KızılötesiKızılötesi (IR veya Infrared) ışınım, dalgaboyu görünür ışıktan uzun fakat terahertz ışınımından ve mikrodalgalardan daha kısa olan elektromanyetik ışınımdır. Teknolojide kabul edilen ismi olan infrared Latince'de aşağı anlamına gelen infra ve ingilizce kırmızı anlamına gelen red kelimelerinden oluşmaktadır ve kırmızı altı anlamına gelir. Kırmızı görünür ışığın en uzun dalgaboyuna sahip rengi. Kızılötesi ışınımın dalgaboyu 750 nanometre ile 1 milimetre arasındadır. Normal sıcaklığındaki insan vücudu 10 mikrometre civarında ışıma yapar.
Kızılötesi ışınımın keşfi genellikle bir 19. yüzyılda yaşamış bir gökbilimci olan William Herschel'a ithaf edilir. Herschel Royal Society of London'dan daha evvel, 1800 yılında bulgularını yayınlamıştır. Herschel bir üçgen prizma kullanarak güneşten gelen ışığı kırmış ve tayfın içinde kırmızının altında bulunan kızılötesi ışınımı bir termometre kullanarak tespit etmiştir. Sonuca şaşırarak bulduğu bu ışınıma "Kalorifik ışınlar" ismini vermiştir. Kızılötesi terimi 19. yüzyılın sonlarına kadar kullanıma girmemiştir.
Kızılötesi'nin kronolojisi şu şekildedir;
- 1835: Macedonio Melloni ilk termofil IR algılayıcıyı yaptı;
- 1860: Gustav Kirchhoff karacisim teorisi yayınladı ;
- 1873: Willoughby Smith selenyum'un fotogeçirgenliğini keşfetti;
- 1879: Stefan-Boltzmann formülünü deneysel olarak keşfetti;
- 1880ler & 1890lar: Lord Rayleigh ve Wilhelm Wien karacisim denkleminin bir parçasını çözdüler, fakat her iki çözüm de yaklaşık değerdeydi;
- 1901: Max Planck karacisim denklemini ve teorisini yayınladı. Sorunu mümkün olan enerji geçişlerini kuantize ederek çözdü;
- 1900lerin başı: Albert Einstein fotoelektrik etki teorisini geliştirerek, fotonun varlığını keşfetti;
- 1917: Theodore Case thallous sulfit algılayıcısını geliştirdi; İngilizler ilk kez 1. Dünya savaşında Kızılötesi arama ve takip sistemini geliştirerek 1.6km'ye kadar uçakları tespit etmekte kullandı;
- 1935: 2. Dünya savaşında ilk füze güdüm sistemleri geliştirildi;
- 1938: Teau Ta piroelektrik etkinin kızılötesi ışınımı tespit etmek için kullanılabileceği tahminini yürüttü;
- 1952: H. Welker InSb'yi keşfetti;
- 1950ler: Paul Kruse Texas Instruments ile birlikte 1955'ten önce ilk infrared görüntüleri elde etmeyi başardı;
- 1950ler ve 1960lar: Fred Nicodemenus, G.J. Zissis ve R. Clark, Jones tarafından radyometrik birimler ve terimler oluşturuldu.;
- 1958: W.D. Lawson Malvern'deki Royal Radar Establishment'ta HgCdTe'nin IR algılama özelliğini buldu;
- 1958: Kızılötesi takip yapan Falcon & Sidewinder füzeleri geliştirildi ve kızılötesi algılayıcılar üzerine ilk ders kitabı by Paul Kruse, et al. tarafından yayınlandı;
- 1961: J. Cooper piroelektrik algılayıcıların çalıştığını gösterdi;
- 1962: Kruse ve Rodat HgCdTe tekniğini geliştirdi;
- 1965: İlk IR elkitabı; ilk ticarı tarayıcılar (Barnes, Agema ); Richard Hudson'ın önemli metni; Hughes tarafından üretilen F4 TRAM FLIR ; A.B.D. ordusu gece görüş laboratuvarı kurdu ve Rachets burada algılama ve tanımlama üzerine çalışmalar yaptı;
- 1970: Willard Boyle & George E. Smith Bell Labs'de CCD fikrini görüntülü telefonlarda kullanması amacıyla teklif etti;
Kızılötesi ışınım altbantlarıNesneler oldukça geniş bir tayfta kızılötesi ışınım yayarlar, fakat algılayıcılar sadece belli bantgenişliklerini algılayabildikleri için genellikle kızılötesinden kastedilen belirli bantlardır. Bu yüzden kızılötesi bandı daha küçük altbantlara bölünmüştür.
Sıkça kullanılan bir bölümleme biçimi şöyledir:
- Yakın kızılötesi (NIR, IR-A DIN): 0.75-1.4 µm dalgaboyları arasındadır. Düşük kayıp miktarı yüzünden genellikle fiberoptik iletişimde kullanılmaktadır. Gece görüş ekipmanları da genellikle bu dalgaboyunu kullanır.
- Orta dalga kızılötesi (MWIR, IR-C DIN): 3-8 µm. Güdümlü füze teknolojisinde kullanılmaktadır.
- Uzun dalga kızılötesi (LWIR, IR-C DIN): 8–15 µm. Dışarıdan bir ışınım kaynağına gerek duymadan sadece nesnelerin yaydığı ısıyla çalışan termal görüntüleme cihazları bu bandı kullanır.
- Uzak kızılötesi (FIR): 15-1,000 µm
Astronomide ise kızılötesi tayf aşağıdaki gibi ayırılır :
- Yakın: (0.7-1) to 5 µm
- Orta: 5 to (25-40) µm
- Uzun: (25-40) to (200-350) µm
UygulamalarKızılötesi görüntüleme hem sivil hem de askeri kullanım alanları bulmuştur. Hedef tesbiti, gözlemleme, gece görüşü, güdüm ve takip sistemleri gibi askeri kullanım alanlarının yanında, ısıl verimlilik analizi, uzaktan sıcaklık ölçme, kısa mesafeli kablosuz iletişim, spektroskopi ve hava tahmini gibi alanlarda da kullanılmaktadır. Kızılötesi gökbilim algılayıcılarla donatılmış teleskoplar kullanarak uzayın normal teleskoplarla, moleküler bulutlar gibi uzay tozları yüzünden görüntülenemeyen alanlarını görüntülemekte, gezegenler gibi soğuk cisimleri bulmakta ve Evren'in uzak geçmişinden kalan yüksek miktarda kırmızıya kayma'ya sahip nesneleri görüntülemekte kullanılmaktadır.
Atom seviyesinde kızılötesi enerji dipol momentini değiştirerek molekülleri titreştirmekte kullanılmaktadır. Kızılötesi spektroskopi, kızılötesi frekanslara sahip fotonların soğurulması ve yayınlanmasını araştırır.
- Kızılötesi filtreler
- Kızılötesi filtreler birçok farkli malzemeden üretilebilir. Bunlardan bir tanesi görünür ışığın %99'unu kesebilen polysulphone isimli plastiktir. İnfrared filtreler asker gece görüş dürbünlerinde sahneyi kızılötesi ışıkla aydınlatırken, görünür ışığı keserek, dürbünün kullanıcısının dışarıdan görülmesini engeller.
- Gece görüş sistemleri
- Kızılötesi, görünür ışığın yeterli olmadığı durumlarda gece görüş sistemlerinde kullanılmaktadır. Gece görüş sistemleri ortamdaki az sayıda fotonun elektronlara çevirilerek, kimyasal ve elektriksel bir süreçle yükseltilmesi esasıyla çalışır. Örnek olarak Gece Görüş Dürbünleri verilebilir. Kızılötesi görüş sistemleri termografi ile karıştırılmamalıdır. Bu tip sistemler ortamdaki ışığı değil sıcak cisimler tarafından yayılan kızılötesi ışınımı kullanırlar.
- Termografi
- Kızılötesi ışınım cisinlerin sıcaklığını uzaktan belirlemeye yarar. Termografi (veya termal görüntüleme) genelde askeri ve sanayi amaçlarla kullanılsa da üretim maliyetlerinin düşmesiyle kızılötesi kameralar olarak tüketici pazarına da girmiş bulunmaktadır.
Kızılötesi ışınım her sıcaklıktaki cisim tarafından yayınlandığından (bkz: kara cisim ışınımı) termosgrafi sayesinde hiç ışık olmaksızın bütün ortamı görmek mümkündür. Bir cismin yaydığı kızılötesi ışınım miktarı sıcaklıkla birlikte arttığından, termografi sıcaklık farklarını da görmeyi sağlar.
- Takip sistemleri
- Kızılötesi takip sistemleri (kızılötesi güdüm sistemleri olarak da bilinir) hedefin yaydığı kızılötesi ışınımı, hedefi takip etmek için kullanır. Kızılötesi takip sistemi kullanan füzeler, sıcak cisimler kızılötesi ışık yaydığından "ısı güdümlü füze" olarak da bilinir. İnsanlar, araç motorları ve uçaklar gibi birçok nesne ısı ürettiğinden kızılötesi dalgaboylarında arkaplandan kolayca ayırt edilebilir.
- Isıtma Sistemleri
- Kızılötesi ışınım bir ısı kaynağı olarak kullanılabilir. Kızılötesi sauna ve bazı elektrikli sobalarda ısınma amacıyla, uçak kanatlarında ise oluşan buzu eritmek amacıyla kullanılırlar. Kızılötesi ışınım aynı zamanda bir sağlık ve fizyoterapi alanında da kullanılmaktadır. Kızılötesi ışınım etraflarındaki havayı ısıtmadan sadece ışık geçirmeyen cisimleri ısıttığından yemek pişirme için de kullanılabilir.
Kızılötesi ısıtma sanayide boya kurutma, plastik üretimi, tavlama, plastik kaynaklama gibi alanlarda da popüler olmaya başlamıştır. Bu tip uygulamalarda kızılötesi ısıtma yavaş yavaş geleneksel fırın ve ısıtma elemanlarının yerini almaktadır. Malzemenin karakteristiğine uygun kızılötesi frekans seçimi enerji verimliliğini de arttırmaktadır.
- Bileşim ve İletişim Teknolojisi
- IR veri iletişimi bilgisayar cihazları arasında kısa mesafe iletişimde kullanılmaktadır. Bu tip aygıtlar genellikle IrDA protokülüne uygun üretilmektedir. Uzaktan kumandalar ve IrDA cihazlar, plastik bir mercek tarafından odaklanıp, dar bir ışın haline getirilen, kızılötesi LED ışığı kullanmaktadır. Bu LEDi kapatıp açarak (modüle ederek) bilgi kodlanır ve karşı tarafa aktarılır. Alıcı bir silikon fotodiyot kullanarak kızılötesi ışığı yeniden elektrik akımına çevirir. Fotodiyot sadece verici tarafından üretilen hızla titreşen sinyala tepki gösterir, bu şekilde ortamdaki yavaş değişen ışığı filtrelemiş olur. Kızılötesi ışık duvarları geçemediğinden başka odalardaki cihazları etkilemez, bu yüzden yoğun yerleşim alanlarında kullanılmaya uygundur. Kızılötesi iletişim aynı zamanda uzaktan kumanda aletlerinde en sık tercih edilen iletişim metodudur.
Veri transferlerini gerçekleştirmede de kullanılan kızılötesi teknolojisi, cihazlar arasında küçük boyutta dosyaların taşınmasında kullanılmaktadır. IrDA olarak anlandırılan protokole uygun olarak cihazlar kendi aralarında en fazla bir metre mesafede ve saniyede en fazla 105 Kbit hızında veri indirebilir.
Kızılötesi lazer kullanan açık hava optik iletişim cihazları şehirlerde noktadan noktaya yüksek hızlı iletişim sağlamanın, fiber optik kablo çekmenin masrafıyla karşılaştırıldığında ucuz bir yoludur.
Kızılötesi lazerler aynı zamanda fiberoptik iletişim sistemlerinde de kullanılır. 1.330nm (en az saçılım) ve 1.550nm (en iyi iletim) frekanslarındaki ışık fiberoptik iletişimde tercih edilir.
- Spektroskopi
- Kızılötesi spektroskopi atomlar arasındaki bağları analiz ederek molekülleri tanımlamaya yarayan bir tekniktir. Her kimyasal bağ kendine has bir frekansta titreşir. Bir moleküldeki bir grup atom (mesela CH2) bağların esneme ve bükülme hareketlerinden dolayı birden fazla titreşim moduna sahip olabilir. Eğer bir titreşim molekülün dipol momentinde değişime yol açarsa molekül aynı frekansa sahip bir foton soğurur. Çoğu molekülün titreşim frekansları, kızılötesi ışığın frekanslarına denk düşer. Genellikle bu teknik 4000-400cm-1lik orta-kızılötesi ışınım kullanarak organik bileşikleri analiz etmekte kullanılır. Örneğin soğurduğu tüm frenkanslar kaydedilir. Bu tayf kullanılarak örneğin içeriği ve saflığı hakkında bilgi edinilebilir.
- Meteoroloji
- Meteoroloji uyduları termal ve kızılötesi fotoğraflar çekebilen radyometrelerle donatılmıştır. Bu fotoğrafları kullanarak eğitimli analistler bulutların yüksekliklerini ve tiplerini belirleyebilir, kara ve deniz sıcaklıklarını ölçebilir ve okyanus yüzey olaylarını görebilirler. Tarama genellikle 10,3-12,5 µm frekanslarında yapılır.
Sirrus ve Kümülonimbüs gibi yüksek buz bulutları parlak beyaz, Stratus ve Stratokümülüs gibi daha alçak ve sıcak bulurlar ise gri olarak güzükür. Sıcak yüzey şekilleri koyu gri veya siyah olarak görülür. Kızılötesi görüntülemenin bir dezavantajı stratus veya sis gibi alçak bulutların sıcaklığının yüzey sıcaklığına yakın olması sebebiyle bazen yer ve deniz yüzeyinin görüntülenememesidir. Avantajı ise gece de kızılötesi fotoğraf çekmenin mümkün olması sayesinde hava durumunun sürekli izlenebilmesidir.
Bu tip kızılötesi görüntüler nakliye endüstrisi için çok önemli olan Gulf Stream gibi okyanus akıntılarının ve anaforların görüntülenmesini sağlar. Balıkçılar ve çiftçiler hasatı donmaya karşı korumak ve çıkarılan deniz mahsulü miktarını arttırmak için kara ve deniz sıcaklıklarını öğrenmek ister. El Niño gibi fenomenler de bu şekilde görüntülenebilir. Bilgisayarlı renklendirme teknikleri kullanılarak, normalde siyah-beyaz olan termal resimler, ilgilenilen bilginin daha kolay göze çarpması için renklendirilebilir.
- İklim bilimi
- İklimbilim alanında, dünya ile atmosfer arasındaki enerji alışverişindeki trendleri izlemek amacıyla atmosferik kızılötesi ışınım takip edilir. Bu trendler dünyanın iklimindeki uzun dönem değişiklikler hakkında bilgi verir. Küresel ısınma araştırmalarında güneş radyasyonu ile birlikte takip edilen en önemli iki parametreden biridir.
- Gökbilim
- Gökbilimciler elektromanyetik tayfın kızılötesi bölümüne düşen cisimleri, aynalar, mercekler ve hatı hal algılayıcıları gibi optik elemanlarla gözler. Bu yüzden de kızılötesi gökbilim, optik gökbilim altında sınıflandırılmıştır. Bir resim oluşturabilmesi için kızılötesi teleskobun parçaları ısı kaynaklarından dikkatlice yalıtılmış olmalıdır. Bu yüzden algılayıcılar sıvı helyum kullanılarak soğutulur.
Dünyadaki kızılötesi teleskopların duyarlılığı atmosferdeki su buharının kızılötesi tayfın önemli bir bölümü soğurmasından dolayı oldukça sınırlıdır. Bu sınırlamadan teleskopu yüksek bir yere yerleştirerek veya teleskobu bir sıcak hava balonu ve uçağın üzerine monte ederek kısmen kurtulmak mümkündür. Uzaydaki teleskoplar bundan etkilenmez, bu yüzden de kızılötesi gökbilim en iyi uzayda yapılır.
Gökbilimciler için tayfın kızılötesi kısmının birçok önemi vardır. Galaksimizdeki soğuk, karanlık gaz ve tozdan oluşan moleküler bulutlar yıldızlar tarafından ısıtıldıklarından kızılötesi ışınım yayarlar. Kızılötesi aynı zamanda henüz görünür ışık vermemeye başlamamış olan önyıldızların da görülmesini sağlar. Yıldızlar yaydıkları enerjinin sadece küçük bir kısmını kızılötesi olarak verirler, bu yüzden kızılötesi gözlem gezegenler gibi soğuk nesneler daha kolay ayırt edilebilmesini sağlar. Görünür ışıkta yıldızın yaydığı parlaklık, gezegenden yansıdan az miktarda ışığı boğar.
Kızılötesi ışık aynı zamanda aktif gökadalerin gaz ve tozla sarılı çekirdeklerini incelemekte de yardımcı olur. Uzaktaki galaksiler de kırmızıya kayma sebebiyle en iyi kızılötesi teleskoplarla görülür.
- Tarihi eserler
- Sanat tarihçilerinin verdiği isimle kızılötesi reflektogramlar, resimlerin alt katmanlarında gizli çizimleri günışığına çıkartabilir. Karbon siyahı resmin tüm arkaplanını boyamak için kullanılmadığı sürece reflektogramda iyi görüntü verir. Sanat tarihçileri, sanatçının resim üzerinde daha sonradan yaptıkları düzeltmeleri (pentimento) bu metodla görebilirler. Bu bilgi bir resmin orijinali olup olmadığını anlamakta faydalıdır. Genellikle bir resimde ne kadar pentimento varsa orijinal olma olasılığı o derece fazladır. Bu metod aynı zamanda sanatçının çalışma yöntemine dair de ipuçları verir.
Bu tarz bir kullanım diğer tarihçiler arasında da, özellikle çok eski yazılı eserlerin incelenmesinde kullanılmaktadır. Mürekkebin içinde kullanılan karbon oldukça iyi görüntü verir.
- Biyoloji
- Çıngıraklı yılanların kafasında bir çift kızılötesi algılayıcı çukuru bulunur. Bu biyolojik algılama sisteminin ısıya duyarlılığı konusu belirsizdir. Isıl algılayıcıları bulunan başka organizmalar arasında pitonlar, boaın bazıları (Boidae familyası)), vampir yarasa ("Desmodus rotundus"), bazı böcekler ("Melanophila acuminata"), koyu renk pigmentli kelebekler ("Pachliopta aristolochiae" ve "Troides rhadamantus plateni") ve büyük ihtimalle kan emici böcekler ("Triatoma infestans") bulunmaktadır.
Fotobiyomodülasyon
- Yakın kızılötesi ışık kemoterapi neticesinde oluşan ağıziçi ülserin tedavisinde ve yaraların iyileşmesine yardımcı olarak kullanılmaktadır. Herpes tedavisinde kullanımına ilişkin bir takım çalışmalar da vardır. Aynı zamanda merkezi sinir sistemi tedavisinde kullanımı konusunda da araştırmalar yapılmaktadır.