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Infrarrojo

Imagen en falso color de dos personas tomada con radiación infrarroja de onda larga (temperatura corporal térmica). El infrarrojo ( IR ; a veces llamado luz infrarroja ) es radi...

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Imagen en falso color de dos personas tomada con radiación infrarroja de onda larga (temperatura corporal térmica).

El infrarrojo ( IR ; a veces llamado luz infrarroja ) 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 las ondas que son ligeramente más largas que las de la luz roja (las ondas más largas en el espectro visible ), por lo que el IR es invisible para el ojo humano. Generalmente se entiende que el IR (según ISO, CIE) incluye longitudes de onda desde alrededor de 780 nm (380 THz ) hasta 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 una forma de EMR, IR transporta energía y momento , ejerce presión de radiación y tiene propiedades que corresponden tanto a las de una onda como a las de una partícula , el fotón . [ 5 ]     

Se sabía desde hacía tiempo que los fuegos emiten calor invisible ; en 1681, el experimentador pionero Edme Mariotte demostró que el vidrio, aunque transparente a la luz solar, obstruía el calor radiante. [ 6 ] [ 7 ] 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 en un termómetro . [ 8 ] Finalmente, gracias a los estudios de Herschel, se descubrió que algo más de la mitad de la energía del Sol llega a la Tierra en forma de infrarrojo. El equilibrio entre la radiación infrarroja absorbida y emitida tiene un efecto importante en el clima de la Tierra .

La radiación infrarroja es emitida o absorbida por las moléculas al cambiar sus movimientos rotacionales-vibracionales. Excita modos vibracionales en una molécula mediante un cambio en el momento dipolar , lo que la convierte en un rango de frecuencias útil para el estudio de estos estados energéticos en moléculas con la simetría adecuada. La espectroscopia infrarroja examina la absorción y transmisión de fotones en el rango infrarrojo. [ 9 ]

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 personas o animales sin que el observador sea detectado. La astronomía infrarroja utiliza telescopios equipados con sensores para penetrar regiones polvorientas del espacio, como nubes moleculares , para detectar objetos como planetas y para observar objetos con un alto desplazamiento al rojo de los primeros días del universo . [ 10 ] 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 en la extinción de incendios y para detectar el sobrecalentamiento de componentes eléctricos. [ 11 ] Las aplicaciones militares y civiles incluyen adquisición de objetivos , vigilancia , visión nocturna , localización y seguimiento. Los humanos a temperatura corporal normal irradian principalmente en longitudes de onda alrededor de 10  μm. Entre sus usos no militares se incluyen el análisis de la eficiencia térmica , la monitorización ambiental, las inspecciones de instalaciones industriales, la detección de cultivos ilegales de marihuana , la medición remota de la temperatura, la comunicación inalámbrica de corto alcance , la espectroscopia y la previsión meteorológica .

Definición y relación con el espectro electromagnético

No existe una definición universalmente aceptada del rango de la radiación infrarroja. Generalmente, se considera que abarca desde el límite rojo nominal del espectro visible a 780 nm hasta 1  mm. Este rango de longitudes de onda corresponde a un rango de frecuencias de aproximadamente 430  THz a 300  GHz. Más allá del infrarrojo se encuentra la porción de microondas del espectro electromagnético . Cada vez más, la radiación de terahercios se considera parte de la banda de microondas, no del infrarrojo, desplazando el límite de la banda infrarroja a 0,1  mm (3  THz).

Naturaleza

La luz solar , a una temperatura efectiva de 5780 K (5510 °C, 9940 °F), se compone de radiación del espectro cercano al térmico, que es ligeramente superior a 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 . [ 13 ] Casi toda la radiación infrarroja en 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 infrarrojo en la región del infrarrojo medio, mucho más larga que la 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, solo 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. [ 14 ]

Regiones

En general, los objetos emiten radiación infrarroja en un espectro de longitudes de onda, pero a veces solo interesa una región limitada del espectro, ya que los sensores suelen captar la radiación únicamente 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 se suele subdividir en secciones más pequeñas, aunque la forma en que se divide el espectro infrarrojo varía según las distintas áreas en las que se utiliza esta tecnología.

Límite visible

Generalmente se considera que la radiación infrarroja comienza con longitudes de onda mayores que las visibles para el ojo humano. No existe un límite de longitud de onda fijo para lo que es visible, ya que la sensibilidad del ojo disminuye rápida pero gradualmente para longitudes de onda superiores a unos 700  nm. Por lo tanto, se pueden ver longitudes de onda ligeramente mayores si son suficientemente brillantes, aunque aún podrían clasificarse como infrarrojas según las definiciones habituales. La luz de un láser de infrarrojo cercano puede aparecer como un rojo tenue y representar un peligro, ya que puede transportar una gran cantidad de energía. Incluso la radiación infrarroja con longitudes de onda de hasta 1050  nm proveniente de láseres pulsados ​​puede ser vista por los humanos bajo ciertas condiciones. [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]

Esquema de subdivisión de uso común

Un esquema de subdivisión comúnmente utilizado es: [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]

Comparación de una imagen térmica (arriba) y una fotografía convencional (abajo). La bolsa de plástico es prácticamente transparente a la luz infrarroja de onda larga, pero las gafas del hombre son opacas.

La banda que comprende NIR y SWIR juntas a veces se denomina infrarrojo reflejado , mientras que la banda que comprende MWIR y LWIR a veces se 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: [ 23 ] [ 24 ]

Esquema ISO 20473

La norma ISO 20473 especifica el siguiente esquema: [ 25 ]

Plan de división de astronomía

Los astrónomos suelen dividir el espectro infrarrojo de la siguiente manera: [ 26 ]

Estas divisiones no son precisas y pueden variar según la publicación. Las tres regiones se utilizan para la observación de diferentes rangos de temperatura, [ 27 ] y por lo tanto, diferentes entornos en el espacio.

El sistema fotométrico más común utilizado en astronomía asigna letras mayúsculas a diferentes regiones espectrales según los filtros empleados; I, J, H y K abarcan las longitudes de onda del infrarrojo cercano; L, M, N y Q se refieren a la región del infrarrojo medio. Estas letras se suelen entender en referencia a las ventanas atmosféricas y aparecen, por ejemplo, en los títulos de muchos artículos .

Esquema de división de 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: [ 28 ]

  • 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: de 1,0 a 3  μm (desde el límite de absorción del silicio hasta el de la ventana atmosférica del infrarrojo medio). 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: de 3 a 5  μm (definido por la ventana atmosférica y cubierto por el antimoniuro de indio , InSb, y el telururo de mercurio y cadmio , HgCdTe, y parcialmente por el seleniuro de plomo , PbSe).
  • Infrarrojo de onda larga: de 8 a 12, o de 7 a 14  μm (esta es la ventana atmosférica cubierta por HgCdTe y microbolómetros ).
  • Infrarrojo de onda muy larga (VLWIR) (de 12 a aproximadamente 30  μm, cubierto por silicio dopado).

El infrarrojo cercano es la región con longitudes de onda más próximas a la radiación detectable por el ojo humano. El infrarrojo medio y el lejano se encuentran progresivamente más alejados del espectro visible. Otras definiciones se basan en diferentes mecanismos físicos (picos de emisión, bandas, absorción de agua) y las más recientes en razones técnicas (los detectores de silicio comunes son sensibles hasta aproximadamente 1050  nm, mientras que la sensibilidad del InGaAs  comienza alrededor de los 950 nm y termina entre 1700 y 2600  nm, según la configuración específica). Actualmente no existen estándares internacionales para estas especificaciones.

El inicio de la radiación infrarroja se define (según diferentes estándares) en varios valores, generalmente entre 700  nm y 800  nm, pero el límite entre la luz visible y la infrarroja no está definido con precisión. El ojo humano es notablemente menos sensible a la luz con  longitudes de onda superiores a 700 nm, por lo que las longitudes de onda más largas contribuyen de forma insignificante a las escenas iluminadas por fuentes de luz comunes. La luz infrarroja cercana particularmente intensa (por ejemplo, la de láseres , LED o luz diurna brillante con la luz visible filtrada) puede detectarse 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 tenue resplandor rojo, lo que causa cierta dificultad en la iluminación infrarroja cercana de escenas en la oscuridad (generalmente este problema práctico se resuelve con iluminación indirecta). Las hojas son particularmente brillantes en el infrarrojo cercano, y si se bloquea toda la luz visible que se filtra alrededor de un filtro infrarrojo, y se le da al ojo un momento para adaptarse a la imagen extremadamente tenue que pasa a través de un filtro fotográfico infrarrojo visualmente opaco, es posible ver el efecto Wood , que consiste en follaje que brilla en el infrarrojo. [ 29 ]

bandas de telecomunicaciones

En las comunicaciones ópticas , la parte del espectro infrarrojo que se utiliza se divide en siete bandas en función de la disponibilidad de fuentes de luz, materiales transmisores/absorbentes (fibras) y detectores: [ 30 ]

La banda C es la banda dominante para las redes de telecomunicaciones de larga distancia . Las bandas S y L se basan en tecnología menos consolidada y no están tan extendidas.

Calor

Los materiales con mayor emisividad aparentan estar más cerca de su temperatura real que aquellos que reflejan más la temperatura de su entorno. En esta imagen térmica, el cilindro cerámico, al reflejar la temperatura ambiente más baja, parece estar más frío que su contenedor cúbico (hecho de carburo de silicio, un material más emisivo), cuando en realidad tienen la misma temperatura.

La radiación infrarroja se conoce popularmente como "radiación térmica" [ 31 ] , pero la luz y las ondas electromagnéticas de cualquier frecuencia calientan las superficies que las absorben. La luz infrarroja del Sol representa el 49% [ 32 ] del calentamiento de la Tierra, mientras que el resto se debe a la luz visible que se absorbe y luego se reemite en longitudes de onda más largas. Los láseres que emiten luz visible o ultravioleta pueden carbonizar el papel, y los objetos incandescentes emiten radiación visible. Los objetos a temperatura ambiente emiten radiación concentrada principalmente en la banda de 8 a 25 μm, pero esto no se distingue de la emisión de luz visible por objetos incandescentes y ultravioleta por objetos aún más calientes (véase cuerpo negro y ley de desplazamiento de Wien ) [ 33 ] . 

El calor es energía en tránsito que fluye debido a una diferencia de temperatura. A diferencia del calor transmitido por conducción o convección térmica , la radiación térmica puede propagarse a través del vacío . La radiación térmica se caracteriza por un espectro particular de múltiples longitudes de onda asociadas a la emisión de un objeto, debido a la vibración de sus moléculas a una temperatura determinada. Los objetos pueden emitir radiación térmica en cualquier longitud de onda, y a temperaturas muy elevadas, dicha radiación se asocia con espectros muy superiores al infrarrojo, extendiéndose a las regiones visible, ultravioleta 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 se encuentran a menudo cerca de la superficie del planeta Tierra.

El concepto de emisividad es fundamental para comprender las emisiones infrarrojas de los objetos. Esta propiedad de una superficie 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 sea más frío que los objetos observados). Cuando un objeto tiene una emisividad imperfecta, adquiere propiedades de reflectividad y/o transparencia, por lo que la temperatura del entorno circundante se refleja y/o se transmite parcialmente a través del objeto. Si el objeto estuviera en un entorno más caliente, un objeto con menor emisividad a la misma temperatura probablemente parecería más caliente que uno con mayor emisividad. Por esta razón, una selección incorrecta de la emisividad y no tener en cuenta las temperaturas ambientales dará resultados inexactos al usar 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 la oscuridad y la contraluz, la visión nocturna por infrarrojos activos permite identificar detalles, tal como se muestra en el monitor.

El infrarrojo se utiliza en equipos de visión nocturna cuando la luz visible es insuficiente para ver. [ 34 ] 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 de nuevo en luz visible. [ 34 ] Las fuentes de luz infrarroja se pueden utilizar para aumentar la luz ambiental disponible para la conversión por parte de los dispositivos de visión nocturna, aumentando la visibilidad en la oscuridad sin utilizar realmente una fuente de luz visible. [ 34 ] [ 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 superficial mediante la detección de radiación infrarroja ( calor ) que emana de los objetos y su entorno. [ 35 ] [ 8 ]

Termografía

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

La radiación infrarroja permite determinar a distancia la temperatura de los objetos (si se conoce su emisividad). Este proceso se denomina termografía o, en el caso de objetos muy calientes en el infrarrojo cercano o visible, pirometría . La termografía (imagen térmica) se utiliza principalmente en aplicaciones militares e industriales, pero la tecnología está llegando al mercado general en forma de cámaras infrarrojas para automóviles debido a la considerable reducción de los costes de producción.

Las cámaras termográficas detectan la radiación en el rango infrarrojo del espectro electromagnético (aproximadamente entre 9000 y 14 000 nm o entre 9 y 14  μm) y generan imágenes de dicha radiación. Dado que todos los objetos emiten radiación infrarroja en función de su temperatura, según 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 tanto, la termografía permite observar variaciones de temperatura (de ahí su nombre).

Imágenes hiperespectrales

Medición de emisión infrarroja térmica hiperespectral , escaneo al aire libre en condiciones invernales, temperatura ambiente de −15  °C, imagen producida 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. [ 36 ]
Luz infrarroja del LED de un mando a distancia , registrada por una cámara digital.

Una imagen hiperespectral es una "fotografía" que contiene un espectro continuo a través de un amplio rango espectral en cada píxel. La imagen hiperespectral está adquiriendo cada vez más importancia en el campo de la espectroscopia aplicada, especialmente en las regiones espectrales NIR, SWIR, MWIR y LWIR. Entre sus aplicaciones típicas se incluyen mediciones biológicas, mineralógicas, de defensa e industriales.

La obtención de imágenes hiperespectrales infrarrojas térmicas se puede realizar de forma 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 habitualmente para mediciones geológicas, vigilancia exterior y aplicaciones de UAV . [ 37 ]

Otras imágenes

Fotografía de luz reflejada en varios espectros infrarrojos para ilustrar su apariencia a medida que cambia la longitud de onda de la luz.

En la fotografía infrarroja , se utilizan filtros infrarrojos para capturar el espectro infrarrojo cercano. Las cámaras digitales suelen utilizar bloqueadores infrarrojos . Las cámaras digitales y los teléfonos con cámara más económicos tienen filtros menos eficaces y pueden captar infrarrojo cercano intenso, que aparece como un color blanco púrpura brillante. Esto es especialmente notorio al tomar fotografías de sujetos cerca de áreas brillantes de infrarrojo (como cerca de una lámpara), donde la interferencia infrarroja resultante puede saturar la imagen. También existe una técnica llamada imagen de " rayos T ", que consiste en obtener imágenes utilizando radiación infrarroja lejana o de terahercios . La falta de fuentes brillantes puede hacer que la fotografía de terahercios sea más difícil que la mayoría de las otras técnicas de imagen infrarroja. Recientemente, la imagen de rayos T ha sido de considerable interés debido a una serie de nuevos desarrollos, como la espectroscopia de dominio temporal de terahercios .

Seguimiento

El cabezal buscador IR de un MANPADS FIM-92

El seguimiento infrarrojo, también conocido como guiado infrarrojo, es un sistema de guiado pasivo de misiles que utiliza la radiación infrarroja emitida por un objetivo para rastrearlo. Los misiles que utilizan la búsqueda infrarroja suelen denominarse "buscadores de calor" debido a que los cuerpos calientes irradian radiación infrarroja con gran intensidad. Muchos objetos, como personas, motores de vehículos y aeronaves, generan calor, por lo que contrastan con fondos más fríos. [ 38 ]

Calefacción

Secador de pelo infrarrojo para salones de belleza , década de 2010 .

La radiación infrarroja puede utilizarse como fuente de calor deliberada. Por ejemplo, se emplea en saunas infrarrojas para calentar a los ocupantes. También puede utilizarse en otras aplicaciones de calefacción, como para eliminar el hielo de las alas de los aviones (descongelación). [ 39 ]

El calentamiento por infrarrojos también está ganando popularidad en procesos de fabricación industrial, como el curado de recubrimientos, el conformado de plásticos, el recocido, la soldadura de plásticos y el secado de impresiones. En estas aplicaciones, los calentadores infrarrojos sustituyen a los hornos de convección y al calentamiento por contacto.

Enfriamiento

Diversas tecnologías, tanto existentes como 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) logran temperaturas de enfriamiento inferiores a la ambiente bajo la intensidad solar directa, mejorando el flujo de calor terrestre hacia el espacio exterior sin consumo de energía ni contaminación . [ 40 ] [ 41 ] Las superficies PDRC maximizan la reflectancia solar de onda corta para reducir la ganancia de calor, manteniendo al mismo tiempo una fuerte transferencia de calor por radiación térmica infrarroja de onda larga (LWIR) . [ 42 ] [ 43 ] A escala mundial, este método de enfriamiento se ha propuesto como una forma de frenar 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. [ 44 ] [ 45 ]

Comunicaciones

La transmisión de datos por infrarrojos también se emplea en la comunicación de corto alcance entre periféricos de computadora y asistentes digitales personales . Estos dispositivos suelen cumplir con los estándares publicados por IrDA (Infrarrojo Data Association). Los controles remotos y los dispositivos IrDA utilizan diodos emisores de luz infrarroja (LED) para emitir radiación infrarroja que puede concentrarse mediante una lente en un haz que el usuario dirige al detector. El haz se modula , es decir, se enciende y se apaga, según un código que el receptor interpreta. Por razones prácticas, generalmente se utiliza infrarrojo cercano (por debajo de 800  nm). Esta longitud de onda es detectada eficientemente por fotodiodos de silicio económicos , que el receptor utiliza para convertir la radiación detectada en una corriente eléctrica . Esta 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 de variación lenta de la luz ambiental. Las comunicaciones por infrarrojos son útiles para uso en interiores en áreas de alta densidad de población. Los infrarrojos no penetran las paredes y, por lo tanto, no interfieren con otros dispositivos en habitaciones contiguas. Los infrarrojos son la forma más común para que los controles remotos controlen electrodomésticos. Los protocolos de control remoto por infrarrojos, como RC-5 y SIRC , se utilizan para comunicarse mediante infrarrojos.

La comunicación óptica en espacio libre mediante láseres infrarrojos puede ser una forma relativamente económica de instalar un enlace de comunicaciones en una zona urbana que opere a hasta 4 gigabits/s, en comparación con el coste de enterrar cable de fibra óptica, salvo por el daño causado por la radiación. «Dado que el ojo no puede detectar la radiación infrarroja, parpadear o cerrar los ojos para ayudar a prevenir o reducir el daño puede resultar inútil». [ 46 ]

Los láseres infrarrojos se utilizan para proporcionar la luz necesaria para los sistemas de comunicación por fibra óptica . Las longitudes de onda cercanas a 1330  nm (menor dispersión ) o 1550  nm (mejor transmisión) son las más adecuadas para las fibras de sílice estándar .

Se está investigando la transmisión de datos infrarrojos de versiones de audio de letreros impresos como una ayuda para personas con discapacidad visual a través del proyecto de señalización audible por infrarrojos remotos . La transmisión de datos infrarrojos de un dispositivo a otro a veces se denomina transmisión por haz .

En ocasiones, la tecnología infrarroja se utiliza para audio de asistencia como alternativa a un bucle de inducción de audio .

Espectroscopia

La espectroscopia vibracional infrarroja (véase también espectroscopia de infrarrojo cercano ) es una técnica que permite identificar moléculas mediante el análisis de sus enlaces constituyentes. Cada enlace químico en una molécula vibra a una frecuencia característica. Un grupo de átomos en una molécula (por ejemplo, CH₂ ) puede presentar múltiples modos de oscilación debido a los movimientos de estiramiento y flexión del grupo en su conjunto. Si una oscilación produce un cambio en el dipolo de la molécula, esta absorberá un fotón con la misma frecuencia. Las frecuencias vibracionales de la mayoría de las moléculas corresponden a las frecuencias de la luz infrarroja. Normalmente, esta técnica se utiliza para estudiar compuestos orgánicos mediante radiación de luz en la banda del infrarrojo medio, entre 4000 y 400 cm⁻¹  . Se registra un espectro de todas las frecuencias de absorción de la muestra. Esto permite obtener información sobre la composición de la muestra en términos de los grupos químicos presentes y 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 películas delgadas

En la industria de los semiconductores, la luz infrarroja se puede utilizar para caracterizar materiales como películas delgadas y estructuras de trinchera periódicas. Al medir la reflectancia de la luz en la superficie de una oblea semiconductora, 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 estructuras de trinchera de alta relación de aspecto.

Meteorología

Imagen satelital infrarroja de nubes cumulonimbus sobre las Grandes Llanuras de los Estados Unidos.

Los satélites meteorológicos equipados con radiómetros de escaneo producen imágenes térmicas o infrarrojas, que permiten a un analista capacitado determinar la altura y el tipo de nubes, calcular la temperatura de la tierra y del agua superficial, y localizar accidentes geográficos en la superficie oceánica. El escaneo se realiza normalmente 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 los cumulonimbos , suelen representarse en rojo o negro; las nubes bajas y más cálidas, como los estratos o los estratocúmulos, se muestran en azul o gris, y las nubes intermedias se sombrean en consecuencia. Las superficies terrestres calientes 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 de la superficie terrestre o marina circundante y no se visualizan. Sin embargo, utilizando la diferencia de brillo entre el canal IR4 (10,3–11,5  μm) y el canal del infrarrojo cercano (1,58–1,64  μm), se pueden distinguir las nubes bajas, produciendo una imagen satelital de niebla . La principal ventaja del infrarrojo es que las imágenes se pueden producir de noche, lo que permite estudiar una secuencia continua del clima.

Estas imágenes infrarrojas permiten visualizar remolinos o vórtices oceánicos y cartografiar corrientes como la Corriente del Golfo, información valiosa para la industria naviera. Pescadores y agricultores están interesados ​​en conocer las temperaturas del agua y la tierra para proteger sus cultivos de las heladas o aumentar sus capturas. Incluso se pueden detectar fenómenos como El Niño . Mediante técnicas de digitalización de color, las imágenes térmicas en escala de grises se pueden convertir a color para facilitar la identificación de la información deseada.

El principal canal de vapor de agua, situado entre 6,40 y 7,08  μm, puede ser detectado por algunos satélites meteorológicos y muestra la cantidad de humedad en la atmósfera.

Climatología

El efecto invernadero, con moléculas de metano, agua y dióxido de carbono que re-irradian calor solar, se produce cuando las moléculas de metano, agua y dióxido de carbono re-irradian calor solar.

En climatología, se monitorea la radiación infrarroja atmosférica 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 terrestre. Es uno de los parámetros principales 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 al aire libre. Se trata de un radiómetro infrarrojo de banda ancha con sensibilidad a la radiación infrarroja entre aproximadamente 4,5  μm y 50  μm.

Astronomía

Beta Pictoris con su planeta Beta Pictoris b, el punto azul claro descentrado, visto en infrarrojo. Combina dos imágenes; el disco interior se encuentra a 3,6  μm.

Los astrónomos observan objetos en la porción infrarroja del espectro electromagnético mediante componentes ópticos, como espejos, lentes y detectores digitales de estado sólido. Por esta razón, 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 con helio líquido .

La sensibilidad de los telescopios infrarrojos terrestres se ve significativamente limitada por el vapor de agua en la atmósfera, que absorbe parte de la radiación infrarroja proveniente del espacio fuera de ciertas ventanas atmosféricas . Esta limitación puede mitigarse parcialmente ubicando el observatorio del telescopio a gran altitud o transportándolo en globo o aeronave. Los telescopios espaciales no presentan este inconveniente, por lo que el espacio exterior se considera el lugar ideal para la astronomía infrarroja.

La porción infrarroja del espectro ofrece varias ventajas útiles para los astrónomos. Las frías y oscuras nubes moleculares de gas y polvo de nuestra galaxia emiten un brillo radiante debido al calor que irradian las estrellas que contienen. El infrarrojo también permite detectar protoestrellas antes de que comiencen a emitir luz visible. Las estrellas emiten una menor cantidad de energía en el espectro infrarrojo, por lo que los objetos fríos cercanos, como los planetas, pueden detectarse con mayor facilidad. (En el espectro de luz visible, el resplandor de la estrella enmascara la luz reflejada por un planeta).

La luz infrarroja también es útil para observar los núcleos de galaxias activas , que a menudo están cubiertos de 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. [ 10 ]

Limpieza

La limpieza infrarroja es una técnica utilizada por algunos escáneres de películas cinematográficas , escáneres de película y escáneres planos para reducir o eliminar el efecto del polvo y los arañazos en el escaneo final . Funciona mediante la adquisición 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 arañazos y polvo. Una vez localizados, estos defectos pueden corregirse mediante escalado o reemplazarse mediante relleno . [ 47 ]

Conservación y análisis del arte

Un reflectograma infrarrojo de Mona Lisa de Leonardo da Vinci

La reflectografía infrarroja [ 48 ] se puede aplicar a las pinturas para revelar las capas subyacentes de forma no destructiva, en particular el dibujo subyacente o el contorno dibujado por el artista como guía. Los conservadores de arte utilizan la técnica para examinar cómo las capas visibles de pintura difieren del dibujo subyacente o de las capas intermedias (tales alteraciones se denominan pentimenti cuando las realiza el artista original). Esta información es muy útil para decidir si una pintura es la versión original del artista o una copia, y si ha sido alterada por un trabajo de restauración excesivo. En general, cuantos más pentimenti, más probable es que una pintura sea la versión original. También proporciona información útil sobre las prácticas de trabajo. [ 49 ] La reflectografía a menudo revela el uso de negro de humo por parte del artista , que se ve bien en los reflectogramas, siempre que no se haya utilizado también en la imprimación subyacente de toda la pintura. La reflectografía infrarroja se puede realizar con cámaras digitales comerciales modificadas en la región espectral NIR o con instrumentos específicos en la región espectral SWIR. [ 50 ] La reciente extensión de la reflectografía a la región espectral MWIR [ 51 ] [ 52 ] ha demostrado ser capaz de detectar diferencias sutiles en los materiales de la superficie.

Finalmente, la reflectografía NIR se puede realizar con buenos resultados utilizando cámaras de teléfonos inteligentes. [ 53 ]

Los recientes avances en el diseño de cámaras sensibles al infrarrojo permiten descubrir y representar no solo capas subyacentes y arrepentimientos, sino también pinturas enteras que posteriormente fueron repintadas por el artista. [ 54 ] Ejemplos notables son Mujer planchando y Habitación azul de Picasso , donde en ambos casos se ha hecho visible un retrato de un hombre bajo la pintura tal como se conoce hoy.

Conservadores y científicos hacen usos similares del infrarrojo en varios tipos de objetos, especialmente documentos escritos muy antiguos como los Rollos del Mar Muerto , las obras romanas en la Villa de los Papiros y los textos de la Ruta de la Seda encontrados en las cuevas de Dunhuang . [ 55 ] El negro de humo 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 respecto a la sensibilidad térmica exacta de este sistema biológico de detección infrarroja. [ 56 ] [ 57 ]

Otros organismos que poseen órganos termorreceptores son las pitones (familia Pythonidae ), algunas boas (familia Boidae ), el murciélago vampiro común ( Desmodus rotundus ), una variedad de escarabajos joya ( Melanophila acuminata ), [ 58 ] mariposas de pigmentación oscura ( Pachliopta aristolochiae y Troides rhadamantus plateni ) y posiblemente chinches hematófagas ( Triatoma infestans ). [ 59 ] Al detectar el calor que emiten sus presas, las serpientes crotalinas y bóidas identifican y capturan a sus presas utilizando sus órganos de foseta sensibles al infrarrojo . De manera similar, las fosetas sensibles al infrarrojo en el murciélago vampiro común ( Desmodus rotundus ) ayudan a identificar regiones ricas en sangre en su víctima de sangre caliente. El escarabajo joya, Melanophila acuminata , localiza incendios forestales a través de órganos de foseta infrarrojos, donde depositan sus huevos en árboles recientemente quemados. 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 hematófagos ( Triatoma infestans ) localizar a sus víctimas de sangre caliente al detectar el calor de su cuerpo. [ 59 ]

Algunos hongos, como Venturia inaequalis , requieren luz infrarroja cercana para ser expulsados. [ 60 ]

Aunque la visión en el infrarrojo cercano (780–1000  nm) se ha considerado imposible durante mucho tiempo debido al ruido en los pigmentos visuales, [ 61 ] se informó de la sensación de luz infrarroja cercana en la carpa común y en tres especies de cíclidos. [ 61 ] [ 62 ] [ 63 ] [ 64 ] [ 65 ] Los peces utilizan el NIR para capturar presas [ 61 ] y para la orientación de la natación fototáctica. [ 65 ] La sensación de NIR en los peces puede ser relevante en condiciones de poca iluminación durante el crepúsculo [ 61 ] y en aguas superficiales turbias. [ 65 ]

Fotobiomodulación

La luz infrarroja cercana, o fotobiomodulación , se utiliza para el tratamiento de úlceras orales inducidas por quimioterapia, así como para la cicatrización de heridas. Existen algunos trabajos relacionados con el tratamiento del virus del herpes. [ 66 ] Los proyectos de investigación incluyen estudios sobre los efectos curativos del sistema nervioso central mediante la regulación positiva de la citocromo c oxidasa y otros posibles mecanismos. [ 67 ]

Riesgos para la salud

La intensa radiación infrarroja en ciertos entornos industriales de alta temperatura puede ser peligrosa para los ojos, provocando daños o ceguera al usuario. Dado que la radiación es invisible, es necesario usar gafas especiales con protección infrarroja en dichos lugares. [ 68 ]

Historia científica

El descubrimiento de la radiación infrarroja se atribuye al astrónomo William Herschel 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, mediante un aumento de la temperatura registrada en un termómetro . Se sorprendió con el resultado y los denominó "rayos caloríficos". [ 69 ] [ 70 ] El término "infrarrojo" no apareció hasta finales del siglo XIX. [ 71 ] El prefijo latino infra- significa debajo, ya que es luz debajo del rojo en el espectro. [ 72 ] Un experimento anterior en 1790 realizado por Marc-Auguste Pictet demostró la reflexión y el enfoque del calor radiante mediante espejos en ausencia de luz visible. [ 73 ]

Otras fechas importantes incluyen: [ 28 ]

La radiación infrarroja fue descubierta en 1800 por William Herschel.

Véase también

Notas

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