掌握科学规律，造福人类——从红外谈起
掌握科学规律，造福人类——从红外谈起
陈积芳：大家好，欢迎大家来到这里参加本次的名家科普讲坛，今天我们请褚君浩教授为大家作题为《掌握科学规律，造福人类——从红外谈起》的科普报告。先介绍一下褚君浩先生，他是研究员、博士生导师，1968年毕业于上海师范学院物理系。现任中国科学院上海技术物理研究所科技委副主任、“红外与毫米波学报”主编、上海市物理学会副理事长、中国物理学会光物理专业委员会副主任、九三学社上海市委副主委、第十届全国人大代表。
今天天气很热，所以我们把场地转移到了这里，科普网同时对本次活动进行网上直播，对来到现场参加报告会的同志们我们表示热烈欢迎。(14:05)
褚君浩：今天非常高兴在科协这个平台介绍红外技术，我讲的 题目是《掌握科学规律，造福人类——从红外谈起》。目的是掌握自然规律，造福人类生活。我会从以下几个方面一一讲解。首先介绍一下红外世界。我们每天都与光打交道，我们常见的日光是由赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫这七色光组成的，七色光最早是由牛顿发现的。科学家在研究光谱温度时发现，在可见光边上，有一种光也会有温度辐射，可是我们肉眼见不到，这就是红外光。任何物体都会发射红外线，除了物体的温度为零外。研究发现，黑色物体辐射温度的能力最强，也就是常说的黑体辐射，黑体辐射的强度就像图上所示，面积与温度的四次方成正比，它能完全把能量辐射出来。(14:19)
诸君浩：红外方面有三个问题，分别是红外探测、红外运输和红外发射。红外探测包括夜视、热像、成像光谱、红外隐身等，红外传输研究范围包括传输元件 、光通讯元件等，红外发射研究范围包括黑体、红外辐射体、红外激光、选择辐射光源等。
今天我要讲的主要是红外探测。这是一个古老的学科，在今天又有了新的发展。如果你能够看到红外世界，看很清楚，那么你的认知能力就增强。红外是视觉的延伸。新发展的原因在于以下两个方面：一、现在人类对光与物质相互作用的认识深入，新思路的引进。二、对材料特性控制能力增强新物质系统。 (14:43)
诸君浩：我们要讲的第二点是红外眼睛也就是红外探测器。三个方面的材料：窄禁带半导体碲镉汞、半导体量子阱、量子点、铁电薄膜、多晶硅、氧化矾。红外眼睛有两种类型：热敏型和光子型。
从热敏型的发现时间来看，1822年塞贝克发现了温差电效应，1830年Nobili发明温差电型辐射探测器，1880年Langley发明测辐射热计，1940年发明热敏电阻红外探测器，1947年高莱发明气动式红外探测器，上世纪50年代发明半导体温差电型红外探测器，上世纪60年代发明热释电型红外探测器 。它的优点是波长宽，缺点是速度慢。它利用红外辐射加热细金属丝，金属丝温度升高而改变电阻，然后用惠斯顿电桥测量微小的电阻改变。
光子型红外眼睛的特点是速度快。在第一次世界大战期间，研制出Tl2S光电导，波长1.1微米，1930年德国研制 PbS光电导，波长2.7微米。二战以后，美、英、苏、法发展PbS、PbTe、PbSe、InSb，在8~14微米波段。 起初，Ge:Hg红外探测器，液氢温度（38K）。后来，Hg1-xCdxTe，液氮温度（77K）。改变组分x，可以覆盖1~3，3~5以及8~14微米三个重要大气窗口。 (14:44)
诸君浩：红外眼睛的作用主要体现在三个方面，一个是图像(空间分布)的分辨，空间背景中运动目标的识别、不完整图像识别，第二是热象(温度分布)的显示，火焰温度分布、江河堤坝管涌及崩塌、医用、工业热象，第三是谱像(光谱分布)，凝聚态物质系统的光谱特征和应用。它的应用相当广泛，在去年SARS期间，我们就应用红外测温仪来检测人体温度。(14:45)
褚君浩：现在我们把这个红外眼睛放到天上，就是常说的航天遥感了。我们所里研制的风云一号、二号B气象卫星都装有红外眼睛。通过航天遥感器将云图传送到天文台，随后气象工作者通过分析云图发布当天的天气预报。这是气象遥感图，这里是漩涡。如果把红外眼睛放到飞机上就是航空遥感，它的好处就是比较方便，可以随用随装，今天用完以后就可以把这台仪器拿下来，下次再用。如果坏了的话，也能随时拆下来检修，不像航天遥感器，坏了就没办法修理了，不过它们是各司其职，各有各的用途。这是一张澳门遥感图，当时澳门回归的时候需要一张比较精确的澳门地图，这是我们所第二研究室做的航空遥感图，非常清楚。我们还可以通过红外遥感探测材料的好坏等。(14:51)
褚君浩：现在我们休息五分钟，稍后继续。(14:57)
诸君浩：刚才我们说到日常生活中使用的红外眼睛都是单元器件，需要两维扫描才可以。扫描就比较慢，如果观察的物体运动比较慢就没问题，比如说看台风就没问题，但是如果要看F16战斗机，速度很快，就需要有凝视式的红外眼睛，也叫红外焦平面探测器。焦平面实际上是一个芯片，如果把焦平面放在导弹上面，那就是巡航导弹。它先拍一张打击目标的照片，当看到的目标和拍摄下来的打击目标一致的时候，就能准确命中了。把红外焦平面放在雷达上面，就是红外雷达。现在我们看到的是“128X1长波碲镉汞线列焦平面成像图”，之所以看到三个手，其中两个都是遗留下来的手印。
下面我们来看看红外功能材料制备问题：第一是窄禁带半导体材料，例如HgCdTe、InSb，InSbAs，PbTe，PbEuTe，现在大家关心的是有没有新型红外探测器材料？第二是半导体低维结构－量子阱、线、点，实现红外探测功能、红外发光功能。第三是非致冷红外探测材料（铁电薄膜PZT、BST、SBT、PST…、氧化矾、多晶硅…)。第四是红外辐射材料（高比辐射率，低比辐射率），那么有没有比辐射率可以调控的复合材料？第五是红外滤光片材料，红外光子晶体。第六是红外纳米材料。第七是红外非线性晶体。 (15:15)
褚君浩：第四个问题简单介绍一下新型红外成像方法探索。刚才说的都是红外线转变成电再变成可见光，那么有没有一种材料可以使红外线直接变成可见光呢，正在研究的基于半导体低维结构与可见光CCD组合的红外－可见新型读出方式，基于微悬臂梁的红外－可见新型读出方式等等。如果成功的话，就好比我现在带了一副眼镜，灯一关，大家看不到我，我却看得到大家。第二个办法是正在研究的THz波，大概在两年前国外开始研究的。据说，用这种方法的话，可以一眼就望到人的心脏、骨骼等的情况。这种波可以应用于医学上的二维成像；光谱（气体探测）；食品检测；水分检测；火焰光谱；雷达建模；安全（爆炸物探测）；基础研究等。 (15:21)
诸君浩：第五个问题，我简单介绍以下红外物理与其它学科的交叉。红外物理本身是光学与凝聚态物理交叉。但是红外物理又可以跟好多其他的学科交叉，比如材料、器件、生物、大气、天文、地球、环境等。现在就讲一个方面，宏观凝聚态物质体系和微纳尺度成像光谱，它就可以跟好多学科交叉。目标对象光谱特征和标定，即红外信息识别科学基础及技术的应用。通过谱像(光谱分布)来研究凝聚态物质系统的光谱特征研究其在信息技术中的应用。比如，空气里面如果有硫化物，我们知道了硫的光谱，只要在空气中发现同样的光谱，就可以判定硫化物在空气中的存在。红外技术甚至还可以对农作物估计产量，当然此前要获得它的标准光谱作为参考。
利用这种技术，首先要获取对象的光谱特征。先作出标准，然后进行识别，再进行监控。红外还可以跟医学进行交叉。我们来看这张图，这是脑部恶性肿瘤组织切片的红外光谱研究。现在还有量子点，可以做生物学“标识性探针”。颜色和光强组合,可“标识”上百万的生物分子（如DNA，人类自身仅约4万个），这对基因组学和蛋白质组学的数据采集,以及生物大分子的细胞定位、相互作用及动态变化,实现对生物大分子的“编码”及“查询”等极具意义。 (15:29)
褚君浩：这张照片是新疆地区的一次地震前的地温图像，这张图像的温度很高，预示着要地震，果然第二天就发生了地震，地震以后能量释放了，温度就降低了。
所以说红外研究，就是研究红外到电再到可见红外的过程，也就是研究物质的运动形态变化，从中掌握红外技术，造福于人类。当前在这方面还有很多要研究的，如红外功能材料制备、红外光电激发动力学研究、红外量子器件、目标对象光谱特征与标定。我们通过这些研究让古老的学科焕发青春，让它从必然王国走向自由王国，让红外技术为世界和平作贡献。谢谢大家！(15:35)
现场观众：8-14微米波产的红外线对人体有什么影响？保健品使用远红外的很多，能不能用？ (15:48)
诸君浩：任何具有27－30度温度的物体都能发射这样的波长，但发射出来有多有少。如果是灰体（塑料），发射出来就少，如果是黑体，基本就全部发射出来。如果我们把它做成器械，我们可以控制它的发射量。这个光对人体是没有坏处的。当然，这个光到底在体内传多远，还在研究中。至于保健品用的材料到底有没有危害，要通过具体检测。(15:49)
现场观众：通过红外线，能检测出铀矿，那么能否测量哪里有原子弹？ (15:49)
诸君浩：可以检测哪里有铀矿，不过制成原子弹后，通过保存，那么红外线就探测不到了。(15:50)
网友一品：请问禇研究员,中国和美国、日本这样的技术先进国家在红外探测的军用研究上有多大差距？会不会影响我们国家的安全？(16:21)
诸君浩：红外物理的研究方面，中国在某些方面是走在前面的。在红外技术方面，中国发展很快。我们风云一号、二号成像的质量和美国不相上下。我们和美国的差距主要是红外焦平面方面。我们这方面正在加强研究。红外技术和军事方面联系很大。我们购买美国焦平面器件，要通过很多手续，现在跟他们买是买不到的，必须通过我们自力更生研究。(16:21)
网友张云亭：听说人在一个地方呆过，会留下红外线的影子。这种说法是不是有科学根据？(16:22)
诸君浩：这是有科学根据的。只要有千分之一的温度差，就可以发现。如果晚上保险箱被撬，只要现场没有破坏，那么就会发现小偷模糊的影子。 (16:23)
网友色友：我曾经听过一种说法,说是如果按可见光的中对色彩的区分方式,那么红外线的"色彩"比可见光要丰富的多?请问,褚研究员,这应该如何理解?(16:23)
诸君浩：应该说是这样的，红外线色彩比可见光丰富得多。它的波长范围更广，可惜我们的肉眼无法分辨。(16:24)
网友影子：我看到过一些用红外线拍的照片，而且是彩色的，请问这些照片是真彩的吗？(16:25)
诸君浩：应该是假彩色，不同的波长一般用不同颜色表示。照片上的彩色显示的实际是红外不同的波段，彩色是人为加上的。(16:26)
网友阿容：请问诸教授，红外技术在家庭生活中的应用有哪些？(16:27)
诸君浩：家用的例子也比较多，比如红外热像仪监视，红外门铃，红外报警器等。(16:27)
网友厨师：既然红外有很强的热效应，为什么没有用红外线做的炉子？这样不是比煤气又安全又有效吗？(16:28)
诸君浩：这个效应是以相同温度来比较。红外的热效应是在一定的温度范围内，它的波长随着温度的变化而变化。(16:28)
网友王建军：以前有一段时间,说某种型号的数码相机可以利用红外线进行“透视”偷拍,不知道这是不是真的有可能?(16:29)
诸君浩：目前手机还没有这种功能，所谓透视、偷拍是对新技术的展望，如果这个技术能普及，会有这个可能。(16:30)
陈积芳：大家今天听了这个讲座，相信都有很多收获，我们感谢诸教授在繁忙的科研工作中抽时间为我们开讲座，再次感谢诸教授，今天的讲座到此结束，谢谢大家。(16:32)
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