHz) hasta el borde rojo nominal del espectro visible, alrededor de 700 nanómetros (430 THz). Las longitudes de onda IR más largas (30 μm-100 μm) a veces se incluyen como parte del rango de radiación de terahercios. Casi toda la radiación de cuerpo negro de objetos cercanos a la temperatura ambiente se encuentra en longitudes de onda infrarrojas. Como forma de radiación electromagnética, el IR propaga energía y cantidad de movimiento, ejerce presión de radiación y tiene propiedades que corresponden tanto a las de una onda como a las de una partícula, el fotón.

Hace tiempo que se sabía que los incendios emiten un calor invisible; en 1681, el experimentador pionero Edme Mariotte demostró que el vidrio, aunque transparente a la luz del sol, obstruía el calor radiante. En 1800 el astrónomo Sir William Herschel descubrió que la radiación infrarroja es un tipo de radiación invisible en el espectro de menor energía que la luz roja, por medio de su efecto sobre un termómetro. Poco más de la mitad de la energía del Sol finalmente se descubrió, a través de los estudios de Herschel, para llegar a la Tierra en forma de infrarrojos. El equilibrio entre la radiación infrarroja absorbida y emitida tiene un efecto importante en el clima de la Tierra.

La radiación infrarroja es emitida o absorbida por las moléculas cuando cambian los movimientos rotacionales-vibracionales. Excita modos de vibración en una molécula a través de un cambio en el momento dipolar, lo que lo convierte en un rango de frecuencia útil para el estudio de estos estados de energía para moléculas con la simetría adecuada. La espectroscopia infrarroja examina la absorción y transmisión de fotones en el rango infrarrojo.

La radiación infrarroja se utiliza en aplicaciones industriales, científicas, militares, comerciales y médicas. Los dispositivos de visión nocturna que utilizan iluminación infrarroja cercana activa permiten observar personas o animales sin que el observador sea detectado. La astronomía infrarroja utiliza telescopios equipados con sensores para penetrar en las regiones polvorientas del espacio, como las nubes moleculares, para detectar objetos como los planetas y para ver objetos muy desplazados hacia el rojo desde los primeros días del universo. Las cámaras termográficas infrarrojas se utilizan para detectar la pérdida de calor en sistemas aislados, para observar cambios en el flujo sanguíneo en la piel y para detectar el sobrecalentamiento de los componentes eléctricos.

Las aplicaciones militares y civiles incluyen adquisición de objetivos, vigilancia, visión nocturna, orientación y seguimiento. Los seres humanos a la temperatura corporal normal irradian principalmente en longitudes de onda de alrededor de 10 μm (micrómetros). Los usos no militares incluyen análisis de eficiencia térmica, monitoreo ambiental, inspecciones de instalaciones industriales, detección de operaciones de cultivo, detección remota de temperatura, comunicación inalámbrica de corto alcance, espectroscopia y pronóstico del tiempo.

Definición y relación con el espectro electromagnético

No existe una definición universalmente aceptada del rango de radiación infrarroja. Por lo general, se considera que se extiende desde el borde rojo nominal del espectro visible a 700 nanómetros (nm) hasta 1 milímetro (mm). Este rango de longitudes de onda corresponde a un rango de frecuencia de aproximadamente 430 THz hasta 300 GHz. Más allá del infrarrojo está la porción de microondas del espectro electromagnético. Cada vez más, la radiación de terahercios se cuenta como parte de la banda de microondas, no infrarroja, moviendo el borde de la banda infrarroja a 0,1 mm (3 THz).

Infrarrojos naturales

La luz solar, a una temperatura efectiva de 5780 kelvins (5510 °C, 9940 °F), se compone de radiación de espectro casi térmico que es un poco más de la mitad del infrarrojo. En el cenit, la luz del sol proporciona una irradiación de poco más de 1 kilovatio por metro cuadrado al nivel del mar. De esta energía, 527 watts son radiación infrarroja, 445 watts son luz visible y 32 watts son radiación ultravioleta. Casi toda la radiación infrarroja de la luz solar es casi infrarroja, de menos de 4 micrómetros.

En la superficie de la Tierra, a temperaturas mucho más bajas que la superficie del Sol, parte de la radiación térmica consiste en infrarrojos en la región del infrarrojo medio, mucho más larga que la luz solar. Sin embargo, la radiación de cuerpo negro o térmica es continua: emite radiación en todas las longitudes de onda. De estos procesos naturales de radiación térmica, solo los relámpagos y los incendios naturales son lo suficientemente calientes como para producir mucha energía visible, y los incendios producen mucha más energía infrarroja que luz visible.

Regiones dentro del infrarrojo

En general, los objetos emiten radiación infrarroja a lo largo de un espectro de longitudes de onda, pero a veces solo una región limitada del espectro es de interés porque los sensores generalmente recolectan radiación solo dentro de un ancho de banda específico. La radiación infrarroja térmica también tiene una longitud de onda de emisión máxima, que es inversamente proporcional a la temperatura absoluta del objeto, de acuerdo con la ley de desplazamiento de Wien. La banda infrarroja a menudo se subdivide en secciones más pequeñas, aunque la forma en que se divide el espectro IR varía entre las diferentes áreas en las que se emplea IR.

Límite visible

En general, se considera que la radiación infrarroja comienza con longitudes de onda más largas que las visibles para el ojo humano. Sin embargo, no existe un límite de longitud de onda fijo para lo que es visible, ya que la sensibilidad del ojo disminuye rápida pero suavemente, para longitudes de onda que superan los 700 nm. Por lo tanto, se pueden ver longitudes de onda un poco más largas que eso si son lo suficientemente brillantes, aunque aún se pueden clasificar como infrarrojos de acuerdo con las definiciones habituales. Por lo tanto, la luz de un láser de infrarrojo cercano puede aparecer de color rojo tenue y puede presentar un peligro, ya que en realidad puede ser bastante brillante. E incluso los infrarrojos a longitudes de onda de hasta 1050 nm de los láseres pulsados pueden ser vistos por humanos bajo ciertas condiciones.

Esquema de subdivisión de uso común

Un esquema de subdivisión de uso común es:

Comparación de una imagen térmica (top) y una fotografía ordinaria (bottom). La bolsa de plástico es mayormente transparente a infrarrojos de longitud larga, pero las gafas del hombre son opacas.

NIR y SWIR juntos a veces se denominan "infrarrojos reflejados", mientras que MWIR y LWIR a veces se denominan "infrarrojos térmicos".

Esquema de división CIE

La Comisión Internacional de Iluminación (CIE) recomendó la división de la radiación infrarroja en las siguientes tres bandas:

Esquema ISO 20473

ISO 20473 especifica el siguiente esquema:

Esquema de división de astronomía

Los astrónomos suelen dividir el espectro infrarrojo de la siguiente manera:

Estas divisiones no son precisas y pueden variar según la publicación. Las tres regiones se utilizan para observar diferentes rangos de temperatura y, por lo tanto, diferentes entornos en el espacio.

El sistema fotométrico más común utilizado en astronomía asigna letras mayúsculas a diferentes regiones espectrales según los filtros utilizados; I, J, H y K cubren las longitudes de onda del infrarrojo cercano; L, M, N y Q se refieren a la región del infrarrojo medio. Estas letras se entienden comúnmente en referencia a las ventanas atmosféricas y aparecen, por ejemplo, en los títulos de muchos artículos.

Esquema de división de respuesta del sensor

Parcela de transmisión atmosférica en parte de la región infrarroja

Un tercer esquema divide la banda según la respuesta de varios detectores:

• Cerca de infrarrojos: de 0,7 a 1,0 μm (desde el extremo aproximado de la respuesta del ojo humano al del silicio).
• infrarrojos de onda corta: de 1.0 a 3 μm (desde el corte de silicio hasta el de la ventana atmosférica MWIR). EnGaAs cubre aproximadamente 1.8 μm; las sales de plomo menos sensibles cubren esta región. Los detectores de MCT refrigerados por criogénico pueden cubrir la región de 1.0–2.5μm.
• infrarrojos de onda media: 3 a 5 μm (definidos por la ventana atmosférica y cubiertos por antimonio indio, InSb y cadmio de mercurio, HgCdTe, y parcialmente por selenuro de plomo, PbSe).
• infrarrojos de onda larga: 8 a 12, o 7 a 14 μm (esta es la ventana atmosférica cubierta por HgCdTe y microbolometros).
• infrarrojos de onda muy larga (VLWIR) (12 a unos 30 μm, cubiertos por silicio dopado).

El infrarrojo cercano es la región más cercana en longitud de onda a la radiación detectable por el ojo humano. el infrarrojo medio y lejano se aleja progresivamente del espectro visible. Otras definiciones siguen diferentes mecanismos físicos (picos de emisión, frente a bandas, absorción de agua) y las más nuevas siguen razones técnicas (los detectores de silicio comunes son sensibles a unos 1050 nm, mientras que la sensibilidad del InGaAs comienza alrededor de los 950 nm y termina entre los 1700 nm). y 2600 nm, según la configuración específica). Actualmente no hay estándares internacionales disponibles para estas especificaciones.

La aparición de infrarrojos se define (según diferentes estándares) en varios valores, normalmente entre 700 nm y 800 nm, pero el límite entre la luz visible y la infrarroja no está definido con precisión. El ojo humano es notablemente menos sensible a la luz por encima de la longitud de onda de 700 nm, por lo que las longitudes de onda más largas hacen contribuciones insignificantes a las escenas iluminadas por fuentes de luz comunes. Sin embargo, la luz IR cercana particularmente intensa (p. ej., de láseres IR, fuentes de LED IR o de luz diurna brillante con la luz visible eliminada por geles de colores) puede detectarse hasta aproximadamente 780 nm y se percibirá como luz roja. Las fuentes de luz intensa que proporcionan longitudes de onda de hasta 1050 nm se pueden ver como un resplandor rojo opaco, lo que provoca cierta dificultad en la iluminación de escenas en la oscuridad con infrarrojo cercano (por lo general, este problema práctico se resuelve con iluminación indirecta). Las hojas son particularmente brillantes en el IR cercano, y si se bloquean todas las fugas de luz visible alrededor de un filtro IR, y se le da un momento al ojo para que se ajuste a la imagen extremadamente tenue que proviene de un filtro fotográfico que pasa el IR visualmente opaco, es posible ver el efecto de madera que consiste en un follaje que brilla en los infrarrojos.

Bandas de telecomunicaciones en el infrarrojo

En comunicaciones ópticas, la parte del espectro infrarrojo que se utiliza se divide en siete bandas según la disponibilidad de fuentes de luz, materiales transmisores/absorbentes (fibras) y detectores:

La banda C es la banda dominante para las redes de telecomunicaciones de larga distancia. Las bandas S y L se basan en una tecnología menos establecida y no se implementan tan ampliamente.

Calor

Los materiales con mayor emisividad aparecen más cerca de su verdadera temperatura que los materiales que reflejan más de su entorno de diferentes temperaturas. En esta imagen térmica, el cilindro de cerámica más reflectante, que refleja el entorno más fresco, parece ser más frío que su contenedor cúbico (hecho de carburo de silicio más emisivo), mientras que de hecho, tienen la misma temperatura.

La radiación infrarroja se conoce popularmente como "radiación de calor", pero la luz y las ondas electromagnéticas de cualquier frecuencia calentarán las superficies que las absorben. La luz infrarroja del Sol representa el 49% del calentamiento de la Tierra, y el resto es causado por la luz visible que se absorbe y luego se vuelve a irradiar en longitudes de onda más largas. Los láseres de luz visible o emisores de luz ultravioleta pueden carbonizar el papel y los objetos incandescentes calientes emiten radiación visible. Los objetos a temperatura ambiente emitirán radiación concentrada principalmente en la banda de 8 a 25 μm, pero esto no es distinto de la emisión de luz visible de los objetos incandescentes y ultravioleta de los objetos aún más calientes (consulte el cuerpo negro y la ley de desplazamiento de Wien)..

El calor es energía en tránsito que fluye debido a una diferencia de temperatura. A diferencia del calor transmitido por conducción térmica o convección térmica, la radiación térmica puede propagarse a través del vacío. La radiación térmica se caracteriza por un espectro particular de muchas longitudes de onda que están asociadas con la emisión de un objeto, debido a la vibración de sus moléculas a una temperatura determinada. Los objetos pueden emitir radiación térmica en cualquier longitud de onda y, a temperaturas muy altas, dicha radiación se asocia con espectros muy por encima del infrarrojo, que se extienden a las regiones visible, ultravioleta e incluso de rayos X (por ejemplo, la corona solar). Por lo tanto, la asociación popular de la radiación infrarroja con la radiación térmica es solo una coincidencia basada en las temperaturas típicas (relativamente bajas) que a menudo se encuentran cerca de la superficie del planeta Tierra.

El concepto de emisividad es importante para comprender las emisiones infrarrojas de los objetos. Esta es una propiedad de una superficie que describe cómo sus emisiones térmicas se desvían de la idea de un cuerpo negro. Para explicarlo mejor, es posible que dos objetos a la misma temperatura física no muestren la misma imagen infrarroja si tienen una emisividad diferente. Por ejemplo, para cualquier valor de emisividad preestablecido, los objetos con una emisividad más alta aparecerán más calientes y aquellos con una emisividad más baja aparecerán más fríos (suponiendo, como suele ser el caso, que el entorno circundante es más frío que los objetos que se están viendo). Cuando un objeto tiene una emisividad inferior a la perfecta, obtiene propiedades de reflectividad y/o transparencia, por lo que la temperatura del entorno circundante se refleja parcialmente y/o se transmite a través del objeto. Si el objeto estuviera en un ambiente más caliente, entonces un objeto de menor emisividad a la misma temperatura probablemente parecería más caliente que uno más emisivo. Por esa razón, la selección incorrecta de la emisividad y la falta de consideración de las temperaturas ambientales darán resultados inexactos al usar cámaras infrarrojas y pirómetros.

Aplicaciones

Visión nocturna

Visión nocturna activa: la cámara ilumina la escena en longitudes de onda infrarrojas invisibles al ojo humano. A pesar de una oscura escena retroiluminada, la visión nocturna de infrarrojos activos ofrece detalles de identificación, como se ve en el monitor de visualización.

Los infrarrojos se utilizan en equipos de visión nocturna cuando no hay suficiente luz visible para ver. Los dispositivos de visión nocturna funcionan a través de un proceso que involucra la conversión de fotones de luz ambiental en electrones que luego se amplifican mediante un proceso químico y eléctrico y luego se convierten nuevamente en luz visible. Las fuentes de luz infrarroja se pueden usar para aumentar la luz ambiental disponible para la conversión mediante dispositivos de visión nocturna, lo que aumenta la visibilidad en la oscuridad sin usar realmente una fuente de luz visible.

El uso de luz infrarroja y dispositivos de visión nocturna no debe confundirse con la termografía, que crea imágenes basadas en las diferencias de temperatura de la superficie al detectar la radiación infrarroja (calor) que emana de los objetos y el entorno que los rodea.

Termografía

La termografía ayudó a determinar el perfil de temperatura del sistema de protección térmica del transbordador espacial durante el reingreso.

La radiación infrarroja se puede utilizar para determinar de forma remota la temperatura de los objetos (si se conoce la emisividad). Esto se denomina termografía, o en el caso de objetos muy calientes en el NIR o visible se denomina pirometría. La termografía (imágenes térmicas) se utiliza principalmente en aplicaciones militares e industriales, pero la tecnología está llegando al mercado público en forma de cámaras infrarrojas en los automóviles debido a la gran reducción de los costos de producción.

Las cámaras termográficas detectan la radiación en el rango infrarrojo del espectro electromagnético (aproximadamente entre 9000 y 14 000 nanómetros o entre 9 y 14 μm) y producen imágenes de esa radiación. Dado que todos los objetos emiten radiación infrarroja en función de su temperatura, de acuerdo con la ley de radiación del cuerpo negro, la termografía permite "ver" el entorno de uno con o sin iluminación visible. La cantidad de radiación emitida por un objeto aumenta con la temperatura, por lo que la termografía permite ver las variaciones de temperatura (de ahí el nombre).

Imágenes hiperespectrales

Medición de emisión infrarroja térmica hiperspectral, un escaneo al aire libre en condiciones de invierno, temperatura ambiente −15 °C, imagen producida con un Specim LWIR hiperspectral imager. Espectra de radiancia relativa de varios objetivos en la imagen se muestran con flechas. Los espectros infrarrojos de los diferentes objetos como el cierre del reloj tienen características claramente distintivas. El nivel de contraste indica la temperatura del objeto.

Luz infrarroja del LED de un control remoto grabado por una cámara digital

Una imagen hiperespectral es una "imagen" que contiene espectro continuo a través de un amplio rango espectral en cada píxel. Las imágenes hiperespectrales están ganando importancia en el campo de la espectroscopia aplicada, en particular con las regiones espectrales NIR, SWIR, MWIR y LWIR. Las aplicaciones típicas incluyen mediciones biológicas, mineralógicas, de defensa e industriales.

Las imágenes hiperespectrales de infrarrojo térmico se pueden realizar de manera similar con una cámara termográfica, con la diferencia fundamental de que cada píxel contiene un espectro LWIR completo. En consecuencia, la identificación química del objeto se puede realizar sin necesidad de una fuente de luz externa como el Sol o la Luna. Estas cámaras se utilizan normalmente para mediciones geológicas, vigilancia en exteriores y aplicaciones de vehículos aéreos no tripulados.

Otras imágenes

En la fotografía infrarroja, los filtros infrarrojos se utilizan para capturar el espectro infrarrojo cercano. Las cámaras digitales suelen utilizar bloqueadores de infrarrojos. Las cámaras digitales y los teléfonos con cámara más baratos tienen filtros menos efectivos y pueden ver el infrarrojo cercano intenso, que aparece como un color blanco púrpura brillante. Esto es especialmente pronunciado cuando se toman fotografías de sujetos cerca de áreas con brillo IR (como cerca de una lámpara), donde la interferencia infrarroja resultante puede desteñir la imagen. También existe una técnica llamada 'T-ray' imágenes, que son imágenes utilizando radiación de infrarrojo lejano o terahercios. La falta de fuentes brillantes puede hacer que la fotografía de terahercios sea más desafiante que la mayoría de las otras técnicas de imágenes infrarrojas. Recientemente, las imágenes de rayos T han sido de gran interés debido a una serie de nuevos desarrollos, como la espectroscopia en el dominio del tiempo de terahercios.

Fotografía de luz reflejada en varios espectros infrarrojos para ilustrar la apariencia como la longitud de onda de la luz cambia.

Seguimiento

El rastreo por infrarrojos, también conocido como localización por infrarrojos, se refiere a un sistema de guía de misiles pasivos, que utiliza la emisión de un objetivo de radiación electromagnética en la parte infrarroja del espectro para rastrearlo. Los misiles que utilizan la búsqueda de infrarrojos a menudo se denominan "buscadores de calor" ya que el infrarrojo (IR) está justo por debajo del espectro visible de la luz en frecuencia y es fuertemente radiado por cuerpos calientes. Muchos objetos, como personas, motores de vehículos y aeronaves, generan y retienen calor y, como tales, son especialmente visibles en las longitudes de onda infrarrojas de la luz en comparación con los objetos del fondo.

Calefacción

Secador de pelo infrarrojo para peluquerías, c. 2010s

La radiación infrarroja se puede utilizar como fuente de calor deliberada. Por ejemplo, se utiliza en saunas de infrarrojos para calentar a los ocupantes. También se puede utilizar en otras aplicaciones de calefacción, como para eliminar el hielo de las alas de los aviones (descongelación). La radiación infrarroja se usa para cocinar, lo que se conoce como asar o asar a la parrilla. Una ventaja energética es que la energía IR calienta solo los objetos opacos, como los alimentos, en lugar del aire que los rodea.

La calefacción por infrarrojos también se está volviendo más popular en los procesos de fabricación industrial, p. curado de revestimientos, formación de plásticos, recocido, soldadura de plásticos y secado de impresiones. En estas aplicaciones, los calentadores infrarrojos reemplazan los hornos de convección y el calentamiento por contacto.

Refrigeración

Una variedad de tecnologías o tecnologías propuestas aprovechan las emisiones infrarrojas para enfriar edificios u otros sistemas. La región LWIR (8–15 μm) es especialmente útil ya que parte de la radiación en estas longitudes de onda puede escapar al espacio a través de la ventana infrarroja de la atmósfera. Así es como las superficies de enfriamiento radiativo diurno pasivo (PDRC) pueden alcanzar temperaturas de enfriamiento por debajo del ambiente bajo la intensidad solar directa, mejorando el flujo de calor terrestre hacia el espacio exterior con cero consumo de energía o contaminación. Las superficies PDRC minimizan la reflectancia solar de onda corta para disminuir la ganancia de calor mientras mantienen una fuerte transferencia de calor por radiación térmica infrarroja de onda larga (LWIR). Cuando se imagina a escala mundial, este método de enfriamiento se ha propuesto como una forma de frenar e incluso revertir el calentamiento global, y algunas estimaciones proponen una cobertura del área de superficie global del 1-2% para equilibrar los flujos de calor globales.

Comunicaciones

La transmisión de datos IR también se emplea en la comunicación de corto alcance entre periféricos de computadora y asistentes digitales personales. Estos dispositivos generalmente cumplen con los estándares publicados por IrDA, la Asociación de datos infrarrojos. Los controles remotos y los dispositivos IrDA utilizan diodos emisores de luz (LED) infrarrojos para emitir radiación infrarroja que puede ser concentrada por una lente en un haz que el usuario apunta al detector. El haz se modula, es decir, se enciende y se apaga, según un código que interpreta el receptor. Por lo general, se usa un IR muy cercano (por debajo de 800 nm) por razones prácticas. Esta longitud de onda es detectada eficientemente por fotodiodos de silicio económicos, que el receptor utiliza para convertir la radiación detectada en corriente eléctrica. Esa señal eléctrica pasa a través de un filtro de paso alto que retiene las pulsaciones rápidas debidas al transmisor IR pero filtra la radiación infrarroja que cambia lentamente de la luz ambiental. Las comunicaciones por infrarrojos son útiles para uso en interiores en áreas de alta densidad de población. IR no atraviesa las paredes y, por lo tanto, no interfiere con otros dispositivos en las habitaciones contiguas. El infrarrojo es la forma más común en que los controles remotos controlan los electrodomésticos. Los protocolos de control remoto por infrarrojos como RC-5, SIRC, se utilizan para comunicarse con infrarrojos.

La comunicación óptica en el espacio libre mediante láseres infrarrojos puede ser una forma relativamente económica de instalar un enlace de comunicaciones en un área urbana que funcione a hasta 4 gigabit/s, en comparación con el costo de enterrar el cable de fibra óptica, excepto por el daño por radiación. "Dado que el ojo no puede detectar IR, es posible que no parpadee o cierre los ojos para ayudar a prevenir o reducir el daño."

Los láseres infrarrojos se utilizan para proporcionar luz a los sistemas de comunicaciones de fibra óptica. La luz infrarroja con una longitud de onda de alrededor de 1330 nm (menor dispersión) o 1550 nm (mejor transmisión) son las mejores opciones para las fibras de sílice estándar.

La transmisión de datos IR de versiones de audio codificadas de señales impresas se está investigando como una ayuda para las personas con discapacidad visual a través del proyecto RIAS (Remote Infrared Audible Signage). La transmisión de datos IR de un dispositivo a otro a veces se denomina transmisión.

Espectroscopía

La espectroscopia vibratoria infrarroja (consulte también espectroscopia infrarroja cercana) es una técnica que se puede utilizar para identificar moléculas mediante el análisis de sus enlaces constituyentes. Cada enlace químico en una molécula vibra a una frecuencia característica de ese enlace. Un grupo de átomos en una molécula (p. ej., CH₂) puede tener múltiples modos de oscilación causados por los movimientos de estiramiento y flexión del grupo como un todo. Si una oscilación conduce a un cambio en el dipolo de la molécula, absorberá un fotón que tiene la misma frecuencia. Las frecuencias vibratorias de la mayoría de las moléculas corresponden a las frecuencias de la luz infrarroja. Por lo general, la técnica se usa para estudiar compuestos orgánicos usando radiación de luz del infrarrojo medio, 4000–400 cm⁻¹. Se registra un espectro de todas las frecuencias de absorción en una muestra. Esto se puede usar para obtener información sobre la composición de la muestra en términos de grupos químicos presentes y también su pureza (por ejemplo, una muestra húmeda mostrará una amplia absorción de O-H alrededor de 3200 cm⁻¹). La unidad para expresar la radiación en esta aplicación, cm⁻¹, es el número de onda espectroscópico. Es la frecuencia dividida por la velocidad de la luz en el vacío.

Metrología de película delgada

En la industria de los semiconductores, la luz infrarroja se puede utilizar para caracterizar materiales como películas delgadas y estructuras de trincheras periódicas. Al medir la reflectancia de la luz de la superficie de una oblea semiconductora, el índice de refracción (n) y el coeficiente de extinción (k) se pueden determinar a través de las ecuaciones de dispersión de Forouhi-Bloomer. La reflectancia de la luz infrarroja también se puede usar para determinar la dimensión crítica, la profundidad y el ángulo de la pared lateral de las estructuras de zanjas de alta relación de aspecto.

Meteorología

IR imagen satelital de nubes cumulonimbus sobre las Grandes Llanuras de los Estados Unidos.

Los satélites meteorológicos equipados con radiómetros de exploración producen imágenes térmicas o infrarrojas, que luego pueden permitir que un analista capacitado determine las alturas y los tipos de nubes, calcule las temperaturas del agua superficial y terrestre, y localice las características de la superficie del océano. El escaneo suele estar en el rango de 10,3 a 12,5 μm (canales IR4 e IR5).

Las nubes con cimas altas y frías, como los ciclones o las nubes cumulonimbus, a menudo se muestran en rojo o negro, las nubes bajas más cálidas, como los estratos o los estratocúmulos, se muestran en azul o gris, con las nubes intermedias sombreadas en consecuencia. Las superficies de tierra caliente se muestran en gris oscuro o negro. Una desventaja de las imágenes infrarrojas es que las nubes bajas, como los estratos o la niebla, pueden tener una temperatura similar a la de la superficie terrestre o marina circundante y no aparecer. Sin embargo, utilizando la diferencia de brillo del canal IR4 (10,3–11,5 μm) y el canal del infrarrojo cercano (1,58–1,64 μm), se pueden distinguir las nubes bajas, lo que produce una imagen satelital de niebla. La principal ventaja de los infrarrojos es que las imágenes se pueden producir por la noche, lo que permite estudiar una secuencia continua del clima.

Estas imágenes infrarrojas pueden representar remolinos o vórtices oceánicos y mapear corrientes como la Corriente del Golfo, que son valiosas para la industria naviera. Los pescadores y agricultores están interesados en conocer las temperaturas de la tierra y el agua para proteger sus cultivos contra las heladas o aumentar sus capturas en el mar. Incluso se pueden detectar fenómenos de El Niño. Utilizando técnicas de digitalización en color, las imágenes térmicas sombreadas en gris se pueden convertir a color para facilitar la identificación de la información deseada.

Algunos satélites meteorológicos pueden obtener imágenes del canal principal de vapor de agua entre 6,40 y 7,08 μm y muestra la cantidad de humedad en la atmósfera.

Climatología

El efecto invernadero con moléculas de metano, agua y dióxido de carbono re-radiando el calor solar

En el campo de la climatología, la radiación infrarroja atmosférica se monitorea para detectar tendencias en el intercambio de energía entre la tierra y la atmósfera. Estas tendencias brindan información sobre los cambios a largo plazo en el clima de la Tierra. Es uno de los principales parámetros estudiados en la investigación sobre el calentamiento global, junto con la radiación solar.

En este campo de investigación se utiliza un pirgeómetro para realizar mediciones continuas en exteriores. Este es un radiómetro infrarrojo de banda ancha con una sensibilidad para la radiación infrarroja entre aproximadamente 4,5 μm y 50 μm.

Astronomía

Beta Pictoris con su planeta Beta Pictoris b, el punto de luz azul fuera del centro, como se ve en infrarrojos. Combina dos imágenes, el disco interno es de 3.6 μm.

Los astrónomos observan objetos en la porción infrarroja del espectro electromagnético utilizando componentes ópticos, incluidos espejos, lentes y detectores digitales de estado sólido. Por esta razón se clasifica como parte de la astronomía óptica. Para formar una imagen, los componentes de un telescopio infrarrojo deben protegerse cuidadosamente de las fuentes de calor y los detectores se enfrían con helio líquido.

La sensibilidad de los telescopios infrarrojos basados en la Tierra está significativamente limitada por el vapor de agua en la atmósfera, que absorbe una parte de la radiación infrarroja que llega del espacio fuera de las ventanas atmosféricas seleccionadas. Esta limitación puede paliarse parcialmente colocando el observatorio del telescopio a gran altura o transportando el telescopio en el aire con un globo o un avión. Los telescopios espaciales no sufren esta desventaja, por lo que el espacio exterior se considera el lugar ideal para la astronomía infrarroja.

La porción infrarroja del espectro tiene varios beneficios útiles para los astrónomos. Las frías y oscuras nubes moleculares de gas y polvo en nuestra galaxia brillarán con el calor irradiado a medida que sean irradiadas por estrellas incrustadas. El infrarrojo también se puede utilizar para detectar protoestrellas antes de que comiencen a emitir luz visible. Las estrellas emiten una porción más pequeña de su energía en el espectro infrarrojo, por lo que los objetos fríos cercanos, como los planetas, pueden detectarse más fácilmente. (En el espectro de luz visible, el resplandor de la estrella ahogará la luz reflejada de un planeta).

La luz infrarroja también es útil para observar los núcleos de las galaxias activas, que a menudo están envueltos en gas y polvo. Las galaxias distantes con un alto corrimiento al rojo tendrán la parte máxima de su espectro desplazada hacia longitudes de onda más largas, por lo que se observan más fácilmente en el infrarrojo.

Limpieza por infrarrojos

La limpieza por infrarrojos es una técnica utilizada por algunos escáneres de película cinematográfica, escáneres de película y escáneres planos para reducir o eliminar el efecto del polvo y los rayones en el escaneo terminado. Funciona recopilando un canal infrarrojo adicional del escaneo en la misma posición y resolución que los tres canales de color visibles (rojo, verde y azul). El canal de infrarrojos, en combinación con los demás canales, se utiliza para detectar la ubicación de arañazos y polvo. Una vez localizados, esos defectos pueden corregirse escalando o reemplazándolos con una nueva pintura.

Conservación y análisis de arte

Un reflectograma infrarrojo Mona Lisa por Leonardo da Vinci

La reflectografía infrarroja se puede aplicar a las pinturas para revelar las capas subyacentes de una manera no destructiva, en particular, el dibujo subyacente o el contorno dibujado por el artista como guía. Los conservadores de arte usan la técnica para examinar cómo las capas visibles de pintura difieren del dibujo subyacente o las capas intermedias (dichas alteraciones se denominan pentimenti cuando las realiza el artista original). Esta es una información muy útil para decidir si una pintura es la primera versión del artista original o una copia, y si ha sido alterada por un trabajo de restauración demasiado entusiasta. En general, cuanto más pentimenti, más probable es que una pintura sea la primera versión. También proporciona información útil sobre las prácticas de trabajo. La reflectografía a menudo revela el uso del negro de humo por parte del artista, que se muestra bien en los reflectogramas, siempre que no se haya utilizado también en el suelo subyacente a toda la pintura.

El progreso reciente en el diseño de cámaras sensibles al infrarrojo hace posible descubrir y representar no solo pinturas de base y pentimenti, sino también pinturas enteras que luego fueron pintadas por encima por el artista. Ejemplos notables son Mujer planchando y Habitación azul de Picasso, donde en ambos casos se ha hecho visible el retrato de un hombre bajo el cuadro tal y como se conoce hoy.

Los conservadores y científicos hacen usos similares del infrarrojo en varios tipos de objetos, especialmente documentos escritos muy antiguos como los Rollos del Mar Muerto, las obras romanas en la Villa de los Papiros y los textos de la Ruta de la Seda encontrados en Dunhuang. Cuevas. El negro de humo utilizado en la tinta puede mostrarse muy bien.

Sistemas biológicos

Imagen termográfica de una serpiente comiendo un ratón

La víbora tiene un par de fosas sensoriales infrarrojas en la cabeza. Existe incertidumbre con respecto a la sensibilidad térmica exacta de este sistema biológico de detección de infrarrojos.

Otros organismos que poseen órganos termorreceptores son las pitones (familia Pythonidae), algunas boas (familia Boidae), el murciélago vampiro común (Desmodus rotundus), una variedad de escarabajos joya (Melanophila acuminata ), mariposas de pigmentación oscura (Pachliopta aristolochiae y Troides rhadamantus plateni), y posiblemente insectos chupadores de sangre (Triatoma infestans).

Algunos hongos como Venturia inaequalis requieren luz infrarroja cercana para su eyección.

Aunque la visión del infrarrojo cercano (780-1000 nm) se ha considerado imposible durante mucho tiempo debido al ruido en los pigmentos visuales, se informó la sensación de luz infrarroja cercana en la carpa común y en tres especies de cíclidos. Los peces usan NIR para capturar presas y para orientación de natación fototáctica. La sensación NIR en los peces puede ser relevante en condiciones de poca iluminación durante el crepúsculo y en aguas superficiales turbias.

Fotobiomodulación

La luz del infrarrojo cercano, o fotobiomodulación, se usa para el tratamiento de la ulceración oral inducida por la quimioterapia, así como para la cicatrización de heridas. Existe algún trabajo relacionado con el tratamiento contra el virus del herpes. Los proyectos de investigación incluyen trabajos sobre los efectos curativos del sistema nervioso central a través de la regulación al alza de la citocromo c oxidasa y otros posibles mecanismos.

Peligros para la salud

La fuerte radiación infrarroja en ciertos entornos industriales de alta temperatura puede ser peligrosa para los ojos y provocar daños o ceguera al usuario. Dado que la radiación es invisible, se deben usar gafas especiales a prueba de IR en esos lugares.

Historia de la ciencia infrarroja

El descubrimiento de la radiación infrarroja se atribuye a William Herschel, el astrónomo, a principios del siglo XIX. Herschel publicó sus resultados en 1800 ante la Royal Society de Londres. Herschel utilizó un prisma para refractar la luz del sol y detectó el infrarrojo, más allá de la parte roja del espectro, a través de un aumento de temperatura registrado en un termómetro. Se sorprendió del resultado y los llamó "Rayos Caloríficos". El término "infrarrojo" no apareció hasta finales del siglo XIX.

Otras fechas importantes incluyen:

La radiación infrarroja fue descubierta en 1800 por William Herschel.

• 1830: Leopoldo Nobili hizo el primer detector IR termopular.
• 1840: John Herschel produce la primera imagen térmica, llamada termograma.
• 1860: Gustav Kirchhoff formuló el teorema del cuerpo negro E=J()T,n){displaystyle E=J(T,n)}.
• 1873: Willoughby Smith descubrió la fotoconductividad del selenio.
• 1878: Samuel Pierpont Langley inventa el primer bolometro, un dispositivo capaz de medir pequeñas fluctuaciones de temperatura, y por lo tanto el poder de fuentes infrarrojas.
• 1879: ley Stefan-Boltzmann formulada empíricamente que el poder irradiado por un cuerpo negro es proporcional a T⁴.
• 1880s y 1890s: Lord Rayleigh y Wilhelm Wien resolvieron parte de la ecuación del cuerpo negro, pero ambas soluciones divergieron en partes del espectro electromagnético. Este problema se llamaba "una catástrofe intravioleta y una catástrofe infrarroja".
• 1892: Willem Henri Julius publicó espectros infrarrojos de 20 compuestos orgánicos medidos con un bolometro en unidades de desplazamiento angular.
• 1901: Max Planck publicó la ecuación del cuerpo negro y el teorema. Resolvió el problema cuantificando las transiciones de energía permitidas.
• 1905: Albert Einstein desarrolló la teoría del efecto fotoeléctrico.
• 1905-1908: William Coblentz publicó espectros infrarrojos en unidades de longitud de onda (micrómetros) para varios compuestos químicos en Investigaciones de Espectra Infra-Red.
• 1917: Theodore Case desarrolló el thallous sulfide detector; British scientific built the first infra-red search and track (IRST) device able to detect aircraft at a range of one mile (1.6 km).
• 1935: Salinas de plomo: orientación temprana de misiles en la Segunda Guerra Mundial.
• 1938: Yeou Ta predijo que el efecto piroeléctrico podría utilizarse para detectar radiación infrarroja.
• 1945: El sistema de armas infrarrojas "Vampir" Zielgerät 1229 fue introducido como el primer dispositivo infrarrojo portátil para aplicaciones militares.
• 1952: Heinrich Welker creció sintético InSb cristales.
• 1950 y 1960: Unidades de nomenclatura y radiométricas definidas por Fred Nicodemenus, G. J. Zissis y R. Clark; Robert Clark Jones definió D*.
• 1958: W. D. Lawson (Royal Radar Establishment in Malvern) descubrió propiedades de detección de IR de Mercury cadmium telluride (HgCdTe).
• 1958: Falcon and Sidewinder missiles were developed using infrared technology.
• 1960s: Paul Kruse y sus colegas en Honeywell Research Center demuestran el uso de HgCdTe como un compuesto eficaz para la detección de infrarrojos.
• 1962: J. Cooper demostró detección piroeléctrica.
• 1964: W. G. Evans descubrió termoreceptores infrarrojos en un escarabajo pirófilo.
• 1965: Primer manual de IR; primeros ilustradores comerciales (Barnes, Agema (ahora parte de FLIR Systems Inc.)); el texto histórico de Richard Hudson; F4 TRAM FLIR de Hughes; fenomenología pionera por Fred Simmons y A. T. Stair; el laboratorio de visión nocturna del Ejército de los Estados Unidos formado (ahora Night Vision y Electronic Sensors Directorate (NVESD)), detección y reconocimiento de Rachet desarrolla modelos de identificación.
• 1970: Willard Boyle y George E. Smith propusieron CCD en Bell Labs para el teléfono.
• 1973: Programa de módulos comunes iniciado por NVESD.
• 1978: La astronomía por imágenes infrarrojas llegó a la edad, los observatorios previstos, el IRTF sobre Mauna Kea abrió; 32 × 32 y 64 × 64 arrays producidos con InSb, HgCdTe y otros materiales.
• 2013: El 14 de febrero, los investigadores desarrollaron un implante neuronal que da a las ratas la capacidad de sentir luz infrarroja, que por primera vez proporciona a las criaturas vivientes nuevas habilidades, en lugar de simplemente reemplazar o aumentar las capacidades existentes.