掌握科學(xué)規律，造福人類(lèi)——從紅外談起

掌握科學(xué)規律，造福人類(lèi)——從紅外談起

陳積芳：大家好，歡迎大家來(lái)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)規律，造福人類(lèi)——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、博士生導師，1968年畢業(yè)于上海師范學(xué)院物理系�，F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(huì )副理事長(cháng)、中國物理學(xué)會(huì )光物理專(zhuān)業(yè)委員會(huì )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(chǎng)地轉移到了這里，科普網(wǎng)同時(shí)對本次活動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)上直播，對來(lái)到現場(chǎng)參加報告會(huì )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(gè)平臺介紹紅外技術(shù)，我講的 題目是《掌握科學(xué)規律，造福人類(lèi)——從紅外談起》。目的是掌握自然規律，造福人類(lèi)生活。我會(huì )從以下幾個(gè)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(jiàn)的日光是由赤、橙、黃、綠、青、藍、紫這七色光組成的，七色光最早是由牛頓發(fā)現的�？茖W(xué)家在研究光譜溫度時(shí)發(fā)現，在可見(jiàn)光邊上，有一種光也會(huì )有溫度輻射，可是我們肉眼見(jiàn)不到，這就是紅外光。任何物體都會(huì )發(fā)射紅外線(xiàn)，除了物體的溫度為零外。研究發(fā)現，黑色物體輻射溫度的能力最強，也就是常說(shuō)的黑體輻射，黑體輻射的強度就像圖上所示，面積與溫度的四次方成正比，它能完全把能量輻射出來(lái)。(14:19)

諸君浩：紅外方面有三個(gè)問(wèn)題，分別是紅外探測、紅外運輸和紅外發(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(gè)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，那么你的認知能力就增強。紅外是視覺(jué)的延伸。新發(fā)展的原因在于以下兩個(gè)方面：一、現在人類(lèi)對光與物質(zhì)相互作用的認識深入，新思路的引進(jìn)。二、對材料特性控制能力增強新物質(zhì)系統。 (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(gè)方面的材料：窄禁帶半導體碲鎘汞、半導體量子阱、量子點(diǎn)、鐵電薄膜、多晶硅、氧化礬。紅外眼睛有兩種類(lèi)型：熱敏型和光子型。 
從熱敏型的發(fā)現時(shí)間來(lái)看，1822年塞貝克發(fā)現了溫差電效應，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(dòng)式紅外探測器，上世紀50年代發(fā)明半導體溫差電型紅外探測器，上世紀60年代發(fā)明熱釋電型紅外探測器 。它的優(yōu)點(diǎn)是波長(cháng)寬，缺點(diǎn)是速度慢。它利用紅外輻射加熱細金屬絲，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。在第一次世界大戰期間，研制出Tl2S光電導，波長(cháng)1.1微米，1930年德國研制 PbS光電導，波長(cháng)2.7微米。二戰以后，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(lái)，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(gè)重要大氣窗口。 (14:44)

諸君浩：紅外眼睛的作用主要體現在三個(gè)方面，一個(gè)是圖像(空間分布)的分辨，空間背景中運動(dòng)目標的識別、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、醫用、工業(yè)熱象，第三是譜像(光譜分布)，凝聚態(tài)物質(zhì)系統的光譜特征和應用。它的應用相當廣泛，在去年SARS期間，我們就應用紅外測溫儀來(lái)檢測人體溫度。(14:45)

褚君浩：現在我們把這個(gè)紅外眼睛放到天上，就是常說(shuō)的航天遙感了。我們所里研制的風(fēng)云一號、二號B氣象衛星都裝有紅外眼睛。通過(guò)航天遙感器將云圖傳送到天文臺，隨后氣象工作者通過(guò)分析云圖發(fā)布當天的天氣預報。這是氣象遙感圖，這里是漩渦。如果把紅外眼睛放到飛機上就是航空遙感，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(lái)，下次再用。如果壞了的話(huà)，也能隨時(shí)拆下來(lái)檢修，不像航天遙感器，壞了就沒(méi)辦法修理了，不過(guò)它們是各司其職，各有各的用途。這是一張澳門(mén)遙感圖，當時(shí)澳門(mén)回歸的時(shí)候需要一張比較精確的澳門(mén)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(guò)紅外遙感探測材料的好壞等。(14:51)

褚君浩：現在我們休息五分鐘，稍后繼續。(14:57)

諸君浩：剛才我們說(shuō)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(guān)察的物體運動(dòng)比較慢就沒(méi)問(wèn)題，比如說(shuō)看臺風(fēng)就沒(méi)問(wèn)題，但是如果要看F16戰斗機，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(shí)際上是一個(gè)芯片，如果把焦平面放在導彈上面，那就是巡航導彈。它先拍一張打擊目標的照片，當看到的目標和拍攝下來(lái)的打擊目標一致的時(shí)候，就能準確命中了。把紅外焦平面放在雷達上面，就是紅外雷達�，F在我們看到的是“128X1長(cháng)波碲鎘汞線(xiàn)列焦平面成像圖”，之所以看到三個(gè)手，其中兩個(gè)都是遺留下來(lái)的手印。 

下面我們來(lái)看看紅外功能材料制備問(wèn)題：第一是窄禁帶半導體材料，例如HgCdTe、InSb，InSbAs，PbTe，PbEuTe，現在大家關(guān)心的是有沒(méi)有新型紅外探測器材料？第二是半導體低維結構－量子阱、線(xiàn)、點(diǎn)，實(shí)現紅外探測功能、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(méi)有比輻射率可以調控的復合材料？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(xiàn)性晶體。 (15:15)

褚君浩：第四個(gè)問(wèn)題簡(jiǎn)單介紹一下新型紅外成像方法探索。剛才說(shuō)的都是紅外線(xiàn)轉變成電再變成可見(jiàn)光，那么有沒(méi)有一種材料可以使紅外線(xiàn)直接變成可見(jiàn)光呢，正在研究的基于半導體低維結構與可見(jiàn)光CCD組合的紅外－可見(jiàn)新型讀出方式，基于微懸臂梁的紅外－可見(jiàn)新型讀出方式等等。如果成功的話(huà)，就好比我現在帶了一副眼鏡，燈一關(guān)，大家看不到我，我卻看得到大家。第二個(gè)辦法是正在研究的THz波，大概在兩年前國外開(kāi)始研究的。據說(shuō)，用這種方法的話(huà)，可以一眼就望到人的心臟、骨骼等的情況。這種波可以應用于醫學(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；雷達建模；安全（爆炸物探測）；基礎研究等。 (15:21)

諸君浩：第五個(gè)問(wèn)題，我簡(jiǎn)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�，F在就講一個(gè)方面，宏觀(guān)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。目標對象光譜特征和標定，即紅外信息識別科學(xué)基礎及技術(shù)的應用。通過(guò)譜像(光譜分布)來(lái)研究凝聚態(tài)物質(zhì)系統的光譜特征研究其在信息技術(shù)中的應用。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)甚至還可以對農作物估計產(chǎn)量，當然此前要獲得它的標準光譜作為參考。

利用這種技術(shù)，首先要獲取對象的光譜特征。先作出標準，然后進(jìn)行識別，再進(jìn)行監控。紅外還可以跟醫學(xué)進(jìn)行交叉。我們來(lái)看這張圖，這是腦部惡性腫瘤組織切片的紅外光譜研究�，F在還有量子點(diǎn)，可以做生物學(xué)“標識性探針”。顏色和光強組合,可“標識”上百萬(wàn)的生物分子（如DNA，人類(lèi)自身僅約4萬(wàn)個(gè)），這對基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的數據采集,以及生物大分子的細胞定位、相互作用及動(dòng)態(tài)變化,實(shí)現對生物大分子的“編碼”及“查詢(xún)”等極具意義。 (15:29)

褚君浩：這張照片是新疆地區的一次地震前的地溫圖像，這張圖像的溫度很高，預示著(zhù)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(shuō)紅外研究，就是研究紅外到電再到可見(jiàn)紅外的過(guò)程，也就是研究物質(zhì)的運動(dòng)形態(tài)變化，從中掌握紅外技術(shù)，造福于人類(lèi)。當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(dòng)力學(xué)研究、紅外量子器件、目標對象光譜特征與標定。我們通過(guò)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。謝謝大家！(15:35)

現場(chǎng)觀(guān)眾：8-14微米波產(chǎn)的紅外線(xiàn)對人體有什么影響？保健品使用遠紅外的很多，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(cháng)，但發(fā)射出來(lái)有多有少。如果是灰體（塑料），發(fā)射出來(lái)就少，如果是黑體，基本就全部發(fā)射出來(lái)。如果我們把它做成器械，我們可以控制它的發(fā)射量。這個(gè)光對人體是沒(méi)有壞處的。當然，這個(gè)光到底在體內傳多遠，還在研究中。至于保健品用的材料到底有沒(méi)有危害，要通過(guò)具體檢測。(15:49)

現場(chǎng)觀(guān)眾：通過(guò)紅外線(xiàn)，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(guò)制成原子彈后，通過(guò)保存，那么紅外線(xiàn)就探測不到了。(15:50)

網(wǎng)友一品：請問(wèn)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(huì )不會(huì )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研究。紅外技術(shù)和軍事方面聯(lián)系很大。我們購買(mǎi)美國焦平面器件，要通過(guò)很多手續，現在跟他們買(mǎi)是買(mǎi)不到的，必須通過(guò)我們自力更生研究。(16:21)

網(wǎng)友張云亭：聽(tīng)說(shuō)人在一個(gè)地方呆過(guò)，會(huì )留下紅外線(xiàn)的影子。這種說(shuō)法是不是有科學(xué)根據？(16:22)

諸君浩：這是有科學(xué)根據的。只要有千分之一的溫度差，就可以發(fā)現。如果晚上保險箱被撬，只要現場(chǎng)沒(méi)有破壞，那么就會(huì )發(fā)現小偷模糊的影子。 (16:23)

網(wǎng)友色友：我曾經(jīng)聽(tīng)過(guò)一種說(shuō)法,說(shuō)是如果按可見(jiàn)光的中對色彩的區分方式,那么紅外線(xiàn)的"色彩"比可見(jiàn)光要豐富的多?請問(wèn),褚研究員,這應該如何理解?(16:23)

諸君浩：應該說(shuō)是這樣的，紅外線(xiàn)色彩比可見(jiàn)光豐富得多。它的波長(cháng)范圍更廣，可惜我們的肉眼無(wú)法分辨。(16:24)

網(wǎng)友影子：我看到過(guò)一些用紅外線(xiàn)拍的照片，而且是彩色的，請問(wèn)這些照片是真彩的嗎？(16:25)

諸君浩：應該是假彩色，不同的波長(cháng)一般用不同顏色表示。照片上的彩色顯示的實(shí)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(wèn)諸教授，紅外技術(shù)在家庭生活中的應用有哪些？(16:27)

諸君浩：家用的例子也比較多，比如紅外熱像儀監視，紅外門(mén)鈴，紅外報警器等。(16:27)

網(wǎng)友廚師：既然紅外有很強的熱效應，為什么沒(méi)有用紅外線(xiàn)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(gè)效應是以相同溫度來(lái)比較。紅外的熱效應是在一定的溫度范圍內，它的波長(cháng)隨著(zhù)溫度的變化而變化。(16:28)

網(wǎng)友王建軍：以前有一段時(shí)間,說(shuō)某種型號的數碼相機可以利用紅外線(xiàn)進(jìn)行“透視”偷拍,不知道這是不是真的有可能?(16:29)

諸君浩：目前手機還沒(méi)有這種功能，所謂透視、偷拍是對新技術(shù)的展望，如果這個(gè)技術(shù)能普及，會(huì )有這個(gè)可能。(16:30)

陳積芳：大家今天聽(tīng)了這個(gè)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(shí)間為我們開(kāi)講座，再次感謝諸教授，今天的講座到此結束，謝謝大家。(16:32)

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