Infrarrojo

Para otros usos, consulte Infrarrojos (desambiguación) .

Forma de radiación electromagnética

Una imagen pseudocolor de dos personas tomada con luz infrarroja de longitud de onda larga (temperatura corporal).

Esta imagen del telescopio espacial infrarrojo tiene (color falso) azul, verde y rojo correspondientes a longitudes de onda de 3,4, 4,6 y 12  μm , respectivamente.

El infrarrojo ( IR ), a veces llamado luz infrarroja , es radiación electromagnética (EMR) con longitudes de onda más largas que las de la luz visible . Por tanto, es invisible para el ojo humano. Generalmente se entiende que IR abarca longitudes de onda desde el borde rojo nominal del espectro visible alrededor de 700  nanómetros ( frecuencia 430  THz ), hasta 1  milímetro (300  GHz ) ^[1] (aunque las longitudes de onda IR más largas a menudo se designan más bien como radiación de terahercios ).La radiación de cuerpo negro de objetos cercanos a la temperatura ambiente es casi toda en longitudes de onda infrarrojas. Como forma de radiación electromagnética, el IR propaga energía y momento , con propiedades que corresponden tanto a las de una onda como a las de una partícula, el fotón .

La radiación infrarroja fue descubierta en 1800 por el astrónomo Sir William Herschel , quien descubrió un tipo de radiación invisible en el espectro de menor energía que la luz roja, mediante su efecto sobre un termómetro . ^{[2] Al} final se encontró algo más de la mitad de la energía total del Sol ^{[ ¿cuándo? ]} para llegar a la Tierra en forma de infrarrojos. El equilibrio entre la radiación infrarroja absorbida y emitida tiene un efecto crítico en el clima de la Tierra .

La radiación infrarroja es emitida o absorbida por moléculas cuando cambian sus movimientos rotacionales-vibracionales . Excita modos vibracionales 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. ^[3]

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 a personas o animales sin que se detecte al observador. La astronomía infrarroja utiliza telescopios equipados con sensores para penetrar en regiones polvorientas del espacio, como nubes moleculares , para detectar objetos como planetas y para ver objetos muy desplazados al rojo de los primeros días del universo . ^[4] Las cámaras termográficas infrarrojas se utilizan para detectar la pérdida de calor en los sistemas aislados, para observar los cambios en el flujo sanguíneo en la piel y para detectar el sobrecalentamiento de los componentes eléctricos. ^[5]

Las aplicaciones militares y civiles incluyen adquisición de objetivos , vigilancia , visión nocturna , localización y seguimiento. Los seres humanos a una temperatura corporal normal irradian principalmente a 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 de temperatura remota, comunicación inalámbrica de corto alcance , espectroscopía y pronóstico del tiempo .

Definición y relación con el espectro electromagnético

La radiación infrarroja 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 . Por debajo del infrarrojo está la porción de microondas del espectro electromagnético .

Infrarrojos en relación con el espectro electromagnético

Comparación de luz [6]
Nombre	Longitud de onda	Frecuencia (Hz)	Energía fotónica (eV)
Rayo gamma	menos de 0.01 nm	más de 30 EHz	más de 124 keV
radiografía	0,01 nm - 10 nm	30 EHz - 30 PHz	124 keV - 124 eV
Ultravioleta	10 nm - 400 nm	30 PHz - 790 THz	124 eV - 3,3 eV
Visible	400 nm - 700 nm	790 THz - 430 THz	3,3 eV - 1,7 eV
Infrarrojo	700 nm - 1 mm	430 THz - 300 GHz	1,7 eV - 1,24 meV
Microonda	1 mm - 1 metro	300 GHz - 300 MHz	1,24 meV - 1,24 μeV
Radio	1 metro - 10,000 km	300 MHz - 30 Hz	1,24 μeV - 124 feV

Infrarrojos naturales

La luz solar , a una temperatura efectiva de 5.780  kelvin (5.510 ° C, 9.940 ° F), está compuesta de radiación de espectro casi térmico que es un poco más de la mitad del infrarrojo. En el cenit, la luz solar proporciona una irradiancia de poco más de 1  kilovatio por metro cuadrado al nivel del mar. De esta energía, 527 vatios es radiación infrarroja, 445 vatios es luz visible y 32 vatios es radiación ultravioleta . ^[7] Casi toda la radiación infrarroja de la luz solar es infrarroja cercana, 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 tiempo que en 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 de radiación térmica natural, solo los rayos y los incendios naturales son lo suficientemente calientes como para producir mucha energía visible, y los incendios producen mucha más energía infrarroja que la de luz visible. ^[8]

Regiones dentro del infrarrojo

En general, los objetos emiten radiación infrarroja en un espectro de longitudes de onda, pero a veces solo es de interés una región limitada del espectro 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 de infrarrojos a menudo se subdivide en secciones más pequeñas, aunque la forma en que se divide el espectro de IR varía entre las diferentes áreas en las que se emplea IR.

Límite visible

Por lo general, se considera que los infrarrojos, como lo indica su nombre, comienzan con longitudes de onda más largas que las visibles para el ojo humano. Sin embargo, no existe un límite estricto de longitud de onda 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 si son lo suficientemente brillantes, aunque aún pueden clasificarse como infrarrojas de acuerdo con las definiciones habituales. La luz de un láser de infrarrojos cercano puede aparecer de color rojo tenue y puede representar un peligro, ya que en realidad puede ser bastante brillante. E incluso los seres humanos pueden ver IR en longitudes de onda de hasta 1.050 nm de láseres pulsados ​​en determinadas condiciones. ^{[9] [10] [11] [12]}

Esquema de subdivisión de uso común

Un esquema de subdivisiones comúnmente utilizado es: ^[13]

Nombre de la división	Abreviatura	Longitud de onda	Frecuencia	Energía fotónica	Temperatura [i]	Caracteristicas
Infrarrojo cercano	NIR, IR-A DIN	0,75–1,4  μm	214–400  THz	886–1,653  meV	3,864–2,070  K (3,591–1,797  ° C )	Definido por la absorción de agua, [ aclaración necesaria ] y comúnmente utilizado en telecomunicaciones de fibra óptica debido a las bajas pérdidas de atenuación en el medio de vidrio SiO 2 ( sílice ). Los intensificadores de imagen son sensibles a esta área del espectro; ejemplos incluyen visión nocturna dispositivos tales como gafas de visión nocturna. La espectroscopia de infrarrojo cercano es otra aplicación común.
Infrarrojos de onda corta	SWIR, IR-B DIN	1,4-3 μm	100-214 THz	413–886 meV	2.070–966  K (1.797–693  ° C )	La absorción de agua aumenta significativamente a 1.450 nm. El rango de 1.530 a 1.560 nm es la región espectral dominante para las telecomunicaciones de larga distancia.
Infrarrojos de longitud de onda media	MWIR, IR-C DIN ; MidIR. [15] También llamado infrarrojo intermedio (IIR)	3-8 μm	37-100 THz	155–413 meV	966–362  K (693–89  ° C )	En la tecnología de misiles guiados, la parte de 3 a 5 μm de esta banda es la ventana atmosférica en la que están diseñados para funcionar los cabezales de referencia de los misiles IR pasivos de `` búsqueda de calor '', dirigiéndose a la firma infrarroja del avión objetivo, normalmente el motor a reacción. penacho de escape. Esta región también se conoce como infrarrojos térmicos.
Infrarrojos de longitud de onda larga	LWIR, IR-C DIN	8-15 μm	20–37 THz	83-155 meV	362-193  K (89 - −80  ° C )	La región de "imágenes térmicas", en la que los sensores pueden obtener una imagen completamente pasiva de objetos con una temperatura solo ligeramente superior a la temperatura ambiente, por ejemplo, el cuerpo humano, basada únicamente en las emisiones térmicas y que no requieren iluminación como el sol, la luna, o iluminador de infrarrojos. Esta región también se denomina "infrarrojos térmicos".
Infrarrojo lejano	ABETO	15-1.000 μm	0,3–20 THz	1,2–83 meV	193-3  K (−80,15 - −270,15  ° C )	(ver también láser de infrarrojo lejano e infrarrojo lejano )

Una comparación de una imagen térmica (arriba) y una fotografía normal (abajo). La bolsa de plástico es en su mayoría transparente a infrarrojos de longitud de onda larga, pero las gafas del hombre son opacas.

NIR y SWIR a veces se denominan "infrarrojos reflejados", mientras que MWIR y LWIR a veces se denominan "infrarrojos térmicos". Debido a la naturaleza de las curvas de radiación del cuerpo negro, los objetos típicos "calientes", como los tubos de escape, a menudo aparecen más brillantes en el MW en comparación con el mismo objeto visto en el LW.

Esquema de división CIE

La Comisión Internacional de Iluminación (CIE) recomendó la división de la radiación infrarroja en las siguientes tres bandas: ^[16]

Abreviatura	Longitud de onda	Frecuencia
IR-A	700 nm - 1400 nm (0,7 μm - 1,4 μm)	215 THz - 430 THz
IR-B	1400 nm - 3000 nm (1,4 μm - 3 μm)	100 THz - 215 THz
IR-C	3000 nm - 1 mm (3 μm - 1000 μm)	300 GHz - 100 THz

Esquema ISO 20473

ISO 20473 especifica el siguiente esquema: ^[17]

Designacion	Abreviatura	Longitud de onda
Infrarrojo cercano	NIR	0,78–3 μm
Infrarrojo medio	MIR	3 a 50 μm
Infrarrojo lejano	ABETO	50-1.000 μm

Esquema de división de astronomía

Los astrónomos suelen dividir el espectro infrarrojo de la siguiente manera: ^[18]

Designacion	Abreviatura	Longitud de onda
Infrarrojo cercano	NIR	0,7 hasta 2,5 μm
Infrarrojo medio	MIR	De 3 a 25 μm
Infrarrojo lejano	ABETO	por encima de 25 μm.

Estas divisiones no son precisas y pueden variar según la publicación. Las tres regiones se utilizan para la observación de diferentes rangos de temperatura ^{[ cita requerida ]} y, por lo tanto, diferentes entornos en el espacio.

El sistema fotométrico más común utilizado en astronomía asigna letras mayúsculas a diferentes regiones espectrales de acuerdo con 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 ventanas atmosféricas y aparecen, por ejemplo, en los títulos de muchos artículos .

Esquema de división de respuesta del sensor

Gráfico de transmitancia atmosférica en parte de la región infrarroja

Un tercer esquema divide la banda en función de la respuesta de varios detectores: ^[19]

• Infrarrojo cercano: de 0,7 a 1,0 μm (desde el final aproximado de la respuesta del ojo humano al del silicio).
• Infrarrojo de onda corta: 1.0 a 3 μm (desde el corte de silicio hasta el de la ventana atmosférica MWIR). InGaAs cubre hasta aproximadamente 1,8 µm; las sales de plomo menos sensibles cubren esta región.
• Infrarrojo de onda media: 3 a 5 μm (definido por la ventana atmosférica y cubierto por antimonuro de indio [InSb] y telururo de mercurio cadmio [HgCdTe] y parcialmente por seleniuro de plomo [PbSe]).
• Infrarrojos de onda larga: de 8 a 12 o de 7 a 14 μm (esta es la ventana atmosférica cubierta por HgCdTe y microbolómetros ).
• Infrarrojo de onda muy larga (VLWIR) (de 12 a aproximadamente 30 μm, cubierto 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 alejan 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 aproximadamente 1.050 nm, mientras que la sensibilidad de InGaAs comienza alrededor de 950 nm y termina entre 1.700 y 2.600 nm, dependiendo de la configuración específica). Actualmente no se dispone de estándares internacionales para estas especificaciones.

La aparición de infrarrojos se define (de acuerdo con diferentes estándares) en varios valores, típicamente 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 700 nm de longitud de onda, 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 infrarroja cercana particularmente intensa (p. Ej., De láseres IR, Fuentes de LED IR, o de la luz del día brillante con la luz visible eliminada por geles de colores) se pueden detectar hasta aproximadamente 780 nm y se percibirán como luz roja. Las fuentes de luz intensa que proporcionan longitudes de onda de hasta 1.050 nm pueden verse como un brillo rojo apagado, lo que causa cierta dificultad en la iluminación de escenas en la oscuridad con infrarrojos cercanos (generalmente este problema práctico se resuelve mediante iluminación indirecta). Las hojas son particularmente brillantes en el infrarrojo cercano, y si todas las fugas de luz visible alrededor de un filtro de infrarrojos están bloqueadas y el ojo tiene un momento para adaptarse a la imagen extremadamente tenue que proviene de un filtro fotográfico de paso de infrarrojos visualmente opaco, Es posible ver el efecto Madera que consiste en un follaje resplandeciente por infrarrojos. ^[20]

Bandas de telecomunicaciones en infrarrojos

En las 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: ^[21]

Banda	Descriptor	Rango de onda
O banda	Original	1.260–1.360 nm
Banda E	Extendido	1.360-1.460 nm
Banda S	Longitud de onda corta	1.460-1.530 nm
Banda C	Convencional	1,530–1,565 nm
Banda L	Longitud de onda larga	1,565–1,625 nm
Banda U	Longitud de onda ultralarga	1,625–1,675 nm

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 están tan extendidas.

Calor

Artículo principal: Radiación térmica

Los materiales con mayor emisividad parecen estar más calientes. En esta imagen térmica, el cilindro cerámico parece estar más frío que su recipiente cúbico (hecho de carburo de silicio), mientras que en realidad tienen la misma temperatura.

La radiación infrarroja se conoce popularmente como "radiación de calor", ^[22] pero la luz y las ondas electromagnéticas de cualquier frecuencia calientan las superficies que las absorben. La luz infrarroja del Sol representa el 49% ^[23] 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. Luz visible o ultravioleta -emitting láseres puede carbonizar papel y objetos incandescentemente calientes emitir radiación visible. Objetos en habitación temperatura se emiten radiación concentran principalmente en la banda de 8 a 25 m, pero esto no es distinta de la emisión de luz visible por objetos incandescentes y ultravioleta por objetos aún más caliente (Vercuerpo negro y ley de desplazamiento de Wien ). ^[24]

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. La radiación térmica puede ser emitida por objetos en cualquier longitud de onda, y a temperaturas muy altas, dicha radiación se asocia con espectros muy por encima del infrarrojo, extendiéndose a regiones visibles, ultravioleta e incluso de rayos X (por ejemplo, la corona solar). Por lo tanto, la asociación popular de radiación infrarroja con radiación térmica es solo una coincidencia basada en temperaturas típicas (comparativamente 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 con más detalle, 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 (asumiendo, como suele ser el caso, que el entorno circundante es más frío que los objetos que se ven). Cuando un objeto tiene una emisividad menos que 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 cálido, entonces un objeto de menor emisividad a la misma temperatura probablemente parecería más caliente que uno más emisivo. Por esta razón,La selección incorrecta de emisividad y no tener en cuenta las temperaturas ambientales dará resultados inexactos al usar cámaras infrarrojas y pirómetros.

Aplicaciones

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Visión nocturna

Artículo principal: visión nocturna

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

Los infrarrojos se utilizan en equipos de visión nocturna cuando no hay suficiente luz visible para ver. ^[25] Los dispositivos de visión nocturna operan a través de un proceso que involucra la conversión de fotones de luz ambiental en electrones que luego son amplificados por un proceso químico y eléctrico y luego convertidos nuevamente en luz visible. ^[25] Las fuentes de luz infrarroja se pueden utilizar para aumentar la luz ambiental disponible para la conversión mediante dispositivos de visión nocturna, aumentando la visibilidad en la oscuridad sin utilizar realmente una fuente de luz visible. ^[25]

El uso de dispositivos de luz infrarroja y visión nocturna no debe confundirse con la imagen térmica , que crea imágenes basadas en las diferencias en la temperatura de la superficie al detectar la radiación infrarroja ( calor ) que emana de los objetos y su entorno circundante. ^[26]

Termografía

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

Artículo principal: Termografía

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 visibles, 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 los costos de producción muy reducidos.

Las cámaras termográficas detectan radiación en el rango infrarrojo del espectro electromagnético (aproximadamente 9.000-14.000 nanómetros o 9-14 μm) y producen imágenes de esa radiación. Dado que todos los objetos emiten radiación infrarroja en función de sus temperaturas, de acuerdo con la ley de radiación de 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 variaciones de temperatura (de ahí el nombre).

Imágenes hiperespectrales

Artículo principal: imagen hiperespectral

Medición de emisión infrarroja térmica hiperespectral , un escaneo al aire libre en condiciones invernales, temperatura ambiente -15 ° C, imagen producida con un generador de imágenes hiperespectral Specim LWIR. Los espectros 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. ^[27]

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

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

Las imágenes hiperespectrales infrarrojas térmicas se pueden realizar de manera similar utilizando 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 al aire libre y aplicaciones de vehículos aéreos no tripulados . ^[28]

Otras imágenes

En la fotografía infrarroja , se utilizan filtros infrarrojos para capturar el espectro del 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" un 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 de infrarrojos resultante puede borrar la imagen. También existe una técnica llamada imágenes de ' rayos T ', que son imágenes que utilizan 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 considerable 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 a medida que cambia la longitud de onda de la luz.

Seguimiento

Artículo principal: Homing por infrarrojos

El seguimiento por infrarrojos, también conocido como localización por infrarrojos, se refiere a un sistema de guía de misiles pasivo , que utiliza la emisión de un objetivo de radiación electromagnética en la parte infrarroja del espectro para rastrearlo. Los misiles que utilizan la búsqueda infrarroja a menudo se denominan "buscadores de calor", ya que el infrarrojo (IR) está justo por debajo del espectro visible de luz en frecuencia y es irradiado fuertemente por cuerpos calientes. Muchos objetos, como personas, motores de vehículos y aviones, generan y retienen calor y, como tales, son especialmente visibles en las longitudes de onda de luz infrarroja en comparación con los objetos del fondo. ^[29]

Calefacción

Artículo principal: calefacción por infrarrojos

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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 un avión (deshielo). ^[30] La radiación infrarroja se utiliza para cocinar, lo que se conoce como asar a la parrilla 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.

El calentamiento por infrarrojos también se está volviendo más popular en los procesos de fabricación industrial, por ejemplo, curado de recubrimientos, conformado de plásticos, recocido, soldadura de plástico y secado de impresiones. En estas aplicaciones, los calentadores de infrarrojos reemplazan a los hornos de convección y al calentamiento por contacto.

La eficiencia se logra haciendo coincidir la longitud de onda del calentador infrarrojo con las características de absorción del material ^{[ dudoso - discutir ]} .

Enfriamiento

Artículo principal: enfriamiento radiativo

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 atmósfera.

Comunicaciones

Más información: IR del consumidor

La transmisión de datos por infrarrojos también se emplea en comunicaciones 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 infrarroja (LED) 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 utiliza IR muy cercano (por debajo de 800 nm) por razones prácticas. Esta longitud de onda se detecta de manera eficiente mediante fotodiodos de silicio económicos, que el receptor utiliza para convertir la radiación detectada en una corriente eléctrica . Esa señal eléctrica pasa a través de un filtro de paso alto que retiene las pulsaciones rápidas debidas al transmisor de infrarrojos, 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. Los infrarrojos no penetran en las paredes y, por lo tanto, no interfieren con otros dispositivos en las habitaciones contiguas. El infrarrojo es la forma más común de que los controles remotos controlen los aparatos. 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 una velocidad de 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 se produzca parpadear o cerrar los ojos para ayudar a prevenir o reducir el daño". ^[31]

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 1.330 nm (menor dispersión ) o 1.550 nm (mejor transmisión) son las mejores opciones para las fibras de sílice estándar .

La transmisión de datos por infrarrojos de versiones de audio codificadas de letreros impresos se está investigando como una ayuda para las personas con discapacidad visual a través del proyecto RIAS (Señalización audible infrarroja remota) . La transmisión de datos IR de un dispositivo a otro a veces se denomina transmisión .

Espectroscopia

La espectroscopía vibracional infrarroja (ver también espectroscopía infrarroja cercana ) es una técnica que puede usarse 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 (por ejemplo, CH ₂ ) puede tener múltiples modos de oscilación causados ​​por los movimientos de estiramiento y flexión del grupo en su conjunto. Si una oscilación conduce a un cambio en el dipolo en 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. Normalmente, la técnica se utiliza para estudiar compuestos orgánicos.utilizando radiación de luz del infrarrojo medio, 4.000–400 cm ⁻¹ . Se registra un espectro de todas las frecuencias de absorción en una muestra. Esto se puede utilizar 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 OH alrededor de 3200 cm ^-1 ). La unidad para expresar radiación en esta aplicación, cm ⁻¹ , es el número de onda espectroscópica . Es la frecuencia dividida por la velocidad de la luz en el vacío.

Metrología de película fina

En la industria de los semiconductores, la luz infrarroja se puede utilizar para caracterizar materiales como películas delgadas y estructuras de zanjas 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 mediante las ecuaciones de dispersión de Forouhi-Bloomer . La reflectancia de la luz infrarroja también se puede utilizar para determinar la dimensión crítica, la profundidad y el ángulo de la pared lateral de las estructuras de zanja de alta relación de aspecto.

Meteorología

Imagen de satélite de infrarrojos de las 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 la altura y el tipo de nubes, calcule las temperaturas de la tierra y del agua superficial y ubique las características de la superficie del océano. La exploración suele estar en el rango de 10,3 a 12,5 μm (canales IR4 e IR5).

Las nubes con cimas altas y frías, como ciclones o nubes cumulonimbus , aparecen rojas o negras, las nubes más bajas más cálidas como estratos o estratocúmulos aparecen como azules o grises, con las nubes intermedias sombreadas en consecuencia. Las superficies de tierra caliente se mostrarán de color 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 superficie terrestre o marina circundante y no se muestran. 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 niebla.imagen de satélite. La principal ventaja del infrarrojo es que se pueden producir imágenes de noche, lo que permite estudiar una secuencia continua del tiempo.

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

Algunos satélites meteorológicos pueden captar imágenes del canal principal de vapor de agua de 6,40 a 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 que irradian calor solar.

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

En este campo de investigación se utiliza un pirgeómetro para realizar mediciones continuas al aire libre. Se trata de un radiómetro infrarrojo de banda ancha con una sensibilidad a la radiación infrarroja entre aproximadamente 4,5 μm y 50 μm.

Astronomía

Artículos principales: Astronomía infrarroja y astronomía infrarroja lejana

Beta Pictoris con su planeta Beta Pictoris b, el punto azul claro descentrado, como se ve en infrarrojo. Combina dos imágenes, el disco interno está a 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 terrestres está significativamente limitada por el vapor de agua en la atmósfera, que absorbe una parte de la radiación infrarroja que llega desde el espacio fuera de las ventanas atmosféricas seleccionadas . Esta limitación puede aliviarse parcialmente colocando el observatorio del telescopio a gran altura o llevando el telescopio en alto 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 nubes frías y oscuras de gas y polvo de nuestra galaxia brillarán con el calor irradiado a medida que las estrellas incrustadas las irradien. 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 envueltas en gas y polvo. Las galaxias distantes con un alto desplazamiento al rojo tendrán la parte máxima de su espectro desplazada hacia longitudes de onda más largas, por lo que se pueden observar más fácilmente en el infrarrojo. ^[4]

Limpieza de infrarrojos

La limpieza por infrarrojos es una técnica utilizada por algunos escáneres de películas cinematográficas , escáneres de películas y escáneres de superficie plana para reducir o eliminar el efecto del polvo y los arañazos en el escaneo terminado . Funciona recolectando 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 otros canales, se utiliza para detectar la ubicación de arañazos y polvo. Una vez localizados, esos defectos pueden corregirse escalando o reemplazados por pintura . ^[32]

Conservación y análisis de arte

Un reflectograma infrarrojo de la Mona Lisa de Leonardo da Vinci

La reflectografía infrarroja ^[33] se puede aplicar a pinturas para revelar las capas subyacentes de una manera no destructiva, en particular, el dibujo subyacente del artista o el contorno dibujado como guía. Los conservadores de arte utilizan la técnica para examinar cómo las capas visibles de pintura se diferencian del dibujo subyacente o de las capas intermedias (tales alteraciones se denominan pentimenti cuando las realiza el artista original). Esta es una información muy útil para decidir si una pintura es la versión principal 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 versión principal. También brinda información útil sobre las prácticas laborales. ^[34]La reflectografía a menudo revela el uso que hace el artista del negro de carbón , que se ve bien en los reflectogramas, siempre que no se haya utilizado también en el suelo subyacente a toda la pintura.

Los avances recientes en el diseño de cámaras sensibles al infrarrojo permiten descubrir y representar no solo pinturas base y pentimenti, sino pinturas completas que luego fueron pintadas por el artista. ^[35] Ejemplos notables son La mujer planchando y la habitación azul de Picasso , donde en ambos casos se ha hecho visible un retrato de un hombre bajo la pintura tal como se la conoce hoy.

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 que se encuentran en las Cuevas de Dunhuang . ^[36] El negro de carbón utilizado en la tinta puede verse muy bien.

Sistemas biológicos

Más información: detección de infrarrojos en serpientes

Imagen termográfica de una serpiente comiendo un ratón

La víbora de pozo tiene un par de fosas sensoriales infrarrojas en su cabeza. Existe incertidumbre con respecto a la sensibilidad térmica exacta de este sistema de detección de infrarrojos biológicos. ^{[37] [38]}

Otros organismos que tienen órganos termorreceptores son las pitones (familia Pythonidae ), algunas boas (familia Boidae ), el murciélago vampiro común ( Desmodus rotundus ), una variedad de escarabajos joya ( Melanophila acuminata ), ^[39] mariposas de pigmentación oscura ( Pachliopta aristolochiae y Troides) rhadamantus plateni ) y posiblemente chinches chupadores de sangre ( Triatoma infestans ). ^[40]

Algunos hongos como Venturia inaequalis requieren luz infrarroja cercana para su eyección ^[41]

Aunque la visión en el infrarrojo cercano (780-1 000 nm) se ha considerado imposible durante mucho tiempo debido al ruido en los pigmentos visuales, ^[42] se informó de la sensación de la luz del infrarrojo cercano en la carpa común y en tres especies de cíclidos. ^{[42] [43] [44] [45] [46] Los} peces usan NIR para capturar presas ^[42] y para la orientación de natación fototáctica. ^{[46] La} sensación NIR en los peces puede ser relevante en condiciones de poca luz durante el crepúsculo ^[42] y en aguas superficiales turbias. ^[46]

Fotobiomodulación

La luz del infrarrojo cercano, o fotobiomodulación , se utiliza para el tratamiento de la ulceración oral inducida por la quimioterapia, así como para la cicatrización de heridas. Hay algunos trabajos relacionados con el tratamiento contra el virus del herpes. ^[47] Los proyectos de investigación incluyen trabajos sobre los efectos curativos del sistema nervioso central a través de la regulación positiva de la citocromo c oxidasa y otros posibles mecanismos. ^[48]

Riesgos 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 infrarrojos en esos lugares. ^[49]

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 usó 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 en la temperatura registrada en un termómetro . Se sorprendió del resultado y los llamó "Rayos Caloríficos". ^{[50] [51]} El término "infrarrojos" no apareció hasta finales del siglo XIX. ^[52]

Otras fechas importantes incluyen: ^[19]

La radiación infrarroja fue descubierta en 1800 por William Herschel.

• 1737: Émilie du Châtelet predijo lo que hoy se conoce como radiación infrarroja en Dissertation sur la nature et la propagation du feu . ^[53]
• 1830: Leopoldo Nobili fabrica el primer detector de infrarrojos de termopila . ^[54]
• 1840: John Herschel produce la primera imagen térmica, llamada termograma . ^[55]
• 1860: Gustav Kirchhoff formuló el teorema del cuerpo negro . ^[56]${\displaystyle E=J(T,n)}$
• 1873: Willoughby Smith descubrió la fotoconductividad del selenio . ^[57]
• 1878: Samuel Pierpont Langley inventa el primer bolómetro , un dispositivo que puede medir pequeñas fluctuaciones de temperatura y, por lo tanto, la potencia de las fuentes de infrarrojos lejanos. ^[58]
• 1879: La ley de Stefan-Boltzmann formuló empíricamente que la potencia irradiada por un cuerpo negro es proporcional a T ⁴ . ^[59]
• Décadas de 1880 y 1890: 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 denominó " catástrofe ultravioleta y catástrofe infrarroja". ^[60]
• 1892: Willem Henri Julius publicó espectros infrarrojos de 20 compuestos orgánicos medidos con un bolómetro en unidades de desplazamiento angular. ^[61]
• 1901: Max Planck publicó la ecuación y el teorema del cuerpo negro . Resolvió el problema cuantificando las transiciones de energía permitidas. ^[62]
• 1905: Albert Einstein desarrolló la teoría del efecto fotoeléctrico . ^[63]
• 1905-1908: William Coblentz publicó espectros infrarrojos en unidades de longitud de onda (micrómetros) para varios compuestos químicos en Investigations of Infra-Red Spectra . ^{[64] [65] [66]}
• 1917: Theodore Case desarrolló el detector de sulfuro de tallo ; Un científico británico construyó el primer dispositivo de búsqueda y seguimiento por infrarrojos (IRST) capaz de detectar aviones a una distancia de una milla (1,6 km).
• 1935: Sales de plomo: guía inicial de misiles en la Segunda Guerra Mundial .
• 1938: Yeou Ta predijo que el efecto piroeléctrico podría usarse para detectar radiación infrarroja. ^[67]
• 1945: Se introdujo el sistema de armas infrarrojas Zielgerät 1229 "Vampir" como el primer dispositivo infrarrojo portátil para aplicaciones militares.
• 1952: Heinrich Welker cultivó cristales sintéticos de InSb .
• Décadas de 1950 y 1960: Nomenclatura y unidades radiométricas definidas por Fred Nicodemenus , G. J. Zissis y R. Clark ; Robert Clark Jones definió D *.
• 1958: W. D. Lawson ( Royal Radar Establishment en Malvern) descubrió las propiedades de detección de infrarrojos del telururo de mercurio y cadmio (HgCdTe). ^[68]
• 1958: Se desarrollaron los misiles Falcon y Sidewinder utilizando tecnología infrarroja.
• Década de 1960: Paul Kruse y sus colegas del Centro de Investigación de Honeywell demuestran el uso de HgCdTe como un compuesto eficaz para la detección de infrarrojos. ^[68]
• 1962: J. Cooper demostró la detección piroeléctrica. ^[69]
• 1964: W. G. Evans descubrió los termorreceptores infrarrojos en un escarabajo pirófilo. ^[39]
• 1965: Primer manual de IR; primeros lectores de imágenes comerciales ( Barnes, Agema (ahora parte de FLIR Systems Inc.)); El texto histórico de Richard Hudson ; F4 TRAM FLIR de Hughes ; fenomenología iniciada por Fred Simmons y A. T. Stair ; Se formó el laboratorio de visión nocturna del Ejército de EE. UU. (Ahora Dirección de Sensores Electrónicos y Visión Nocturna (NVESD)), y Rachets desarrolla allí modelos de detección, reconocimiento e identificación.
• 1970: Willard Boyle y George E. Smith propusieron CCD en Bell Labs para teléfono con imagen .
• 1973: Programa de módulo común iniciado por NVESD. ^[70]
• 1978: La astronomía de imágenes infrarrojas alcanzó la mayoría de edad, se planearon observatorios, se inauguró el IRTF en Mauna Kea; Matrices de 32 × 32 y 64 × 64 producidas con InSb, HgCdTe y otros materiales.
• 2013: el 14 de febrero, los investigadores desarrollaron un implante neuronal que brinda a las ratas la capacidad de detectar la luz infrarroja, lo que por primera vez proporciona a las criaturas vivientes nuevas habilidades, en lugar de simplemente reemplazar o aumentar las habilidades existentes. ^[71]

Ver también

• Radiación de cuerpo negro
• Ensayos infrarrojos no destructivos de materiales
• Células solares infrarrojas
• Termómetro infrarojo
• Contador de personas
• Índice de artículos infrarrojos

Notas

1. Temperaturas de cuerpos negros para los que los picos espectrales caen en las longitudes de onda dadas, de acuerdo con la ley de desplazamiento de Wien ^[14]

Referencias

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52. En 1867, el físico francés Edmond Becquerel acuñó el término infra-rouge (infrarrojo):
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    La palabra infra-rouge se tradujo al inglés como "infrarrojos" en 1874, en una traducción de un artículo de Vignaud Dupuy de Saint-Florent (1830-1907), un ingeniero del ejército francés, que alcanzó el rango de teniente coronel y que perseguía la fotografía como pasatiempo.
    • de Saint-Florent (10 de abril de 1874). "Fotografía en colores naturales" . La noticia fotográfica . 18 : 175-176. Desde p. 176: "En cuanto a los rayos infrarrojos, pueden ser absorbidos por medio de una solución débil de sulfato de cobre, ..."
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53. En 1737, Du Châtelet presentó de forma anónima su ensayo - Dissertation sur la nature et la propagation du feu (Disertación sobre la naturaleza y propagación del fuego) - a la Académie Royale des Sciences , que había hecho de la naturaleza del fuego objeto de un premio competencia. Su ensayo se publicó como libro en 1739 y se publicó una segunda edición en 1744. Véase: Du Chatelet, Émilie (1744). Dissertation sur la nature et la propagation du feu [ Disertación sobre la naturaleza y la propagación del fuego ] (en francés) (2ª ed.). París, Francia: Prault, Fils.Tomado de (Châtelet, 1744), p. 70: "Une expérience bien curieuse ... une plus grande chaleur que les violets , & c. ..." ... "... les rouges échauffent davantage que les violets , les jaunes que les bleus , & c. Car ils sont des impressions plus fortes sur les yeux; ... " (" Un experimento bastante curioso (si es posible) sería reunir por separado suficientes rayos homogéneos [de cada color del espectro solar] para probar si los rayos originales que excitan en nosotros la sensación de diferentes colores, no tendría diferentes poderes de combustión; si los rojos , por ejemplo, dieran un calor mayor que los violetas , etc. ... "..." ... lalos rojos calientan más que los violetas , los amarillos [más] que los azules , etc., porque dejan impresiones más fuertes en los ojos; ... ").
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