Инфракрасные фильтры: их применение в науке и технике

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

Не затихая ни на миг, вокруг нас и внутри нас клокочет незримый и неслышимый хаос электромагнитных волн. Каждый вид волн имеет свою длину — от десятков километров до ничтожных долей микрона. Этот длинный промежуток, или, иными словами, диапазон волн, далеко не однороден. Он как бы соткан из отдельных кусочков. Одни волны несут телевизионные изображения, другие — ультрафиолетовые лучи, одни волны лечат и исцеляют, другие — разят и губят…

Физики давно разобрались в этом кажущемся беспорядке. И на бумаге все встало на свои места. Пригодился каждый кусочек диапазона, каждому нашлось важное дело. Сначала весь диапазон разрубили на глазок. Видимый свет и просто тьма. Вскоре выяснилось, что тьма не мертва, как казалось поначалу. На диапазоне электромагнитных волн «правее» света продолжается невидимая радуга инфракрасного излучения. Эти лучи возникают везде, где температура хотя бы чуть выше абсолютного нуля. Они великолепно улавливаются датчиками. Чуткие приборы обнаруживают и точно измеряют самые различные источники: излучения лазера и тепловое дыхание далеких галактик.

Дальше — больше. Оказалось, что сама инфракрасная область не однородна по своим качествам, а тоже соткана из кусочков, только еще более мелких. «Мини-кусочки» обладают определенными свойствами, каждый из которых в отдельности или вкупе с другими имеет уникальные особенности. С помощью инфракрасных лучей ученые научились глубже исследовать строение тел, молекул, атмосферу дальних планет, видеть сквозь туман и ночную мглу, управлять ракетами и спутниками, раскрывать тайны старинных документов и следы преступлений. А сушка в инфракрасных лучах нашла самое существенное применение.

Хотя инфракрасные лучи усердно трудятся в различных областях науки и техники, будущее их видится ученым еще более привлекательным. И тут простая закономерность: чем уже участки инфракрасного спектра, которые удается вырезать из спектра, тем значительнее объем общей информации, ведь таких «кусочков» больше, более широкое поле деятельности открывается перед этими лучами. Но где взять то сито, которое просеивало бы только нужные лучи, отвергая все другие?

К тому времени, когда физики занялись этой проблемой, такое сито уже существовало в образе монохроматоров. Изящное слово «прибор» как-то не вяжется с внешним видом огромной установки величиной и весом под стать автомобилю, не говоря уже о дороговизне. Такую махину не положишь в карман. А практике нужны прочные, простые, надежные и, главное, компактные фильтры, способные работать в самых суровых условиях — в тепле, холоде, при вибрации, в космосе и на дне океанов. Фильтров нужно много, и потому, чтобы удовлетворить спрос, они должны быть дешевыми.

Проблема инфракрасных фильтров уходит корнями в основополагающие законы физики. Почему мы видим предметы вокруг себя? Благодаря свойствам отражения и преломления света. На границе двух разнородных тел, например воздуха и дерева, свет преломляется и попадает на сетчатку глаза. Поэтому мы видим предмет. А вот простой опыт, который продемонстрировали мне.

В пустую стеклянную колбу опущен на ниточке кристаллик. В колбу заливается прозрачная жидкость, кристаллик погружается в нее и… исчезает, будто растворяясь. Сквозь прозрачные стенки колбы видна нитка, погруженная в жидкость, но на конце нет ничего. Я тяну нитку вверх, и над поверхностью жидкости вновь появляется кристаллик.

На вопрос, почему кристаллик исчезает в жидкости, ответ и прост, и сложен. Дело в том, что оптические свойства кристаллика и жидкости в данном опыте однородны. Если как следует поискать, то можно подобрать пары таких веществ, которые, обладая разными физическими свойствами, одинаково отражают и преломляют электромагнитные волны определенной длины.

Эффект, о котором я рассказал, получил впервые датчанин Христиансен в конце XIX века. Через год английский физик Рэлей опубликовал работу, где сформулировал идею оптической однородности. Если пропускать электромагнитные волны через несколько разных веществ, то они, многократно преломившись, рассеются. Ну а если подобрать вещества с одинаковыми оптическими свойствами лишь для одной длины волн? Электромагнитные волны определенного узкого диапазона беспрепятственно пройдут сквозь это нагромождение веществ, тогда как другие волны рассеются и поглотятся.

В физике от идеи до ее практического применения по крайней мере две вершины, которые необходимо преодолеть. Первая — стабильный физический эффект. Вторая — технология изготовления. Физикам не раз представлялся случай убедиться в сложности преодоления этих вершин.

Следовало позаботиться сначала о самом простом, о самом главном — о непрозрачности фильтров для всех электромагнитных волн, кроме того узкого диапазона, который требовалось выделить. Для этой дели наилучшим образом подходили измельченные в порошок вещества. Будучи раздробленным на острые осколки, вещество превращается в мириады собранных воедино призм. Электромагнитные волны, хаотически преломляясь в этой каше, поглощаются и рассеиваются. Значит, инфракрасный фильтр будет представлять собою смесь двух порошков. Но каких?

Испробовали великое множество порошков, от сложных химических соединений до простой соли. Изучали кристаллические вещества на полимерной основе. Причем пробовали не все, что попадет под руку, — так и тысячи лет не хватит, — а только те вещества, которые имели «подозрительные» оптические свойства. Оптические свойства многих веществ, особенно — специально для того синтезированных, изучали заново. Больше того, смешивать порошки приходилось в строго определенном порядке и пропорциях.

С тех пор, когда начались эти исследования, прошло двадцать лет. Годы теоретических поисков и фундаментальных экспериментов завершились убедительными технологическими решениями.

Систему «кристалл — кристалл» освобождают от ненужного здесь воздуха путем прессования под давлением в десять тысяч атмосфер. В итоге — монолитные пластинки, по внешнему виду и размерам похожие на стекла солнцезащитных очков. Им не страшны ни колебания температуры, ни вибрации, присущие многим системам современной оптики. Они дешевы, ибо при их изготовлении используются отходы оптического производства в виде опилок и стружки дорогостоящих материалов.

Уже сегодня новые фильтры во многих случаях заменяют старших собратьев — приборы-монохроматоры. Новые фильтры успешно внедряются в практику. Они нашли свое место в приборах для молекулярного анализа, для исследования плазмы, в металлургии и металлообработке.

Ученые — специалисты в области физики атмосферы с помощью этих фильтров исследуют загрязненность воздуха, определяют, какие промышленные выбросы и в каких дозах вредны, а какие — нет. Да и сами конструкторы фильтров не остались в стороне от применения фильтров в различных приборах. Например, по заказу автомобилистов разработали газоанализатор для окиси углерода в выхлопных газах карбюраторных двигателей. Новинка проходит промышленную проверку./p>

Новые фильтры нашли применение в лазерной технике. Даже такие науки, как геология и геофизика, не обойдены. По тепловому излучению поверхности Земли ученые надеются получить ценные сведения о залежах полезных ископаемых.

А чего стоит только одна проблема пирометрии — измерение температуры на расстоянии! Скажем, идет плавка металла в домне. Ежеминутно требуются сведения о температурном режиме плавки. Но термометр в печь не засунешь. Потому часто весь процесс нагрева металла определяет интуиция и опыт металлургов. А прибор, оборудованный новым фильтром, расположенный на заданном расстоянии от печи, способен дать непрерывную и абсолютно точную, до десятых долей градуса, информацию.

Непрерывный дистанционный автоматический контроль — вот, пожалуй, самая грандиозная перспектива применения нового класса фильтров. Например, контроль готовой продукции на бумажной фабрике. Бумага должна иметь строго определенную влажность. Пересохнет — рассыплется, намокнет сверх нормы — слипнется в рулоне. А точно измерить влажность на расстоянии можно только с помощью инфракрасных фильтров. Или другой пример. Резец токарного станка точит деталь, а на место контакта резца с заготовкой льется струйка охлаждающей эмульсионной жидкости. Сколько надо лить этой жидкости? Дело не только в том, что жидкость эта стоит денег. От поступления жидкости зависит температурный режим обработки, а значит, качество детали.

Всюду, где производственные процессы идут с выделением или поглощением тепла, пригодятся новые фильтры. А таких процессов — необъятное множество.

Автор: А. Кичатов.