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掌握科学规律,造福人类——从红外谈起


●发布时间:2019-5-15  ●   ●信息来源:上海皇龙自动化工程有限公司  ●作者:本站编辑

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掌握科学规律,造福人类——从红外谈起


陈积芳:大家好,欢迎大家来到这里参加本次的名家科普讲坛,今天我们请褚君浩教授为大家作题为《掌握科学规律,造福人类——从红外谈起》的科普报告。先介绍一下褚君浩先生,他是研究员、博士生导师,1968年毕业于上海师范学院物理系。现任中国科学院上海技术物理研究所科技委副主任、“红外与毫米波学报”主编、上海市物理学会副理事长、中国物理学会光物理专业委员会副主任、九三学社上海市委副主委、第十届全国人大代表。


今天天气很热,所以我们把场地转移到了这里,科普网同时对本次活动进行网上直播,对来到现场参加报告会的同志们我们表示热烈欢迎。(14:05)
褚君浩:今天非常高兴在科协这个平台介绍红外技术,我讲的 题目是《掌握科学规律,造福人类——从红外谈起》。目的是掌握自然规律,造福人类生活。我会从以下几个方面一一讲解。首先介绍一下红外世界。我们每天都与光打交道,我们常见的日光是由赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫这七色光组成的,七色光最早是由牛顿发现的。科学家在研究光谱温度时发现,在可见光边上,有一种光也会有温度辐射,可是我们肉眼见不到,这就是红外光。任何物体都会发射红外线,除了物体的温度为零外。研究发现,黑色物体辐射温度的能力最强,也就是常说的黑体辐射,黑体辐射的强度就像图上所示,面积与温度的四次方成正比,它能完全把能量辐射出来。(14:19)

诸君浩:红外方面有三个问题,分别是红外探测、红外运输和红外发射。红外探测包括夜视、热像、成像光谱、红外隐身等,红外传输研究范围包括传输元件 、光通讯元件等,红外发射研究范围包括黑体、红外辐射体、红外激光、选择辐射光源等。

今天我要讲的主要是红外探测。这是一个古老的学科,在今天又有了新的发展。如果你能够看到红外世界,看很清楚,那么你的认知能力就增强。红外是视觉的延伸。新发展的原因在于以下两个方面:一、现在人类对光与物质相互作用的认识深入,新思路的引进。二、对材料特性控制能力增强新物质系统。 (14:43)

诸君浩:我们要讲的第二点是红外眼睛也就是红外探测器。三个方面的材料:窄禁带半导体碲镉汞、半导体量子阱、量子点、铁电薄膜、多晶硅、氧化矾。红外眼睛有两种类型:热敏型和光子型。 

从热敏型的发现时间来看,1822年塞贝克发现了温差电效应,1830年Nobili发明温差电型辐射探测器,1880年Langley发明测辐射热计,1940年发明热敏电阻红外探测器,1947年高莱发明气动式红外探测器,上世纪50年代发明半导体温差电型红外探测器,上世纪60年代发明热释电型红外探测器 。它的优点是波长宽,缺点是速度慢。它利用红外辐射加热细金属丝,金属丝温度升高而改变电阻,然后用惠斯顿电桥测量微小的电阻改变。

光子型红外眼睛的特点是速度快。在第一次世界大战期间,研制出Tl2S光电导,波长1.1微米,1930年德国研制 PbS光电导,波长2.7微米。二战以后,美、英、苏、法发展PbS、PbTe、PbSe、InSb,在8~14微米波段。 起初,Ge:Hg红外探测器,液氢温度(38K)。后来,Hg1-xCdxTe,液氮温度(77K)。改变组分x,可以覆盖1~3,3~5以及8~14微米三个重要大气窗口。 (14:44)

 

诸君浩:红外眼睛的作用主要体现在三个方面,一个是图像(空间分布)的分辨,空间背景中运动目标的识别、不完整图像识别,第二是热象(温度分布)的显示,火焰温度分布、江河堤坝管涌及崩塌、医用、工业热象,第三是谱像(光谱分布),凝聚态物质系统的光谱特征和应用。它的应用相当广泛,在去年SARS期间,我们就应用红外测温仪来检测人体温度。(14:45)

 

褚君浩:现在我们把这个红外眼睛放到天上,就是常说的航天遥感了。我们所里研制的风云一号、二号B气象卫星都装有红外眼睛。通过航天遥感器将云图传送到天文台,随后气象工作者通过分析云图发布当天的天气预报。这是气象遥感图,这里是漩涡。如果把红外眼睛放到飞机上就是航空遥感,它的好处就是比较方便,可以随用随装,今天用完以后就可以把这台仪器拿下来,下次再用。如果坏了的话,也能随时拆下来检修,不像航天遥感器,坏了就没办法修理了,不过它们是各司其职,各有各的用途。这是一张澳门遥感图,当时澳门回归的时候需要一张比较精确的澳门地图,这是我们所第二研究室做的航空遥感图,非常清楚。我们还可以通过红外遥感探测材料的好坏等。(14:51)

 

褚君浩:现在我们休息五分钟,稍后继续。(14:57)

 

诸君浩:刚才我们说到日常生活中使用的红外眼睛都是单元器件,需要两维扫描才可以。扫描就比较慢,如果观察的物体运动比较慢就没问题,比如说看台风就没问题,但是如果要看F16战斗机,速度很快,就需要有凝视式的红外眼睛,也叫红外焦平面探测器。焦平面实际上是一个芯片,如果把焦平面放在导弹上面,那就是巡航导弹。它先拍一张打击目标的照片,当看到的目标和拍摄下来的打击目标一致的时候,就能准确命中了。把红外焦平面放在雷达上面,就是红外雷达。现在我们看到的是“128X1长波碲镉汞线列焦平面成像图”,之所以看到三个手,其中两个都是遗留下来的手印。 

 

下面我们来看看红外功能材料制备问题:第一是窄禁带半导体材料,例如HgCdTe、InSb,InSbAs,PbTe,PbEuTe,现在大家关心的是有没有新型红外探测器材料?第二是半导体低维结构-量子阱、线、点,实现红外探测功能、红外发光功能。第三是非致冷红外探测材料(铁电薄膜PZT、BST、SBT、PST…、氧化矾、多晶硅…)。第四是红外辐射材料(高比辐射率,低比辐射率),那么有没有比辐射率可以调控的复合材料?第五是红外滤光片材料,红外光子晶体。第六是红外纳米材料。第七是红外非线性晶体。 (15:15)

 

褚君浩:第四个问题简单介绍一下新型红外成像方法探索。刚才说的都是红外线转变成电再变成可见光,那么有没有一种材料可以使红外线直接变成可见光呢,正在研究的基于半导体低维结构与可见光CCD组合的红外-可见新型读出方式,基于微悬臂梁的红外-可见新型读出方式等等。如果成功的话,就好比我现在带了一副眼镜,灯一关,大家看不到我,我却看得到大家。第二个办法是正在研究的THz波,大概在两年前国外开始研究的。据说,用这种方法的话,可以一眼就望到人的心脏、骨骼等的情况。这种波可以应用于医学上的二维成像;光谱(气体探测);食品检测;水分检测;火焰光谱;雷达建模;安全(爆炸物探测);基础研究等。 (15:21)

 

诸君浩:第五个问题,我简单介绍以下红外物理与其它学科的交叉。红外物理本身是光学与凝聚态物理交叉。但是红外物理又可以跟好多其他的学科交叉,比如材料、器件、生物、大气、天文、地球、环境等。现在就讲一个方面,宏观凝聚态物质体系和微纳尺度成像光谱,它就可以跟好多学科交叉。目标对象光谱特征和标定,即红外信息识别科学基础及技术的应用。通过谱像(光谱分布)来研究凝聚态物质系统的光谱特征研究其在信息技术中的应用。比如,空气里面如果有硫化物,我们知道了硫的光谱,只要在空气中发现同样的光谱,就可以判定硫化物在空气中的存在。红外技术甚至还可以对农作物估计产量,当然此前要获得它的标准光谱作为参考。

 

利用这种技术,首先要获取对象的光谱特征。先作出标准,然后进行识别,再进行监控。红外还可以跟医学进行交叉。我们来看这张图,这是脑部恶性肿瘤组织切片的红外光谱研究。现在还有量子点,可以做生物学“标识性探针”。颜色和光强组合,可“标识”上百万的生物分子(如DNA,人类自身仅约4万个),这对基因组学和蛋白质组学的数据采集,以及生物大分子的细胞定位、相互作用及动态变化,实现对生物大分子的“编码”及“查询”等极具意义。 (15:29)

 

褚君浩:这张照片是新疆地区的一次地震前的地温图像,这张图像的温度很高,预示着要地震,果然第二天就发生了地震,地震以后能量释放了,温度就降低了。

 

所以说红外研究,就是研究红外到电再到可见红外的过程,也就是研究物质的运动形态变化,从中掌握红外技术,造福于人类。当前在这方面还有很多要研究的,如红外功能材料制备、红外光电激发动力学研究、红外量子器件、目标对象光谱特征与标定。我们通过这些研究让古老的学科焕发青春,让它从必然王国走向自由王国,让红外技术为世界和平作贡献。谢谢大家!(15:35)

 

现场观众:8-14微米波产的红外线对人体有什么影响?保健品使用远红外的很多,能不能用? (15:48)

 

诸君浩:任何具有27-30度温度的物体都能发射这样的波长,但发射出来有多有少。如果是灰体(塑料),发射出来就少,如果是黑体,基本就全部发射出来。如果我们把它做成器械,我们可以控制它的发射量。这个光对人体是没有坏处的。当然,这个光到底在体内传多远,还在研究中。至于保健品用的材料到底有没有危害,要通过具体检测。(15:49)

 

现场观众:通过红外线,能检测出铀矿,那么能否测量哪里有原子弹? (15:49)

 

诸君浩:可以检测哪里有铀矿,不过制成原子弹后,通过保存,那么红外线就探测不到了。(15:50)

 

网友一品:请问禇研究员,中国和美国、日本这样的技术先进国家在红外探测的军用研究上有多大差距?会不会影响我们国家的安全?(16:21)

 

诸君浩:红外物理的研究方面,中国在某些方面是走在前面的。在红外技术方面,中国发展很快。我们风云一号、二号成像的质量和美国不相上下。我们和美国的差距主要是红外焦平面方面。我们这方面正在加强研究。红外技术和军事方面联系很大。我们购买美国焦平面器件,要通过很多手续,现在跟他们买是买不到的,必须通过我们自力更生研究。(16:21)

 

网友张云亭:听说人在一个地方呆过,会留下红外线的影子。这种说法是不是有科学根据?(16:22)

 

诸君浩:这是有科学根据的。只要有千分之一的温度差,就可以发现。如果晚上保险箱被撬,只要现场没有破坏,那么就会发现小偷模糊的影子。 (16:23)

 

网友色友:我曾经听过一种说法,说是如果按可见光的中对色彩的区分方式,那么红外线的"色彩"比可见光要丰富的多?请问,褚研究员,这应该如何理解?(16:23)

 

诸君浩:应该说是这样的,红外线色彩比可见光丰富得多。它的波长范围更广,可惜我们的肉眼无法分辨。(16:24)

 

网友影子:我看到过一些用红外线拍的照片,而且是彩色的,请问这些照片是真彩的吗?(16:25)

 

诸君浩:应该是假彩色,不同的波长一般用不同颜色表示。照片上的彩色显示的实际是红外不同的波段,彩色是人为加上的。(16:26)

 

网友阿容:请问诸教授,红外技术在家庭生活中的应用有哪些?(16:27)
诸君浩:家用的例子也比较多,比如红外热像仪监视,红外门铃,红外报警器等。(16:27)

 

网友厨师:既然红外有很强的热效应,为什么没有用红外线做的炉子?这样不是比煤气又安全又有效吗?(16:28)

 

诸君浩:这个效应是以相同温度来比较。红外的热效应是在一定的温度范围内,它的波长随着温度的变化而变化。(16:28)

 

网友王建军:以前有一段时间,说某种型号的数码相机可以利用红外线进行“透视”偷拍,不知道这是不是真的有可能?(16:29)

 

诸君浩:目前手机还没有这种功能,所谓透视、偷拍是对新技术的展望,如果这个技术能普及,会有这个可能。(16:30)

 

陈积芳:大家今天听了这个讲座,相信都有很多收获,我们感谢诸教授在繁忙的科研工作中抽时间为我们开讲座,再次感谢诸教授,今天的讲座到此结束,谢谢大家。(16:32)

 



 
 
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