Как увидеть инфракрасный луч. Инфракрасный свет – практикум невидимо тёплого излучения. Технический потенциал инфракрасной зоны

ГЛАВА 8 Человеческий гений создает электрический свет, «подобный солнечному» Создание П.Н. Яблочковым «электрической свечи»Создание источников электрического освещения является одним из основополагающих открытий в истории человечества. Первым, кто произнес

Несмотря на то, что человеческий глаз способен воспринимать десятки тысяч цветов и оттенков, человек видит окружающий мир далеко не во всех его красках и тонах, поскольку кроме видимого света, солнечный свет также содержит невидимые ультрафиолетовые и инфракрасные лучи. Однако некоторые живые существа в ходе эволюции приобрели способность видеть в коротко- (УФ) и длинноволновом (ИК) электромагнитном излучении.

Кто видит в ультрафиолете

На сегодняшний день учеными усыновлено, что видит ультрафиолетовые лучи способны:

• насекомые и прочие беспозвоночные;
• многие виды птиц;
• различные обитатели подводного мира, включая рыб, моллюсков и ракообразных;
• рептилии.

Также видеть в УФ излучении способны и некоторые позвоночные обитатели Земли, включая млекопитающих. Например, способностью видеть в ультрафиолетовом спектре электромагнитного излучения обладают собаки и кошки, северные олени, а также многие разновидности грызунов.

При всем этом, важно отметить, что способность видеть ультрафиолет – это не прихоть эволюции, а инструмент выживания живых организмов. Например, летающие насекомые используют ее для поиска открытого для полетов пространства, ракообразные – для поиска убежищ, а рептилии и позвоночные – для поиска пищи. Пчелы же используют свою способность видеть УФ лучи для сбора нектара с цветков.

Кто видит инфракрасный свет

Нас сегодняшний день науке не известно ни одного животного, способного видеть инфракрасный свет, поскольку для фокусирования такого света на сетчатке глаза необходима совершенно иная нежели видимого света линза. И даже наоборот, глаза животных, в том числе человека, способных видеть красный свет, развили защиту от ИК лучей, поскольку они размывали бы изображение на сетчатке.

Иногда инфракрасным зрением называют способность некоторых животных чествовать тепловое излучение, что происходит за счет расположенных на поверхности верхних покровов сенсоров. Такая способность свойственна некоторым видам змей и летучих мышей. Считается, что поступающая от тепловатых сенсоров информация обрабатывается вместе в мозге вместе со зрительной, поэтому имеющие тепловые сенсоры живые существа могут видеть несфокусированное изображение теплых объектов.

В лазере фотон света, сталкиваясь с возбужденным атомом среды, стимулирует испускание другого фотона той же частоты. Вторичные фотоны в свою очередь вызывают испускание фотонов другими возбужденными атомами - в результате процесс излучения света идет лавинообразно. Но попробуем рассмотреть случай, когда активная среда лазера находится в докритическом состоянии, т. е. слишком разрежена, чтобы поддерживать лавинообразный процесс. В такой среде фотон может столкнуться с невозбуждеиным атомом, который, поглотив этот фотон, переходит в возбужденное состояние. Другой фотон, столкнувшись с этим возбужденным атомом, теперь может стимулировать эмиссию, и два фотона будут двигаться вместе, парой. В несколько более плотной среде и при чуть более интенсивной накачке эта пара фотонов может столкнуться с еще одним возбужденным атомом, результатом чего будет фотонный триплет. В целом, активную среду лазера покидает примерно столько же фотонов, сколько вошло в нее, однако выходящие фотоны образуют когерентные пары и тройки.

Такой «сгруппированный» свет обладает удивительными свойствами. Прежде всего он совершенно непривычен для глаза. Так, красный сгруппированный свет будет обычным образом отражаться от красных предметов. Но, поскольку каждая пара «красных» фотонов имеет в сумме энергию, равную энергии одного «синего» фотона, такой свет за счет двухфотонного поглощения станет возбуждать также рецепторы, чувствительные к синему цвету. Предмет, таким образом, будет одновременно выглядеть и красным, и синим, - наверное, переливчато-фиолетовым. Больше всего, впрочем, Дедала занимает инфракрасный сгруппированный свет. Все окружающие нас объекты в изобилии испускают длинноволновое инфракрасное излучение. Достаточно поэтому перед любым предметом поместить «группирователь фотонов» фирмы КОШМАР, который собирает фотоны в группы, суммарная энергия которых лежит в видимой области спектра, - и вот вам бесплатное освещение! Правда, в сгруппированном ИК-свете все предметы, скорее всего, будут иметь жуткий вид, так что лучше будет, если энергия группы фотонов придется на область ультрафиолета. Тогда, используя обычный люминофор, как в лампах дневного света, можно возбуждать его за счет многофотонного поглощения и получать видимый свет. Этот изящный прибор преобразует бесполезный инфракрасный фон в видимый свет - подобно тепловому насосу, перекачивающему тепло от тел с меньшей температурой к телам с более высокой температурой. Согласно законам термодинамики, эти устройства могут отбирать у окружающей среды гораздо больше энергии (тепла и света), чем необходимо для приведения их в действие .

New Scientist, June 26, 1980

Из записной книжки Дедала

Рассмотрим активную среду, в которой N 1 атомов находятся в основном состоянии и N 2 - в возбужденном состоянии с энергией Е. Рабочая частота равна в таком случае v = E/h, и если этой частоте соответствует плотность энергии ПЃv, то интенсивность возбуждения N 1 -> N 2 составит BN 1 ПЃv, где В - вероятность перехода. Аналогично интенсивность стимулированной эмиссии равна BN 2 ПЃv. Пусть в систему входит n фотонов. Для каждого из иих вероятность быть поглощенным при переходе атома из состояния 1 в состояние 2 пропорциональна BN 1 ПЃ; обозначим эту вероятность через KN 1 . Тогда число фотонов, поглощенных в системе, равно nKN 1 для малых KN 1 , а n(1 – KN 1) фотонов проходят через всю среду. Вероятность того, что каждый из этих фотонов стимулирует испускание фотона возбужденным атомом, равна KN 2 . Таким образом, наиболее вероятное число пар фотонов, выходящих из среды, равно n(KN 2)Г-(1 — KN 1). Иначе говоря, мы пустили в среду n фотонов и получили на выходе n(KN 2)Г-(1 – KN 1 фотонных пар; таким образом, кпд нашего лазера по «группированию» фотонов составляет 2/KN 2 (1 – KN 1). Эта величина имеет максимум при N 2 = N 1 , т.е. когда излучение накачки, переводящее атомы в возбужденное состояние за счет переходов N 1 -> N 3 -> N 2 , чуть-чуть недостаточно для создания инверсной населенности, т. е. система находится немного ниже порога генерации лазерного излучения. При KN 1 = КN 2 = 0,5 максимальный кпд = 0,5, т. е. можно рассчитывать, что примерно половина общего числа попадающих в систему фотонов будет сгруппирована. На практике будут возникать группы не только из двух, но и из трех и более фотонов, но даже с учетом этого наша схема выглядит вполне реальной.

Как будут вести себя фотонные пары? В физических процессах (преломление, рассеяние и т. д.) они должны вести себя точно так же, как образующие фотоны, однако в химических процессах (поглощение и т. д.) они, скорее всего, будут проявлять тенденцию к двухфотонному поглощению, и поэтому каждая пара поведет себя как один фотон с вдвое большей частотой. На этой основе, вероятно, можно создать уличные фонари, излучающие сгруппированный инфракрасный свет, который легко проходит сквозь туман и в то же время хорошо воспринимается глазом. А как бы вы отнеслись к «антизонтику», преобразующему свет пасмурного дня в ультрафиолетовое излучение для загара? Наконец, поскольку сгруппированные фотоны когерентны с тем фотоном, который первоначально попал в среду, соответствующие очки позволят непосредственно наблюдать изображение, полученное в инфракрасных лучах.

Дедал получает письмо

Майрон Л. Уолбаршт, профессор офтальмологии и биомедицинской техники, Медицинский центр университета Дьюка, Дарем, Сев. Каролина, США 23 июля 1980

Дорогая Ариадна!

Ваш друг Дедал рассматривал (с. 448, 26 июня 1980) использование сгруппированного света для возбуждения синих рецепторов глаза в результате двухфотонного поглощения и даже допускал возможность использования длинноволнового инфракрасного излучения для получения видимого света. Я прилагаю копию одной из своих опубликованных работ «Зрительная чувствительность глаза к инфракрасному излучению» (Journal of the Optical Society of America , 66, 1976, p. 339), в которой показано, что это действительно возможно. Надеюсь, что Дедал будет продолжать свои изыскания, но ему следует сознавать, что в наши дни наука движется вперед так быстро, что даже мечтатель может отстать от жизни.

Искренне Ваш М. Уолбаршт

(В дальнейшем сгруппированный свет будет пролит на вопрос о приоритете в статье « ».)

Дедал правильно рассудил, что зрительные рецепторы могут реагировать на «когерентную пару» фотонов с энергией, вдвое меньшей порога чувствительности рецептора. Эта идея была подтверждена исследователями с применением лазерной техники. На сходном принципе основан ряд приборов ночного видения. - Прим. ред.

Был вариант купить дешевую VGA разрешения цифровую камеру с видоискателем, но тогда это была бы еще одна вещь, чтобы носить с собой.
Недавно в аэропорту, я попытался выключить телевизор с громкой болтовней людей своим универсальным контроллером ТВ-Be-Gone, но устройство не сработало, чтобы выключить телевизор, поэтому я решил попытаться увидеть, работает он или нет. Я достал свой iPhone 4, открыл приложение камеры, направил камеру на ТВ-Be-Gone с ИК подсветкой, и нажал кнопку на ТВ-Be-Gone. Я не увидел свет от ИК светодиода в видоискателе iPhone автора.
Тогда мне пришло в голову попробовать фронтальную камеру FaceTim. Я нажал кнопку камеры переключателя на экране iPhone и направил на FaceTime камеру, по-прежнему мигающую ИК подсветку ТВ-Be-Gone, и наконец я смог увидеть свет, который выходил из ИК излучателя!
Следующие шаги будут повторять описанные выше действия, и покажут вам, как увидеть инфракрасный свет на вашем стандартном iPhone 4, и, возможно, других смартфонах и планшетах тоже.

Шаг 1. Попробуйте, используя заднюю панель камеры, увидеть свет от инфракрасного светодиода

На вашем iPhone, запустите приложение Камера, и наведите камеру на светодиодные излучатели ТВ-пульта дистанционного управления.
Когда вы смотрите на экран iPhone, нажмите несколько кнопок на пульте дистанционного управления.
Несмотря на то, что пульт дистанционного управления, вероятно излучает яркий инфракрасный луч, вы не можете видеть это вашими глазами, потому что ваши глаза не чувствительны к свету в частоте инфракрасного излучения (около 940 нм для пульта дистанционного управления).
Основная камера вашего iPhone не может видеть инфракрасный свет, потому что Apple, добавил фильтр на объектив, который блокирует инфракрасный свет, поэтому инфракрасные лучи не видны на экране.

Шаг 2. Теперь попробуйте с помощью фронтальной камеры FaceTime увидеть свет от инфракрасного светодиода

Теперь нажмите кнопку "переключатель камеры" - значок в верхнем правом углу камеры iPhone приложения таким образом, чтобы на экране отображался вид с FaceTime камеры, так что вы, вероятно, увидите себя на экране.
Теперь направьте камеру FaceTime на светодиодный LED вашего пульта дистанционного управления телевизора и нажмите кнопку на пульте дистанционного управления.
Ваш глаз не может видеть инфракрасный свет, но теперь вы будете видеть инфракрасный свет, который появляется в видоискателе, как яркий белый свет.
Оказывается, что FaceTime камера на iPhone 4 не имеет ИК фильтра! Ура!