掌握科學(xué)規(guī)律，造福人類——從紅外談起
掌握科學(xué)規(guī)律，造福人類——從紅外談起
陳積芳：大家好，歡迎大家來到這里參加本次的名家科普講壇，今天我們請褚君浩教授為大家作題為《掌握科學(xué)規(guī)律，造福人類——從紅外談起》的科普報告。先介紹一下褚君浩先生，他是研究員、博士生導(dǎo)師，1968年畢業(yè)于上海師范學(xué)院物理系。現(xiàn)任中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所科技委副主任、“紅外與毫米波學(xué)報”主編、上海市物理學(xué)會副理事長、中國物理學(xué)會光物理專業(yè)委員會副主任、九三學(xué)社上海市委副主委、第十屆全國人大代表。
今天天氣很熱，所以我們把場地轉(zhuǎn)移到了這里，科普網(wǎng)同時對本次活動進(jìn)行網(wǎng)上直播，對來到現(xiàn)場參加報告會的同志們我們表示熱烈歡迎。(14:05)
褚君浩：今天非常高興在科協(xié)這個平臺介紹紅外技術(shù)，我講的 題目是《掌握科學(xué)規(guī)律，造福人類——從紅外談起》。目的是掌握自然規(guī)律，造福人類生活。我會從以下幾個方面一一講解。首先介紹一下紅外世界。我們每天都與光打交道，我們常見的日光是由赤、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫這七色光組成的，七色光最早是由牛頓發(fā)現(xiàn)的。科學(xué)家在研究光譜溫度時發(fā)現(xiàn)，在可見光邊上，有一種光也會有溫度輻射，可是我們?nèi)庋垡姴坏剑@就是紅外光。任何物體都會發(fā)射紅外線，除了物體的溫度為零外。研究發(fā)現(xiàn)，黑色物體輻射溫度的能力最強(qiáng)，也就是常說的黑體輻射，黑體輻射的強(qiáng)度就像圖上所示，面積與溫度的四次方成正比，它能完全把能量輻射出來。(14:19)
諸君浩：紅外方面有三個問題，分別是紅外探測、紅外運(yùn)輸和紅外發(fā)射。紅外探測包括夜視、熱像、成像光譜、紅外隱身等，紅外傳輸研究范圍包括傳輸元件 、光通訊元件等，紅外發(fā)射研究范圍包括黑體、紅外輻射體、紅外激光、選擇輻射光源等。
今天我要講的主要是紅外探測。這是一個古老的學(xué)科，在今天又有了新的發(fā)展。如果你能夠看到紅外世界，看很清楚，那么你的認(rèn)知能力就增強(qiáng)。紅外是視覺的延伸。新發(fā)展的原因在于以下兩個方面：一、現(xiàn)在人類對光與物質(zhì)相互作用的認(rèn)識深入，新思路的引進(jìn)。二、對材料特性控制能力增強(qiáng)新物質(zhì)系統(tǒng)。 (14:43)
諸君浩：我們要講的第二點(diǎn)是紅外眼睛也就是紅外探測器。三個方面的材料：窄禁帶半導(dǎo)體碲鎘汞、半導(dǎo)體量子阱、量子點(diǎn)、鐵電薄膜、多晶硅、氧化礬。紅外眼睛有兩種類型：熱敏型和光子型。
從熱敏型的發(fā)現(xiàn)時間來看，1822年塞貝克發(fā)現(xiàn)了溫差電效應(yīng)，1830年Nobili發(fā)明溫差電型輻射探測器，1880年Langley發(fā)明測輻射熱計，1940年發(fā)明熱敏電阻紅外探測器，1947年高萊發(fā)明氣動式紅外探測器，上世紀(jì)50年代發(fā)明半導(dǎo)體溫差電型紅外探測器，上世紀(jì)60年代發(fā)明熱釋電型紅外探測器 。它的優(yōu)點(diǎn)是波長寬，缺點(diǎn)是速度慢。它利用紅外輻射加熱細(xì)金屬絲，金屬絲溫度升高而改變電阻，然后用惠斯頓電橋測量微小的電阻改變。
光子型紅外眼睛的特點(diǎn)是速度快。在第一次世界大戰(zhàn)期間，研制出Tl2S光電導(dǎo)，波長1.1微米，1930年德國研制 PbS光電導(dǎo)，波長2.7微米。二戰(zhàn)以后，美、英、蘇、法發(fā)展PbS、PbTe、PbSe、InSb，在8~14微米波段。 起初，Ge:Hg紅外探測器，液氫溫度（38K）。后來，Hg1-xCdxTe，液氮溫度（77K）。改變組分x，可以覆蓋1~3，3~5以及8~14微米三個重要大氣窗口。 (14:44)
諸君浩：紅外眼睛的作用主要體現(xiàn)在三個方面，一個是圖像(空間分布)的分辨，空間背景中運(yùn)動目標(biāo)的識別、不完整圖像識別，第二是熱象(溫度分布)的顯示，火焰溫度分布、江河堤壩管涌及崩塌、醫(yī)用、工業(yè)熱象，第三是譜像(光譜分布)，凝聚態(tài)物質(zhì)系統(tǒng)的光譜特征和應(yīng)用。它的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，在去年SARS期間，我們就應(yīng)用紅外測溫儀來檢測人體溫度。(14:45)
褚君浩：現(xiàn)在我們把這個紅外眼睛放到天上，就是常說的航天遙感了。我們所里研制的風(fēng)云一號、二號B氣象衛(wèi)星都裝有紅外眼睛。通過航天遙感器將云圖傳送到天文臺，隨后氣象工作者通過分析云圖發(fā)布當(dāng)天的天氣預(yù)報。這是氣象遙感圖，這里是漩渦。如果把紅外眼睛放到飛機(jī)上就是航空遙感，它的好處就是比較方便，可以隨用隨裝，今天用完以后就可以把這臺儀器拿下來，下次再用。如果壞了的話，也能隨時拆下來檢修，不像航天遙感器，壞了就沒辦法修理了，不過它們是各司其職，各有各的用途。這是一張澳門遙感圖，當(dāng)時澳門回歸的時候需要一張比較精確的澳門地圖，這是我們所第二研究室做的航空遙感圖，非常清楚。我們還可以通過紅外遙感探測材料的好壞等。(14:51)
褚君浩：現(xiàn)在我們休息五分鐘，稍后繼續(xù)。(14:57)
諸君浩：剛才我們說到日常生活中使用的紅外眼睛都是單元器件，需要兩維掃描才可以。掃描就比較慢，如果觀察的物體運(yùn)動比較慢就沒問題，比如說看臺風(fēng)就沒問題，但是如果要看F16戰(zhàn)斗機(jī)，速度很快，就需要有凝視式的紅外眼睛，也叫紅外焦平面探測器。焦平面實際上是一個芯片，如果把焦平面放在導(dǎo)彈上面，那就是巡航導(dǎo)彈。它先拍一張打擊目標(biāo)的照片，當(dāng)看到的目標(biāo)和拍攝下來的打擊目標(biāo)一致的時候，就能準(zhǔn)確命中了。把紅外焦平面放在雷達(dá)上面，就是紅外雷達(dá)。現(xiàn)在我們看到的是“128X1長波碲鎘汞線列焦平面成像圖”，之所以看到三個手，其中兩個都是遺留下來的手印。
下面我們來看看紅外功能材料制備問題：第一是窄禁帶半導(dǎo)體材料，例如HgCdTe、InSb，InSbAs，PbTe，PbEuTe，現(xiàn)在大家關(guān)心的是有沒有新型紅外探測器材料？第二是半導(dǎo)體低維結(jié)構(gòu)－量子阱、線、點(diǎn)，實現(xiàn)紅外探測功能、紅外發(fā)光功能。第三是非致冷紅外探測材料（鐵電薄膜PZT、BST、SBT、PST…、氧化礬、多晶硅…)。第四是紅外輻射材料（高比輻射率，低比輻射率），那么有沒有比輻射率可以調(diào)控的復(fù)合材料？第五是紅外濾光片材料，紅外光子晶體。第六是紅外納米材料。第七是紅外非線性晶體。 (15:15)
褚君浩：第四個問題簡單介紹一下新型紅外成像方法探索。剛才說的都是紅外線轉(zhuǎn)變成電再變成可見光，那么有沒有一種材料可以使紅外線直接變成可見光呢，正在研究的基于半導(dǎo)體低維結(jié)構(gòu)與可見光CCD組合的紅外－可見新型讀出方式，基于微懸臂梁的紅外－可見新型讀出方式等等。如果成功的話，就好比我現(xiàn)在帶了一副眼鏡，燈一關(guān)，大家看不到我，我卻看得到大家。第二個辦法是正在研究的THz波，大概在兩年前國外開始研究的。據(jù)說，用這種方法的話，可以一眼就望到人的心臟、骨骼等的情況。這種波可以應(yīng)用于醫(yī)學(xué)上的二維成像；光譜（氣體探測）；食品檢測；水分檢測；火焰光譜；雷達(dá)建模；安全（爆炸物探測）；基礎(chǔ)研究等。 (15:21)
諸君浩：第五個問題，我簡單介紹以下紅外物理與其它學(xué)科的交叉。紅外物理本身是光學(xué)與凝聚態(tài)物理交叉。但是紅外物理又可以跟好多其他的學(xué)科交叉，比如材料、器件、生物、大氣、天文、地球、環(huán)境等。現(xiàn)在就講一個方面，宏觀凝聚態(tài)物質(zhì)體系和微納尺度成像光譜，它就可以跟好多學(xué)科交叉。目標(biāo)對象光譜特征和標(biāo)定，即紅外信息識別科學(xué)基礎(chǔ)及技術(shù)的應(yīng)用。通過譜像(光譜分布)來研究凝聚態(tài)物質(zhì)系統(tǒng)的光譜特征研究其在信息技術(shù)中的應(yīng)用。比如，空氣里面如果有硫化物，我們知道了硫的光譜，只要在空氣中發(fā)現(xiàn)同樣的光譜，就可以判定硫化物在空氣中的存在。紅外技術(shù)甚至還可以對農(nóng)作物估計產(chǎn)量，當(dāng)然此前要獲得它的標(biāo)準(zhǔn)光譜作為參考。
利用這種技術(shù)，首先要獲取對象的光譜特征。先作出標(biāo)準(zhǔn)，然后進(jìn)行識別，再進(jìn)行監(jiān)控。紅外還可以跟醫(yī)學(xué)進(jìn)行交叉。我們來看這張圖，這是腦部惡性腫瘤組織切片的紅外光譜研究。現(xiàn)在還有量子點(diǎn)，可以做生物學(xué)“標(biāo)識性探針”。顏色和光強(qiáng)組合,可“標(biāo)識”上百萬的生物分子（如DNA，人類自身僅約4萬個），這對基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的數(shù)據(jù)采集,以及生物大分子的細(xì)胞定位、相互作用及動態(tài)變化,實現(xiàn)對生物大分子的“編碼”及“查詢”等極具意義。 (15:29)
褚君浩：這張照片是新疆地區(qū)的一次地震前的地溫圖像，這張圖像的溫度很高，預(yù)示著要地震，果然第二天就發(fā)生了地震，地震以后能量釋放了，溫度就降低了。
所以說紅外研究，就是研究紅外到電再到可見紅外的過程，也就是研究物質(zhì)的運(yùn)動形態(tài)變化，從中掌握紅外技術(shù)，造福于人類。當(dāng)前在這方面還有很多要研究的，如紅外功能材料制備、紅外光電激發(fā)動力學(xué)研究、紅外量子器件、目標(biāo)對象光譜特征與標(biāo)定。我們通過這些研究讓古老的學(xué)科煥發(fā)青春，讓它從必然王國走向自由王國，讓紅外技術(shù)為世界和平作貢獻(xiàn)。謝謝大家！(15:35)
現(xiàn)場觀眾：8-14微米波產(chǎn)的紅外線對人體有什么影響？保健品使用遠(yuǎn)紅外的很多，能不能用？ (15:48)
諸君浩：任何具有27－30度溫度的物體都能發(fā)射這樣的波長，但發(fā)射出來有多有少。如果是灰體（塑料），發(fā)射出來就少，如果是黑體，基本就全部發(fā)射出來。如果我們把它做成器械，我們可以控制它的發(fā)射量。這個光對人體是沒有壞處的。當(dāng)然，這個光到底在體內(nèi)傳多遠(yuǎn)，還在研究中。至于保健品用的材料到底有沒有危害，要通過具體檢測。(15:49)
現(xiàn)場觀眾：通過紅外線，能檢測出鈾礦，那么能否測量哪里有原子彈？ (15:49)
諸君浩：可以檢測哪里有鈾礦，不過制成原子彈后，通過保存，那么紅外線就探測不到了。(15:50)
網(wǎng)友一品：請問禇研究員,中國和美國、日本這樣的技術(shù)先進(jìn)國家在紅外探測的軍用研究上有多大差距？會不會影響我們國家的安全？(16:21)
諸君浩：紅外物理的研究方面，中國在某些方面是走在前面的。在紅外技術(shù)方面，中國發(fā)展很快。我們風(fēng)云一號、二號成像的質(zhì)量和美國不相上下。我們和美國的差距主要是紅外焦平面方面。我們這方面正在加強(qiáng)研究。紅外技術(shù)和軍事方面聯(lián)系很大。我們購買美國焦平面器件，要通過很多手續(xù)，現(xiàn)在跟他們買是買不到的，必須通過我們自力更生研究。(16:21)
網(wǎng)友張云亭：聽說人在一個地方呆過，會留下紅外線的影子。這種說法是不是有科學(xué)根據(jù)？(16:22)
諸君浩：這是有科學(xué)根據(jù)的。只要有千分之一的溫度差，就可以發(fā)現(xiàn)。如果晚上保險箱被撬，只要現(xiàn)場沒有破壞，那么就會發(fā)現(xiàn)小偷模糊的影子。 (16:23)
網(wǎng)友色友：我曾經(jīng)聽過一種說法,說是如果按可見光的中對色彩的區(qū)分方式,那么紅外線的"色彩"比可見光要豐富的多?請問,褚研究員,這應(yīng)該如何理解?(16:23)
諸君浩：應(yīng)該說是這樣的，紅外線色彩比可見光豐富得多。它的波長范圍更廣，可惜我們的肉眼無法分辨。(16:24)
網(wǎng)友影子：我看到過一些用紅外線拍的照片，而且是彩色的，請問這些照片是真彩的嗎？(16:25)
諸君浩：應(yīng)該是假彩色，不同的波長一般用不同顏色表示。照片上的彩色顯示的實際是紅外不同的波段，彩色是人為加上的。(16:26)
網(wǎng)友阿容：請問諸教授，紅外技術(shù)在家庭生活中的應(yīng)用有哪些？(16:27)
諸君浩：家用的例子也比較多，比如紅外熱像儀監(jiān)視，紅外門鈴，紅外報警器等。(16:27)
網(wǎng)友廚師：既然紅外有很強(qiáng)的熱效應(yīng)，為什么沒有用紅外線做的爐子？這樣不是比煤氣又安全又有效嗎？(16:28)
諸君浩：這個效應(yīng)是以相同溫度來比較。紅外的熱效應(yīng)是在一定的溫度范圍內(nèi)，它的波長隨著溫度的變化而變化。(16:28)
網(wǎng)友王建軍：以前有一段時間,說某種型號的數(shù)碼相機(jī)可以利用紅外線進(jìn)行“透視”偷拍,不知道這是不是真的有可能?(16:29)
諸君浩：目前手機(jī)還沒有這種功能，所謂透視、偷拍是對新技術(shù)的展望，如果這個技術(shù)能普及，會有這個可能。(16:30)
陳積芳：大家今天聽了這個講座，相信都有很多收獲，我們感謝諸教授在繁忙的科研工作中抽時間為我們開講座，再次感謝諸教授，今天的講座到此結(jié)束，謝謝大家。(16:32)
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