Infrarrojo
Forma de radiación electromagnética
Una imagen en falso color de dos personas tomada con radiación infrarroja de longitud de onda larga (térmica de temperatura corporal)
Esta imagen del telescopio espacial infrarrojo pseudocolor tiene 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 [i] ) es radiación electromagnética (REM) con longitudes de onda más largas que las de la luz visible pero más cortas que las microondas . La banda espectral infrarroja comienza con ondas que son un poco más largas que las de la luz roja (las ondas más largas del espectro visible ), por lo que el IR es invisible para el ojo humano. En general, se entiende que el IR incluye longitudes de onda de alrededor de 750  nm (400  THz ) a 1  mm (300  GHz ). [1] [2] El IR se divide comúnmente entre IR térmico de longitud de onda más larga, emitido por fuentes terrestres, e IR de longitud de onda más corta o IR cercano, parte del espectro solar . [3] Las longitudes de onda IR más largas (30–100 μm) a veces se incluyen como parte de la banda de radiación de terahercios . [4] Casi toda la radiación de cuerpo negro de objetos cercanos a la temperatura ambiente está en la banda IR. Como forma de radiación electromagnética, la radiación infrarroja transporta energía y momento , ejerce presión de radiación y tiene propiedades correspondientes tanto a las de una onda como a las de una partícula , el fotón . [5] [4]

Sin embargo, la luz infrarroja comparte algunas características con la luz visible. Al igual que la luz visible, la luz infrarroja puede enfocarse, reflejarse y polarizarse . [6] La radiación infrarroja o productora de calor tiene longitudes de onda más largas que la luz visible, y los cuerpos celestes como el sol son a menudo las fuentes de radiación infrarroja, así como las bombillas y muchos organismos , lo que indica el alto grado de ubicuidad en el medio ambiente. [7]

El infrarrojo recibe su nombre de la palabra latina "infra", que significa "debajo", y de la palabra inglesa " rojo ". Se encuentra justo más allá de la porción roja del espectro visible, de ahí su nombre que significa "debajo del rojo". [7]

Desde hace mucho tiempo se sabe que el fuego emite calor invisible ; en 1681, el experimentador pionero Edme Mariotte demostró que el vidrio, aunque transparente a la luz del sol, obstruía el calor radiante. [8] [9] En 1800, el astrónomo Sir William Herschel descubrió que la radiación infrarroja es un tipo de radiación invisible en el espectro de menor energía que la luz roja, mediante su efecto sobre un termómetro . [10] Finalmente, gracias a los estudios de Herschel, se descubrió que un poco más de la mitad de la energía del Sol llegaba a la Tierra en forma de infrarrojos. El equilibrio entre la radiación infrarroja absorbida y emitida tiene un efecto importante en el clima de la Tierra . [7]

La radiación infrarroja es emitida o absorbida por las moléculas cuando cambian sus movimientos rotacionales-vibratorios. Excita los modos vibracionales en una molécula a través de un cambio en el momento dipolar , lo que la 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. [11]

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 el observador sea detectado. La astronomía infrarroja utiliza telescopios equipados con sensores para penetrar en regiones polvorientas del espacio, como las nubes moleculares , para detectar objetos como planetas y para ver objetos muy desplazados hacia el rojo de los primeros días del universo . [12] Las cámaras termográficas infrarrojas se utilizan para detectar la pérdida de calor en sistemas aislados, para observar cambios en el flujo sanguíneo en la piel, para ayudar a combatir incendios y para detectar el sobrecalentamiento de los componentes eléctricos. [13] Las aplicaciones militares y civiles incluyen la adquisición de objetivos , la vigilancia , la visión nocturna , el rastreo y el seguimiento. Los humanos a temperatura corporal normal irradian principalmente en longitudes de onda de alrededor de 10 μm. Los usos no militares incluyen el análisis de la eficiencia térmica , el monitoreo ambiental, las inspecciones de instalaciones industriales, la detección de cultivos , la detección remota de temperatura, la comunicación inalámbrica de corto alcance , la espectroscopia y la previsión meteorológica . [6]

Definición y relación con el espectro electromagnético

No existe una definición universalmente aceptada del rango de radiación infrarroja. Por lo general, se considera que se extiende desde el borde rojo nominal del espectro visible a 700 nm hasta 1 mm. Este rango de longitudes de onda corresponde a un rango de frecuencia de aproximadamente 430 THz hasta 300 GHz. Más allá del infrarrojo se encuentra la porción de microondas del espectro electromagnético . Cada vez más, la radiación de terahercios se cuenta como parte de la banda de microondas, no del infrarrojo, desplazando el borde de la banda del infrarrojo a 0,1 mm (3 THz).

Posición en el espectro electromagnético [14]
NombreLongitud de ondaFrecuencia (Hz)Energía del fotón (eV)
Luz de gamaMenos de las 10 pmmás de 30 EHzmás de 124 keV
radiografía22:00 h – 10 millas náuticas30 PHz – 30 EHz124 keV – 124 eV
Ultravioleta10 nm – 400 nm750 THz – 30 PHz124 eV – 3,3 eV
Visible400 nm – 700 nm430 THz – 750 THz3,3 eV – 1,7 eV
Infrarrojo700 nm – 1 mm300 GHz – 430 THz1,7 eV – 1,24 meV
Microonda1 mm – 1 metro300 MHz – 300 GHz1,24 meV – 1,24 μeV
Radio1 metro y más300 MHz y menos1,24 μeV y menos

Naturaleza

La luz solar , a una temperatura efectiva de 5780  K (5510 °C, 9940 °F), está compuesta por radiación de espectro cercano al térmico que es un poco más de la mitad infrarroja. En el cenit , la luz solar proporciona una irradiancia de poco más de 1  kW por metro cuadrado a nivel del mar. De esta energía, 527 W son radiación infrarroja, 445 W son luz visible y 32 W son radiación ultravioleta . [15] Casi toda la radiación infrarroja de la luz solar es infrarroja cercana, más corta que 4 μm.

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 largos que los de la luz solar. La radiación de cuerpo negro, o térmica, es continua: irradia en todas las longitudes de onda. De estos procesos naturales de radiación térmica, sólo 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 de luz visible. [16]

Regiones

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

Límite visible

En general, se considera que la radiación infrarroja comienza con longitudes de onda más largas que las visibles para el ojo humano. No existe un límite estricto de longitud de onda para lo que es visible, ya que la sensibilidad del ojo disminuye rápidamente pero de manera uniforme para longitudes de onda que exceden los 700 nm. Por lo tanto, las longitudes de onda un poco más largas que esa pueden verse si son lo suficientemente brillantes, aunque aún pueden clasificarse como infrarrojas según las definiciones habituales. La luz de un láser de infrarrojo cercano puede, por lo tanto, aparecer de un rojo tenue y puede presentar un peligro, ya que en realidad puede ser bastante brillante. Incluso los rayos infrarrojos en longitudes de onda de hasta 1050 nm de los láseres pulsados ​​pueden ser vistos por los humanos en ciertas condiciones. [17] [18] [19]

Esquema de subdivisión de uso común

Un esquema de subdivisión comúnmente utilizado es: [20] [21] [22]

Nombre de la divisiónAbreviaturaLongitud de ondaFrecuenciaEnergía fotónicaTemperatura [ii]Características
Infrarrojo cercanoNIR, IR-A DIN0,75–1,4  μm214–400  THz886–1.653  meV3.864–2.070  K
(3.591–1.797  °C )		Alcanza la longitud de onda de la primera banda de absorción de agua y se utiliza habitualmente en telecomunicaciones por fibra óptica debido a las bajas pérdidas de atenuación en el medio de vidrio SiO2 ( sílice ) . Los intensificadores de imagen son sensibles a esta zona del espectro; algunos ejemplos incluyen dispositivos de visión nocturna , como gafas de visión nocturna. La espectroscopia de infrarrojo cercano es otra aplicación común.
Infrarrojos de longitud de onda cortaSWIR, IR-B DIN1,4–3 μm100–214 THz413–886 meV2070–966  K
(1797–693  °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 (consulte las ventanas de transmisión ).
Infrarrojos de longitud de onda mediaMWIR, IR-C DIN ; MidIR. [24] También llamado infrarrojo intermedio (IIR)3–8 micras37–100 THz155–413 meV966–362  K
(693–89  °C )		En la tecnología de misiles guiados, la porción de 3 a 5 μm de esta banda es la ventana atmosférica en la que están diseñados para funcionar los buscadores de los misiles infrarrojos pasivos "buscadores de calor", que apuntan a la firma infrarroja del avión objetivo, normalmente la columna de humo del motor a reacción. Esta región también se conoce como infrarrojo térmico.
Infrarrojos de longitud de onda largaIR de onda corta, IR-C DIN8–15 micras20–37 THz83–155 meV362–193  K
(89 – −80  °C )		La región de las "imágenes térmicas", en la que los sensores pueden obtener una imagen completamente pasiva de objetos cuya temperatura es apenas superior a la temperatura ambiente (por ejemplo, el cuerpo humano) basándose únicamente en las emisiones térmicas y sin necesidad de iluminación como la del sol, la luna o un iluminador infrarrojo. Esta región también se denomina "infrarrojo térmico".
Infrarrojo lejanoABETO15–1000 μm0,3–20 THz1,2–83 meV193–3  K
(−80,15 – −270,15  °C )		(ver también láser infrarrojo lejano e infrarrojo lejano )
Comparación de una imagen térmica (arriba) y una fotografía normal (abajo). La bolsa de plástico es casi transparente a los rayos infrarrojos de longitud de onda larga, pero las gafas del hombre son opacas.

A veces se hace referencia a NIR y SWIR juntos como "infrarrojo reflejado", mientras que a MWIR y LWIR a veces se los denomina "infrarrojo térmico".

Esquema de división de la CIE

La Comisión Internacional de Iluminación (CIE) recomendó la división de la radiación infrarroja en las siguientes tres bandas: [25] [26]

AbreviaturaLongitud de ondaFrecuencia
IR-A780–1400 nm215–384 THz
IR-B1400–3000 nm100–215 THz
IR-C3–1000 μm0,3–100 THz

Esquema ISO 20473

La norma ISO 20473 especifica el siguiente esquema: [27]

DesignaciónAbreviaturaLongitud de onda
Infrarrojo cercanoRNI0,78–3 μm
Infrarrojo medioMIR3–50 μm
Infrarrojo lejanoABETO50–1000 μm

Esquema de división de la astronomía

Los astrónomos suelen dividir el espectro infrarrojo de la siguiente manera: [28]

DesignaciónAbreviaturaLongitud de onda
Infrarrojo cercanoRNI0,7–2,5 μm
Infrarrojo medioMIR3–25 micras
Infrarrojo lejanoABETOarriba25 micras

Estas divisiones no son precisas y pueden variar según la publicación. Las tres regiones se utilizan para la observación de diferentes rangos de temperatura [29] y, por lo tanto, de diferentes entornos en el espacio.

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

Esquema de división de la respuesta del sensor

Gráfico de la transmitancia atmosférica en parte de la región infrarroja

Un tercer esquema divide la banda en función de la respuesta de varios detectores: [30]

  • Infrarrojo cercano: de 0,7 a 1,0 μm (desde el extremo aproximado de la respuesta del ojo humano hasta la del silicio).
  • Infrarrojo de onda corta: 1,0 a 3 μm (desde el límite del silicio hasta el límite de la ventana atmosférica del MWIR). El InGaAs cubre hasta aproximadamente 1,8 μm; las sales de plomo menos sensibles cubren esta región. Los detectores MCT enfriados criogénicamente pueden cubrir la región de 1,0 a 2,5  μm.
  • Infrarrojo de onda media: 3 a 5 μm (definido por la ventana atmosférica y cubierto por antimoniuro de indio , InSb y telururo de mercurio y cadmio , HgCdTe, y parcialmente por seleniuro de plomo , PbSe).
  • Infrarrojo de onda larga: 8 a 12, o 7 a 14 μm (esta es la ventana atmosférica cubierta por HgCdTe y microbolómetros ).
  • Infrarrojo de onda muy larga (VLWIR) (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 unos 1.050 nm, mientras que la sensibilidad del InGaAs comienza alrededor de los 950 nm y termina entre 1.700 y 2.600 nm, dependiendo de la configuración específica). Actualmente no hay estándares internacionales disponibles para estas especificaciones.

El inicio de la luz infrarroja se define (según diferentes estándares) en varios valores, típicamente entre 700 nm y 800 nm, pero el límite entre la luz visible e infrarroja no está definido con precisión. El ojo humano es notablemente menos sensible a la luz por encima de una longitud de onda de 700 nm, por lo que las longitudes de onda más largas hacen contribuciones insignificantes a las escenas iluminadas por fuentes de luz comunes. La luz particularmente intensa del infrarrojo cercano (por ejemplo, de láseres , LED o luz diurna brillante con la luz visible filtrada) se puede detectar hasta aproximadamente 780 nm y se percibirá como luz roja. Las fuentes de luz intensas que proporcionan longitudes de onda de hasta 1050 nm pueden verse como un brillo rojo opaco, lo que causa cierta dificultad en la iluminación del infrarrojo cercano de escenas en la oscuridad (generalmente este problema práctico se resuelve mediante iluminación indirecta). Las hojas son particularmente brillantes en el infrarrojo cercano, y si se bloquean todas las fugas de luz visible de alrededor de un filtro IR y se le da al ojo un momento para adaptarse a la imagen extremadamente tenue que pasa a través de un filtro fotográfico visualmente opaco que deja pasar el infrarrojo, es posible ver el efecto Madera que consiste en follaje que brilla en el infrarrojo. [31]

Bandas de telecomunicaciones

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 de transmisión/absorción (fibras) y detectores: [32]

BandaDescriptorRango de longitud de onda
Banda OOriginal1260–1360 nm
Banda EExtendido1360–1460 nm
Banda SLongitud de onda corta1.460–1.530 nm
Banda CConvencional1530–1565 nm
Banda LLongitud de onda larga1565–1625 nm
Banda ULongitud de onda ultralarga1.625–1.675 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 consolidada y no están tan ampliamente implementadas.

Calor

Los materiales con mayor emisividad parecen estar más cerca de su temperatura real que los materiales que reflejan más su entorno con temperaturas diferentes. En esta imagen térmica, el cilindro cerámico más reflectante, que refleja el entorno más frío, parece estar más frío que su contenedor cúbico (fabricado con carburo de silicio más emisivo), mientras que, de hecho, tienen la misma temperatura.

La radiación infrarroja se conoce popularmente como "radiación térmica", [33] pero la luz y las ondas electromagnéticas de cualquier frecuencia calientan las superficies que las absorben. La luz infrarroja del Sol representa el 49% [34] 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. La luz visible o los láseres que emiten luz ultravioleta pueden carbonizar el papel y los objetos incandescentes emiten radiación visible. Los objetos a temperatura ambiente emitirán radiación concentrada principalmente en la banda de 8 a 25 μm, pero esto no es distinto de la emisión de luz visible por objetos incandescentes y ultravioleta por objetos aún más calientes (ver cuerpo negro y ley de desplazamiento de Wien ). [35]

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 se asocian con la emisión de un objeto, debido a la vibración de sus moléculas a una temperatura dada. La radiación térmica puede emitirse desde objetos en cualquier longitud de onda, y a temperaturas muy altas dicha radiación se asocia con espectros muy por encima del infrarrojo, extendiéndose a las regiones visibles, ultravioletas e incluso de rayos X (por ejemplo, la corona solar ). Por lo tanto, la asociación popular de la radiación infrarroja con la radiación térmica es solo una coincidencia basada en las 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. Se trata de una propiedad de una superficie que describe cómo sus emisiones térmicas se desvían del ideal de un cuerpo negro . Para explicarlo mejor, dos objetos a la misma temperatura física pueden no mostrar la misma imagen infrarroja si tienen diferente emisividad. Por ejemplo, para cualquier valor de emisividad preestablecido, los objetos con mayor emisividad parecerán más calientes y aquellos con menor emisividad parecerán más fríos (suponiendo, como suele ser el caso, que el entorno circundante es más frío que los objetos que se observan). Cuando un objeto tiene una emisividad inferior a la perfecta, obtiene propiedades de reflectividad y/o transparencia, y por lo tanto la temperatura del entorno circundante se refleja parcialmente y/o se transmite a través del objeto. Si el objeto estuviera en un entorno más cálido, entonces un objeto con menor emisividad a la misma temperatura probablemente parecería más caliente que uno más emisivo. Por esa razón, la selección incorrecta de la emisividad y el no tener en cuenta las temperaturas ambientales darán resultados inexactos al utilizar cámaras infrarrojas y pirómetros.

Aplicaciones

Visión nocturna

Visión nocturna por infrarrojos activos: la cámara ilumina la escena con longitudes de onda infrarrojas invisibles para el ojo humano . A pesar de que la escena esté oscura y a contraluz, la visión nocturna por infrarrojos activos ofrece detalles identificativos, tal como se ven en el monitor.

Los equipos de visión nocturna utilizan infrarrojos cuando no hay suficiente luz visible para ver. [36] Los dispositivos de visión nocturna funcionan mediante un proceso que implica la conversión de fotones de luz ambiental en electrones que luego se amplifican mediante un proceso químico y eléctrico y luego se convierten nuevamente en luz visible. [36] Las fuentes de luz infrarroja se pueden utilizar para aumentar la luz ambiental disponible para la conversión mediante dispositivos de visión nocturna, lo que aumenta la visibilidad en la oscuridad sin usar realmente una fuente de luz visible. [36] [1]

El uso de luz infrarroja y dispositivos de visión nocturna no debe confundirse con la termografía , que crea imágenes basadas en diferencias de temperatura de la superficie al detectar la radiación infrarroja ( calor ) que emana de los objetos y su entorno circundante. [37] [10]

Termografía

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

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 infrarrojo cercano o visible, 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 automóviles debido a la gran reducción de los costos de producción.

Las cámaras termográficas detectan la radiación en el rango infrarrojo del espectro electromagnético (aproximadamente 9.000–14.000 nm o 9–14 μm) y producen imágenes de esa radiación. Dado que la radiación infrarroja es emitida por todos los objetos en función de su temperatura, de acuerdo con la ley de radiación del cuerpo negro, la termografía permite "ver" el entorno 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

Medición de la emisión infrarroja térmica hiperespectral , un escaneo al aire libre en condiciones invernales, temperatura ambiente de -15 °C, imagen generada con un generador de imágenes hiperespectrales 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. [38]
Luz infrarroja del LED de un control remoto registrada por una cámara digital

Una imagen hiperespectral es una "fotografía" que contiene un espectro continuo a lo largo de un amplio rango espectral en cada píxel. La obtención de imágenes hiperespectrales está cobrando importancia en el campo de la espectroscopia aplicada, en particular en las regiones espectrales NIR, SWIR, MWIR y LWIR. Entre las aplicaciones típicas se incluyen las mediciones biológicas, mineralógicas, de defensa e industriales.

La obtención de imágenes hiperespectrales infrarrojas térmicas se puede 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 . [39]

Otras imágenes

En la fotografía infrarroja , se utilizan filtros infrarrojos para capturar el espectro del infrarrojo cercano. Las cámaras digitales a menudo utilizan bloqueadores de infrarrojos . Las cámaras digitales y los teléfonos con cámara más baratos tienen filtros menos efectivos y pueden ver el infrarrojo cercano intenso, que aparece como un color blanco púrpura brillante. Esto es especialmente pronunciado cuando se toman fotografías de sujetos cerca de áreas brillantes de infrarrojos (como cerca de una lámpara), donde la interferencia infrarroja resultante puede desteñir la imagen. También existe una técnica llamada imágenes de " rayos T ", que es la obtención de imágenes utilizando radiación infrarroja lejana o de 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, la obtención de imágenes de rayos T ha sido de considerable interés debido a una serie de nuevos desarrollos, como la espectroscopia de dominio temporal 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

El rastreo por infrarrojos, también conocido como rastreo por infrarrojos, se refiere a un sistema pasivo de guía de misiles , que utiliza la emisión de un objetivo de radiación electromagnética en la parte infrarroja del espectro para rastrearlo. Los misiles que utilizan la búsqueda por infrarrojos a menudo se denominan "buscadores de calor", ya que el infrarrojo (IR) está justo por debajo del espectro visible de la luz en frecuencia y es irradiado con fuerza 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 infrarrojas de la luz en comparación con los objetos en el fondo. [40]

Calefacción

Secador de pelo infrarrojo para peluquerías , década de 2010

La radiación infrarroja se puede utilizar como fuente de calefacción deliberada. Por ejemplo, se utiliza en saunas infrarrojas para calentar a los ocupantes. También se puede utilizar en otras aplicaciones de calefacción, como para eliminar el hielo de las alas de los aviones (descongelación). [41] La radiación infrarroja se utiliza para cocinar, lo que se conoce como asar a la parrilla . Una ventaja energética es que la energía IR calienta solo objetos opacos, como alimentos, en lugar del aire que los rodea. [27]

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

Enfriamiento

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 ventana infrarroja de la atmósfera . Así es como las superficies de enfriamiento radiativo diurno pasivo (PDRC) pueden alcanzar temperaturas de enfriamiento subambientales bajo intensidad solar directa, mejorando el flujo de calor terrestre al espacio exterior con cero consumo de energía o contaminación . [42] [43] Las superficies PDRC maximizan la reflectancia solar de onda corta para disminuir la ganancia de calor mientras mantienen una fuerte transferencia de calor de radiación térmica infrarroja de onda larga (LWIR) . [44] [45] Cuando se imagina a escala mundial, este método de enfriamiento se ha propuesto como una forma de desacelerar e incluso revertir el calentamiento global , con algunas estimaciones que proponen una cobertura de superficie global del 1-2% para equilibrar los flujos de calor globales. [46] [47]

Comunicaciones

La transmisión de datos por infrarrojos también se emplea en comunicaciones de corto alcance entre periféricos de ordenador y asistentes digitales personales . Estos dispositivos suelen cumplir las normas publicadas por IrDA , la Asociación de Datos Infrarrojos. Los mandos a distancia y los dispositivos IrDA utilizan diodos emisores de luz (LED) infrarrojos 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 el infrarrojo muy cercano (por debajo de los 800 nm) por razones prácticas. Esta longitud de onda se detecta de forma 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 el uso en interiores en áreas de alta densidad de población. El infrarrojo no penetra en las paredes y, por lo tanto, no interfiere con otros dispositivos en habitaciones contiguas. El infrarrojo es la forma más común de que los mandos a distancia controlen los electrodomésticos. Los protocolos de control remoto por infrarrojos como RC-5 , SIRC, se utilizan para comunicarse por 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 coste de enterrar un cable de fibra óptica, salvo por el daño por radiación. "Como el ojo no puede detectar los rayos infrarrojos, es posible que no se puedan parpadear o cerrar los ojos para ayudar a prevenir o reducir el daño". [48]

Los láseres infrarrojos se utilizan para proporcionar luz a los sistemas de comunicaciones por fibra óptica . Las longitudes de onda de alrededor de 1330 nm (menor dispersión ) o 1550 nm (mejor transmisión) son las mejores opciones para las fibras de sílice estándar .

La transmisión de datos IR de versiones de audio de señales impresas se está investigando como una ayuda para personas con discapacidad visual a través del proyecto de señalización audible por infrarrojos a distancia . La transmisión de datos IR de un dispositivo a otro a veces se denomina " transmisión" .

A veces se utiliza IR para audio de asistencia como alternativa a un bucle de inducción de audio .

Espectroscopia

La espectroscopia vibracional infrarroja (ver también espectroscopia de infrarrojo cercano ) es una técnica que se puede utilizar 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 como un todo. Si una oscilación conduce a un cambio en el dipolo en la molécula, entonces absorberá un fotón que tiene la misma frecuencia. Las frecuencias vibracionales de la mayoría de las moléculas corresponden a las frecuencias de la luz infrarroja. Por lo general, la técnica se utiliza para estudiar compuestos orgánicos utilizando radiación de luz del infrarrojo medio, 4000–400 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 sobre su pureza (por ejemplo, una muestra húmeda mostrará una amplia absorción de OH alrededor de 3200 cm −1 ). La unidad para expresar la radiación en esta aplicación, cm −1 , es el número de onda espectroscópico . Es la frecuencia dividida por la velocidad de la luz en el vacío.

Metrología de película delgada

En la industria de semiconductores, la luz infrarroja se puede utilizar para caracterizar materiales como películas delgadas y estructuras de trincheras periódicas. Al medir la reflectancia de la luz de la superficie de una oblea de semiconductor, se pueden determinar el índice de refracción (n) y el coeficiente de extinción (k) 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 trincheras con una alta relación de aspecto.

Meteorología

Imagen de satélite IR de nubes cumulonimbus sobre las Grandes Llanuras de Estados Unidos.

Los satélites meteorológicos equipados con radiómetros de barrido producen imágenes térmicas o infrarrojas que permiten a un analista capacitado determinar la altura y el tipo de nubes, calcular las temperaturas de la tierra y del agua superficial y localizar las características de la superficie del océano. El barrido suele realizarse en el rango de 10,3 a 12,5 μm (canales IR4 e IR5).

Las nubes con cimas altas y frías, como los ciclones o las nubes cumulonimbus , a menudo se muestran en rojo o negro, las nubes más cálidas inferiores, como los estratos o los estratocúmulos, se muestran en azul o gris, y las nubes intermedias se sombrean en consecuencia. Las superficies terrestres cálidas se muestran en 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 aparecer. Sin embargo, utilizando la diferencia de brillo del canal IR4 (10,3–11,5 μm) y el canal infrarrojo cercano (1,58–1,64 μm), se pueden distinguir las nubes bajas, produciendo una imagen satelital de niebla . La principal ventaja de los infrarrojos es que se pueden producir imágenes por la noche, lo que permite estudiar una secuencia continua del clima.

Estas imágenes infrarrojas pueden representar remolinos o vórtices oceánicos y cartografiar corrientes como la Corriente del Golfo, que son valiosas para la industria naviera. Los pescadores y agricultores están interesados ​​en conocer las temperaturas de la tierra y el agua para proteger sus cultivos contra las heladas o aumentar su captura en el mar. Incluso se pueden detectar fenómenos de El Niño . Mediante 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, entre 6,40 y 7,08 μm, que muestra la cantidad de humedad en la atmósfera.

Climatología

El efecto invernadero con moléculas de metano, agua y dióxido de carbono que reirradian calor solar

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

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

Astronomía

Beta Pictoris con su planeta Beta Pictoris b, el punto celeste descentrado, visto en infrarrojo. Combina dos imágenes, el disco interior 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 este motivo, 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 utilizando helio líquido .

La sensibilidad de los telescopios infrarrojos terrestres está muy limitada por el vapor de agua presente en la atmósfera, que absorbe una parte de la radiación infrarroja procedente del espacio exterior a determinadas ventanas atmosféricas . Esta limitación se puede paliar en parte colocando el observatorio del telescopio a gran altitud o llevándolo en alto con un globo o una aeronave. 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 moleculares frías y oscuras de gas y polvo en nuestra galaxia brillarán con el calor irradiado por las estrellas incrustadas. 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, se pueden detectar 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 envueltos en gas y polvo. Las galaxias distantes con un alto corrimiento al rojo tendrán la porción máxima de su espectro desplazada hacia longitudes de onda más largas, por lo que se observan más fácilmente en el infrarrojo. [12]

Limpieza

La limpieza por infrarrojos es una técnica que utilizan algunos escáneres de películas cinematográficas , escáneres de película y escáneres de superficie plana para reducir o eliminar el efecto del polvo y los arañazos en el escaneo final . Funciona mediante la recolección de 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 infrarrojo, en combinación con los otros canales, se utiliza para detectar la ubicación de los arañazos y el polvo. Una vez ubicados, esos defectos se pueden corregir mediante escalado o reemplazar mediante retoque . [49]

Conservación y análisis de arte

Un reflectograma infrarrojo de Mona Lisa de Leonardo da Vinci

La reflectografía infrarroja [50] se puede aplicar a las pinturas para revelar las capas subyacentes de una manera no destructiva, en particular el dibujo subyacente o el contorno dibujado como guía por el artista. Los conservadores de arte utilizan la técnica para examinar cómo las capas visibles de pintura difieren del dibujo subyacente o las capas intermedias (tales alteraciones se denominan pentimenti cuando las realizó el artista original). Esta es una información muy útil para decidir si una pintura es la versión original 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 original. También proporciona información útil sobre las prácticas de trabajo. [51] La reflectografía a menudo revela el uso del negro de carbón por parte del artista , que se ve bien en los reflectogramas, siempre que no se haya utilizado también en el fondo subyacente a toda la pintura.

Los recientes avances en el diseño de cámaras sensibles a los rayos infrarrojos permiten descubrir y representar no solo pinturas subyacentes y pentimenti, sino pinturas enteras que luego fueron pintadas por el artista. [52] Ejemplos notables son Mujer planchando y Habitación azul de Picasso , donde en ambos casos se ha hecho visible un retrato de un hombre debajo de la pintura tal como se lo conoce hoy.

Los conservadores y científicos hacen usos similares de los rayos infrarrojos en varios tipos de objetos, especialmente documentos escritos muy antiguos como los Rollos del Mar Muerto , las obras romanas de la Villa de los Papiros y los textos de la Ruta de la Seda encontrados en las cuevas de Dunhuang . [53] El negro de carbón utilizado en la tinta puede verse extremadamente bien.

Sistemas biológicos

Imagen termográfica de una serpiente comiendo un ratón.

La víbora de foseta tiene un par de fosas sensoriales infrarrojas en la cabeza. Existe incertidumbre con respecto a la sensibilidad térmica exacta de este sistema de detección biológica por infrarrojos. [54] [55]

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 ), [56] mariposas de pigmentación oscura ( Pachliopta aristolochiae y Troides rhadamantus plateni ) y posiblemente chinches chupadores de sangre ( Triatoma infestans ). [57] Al detectar el calor que emite su presa, las serpientes crotalinas y boid identifican y capturan a sus presas utilizando sus órganos de fosetas sensibles a IR . Comparablemente, las fosetas sensibles a IR en el murciélago vampiro común ( Desmodus rotundus ) ayudan en la identificación de regiones ricas en sangre en su víctima de sangre caliente. El escarabajo joya, Melanophila acuminata , localiza incendios forestales a través de órganos de fosetas infrarrojos, donde en árboles recientemente quemados, depositan sus huevos. Los termorreceptores en las alas y antenas de las mariposas con pigmentación oscura, como Pachliopta aristolochiae y Troides rhadamantus plateni , las protegen del daño por calor mientras toman el sol. Además, se plantea la hipótesis de que los termorreceptores permiten a los insectos chupadores de sangre ( Triatoma infestans ) localizar a sus víctimas de sangre caliente al detectar el calor de su cuerpo. [57]

Algunos hongos como Venturia inaequalis requieren luz infrarroja cercana para ser expulsados. [58]

Aunque la visión en el infrarrojo cercano (780-1000 nm) se ha considerado imposible durante mucho tiempo debido al ruido en los pigmentos visuales, [59] se informó la sensación de luz en el infrarrojo cercano en la carpa común y en tres especies de cíclidos. [59] [60] [61] [62] [63] Los peces usan el infrarrojo cercano para capturar presas [59] y para la orientación de natación fototáctica. [63] La sensación del infrarrojo cercano en los peces puede ser relevante en condiciones de poca iluminación durante el crepúsculo [59] y en aguas superficiales turbias. [63]

Fotobiomodulación

La luz infrarroja cercana, o fotobiomodulación , se utiliza para el tratamiento de las úlceras bucales inducidas por la quimioterapia, así como para la cicatrización de heridas. Hay algunos trabajos relacionados con el tratamiento del virus del herpes. [64] 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. [65]

Peligros para la salud

La radiación infrarroja intensa en determinados entornos industriales de altas temperaturas puede ser peligrosa para los ojos y provocar daños o ceguera al usuario. Dado que la radiación es invisible, en dichos lugares se deben utilizar gafas especiales a prueba de rayos infrarrojos. [66]

Historia científica

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 utilizó 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 por el resultado y los llamó "rayos caloríficos". [67] [68] El término "infrarrojo" no apareció hasta finales del siglo XIX. [69] Un experimento anterior en 1790 por Marc-Auguste Pictet demostró la reflexión y el enfoque del calor radiante a través de espejos en ausencia de luz visible. [70]

Otras fechas importantes incluyen: [30]

La radiación infrarroja fue descubierta en 1800 por William Herschel.

Véase también

Notas

  1. ^ También radiación infrarroja
  2. ^ Temperaturas de los cuerpos negros para los cuales los picos espectrales caen en las longitudes de onda dadas, de acuerdo con la forma de longitud de onda de la ley de desplazamiento de Wien [23]

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