مقدمة في بصريات الأشعة تحت الحمراء: المبادئ والتطبيقات

ما هي الأشعة تحت الحمراء البصرية: التعريف والأطوال الموجية

تشير بصريات الأشعة تحت الحمراء إلى دراسة واستخدام الضوء الذي يقع في طيف الأشعة تحت الحمراء. يقع ضوء الأشعة تحت الحمراء خلف النطاق المرئي مباشرة. وهي تمتد على أطوال موجية أطول من الضوء الأحمر ويمكن أن تصل إلى أضعاف هذا الطول. ويبدأ عمومًا من حوالي 700 نانومتر ويمتد إلى عدة آلاف من النانومترات.

يقع هذا الجزء من الطيف الضوئي خارج نطاق الرؤية البشرية. تكتشف معظم الأجهزة الإشعاع في هذا النطاق وتحوله إلى صورة أو إشارة مفيدة. من الناحية العملية، يظهر ضوء الأشعة تحت الحمراء في العديد من التطبيقات اليومية مثل أجهزة التحكم عن بُعد والكاميرات الحرارية وجميع أجهزة استشعار الحرارة. تدعم بصريات الأشعة تحت الحمراء فهمنا لأنماط الحرارة وانتقال الطاقة.

وتؤدي نطاقات محددة للأشعة تحت الحمراء أدوارًا مختلفة في البحث العلمي. على سبيل المثال، تُستخدم الأشعة تحت الحمراء القريبة في اتصالات الألياف الضوئية، بينما تُستخدم الأشعة تحت الحمراء المتوسطة في التحليل الكيميائي لأن العديد من الجزيئات تمتص هذا الضوء. من ناحية أخرى، تستخدم الأشعة تحت الحمراء البعيدة إلى حد كبير في دراسة انبعاث الحرارة من الأجسام. تُستخدم هذه الأطوال الموجية في كل شيء بدءًا من الأدوات المنزلية البسيطة إلى أجهزة البحث المتقدمة. يحدد طول الطول الموجي كيفية تفاعل الضوء مع المادة، وهو جانب أساسي ورئيسي في جميع التطبيقات البصرية بالأشعة تحت الحمراء.

مبادئ بصريات الأشعة تحت الحمراء: الانعكاس والانكسار والامتصاص

يتصرف ضوء الأشعة تحت الحمراء تماماً مثل الضوء المرئي في العديد من الطرق. تتضمن إحدى الطرق الرئيسية الانعكاس. عندما يصطدم ضوء الأشعة تحت الحمراء بجسم ما، يرتد جزء منه. وتعتمد الطريقة التي ينعكس بها الضوء على طبيعة السطح: فالأسطح الملساء المصقولة تعكس الضوء بطرق يمكن التنبؤ بها، لكن الأسطح الخشنة تبعثره في جميع الاتجاهات.

المبدأ الأساسي الآخر الذي تعتمد عليه بصريات الأشعة تحت الحمراء هو الانكسار. عندما ينتقل الضوء من مادة إلى أخرى، على سبيل المثال، من الهواء إلى الزجاج، فإنه ينحني. وهو يفعل ذلك لأن سرعة الضوء تختلف باختلاف المواد. في أجهزة الأشعة تحت الحمراء، يتم استخدام هذه الخاصية مع العدسات من أجل تركيز الضوء بدقة. يتم تصميم العدسات المصنوعة للأشعة تحت الحمراء بمواد لها معامل انكسار مناسب.

لكن الأهم من ذلك هو تأثير امتصاص الأشعة تحت الحمراء بواسطة المواد المستخدمة. يتضمن الامتصاص تحويل الضوء إلى حرارة. ويمكن الاستفادة من هذه الخاصية أو قد تكون مشكلة في بعض التطبيقات. على سبيل المثال، قد يستخدم الكاشف الامتصاص كأساس لقياس تغير درجة الحرارة. وفي حالات أخرى، قد يقلل الامتصاص من كفاءة النظام البصري. تختلف كمية الامتصاص باختلاف الطول الموجي والمادة. هذه المبادئ الثلاثة مهمة لفهم وتصميم الأدوات التي تستخدم الأشعة تحت الحمراء بفعالية.

المواد والمكونات البصرية بالأشعة تحت الحمراء

يعتمد نجاح كل نظام بصري إلى حد كبير على المواد والمكونات المختارة. تشمل المواد البصرية بالأشعة تحت الحمراء الجرمانيوم وزجاج الكالكوجينيد وسيلينيد الزنك. لكل من هذه المواد خصائص تساعد على انتقال الأشعة تحت الحمراء مع تقليل الامتصاص غير المرغوب فيه.

المكون الرئيسي في هذه الأنظمة هو العدسات. تختلف عدسات الأشعة تحت الحمراء تمامًا عن العدسات الزجاجية العادية. فهي تحافظ على الوضوح والتركيز في طيف الأشعة تحت الحمراء. كما تشكل المنشور والمرشحات أيضًا جزءًا من هذه الأنظمة. قد تشتت المنشور ضوء الأشعة تحت الحمراء لدراسة خصائصه. وتحجب الفلاتر الأطوال الموجية غير المرغوب فيها وتسمح بمرور نطاق من الأشعة تحت الحمراء فقط من خلالها.

وتشمل العناصر الرئيسية الأخرى النوافذ والمرايا. تسمح النوافذ ذات المواد المتخصصة بمرور الأشعة تحت الحمراء مع توفير الحماية المادية. ويمكن للمرايا ذات الطلاء الخاص أن تعكس ضوء الأشعة تحت الحمراء بكفاءة عالية. تتيح مثل هذه المكونات إنشاء أدوات تعمل بشكل جيد في ظل مجموعة متنوعة من الظروف.

في الصناعة، حتى العيوب البسيطة في الأجزاء يمكن أن تؤدي إلى أخطاء كبيرة. ولهذا السبب، تم تطوير تقنيات تلميع وطلاء خاصة. وهي ناتجة عن سنوات من الدراسة والممارسة في مجال الهندسة البصرية. واليوم، يستخدم المحترفون المهرة عادةً هذه الأساليب في إنتاج مكونات جديرة بالثقة لتطبيقات الأشعة تحت الحمراء.

أجهزة الكشف بالأشعة تحت الحمراء وتقنيات الاستشعار

تقوم أجهزة الكشف بتحويل ضوء الأشعة تحت الحمراء إلى إشارات كهربائية مفيدة. هناك عدة أنواع من أجهزة الكشف شائعة الاستخدام. يستخدم بعضها مبدأ يسمى الكشف الحراري. في مثل هذه الأجهزة، تغير الأشعة تحت الحمراء التي تمتصها المادة درجة حرارتها. وهذا بدوره يغير خواصها الكهربائية. وتعد أجهزة البولومتر والكاشفات الحرارية أمثلة على أجهزة الكشف الحراري.

وهناك أيضًا أجهزة الكشف الكمومية، وهي تعتمد على تفاعل الضوء والإلكترونات داخل المادة. وتتميز باستجابات سريعة ويمكن أن تعمل بشكل جيد حتى في حالة الضوء الساقط الضعيف. قد ترى هذه الأجهزة مستخدمة في الكاميرات المتقدمة وأجهزة قياس الطيف.

تشكل بصريات الأشعة تحت الحمراء الأساس للعديد من تقنيات الاستشعار المختلفة. وتشمل تقنيات الاستشعار هذه مراقبة درجة الحرارة واكتشاف الحركة والتحليل البيئي. على سبيل المثال، تسهل أجهزة الاستشعار بالأشعة تحت الحمراء عملية مفتشي المباني في التحقق من فقدان الحرارة، كما يدرس الباحثون الأجرام السماوية من خلال الكشف عن ضوء الأشعة تحت الحمراء البعيد عنها، وتستخدم مصانع تجهيز الأغذية أجهزة استشعار بالأشعة تحت الحمراء لضمان جودة منتجاتها واتساقها. وقد أدت الإشارة الواضحة التي توفرها هذه الكواشف إلى بناء الثقة في تقنية الأشعة تحت الحمراء كوسيلة للقياس الدقيق والموثوق.

وتتميز أنظمة الاستشعار بالأشعة تحت الحمراء المتقدمة بإلكترونيات عالية السرعة مقترنة بمكونات بصرية محسنة. وتلتقط هذه الأنظمة التغيرات السريعة في الضوء وتنتج صورًا مفصلة للغاية. ستضمن التحسينات المستمرة في مواد الكاشف والإلكترونيات أداءً أفضل في المستقبل.

التطبيقات الصناعية والعلمية لبصريات الأشعة تحت الحمراء

توجد العديد من التطبيقات العملية مع بصريات الأشعة تحت الحمراء. فهي تعمل على مراقبة درجات حرارة المعدات الصناعية. هذه الكاميرات الحرارية مفيدة لفرق الصيانة من أجل معرفة الأجزاء المحمومة من الآلات. على سبيل المثال، يستخدم مصنع السيارات كاميرات الأشعة تحت الحمراء لاكتشاف الاحتكاك أو المكونات المعطلة قبل تعطلها.

ويستفيد المجتمع العلمي أيضاً. تلعب بصريات الأشعة تحت الحمراء دورًا مهمًا في علم الفلك. ويمكن للتلسكوبات المزودة بأجهزة الأشعة تحت الحمراء أن ترى من خلال الغبار الكوني. وتكشف هذه الميزة عن النجوم والأجرام السماوية الأخرى التي قد تفوتها الأجهزة البصرية العادية. وأثناء الرصد البيئي، تساعد تقنيات الأشعة تحت الحمراء في تحديد درجة حرارة الماء وتحليل جودة الهواء وقياس مستويات رطوبة التربة.

وهناك مجال مهم آخر هو التصوير الطبي: حيث تراقب كاميرات الأشعة تحت الحمراء الدورة الدموية وتساعد في تشخيص المشاكل في عملية حركة الدم. وفي بعض الأحيان، تُستخدم كاميرات الأشعة تحت الحمراء كوسيلة غير جراحية لدراسة الأمراض الجلدية أو الكشف عن المناطق الملتهبة. كما يستخدم الباحثون مجسات الأشعة تحت الحمراء في التحليل الكيميائي. فهم يحددون بعض المواد الكيميائية ويراقبون عمليات التفاعل في الوقت الحقيقي؛ وهذا مثال آخر على استخدام الأشعة تحت الحمراء في بيئة مختبرية.

وتستفيد هذه التطبيقات من الدراسة الدقيقة لخصائص المواد وتصميمها. ومع التحسينات الصغيرة في جودة المكونات، ازداد الأداء في البيئات الوعرة بشكل مطرد. ومع بحث الصناعات عن طرق أكثر أمانًا وفعالية في العمل، أصبحت الأدوات البصرية بالأشعة تحت الحمراء جزءًا مهمًا من مراقبة الجودة والتحليل.

الأسئلة المتداولة

و: ما هي التطبيقات المعتادة للأشعة تحت الحمراء في الحياة اليومية؟

تتضمن التطبيقات التي تُستخدم فيها التصوير الحراري، ومراقبة درجة الحرارة، ومراقبة الجودة، والاستشعار غير التلامسي.

و: ما هي المواد الشائعة في بصريات الأشعة تحت الحمراء؟

تُستخدم مواد مثل الجرمانيوم وزجاج الكالكوجينيد وسيلينيد الزنك على نطاق واسع.

و: كيف تعمل كاشفات الأشعة تحت الحمراء ببساطة؟

ج: تقوم بتحويل الطاقة الضوئية إلى حرارة أو إشارات كهربائية باستخدام التأثيرات الحرارية أو الكمية.