看不见的光线——红外线

雨过天晴，天空中出现了一条美丽的彩虹。这是阳光遇到天空中无数细小的水粒时折射而成的。我们很容易把这个彩虹搬到我们的实验室来。把白光通过三棱镜，就可以在镜后的屏幕上得到一个由红、橙、黄、绿、青、篮、紫等颜色组成的彩虹（图1），我们把它叫做光谱。原来，可见光和无线电波一样，也是一种电磁波，不过它的波长要短得多，只有0.4～0.76微米。波长不同，光线的颜色也就不同。其中红光波长最长，橙光次之，黄光又次之……紫光最短。

1800年，英国科学家侯舍勒用灵敏的温度计测量太阳光谱中各个区域内的温度，发现红色区域的温度最高。但是，使他惊奇的是，在光谱红色区域以外的地方，温度要更高得多！这说明，太阳光谱红光以外的地方有一种看不见的射线，于是就发现了红外线。它也是一种电磁波，波长比光线要长些，从0.76微米起一直延伸到和无线电波的毫米波相衔接的地方。

1801年，德国科学家里捷尔发现在光谱紫色以外的区域也存在一种看不见的射线——紫外线。它是一种波长比紫色光更短的电磁波。

由侯舍勒的实验可以知道，红外线的热效应非常显著。因此又常常把它叫做热射线。的确，在太阳的总辐射能量中，有60％以上的能量是集中在红外线中；而温度为2000～2500℃的现代白炽电灯，有95％左右的辐射能量是集中在红外线中。

红外线辐射是由于物体内分子热运动而产生的，因此每一个物体，只要它的温度是在绝对零度（-273.16℃）以上，都会辐射出或强或弱的红外线。利用红外线的热效应，我们可以用热敏元件，例如温差电偶，热敏电阻等来探测红外线。

红外线和光线有很多相似的地方。例如，它是沿直线传播的，服从反射、折射等普遍规律，能够用透镜或反射镜聚焦，集成平行射束等。和光线一样，红外线具有光电效应，能够从光电阻极上打出光电子，能够使光敏电阻的阻值发生变化。因此可以用光电管或光敏电阻等器件来探测红外线。另外，红外线可以使照相底片感光，并且还有光激发作用，可以用红外线激发某些物质发光，直接把不可见的红外线变为可见的光线。

红外线在大气中传播时，大气中的水蒸汽能把波长长于15微米的红外线几乎全部吸收干净，因此现在广泛应用的波段，只限于波长的0.76～15微米的红外线。另外，大气中的悬浮微粒也会使红外线发生散射，但是由于散射系数和波长的四次方成反比，即波长越短，散射越强烈，所以红外线比可见光发生的散射作用小得多，可以透过迷漫的烟雾向前传播。

用人工产生红外线辐射的方法很多，例如，白炽灯、弧光灯、辉光放电、脉冲火花放电、高压水银灯等，都可以作为红外线辐射源。

红外线技术在国民经济、科学研究的各个方面，特别是在军事方面，都已经获得了广泛的应用。

飞机、坦克、舰艇、人体等等，都会辐射红外线。只要利用红外线接收设备，就可以在黑夜里发现它们。并测出它们的方向和距离。在这方面常用的设备有热力测向仪和高射热测向仪等。图2是热力测向仪的原理图。在抛物面反射镜的焦点上有对红外线辐射敏感的接收器。外面射来的红外线都聚焦到接收器上。反射镜平常以某一角速度在水平面上指定的扇面内扫描搜索。当无目标时，只能收到背景的热辐射（如地面、水面的辐射热）。当出现目标时，接收器收到的红外线显著增加。接收器把这种变化转变为电信号，经过调制放大等过程，在显示设备上表示出已经发现了目标。现在由于增加了自动控制装置，可以使测向仪自动跟踪目标。如果用两架测向仪在不同地点联合使用，还可以测出目标的位置和距离。防空用的高射热测向仪，其结构原理和前述仪器基本上相同。不过它是对空进行扫描的。它用高度敏感的硫化铅光敏电阻作为接收器，因而能发现快速运动的目标。

利用红外线夜视仪可以在黑暗中看见东西。它的主要部件是一个能把红外线图像变为可见图像的变像管。如图3所示。由物体发出的红外线经过物镜投射到变像管的光电阴板上。由于物体各点上的红外线辐射强度不同，在光电阴极各点上打出的光电子数也就不同。这样就在光电阴极前面得到一幅和原物体的红外线辐射强度相应的电子图像。利用电磁透镜把电子图像移到管子另一端的荧光屏上。由于荧光屏上各点受到不同数目的电子轰击，发光亮度不同，因而就得到了原物体的可见图象。这种装置常做成单筒或双筒望远镜的形式，所以又称为红外线望远镜。

为了增加望远镜的可见距离，得到更清楚的图象，常利用红外线探照灯照射目标，再接收目标反向回来的红外线。红外线探照灯和普通的探照灯或汽车前灯相似。不同的是在灯头上不用透光的白色玻璃，而是采用能滤掉可见光的红外线滤光镜，只让红外线辐射出去。

红外线夜视仪可以装在步枪、机枪、火箭等武器上，用以在夜间瞄准射击（图4），同时又不致被敌人发现还可以配备在汽车或坦克上，使驾驶员在黑夜里能看清前方的道路和物体，安全迅速地行车（图5）。

夜视仪既然能够得到黑暗中的物体的图像，那么我们当然也就可以把这个图像拍摄下来。此外，还可以利用对红外线敏感的底片直接拍出物体的红外线照片，可以利用红外线的热效应在特殊感光膜上得出照片等等。利用红外线不仅可以在黑暗中照相，而且由于红外线的散射程度比可见光小，传播距离较远，所以能够利用它透过薄雾和烟幕得到物体的照片，或是进行远距离摄影。利用红外线摄影，可以把新砍下来的树枝和生长着的丛林区别开来。高灵敏度的红外线摄影机能在一万米以上的高空摄出地面上报纸的标题。近来又制造出一种红外线摄影机，能够拍摄出已成为过去的景象。例如，用这种摄影机对一个空停车场摄影，能够把几小时以前停留过的汽车摄入照片。这是因为停过车的地方发射的热量较大的缘故。

在炮弹或导弹的弹头中装上红外线信管，可以大大地提高命中率。红外线信管由透镜、红外线滤光镜、光电管、放大器等组成。当炮弹飞近飞机或坦克等目标时，目标的热辐射红外线射到红外线信管上，使光电管电路中的光电流急剧增加。这样，放大器的输出电压增加，从而使信管工作，炮弹即自动爆炸杀伤目标。

红外线还可以用来对导弹进行终制导。导弹中的红外线设备收到目标的红外线辐射，把它变为控制导弹飞行的信号，使导弹跟踪目标，或沿着能击中目标的航线飞行。到接近目标时即自行爆炸。

利用红外线可以进行电报或电话通信。它和一般通信机一样，分为发信和收信两个部分，如图6所示。由电键或话筒发出的音频信号，经放大器放大后，去调制辐射源发出的光通量，使光通量随音频信号的强弱和频率而变化。经过调制的光通量被反射镜聚集成束，并经红光线滤光镜把可见光滤掉，只让一定波长的红光线辐射出去。到接收端后，经反射镜聚焦在光敏元件上，将红外线的能量脉动变为音频电流脉动，再经音频放大送到耳机或扬声器中发出声音。

由于红外线能像可见光一样集中成很窄的射束发射出去，所以不容易被人发现和窃收，保密性较强。同时这种通信几乎不受自然的和人为的干扰，比较可靠。红外线通信机结构简单、价格低廉，而且体积和重量都可以做得很小。这些特点使它在军事通信中很有价值。它的缺点是只能在直视距离内通信，而且发信机和收信机很难迅速而准确地对准。

随着红外线技术的发展，防御红外线武器的方法和设备也逐渐发展和完善起来。例如，已经出现了一种能装在耳朵里的红外线警报器，可以使士兵发现敌方正在使用红外线，及时进行躲藏或掩护。对重要的目标可以采用红外线伪装。再如，有经验的飞机驾驶员，当发现机尾被敌方的红外线制导导弹追踪时，可以采用高空滑翔的方法，尽量使飞机中能产生红外线的装置停止工作；或者向太阳射线强烈的方向飞去，使导弹受到太阳红外线的影响而失掉目标或自行爆炸；还可以采用积极的方法，发射出能产生大量红外线的炮弹，使导弹受炮弹红外线的影响而爆炸。（本刊根据张志义、君仪来稿编写）