مقدمه‌ای بر امواج مادون قرمز

امواج یا تابش‌های مادون قرمز یا به اختصار IR، ماهیتی الکترومغناطیسی داشته که بین دو ناحیه امواج رادیویی فرکانس بالا (مایکروویو) و ناحیه مرئی قرار گرفته‌اند. با توجه به طیف الکترومغناطیسی، بدیهی است که طول موج امواج مادون قرمز (ّIR) از ناحیه مرئی بیشتر است و در نتیجه ساختار چشم انسان قادر به تشخیص یا دیدن این امواج نیست.

در علم فوتونیک، به مجموعه ۳ ناحیه مادون قرمز (Infrared)، ناحیه مرئی (Visible) و فرابنفش (Ultraviolet)، ناحیه اپتیکی می‌گویند. از آنجایی که واژه اپتیک (Optic) را غالباً نور معنی می‌کنند، به امواج یا تابش مادون قرمز (IR)، نور مادون قرمز نیز می‌گویند. طول موج و فرکانس ناحیه اپتیکی در شکل زیر نشان داده است.

طول موج ناحیه مادون قرمز (فروسرخ) از حدود 1 میلی‌متر در فرکانس 300 گیگاهرتز شروع و تا لبه طول موج قرمز ناحیه مرئی در فرکانس 430 تراهرتز گسترش می‌یابد. توجه داشته باشید که تعیین دقیق مرز بین ناحیه‌های طیف الکترومغناطیسی در اکثر مراجع با یکدیگر متفاوت است. به طور مثال برخی مراجع امواج میلی‌متری و تراهرتز را به دلیل کاربرد‌هایی خاص، علی‌رغم محدوده طول موجی بسیار کم در طیف الکترومغناطیسی، خود ناحیه‌ای جداگانه به حساب می‌آورند.

در دو مقاله «جسم سیاه» و «طیف الکترومغناطیسی» دیدیم که اجسام در دماهای مختلف تابش الکترومغناطیسی داشته که بسته به دمای جسم، فرکانس یا طول موج تابش متفاوت است. به طور طبیعی، بیشتر تابش‌های ساطع شده از اجسام در دمای اتاق، در محدوده ناحیه مادون قرمز است. امواج مادون قرمز مانند دیگر امواج الکترومغناطیسی دارای انرژی تابشی بوده که در تفسیر کوانتومی، به آن‌ها فوتون (بسته انرژی) نسبت می‌دهند. این امر، اساس کار دوربین‌های تصویربرداری حرارتی است. دوربین‌های مذکور در واقع آشکارساز‌های امواج مادون قرمز هستند. اگر در تصاویر مختلف دیده باشید، هرچه دمای جسم بیشتر باشد، در دوربین به صورت قرمز‌تر یا زردتر نشان داده می‌شود.

تابش‌های مادون قرمز (Infrared radiation) در حدود سال 1800 میلادی توسط ستاره‌شناسی به نام ویلیام هرشل (William Herschel) کشف شد. وی به هنگام کار روی دماسنج، نوعی از تابش نامرئی را کشف کرد که انرژی کمتری نسبت به نور قرمز از ناحیه مرئی داشتند.

امروزه می‌دانیم که بیشترین سهم از انرژی خورشید به صورت تابش‌های مادون قرمز به زمین می‌رسند که این امواج تاثیرات بسیار زیادی در آب و هوای زمین دارند. در شکل (۶)، میزان شفافیت اتمسفر زمین برای ناحیه‌های مختلف نشان داده شده است. همان‌طور که در شکل مشخص است، جهت مطالعه امواج تابش شده از فضا که فرکانسی جز ناحیه رادیویی دارند، نیاز به ماهواره‌هایی است که خارج از جو زمین قرار گرفته باشند. چرا که اتمسفر (جو) زمین به عنوان یک فیلتر عمل کرده و اجازه وارد شدن این امواج به زمین را نمی‌دهد. این امر به (Atmospheric Opacity) به معنی تحت الفظی شفافیت اتمسفر در قبال امواج الکترومغناطیسی است.

توجه شود که واژه شفافیت در فیزیک کلمه‌ای عمومی بوده و می‌تواند برای تمامی طیف‌های الکترومغناطیسی به کار رود. به طور مثال یک دیوار برای امواج رادیویی شفاف و برای امواج مرئی کدر یا جاذب است. یا همانند شکل (۴)، کیسه مشکی در مقابل امواج مادون قرمز شفاف است. همان‌طور که در شکل (۶) مشاهده می‌کنید، امواج مادون قرمز نیز به طور کامل به زمین ورود نمی‌کنند و جهت مطالعه امواج مادون قرمز ناشی از اجرام فضایی، نیاز به ماهواره‌هایی در خارج از جو زمین است.

امواج مادون قرمز (IR) می‌توانند توسط مولکول‌هایی که حرکات چرخشی و ارتعاشی انجام می‌دهند، جذب و یا ساطع شوند. اساس کار دستگاه‌های طیف‌سنجی (اسپکتروسکوپی) مادون قرمز استفاده از حالات چرخشی و ارتعاشی مولکول‌ها به هنگام برخورد تابش با فرکانس ناحیه مادون قرمز به آن‌ها است. از دیگرکاربرد‌های امواج مادون قرمز می‌توان به تصویر برداری از جریان خون در رگ‌ها اشاره کرد. همان‌طور که می‌دانید، دمای طبیعی بدن انسان‌ها به غالباً 37 درجه سلسیوس است که طبق شکل (9) تابش‌هایی در ناحیه مادون قرمز دارد.

در علم نجوم نیز از تلسکوپ و سنسور‌های مادون قرمز، جهت تصویر برداری از ابرهای مولکولی موجود در اطراف سیارات و … استفاده می‌شود. از سنسور‌های مادون قرمز در صنعت نیز برای بررسی و تشخیص نشتی گرمایی در عایق‌ها نیز استفاده می‌کنند.

 

در صنعت مخابرات فیبر نوری، غالباً از LED و لیزرها به عنوان فرستنده اطلاعات استفاده می‌کنند که طول موجی در ناحیه مادون قرمز دارند.

بسته به نوع و ساختار فیبر نوری مورد استفاده در انواع کاربردها، ۶ ناحیه یا به اصطلاح ۶ باند مخابرات نوری  وجود دارد .لازم به ذکر است که در شبکه‌های نوری با مسافت طولانی، که به شبکه‌های FTTX\FTTH معروف هستند، غالباً از دیود لیزر‌هایی که در باند C کار می‌کنند استفاده می‌شود.

گرما

از آنجایی که امواج الکترومغناطیسی ساطع شده از لامپ‌های فیلمانی یا اجسام داغ نظیر بخاری‌های المنتی طول موجی در محدوده مادون قرمز دارند، به امواج مادون قرمز، تابش یا پرتو‌های گرمایی نیز می‌گویند. همان‌طور که در مقاله «جسم سیاه در فیزیک — به زبان ساده» مشاهده کردیم، اجسام می‌توانند در هر دمایی تابش داشته باشند و طول موج وابسته به این تابش طبق «قانون جابجایی وین» (Wien’s displacement law) برابر با مقدار زیر است:

$${\lambda }_{\text{max}}=\frac{2.897771955\dots \times {10}^{-3}}{T}$$

رابطه فوق بیان می‌کند که هرچه دمای جسمی بالاتر رود، طول‌ موج تابش شده از آن کمتر می‌شود. از آنجایی که طول موج با فرکانس رابطه عکس دارد ($$f=\frac{c}{\lambda }$$

)، هرچه دمای جسم بالاتر باشد، فرکانس موج الکترومغاطیسی تابش شده از آن، بیشتر می‌شود.

مطابق با شکل (9) می‌توانیم بگوییم که اگر جسمی دمایش به مقادیر درج شده در شکل برسد، تابشی در فرکانس مربوطه خواهد داشت. همان‌طور که از شکل مشخص است، در دماهای معمولی روی سطح زمین، اجسام تابش‌هایی گرمایی یا حرارتی (فرکانس مادون قرمز) دارند. همان‌طور که از مبانی ترمودینامیک می‌دانید، گرما جریانی است که به دلیل اختلاف دما شارش پیدا نمی‌کند. بر خلاف انتقال حرارت یا گرما از طریق سیستم‌های رسانشی حرارتی (ماده با انتقال حرارتی بالا)، تابش‌های گرمایی که ماهیتی الکترومغناطیسی دارند، در خلأ نیز منتشر می‌شوند.

کاربردهای امواج مادون قرمز

همان‌طور که در بخش‌های قبلی مشاهده کردید، دانشمندان برای راحتی کار در کاربردهای مختلف ناحیه مادون قرمز را به زیر ناحیه‌هایی کوچک‌تر تقسیم‌بندی کرده‌اند. پرداختن به تمامی کاربردهای امواج مادون قرمز از حوصله این مقاله خارج بوده و هر کاربرد خود مقاله‌ای جداگانه‌ را طلب می‌کند. در ادامه مهم‌ترین کاربرد‌های امواج مادون قرمز را تیتروار بیان می‌کنیم.

دید در شب (Night Vision)

دوربین‌های دید در شب، همان‌طور که از نامشان مشخص است، جهت تصویر برداری در شب یا به طور کلی مکان‌هایی که نور مرئی کافی وجود ندارد استفاده می‌شوند. این دوربین‌ها غالباً از بالاترین لبه فرکانسی ناحیه مادون قرمز که همپوشانی محدودی با ناحیه مرئی دارد استفاده می‌کنند.

این دوربین‌ها فوتون‌هایی از محیط که دارای فرکانسی در محدوده ذکر شده هستند را دریافت کرده و به وسیله فرآیند‌ها شیمیایی و الکتریکی آنها را تقویت می‌کنند. توجه داشته باشید که دوربین‌های مادون قرمز دید در شب را با دوربین‌های حرارتی اشتباه نگیرید. دوربین‌های حرارتی تصویر را بر اساس محدوده دمایی از تابش‌های حرارتی تهیه می‌کنند.

ترموگرافی (Thermography)

از امواج مادون قرمز ساطع شده از یک جسم یا محیط، می‌توان از راه دور دمای آن را مشخص کرد. همچنین می‌توان از محیط با استفاده از تابش‌های حرارتی رسیده به آشکارساز، تصویری کیفی تهیه کرد. چنین تکنیک‌هایی به ترموگرافی معروف هستند. اساس کار دوربین‌های حرارتی نیز همین امر است.

ردیابی (Tracking)

ردیابی که بیشترین کاربرد آن در امور نظامی است، بر اساس سنسور‌هایی است که امواج مادون قرمز را تشخیص می‌دهند. بدیهی‌ است که موتور موشک‌ها، هواپیما‌ها، ماشین‌ها و … مقدار بسیار زیادی گرما تولید می‌کنند. به عبارت دیگر از آنجایی که موتور گرم می‌شود، شروع به تابش‌های حرارتی می‌کند. همان‌طور که پیش‌تر بیان کردیم، تابش‌های حرارتی، ماهیتی الکترومغناطیسی داشته و در محدوده طول موجی امواج مادون قرمز هستند.

حال به وسیله‌ سنسور‌هایی دقیق که توانایی تشخیص امواج مادون قرمز را داشته باشند، می‌توان روی یک سوژه تمرکز کرد و آن را دنبال کرد. یکی از روش‌های قفل کردن موشک روی یک هدف نظیر هواپیما، همین امر است.

گرمایی (Heating)

همان‌طور که پیش‌تر بیان کردیم، منابع مادون قرمز می‌توانند به عنوان منابعی گرمایشی به کار گرفته شوند. منابع گرمایشی مادون قرمز جهت یخ‌زدایی بال‌های هواپیما، سونا‌های خشک، پخت و پز و … استفاده شوند. از آنجایی که امواج مادون قرمز ماهیتی الکترومغناطیسی دارند، در برخورد با مواد نظیر امواج رادیویی یا مرئی می‌توانند جذب، بازتاب و … شوند. این پدیده‌ها خود تابعی از طول موج یا فرکانس امواج است.

در نتیجه برای افزایش بهره‌وری و جذب حداکثری تابش‌های گرمایی توسط مواد نیاز است تا پارامترهای اساسی ماده و طول موج امواج مادون قرمز (تابش‌های حرارتی) بررسی شوند.

مخابرات نوری (Optical Communications)

همان‌طور که پیش‌تر اشاره کردیم، طول موج‌های معروف مخابرات فیبر نوری (شبکه‌های پهن‌باند FTTX) سه طول موج $$1310nm$$

، $$1490nm$$ و $$1550nm$$

هستند. هر سه این طول موج‌ها در ناحیه مادون قرمز قرار دارند. همچنین فرستنده‌های لیزری مورد استفاده در مخابرات نوری فضای آزاد (Free Space Optical Communication) نیز در ناحیه مادون قرمز قرار دارد.

همچنین تکنولوژی‌های جدید اینترنت بی‌سیم بر مبنای نور (Li-Fi) می‌توانند از LEDهای مادون قرمز استفاده کنند. البته از آنجایی که امواج مادون قرمز دیده نمی‌شوند، شدت‌های بالای آن‌ها می‌تواند به ساختار چشم آسیب بزنند. از این رو استفاده از تکنولوژی مادون قرمز مستلزم رعایت کردن یکسری استاندارد‌های مربوطه است.

از LEDهایی که در ناحیه مادون قرمز تابش دارند در کنترل تلویزیون و سایر کنترلرها استفاده می‌شود. از آنجایی که LEDها ویژگی‌های پرتو لیزر را ندارند، برد کمتری دارند.

در تلفن‌های همراه قدیمی نیز درگاه مادون قرمز، جهت تبادل اطلاعات وجود داشت.

اندازه‌گیری فیلم‌های نازک (Thin Film Metrology)

در صنعت نیمه‌هادی‌ها می‌توان از امواج مادون قرمز برای بررسی و به دست آوردن پارامتر‌های بنیادی ویفر‌ها و فیلم‌های نازک استفاده کرد. با تاباندن امواج مادون قرمز و بررسی. پدیده‌های جذب، عبور و بازتاب از ساختارهای مذکور می‌توان پارامترهای بنیادی نظیر گذردهی الکتریکی، گذردهی مغناطیسی، ضریب شکست و … را به دست آورد.

همان‌طور که پیش‌تر اشاره کردیم، کاربرد‌های امواج مادون قرمز بسیار گسترده بوده و پرداختن به تمامی آن‌ها از حوصله این مقاله خارج است. تنها جهت اشاره، می‌توان موارد زیر را نام برد که امواج مادون قرمز در آن‌ها کاربرد دارند.

• هواشناسی و بررسی جو: تصاویر مادون قرمز ماهواره‌ای جهت بررسی دمای اقیانوس‌ها، لایه‌های مختلف جوی، تراکم ابرها و …
• نجوم: تصویربرداری نجومی از اجرام و ابرهای فضایی
• هنر: تحلیل و تشخیص اصیل بودن اثر
• علوم پزشکی: تصویربرداری‌های پزشکی از بافت‌ها مختلف
• طیف‌سنجی: بررسی مولکولی و ساختار یک ماده