Tia hồng ngoại

Tia hồng ngoại là bức xạ điện từ có bước sóng dài hơn ánh sáng nhìn thấy (mắt người có thể cảm nhận được màu sắc) nhưng ngắn hơn tia bức xạ vi ba.

Bảng phân chia các bức xạ sóng điện từ/ánh sáng

Tên	Bước sóng	Tần số (Hz)	Năng lượng photon (eV)
Tia gamma	≤ 0,01 nm	≥ 30 EHz	124 keV - 300+ GeV
Tia X	0,01 nm - 10 nm	30 EHz - 30 PHz	124 eV - 124 keV
Tia tử ngoại	10 nm - 380 nm	30 PHz - 790 THz	3.3 eV - 124 eV
Ánh sáng nhìn thấy	380 nm-760 nm	790 THz - 430 THz	1.7 eV - 3.3 eV
Tia hồng ngoại	760 nm - 1 mm	430 THz - 300 GHz	1.24 meV - 1.7 eV
Vi ba	1 mm - 1 mét	300 GHz - 300 MHz	1.7 eV - 1.24 meV
Sóng vô tuyến	1 mét - 100.000 km	300 MHz - 3 Hz	12.4 feV - 1.24 meV

Vùng ánh sáng mà mắt người thông thường nhìn thấy, còn được gọi là "ánh sáng khả kiến", có bước sóng từ 380 nm đến 760 nm hay tần số 430-790 THz. Bức xạ hồng ngoại được định nghĩa có bước sóng từ 760 nm (tần số 430 THz) đến 1 mm (300 GHz). Một số sinh vật có thể nhìn thấy tia hồng ngoại ở vùng gần kề với ánh sáng thường, cũng như trong một số thí nghiệm thì có người nhìn thấy đến vùng hồng ngoại 1050 nm.

Hình ảnh của một chú chó chụp bằng camera hồng ngoại nhiệt. Những chỗ có nhiệt độ cao phát ra tia hồng ngoại tần số cao hơn, thể hiện bằng màu nóng sáng hơn trên hình.

Ảnh chụp ở các bước sóng khác nhau

Từ nguyên

Tên "hồng ngoại" có nghĩa là "ngoài mức đỏ", màu đỏ là màu sắc có bước sóng dài nhất trong ánh sáng nhìn thấy.

Phân loại

Tia hồng ngoại được phân chia theo bước sóng thành ba vùng chính, tuy nhiên phân loại Mỹ thì phân chia ra 5 vùng.

Phân loại thông dụng (theo phân loại Mỹ)

Tên	Viết tắt	Bước sóng	Tần số	Năng lượng photon	Đặc trưng
Hồng ngoại gần	NIR, IR-A DIN	750 nm-1,4 µm	214-400 THz	886-1653 meV	Được xác định bởi sự hấp thụ của nước, và thường được sử dụng trong viễn thông sợi quang vì tổn thất do suy giảm trong thủy tinh SiO2 là ở mức trung bình. Các máy khuếch đại hình ảnh rất nhạy cảm với vùng quang phổ này, như trong các thiết bị nhìn đêm.
Hồng ngoại sóng ngắn	SWIR, IR-B DIN	1,4-3 µm	100-214 THz	413-886 meV	Hấp thụ trong nước tăng đáng kể tại 1,45 µm. Dải 1,53-1,56 µm là vùng phổ hiện dùng nhiều trong viễn thông đường dài.
Hồng ngoại sóng trung	MWIR, IR-C DIN; MidIR. Còn gọi là "intermediate infrared" (IIR)	3-8 µm	37-100 THz	155-413 meV	Trong công nghệ dẫn đường tên lửa thì vùng 3-5 µm là cửa sổ khí quyển, trong đó "đầu dò tầm nhiệt" IR thụ động của tên lửa được bố trí để làm việc, dẫn đường vào chỉ dấu hồng ngoại của máy bay mục tiêu, thường là chùm ống xả của động cơ phản lực. Dải này còn được gọi là hồng ngoại nhiệt, nhưng nó chỉ phát hiện được nhiệt độ hơi cao hơn nhiệt độ cơ thể.
Hồng ngoại sóng dài	LWIR, IR-C DIN	8-15 µm	20-37 THz	83-155 meV	vùng của các "ảnh nhiệt", trong đó các cảm biến có thể hoàn toàn thụ động thu được hình ảnh các đối tượng có nhiệt độ chỉ hơi cao hơn nhiệt độ phòng, ví dụ cơ thể con người, mà không cần ánh sáng chiếu vào từ mặt trời, mặt trăng, hoặc đèn chiếu hồng ngoại. Vùng này còn được gọi là "hồng ngoại nhiệt".
Hồng ngoại xa	FIR	15-1000 µm	0.3-20 THz	1.2-83 meV	Xem hồng ngoại xa và laser hồng ngoại xa.

Phân loại tia hồng ngoại theo DIN 5031

Tên gọi	Ký hiệu		Bước sóng μm	Nhiệt độ theo phân bố Wien	Ghi chú
Hồng ngoại gần	NIR	IR-A	0,78…1,4	> 3700° K	Phần sóng ngắn của dãy NIR, ranh giới 780 nm xác định theo thị giác của con người đối với phổ ánh sáng Mặt Trời. Hồng ngoại chụp ảnh (ảnh màu hồng ngoại, ColorInfraRed CIR) là 0,7-1,0 µm. Phim chụp ảnh có thể hấp thụ dải này.
		IR-B	1,4…3,0		Phần sóng dài của NIR Ranh giới được coi là vùng hấp thụ mạnh của nước ở 1,45 μm.
Hồng ngoại giữa	MIR	IR-C	3…50	1000…60° K	Phạm vi của các bức xạ nhiệt ở nhiệt độ trên mặt đất
Hồng ngoại xa	FIR		50…1000	< 3° K	Khí quyển hấp thụ mạnh ở đây, ranh giới với vùng vi sóng là các bức xạ vũ trụ 3° Kelvin có thể nhìn thấy.

Nguồn phát tia hồng ngoại

Mọi vật có nhiệt độ lớn hơn 0° K đều phát ra tia hồng ngoại.

Ví dụ: Đèn LED màu đỏ, đèn của ổ cắm điện [5], remote, camera IR (Hồng ngoại), Máy thu phát sóng hồng ngoại [6].

Tính chất

Tia hồng ngoại có tính chất cơ bản sau:

• Tác dụng nhiệt
• Có thể gây ra hiện tượng quang điện trong ở chất bán dẫn
• Có thể tác dụng lên một số kính ảnh đặc biệt.
• Có thể biến điệu như sóng điện từ cao tần.
• Tia hồng ngoại tuân theo các định luật: truyền thẳng, phản xạ, và cũng gây được hiện tượng nhiễu xạ, giao thoa như ánh sáng thông thường.

Ứng dụng

Đo nhiệt độ

Việc thu nhận và đo đạc tia hồng ngoại có thể giúp xác định nhiệt độ của vật từ xa, nếu chúng là nguồn phát ra các tia thu được. Hình chụp trong phổ hồng ngoại gọi là hình ảnh nhiệt, hay trong trường hợp vật rất nóng trong NIR hay có thể thấy được gọi là phép đo nhiệt.

Kỹ thuật đo nhiệt độ bằng hồng ngoại được dùng chủ yếu trong quân sự, và ứng dụng công nghiệp. Kỹ thuật này hiện cũng đang được ứng dụng và dần quen thuộc với thị trường dân sự như: máy ảnh trên xe hơi; tùy thuộc vào giá thành của các sản phẩm có được giảm mạnh hay không.

Phát nhiệt

Tia hồng ngoại được dùng trong đèn hồng ngoại sưởi trực tiếp lên cơ thể, và bố trí ở một số phòng tắm hơi. Tuy nhiên cần lưu ý không nhìn vào các đèn này vì mắt không điều tiết được độ mở sáng theo tia hồng ngoại, chúng có thể gây mù mắt. Tia hồng ngoại có thể được dùng làm tan tuyết trên cánh máy bay.

Một lượng lớn năng lượng mặt trời là nằm trong vùng hồng ngoại. Các vật nóng cỡ vài trăm độ C như lò sưởi, bếp cũng phát ra bức xạ vật đen có cực đại ở vùng hồng ngoại. Do vậy tia hồng ngoại còn được gọi là tia nhiệt.

Kỹ thuật hồng ngoại trong quân sự

Thiết bị tìm kiếm và theo dõi mục tiêu bằng tia hồng ngoại (IRST) OLS-35 trên máy bay tiêm kích đa năng Sukhoi Su-35 của Nga (nằm bên phải buồng lái)

Kỹ thuật hồng ngoại rất quan trọng với ngành quốc phòng. Những tên lửa không đối không cự ly gần mà máy bay chiến đấu sử dụng đều có dùng tia hồng ngoại dẫn đường, thường gọi là "tên lửa tầm nhiệt" hay tên lửa dẫn hướng hồng ngoại. Đầu tên lửa lắp thiết bị đầu dò hồng ngoại, tên lửa tự động bám sát luồng hơi nóng từ động cơ máy bay để tìm đến đích.

Tên lửa không đối không dẫn đường bằng tia hồng ngoại AIM-9 Sidewinder của Mỹ

Tên lửa không đối không dẫn đường bằng tia hồng ngoại Vympel R-73 (NATO: AA-11 Archer) của Nga

Để chống lại tên lửa tầm nhiệt thì máy bay bố trí các quả pháo nóng sáng, tung ra khi phát hiện có tên lửa. Nó dẫn đến cuộc đua, một mặt là tăng khả năng nhận dạng bằng ảnh hồng ngoại cho tên lửa, mặt khác là sử dụng cùng với các dạng dẫn hướng khác.

Trong chiến tranh vùng Vịnh 1991, để đối phó với tên lửa Scud của Iraq, Mỹ dùng đến vệ tinh do thám. Trên vệ tinh có lắp kính viễn vọng và 6000 phần tử dò hồng ngoại. Khi bắt đầu phóng tên lửa Scud, luồng hơi nóng ở đuôi tên lửa bị vệ tinh phát hiện, truyền số liệu về trung tâm ở mặt đất, tính toán mục tiêu để phóng tên lửa Patriot phá huỷ tên lửa Scud ở trên không.

Điện tử điều khiển

Các điều khiển xa (remote control)

Các điều khiển xa, thường gọi là "remote control", phần lớn dùng tia hồng ngoại để điều khiển ti vi, dàn âm thanh/hình ảnh, quạt,...

Một biến thể dân dụng ăn theo là "Đèn chiếu sáng LED điều khiển từ xa hồng ngoại", bật tắt bằng bất kỳ "remote control" nào trong các loại trên.

Tự động bật tắt thiết bị

Tại các nơi công cộng như sân bay, nhà ga, cửa hàng, bệnh viện, nhà riêng,... thì việc tự động đóng mở cửa, bật tắt đèn, vòi nước,... thực hiện bằng cảm biến hồng ngoại (mắt thần) nhận biết người hoặc vật chuyển động thông qua nhiệt độ cao hơn xung quanh. Tuy nhiên nếu chỉ dùng cảm biến hồng ngoại thì hoạt động cảm biến dễ lỗi khi nhiệt độ môi trường cao hơn 35 °C.

Các mắt thần này dùng diode quang loại tiếp nhận hồng ngoại để cảm biến. Mắt dùng 1 diode thì cảm nhận gần và hẹp, mắt dùng nhiều diode thì mỗi diode giám sát một góc đặc nhất định, và nâng khoảng cách cảm nhận đến 3-5m.

Phụ kiện thiết bị vi tính

Một số chuột quang cũng dùng tia hồng ngoại, tuy nhiên chuột này cần có thêm LED báo "có cấp nguồn".

Tia hồng ngoại cũng được dùng để truyền tải thông tin trong mạng nhỏ, ví dụ như từ máy tính sang máy tính, máy tính sang điện thoại, điện thoại với điện thoại... hoặc các thiết bị gia dụng khác. Tuy nhiên khoảng cách truyền ngắn và dễ nhiễu.

Truyền thông

Cảnh nhìn đêm hai binh sĩ Mỹ trong cuộc chiến tranh Iraq năm 2003

Ống kính nhìn đêm NSPU (1PN34) 3.5x lắp vào súng trường AKS-74U của Nga

Tia hồng ngoại gần và trung được dùng trong viễn thông cáp quang, do có tổn hao nhỏ, cũng như do công nghệ chế tạo linh kiện phát và thu tín hiệu quy định.

Bảng băng tần viễn thông IR

Băng	Mô tả	Dải sóng
O-band	Original	1260–1360 nm
E-band	Extended	1360–1460 nm
S-band	Short wavelength	1460–1530 nm
C-band	Conventional	1530–1565 nm
L-band	Long wavelength	1565–1625 nm
U-band	Ultralong wavelength	1625–1675 nm

Thiết bị nhìn đêm

Bài chi tiết: Thiết bị nhìn đêm

Thiết bị nhìn đêm là thiết bị quang học-điện tử thực hiện quan sát được môi trường quan tâm trong điều kiện đêm tối hay có ánh sáng cực yếu. Thiết bị thu nhận tia hồng ngoại bằng các ống kính quang học và hiện hình ảnh trên màn hình điện tử. Chúng được chia ra ba loại chính:

1. Thiết bị "hồng ngoại gần bị động": Thu nhận ánh sáng ở vùng nhìn thấy và hồng ngoại gần rồi khuếch đại, cho ra ảnh đơn sắc. Chúng có tầm quan sát xa, và được chế thành kính ngắm bắn tỉa, kính nhìn đêm trong quân sự cho phi công, xe tăng, biệt kích, điều tra viên,...
2. Thiết bị "hồng ngoại nhiệt bị động": Là camera quan sát thu nhận ánh sáng ở vùng hồng ngoại nhiệt hay hồng ngoại xa, hiện trên màn hình theo thang nhiệt độ thiên nhiên. Chúng được dùng trong trinh sát, bảo vệ,... hoặc trong nghiên cứu hoạt động ban đêm của động vật, như trong ảnh minh họa chú chó.
3. Thiết bị "hồng ngoại gần chủ động": Là camera quan sát hồng ngoại có gắn kèm LED phát bức xạ hồng ngoại, tức là chủ động về nguồn chiếu sáng nhưng không để cho mắt thường nhìn thấy. Chúng có tầm quan sát gần và được sử dụng phổ biến trong hoạt động dân sự, như trong thị trường Việt Nam hiện nay.

Trong hoạt động thực tế có thể dùng đến đèn pha hồng ngoại chiếu sáng vùng quan sát để thu nhận hình ảnh rõ hơn, như trong hoạt động bảo vệ biên giới ở Mỹ chống lại người di cư lậu.

Ảnh vòng xoáy thiên hà chụp ở hồng ngoại bước sóng 2 μm

Nghiên cứu thiên văn

Bài chi tiết: Thiên văn học hồng ngoại

Trong thiên văn học quan sát hồng ngoại đặc biệt có ý nghĩa trong phát hiện và nghiên cứu các đối tượng "lạnh" có nhiệt đô dưới 1.000° K, và khó có thể nhìn thấy trong vùng quang phổ khác, hoặc các đối tượng ở trong hoặc phía sau một đám mây liên sao.

Ngoài ra, quan sát phổ hồng ngoại được dùng trong phân tích đặc điểm của các đối tượng bất kỳ. Một số vật chất ở các sao được phát hiện nhờ vào quang phổ hồng ngoại, ví dụ, phát hiện khí metan trên hành tinh của hệ ngôi sao cố định HD 189733.

Bảo mật tiền và tài liệu quý

Bảo mật tài liệu dùng tia hồng ngoại thực hiện cho tài liệu quan trọng như hộ chiếu, tiền hay chứng chỉ ngân hàng... Tùy theo mức bảo mật mà khi chế tạo giấy được trộn chất có phản ứng xác định với dải tia hồng ngoại nhất định. Ở mức phức tạp thì xếp đặt chất đó theo ký hiệu xác định. Các máy kiểm tra dùng đèn hồng ngoại có khoảng phổ đã thiết kế chiếu lên giấy sẽ làm rõ những yếu tố bảo mật có hay không.

Bảo mật này đang được áp dụng cho đồng euro. Hộ chiếu Anh thì dùng huỳnh quang hồng ngoại của methylene xanh. Tuy nhiên việc dùng tia hồng ngoại dễ gặp lỗi quan sát hơn so với việc dùng tia tử ngoại

Lịch sử

Sự khám phá ra tia hồng ngoại thường được cho là công lao của William Herschel, nhà thiên văn học đầu thế kỷ XIX. Herschel dùng lăng kính để tán xạ ánh sáng từ Mặt Trời và khám phá ra tia hồng ngoại, nằm ngoài vùng ánh sáng khả kiến gần phần ánh sáng đỏ, thông qua sự ghi chép trên một nhiệt kế.