Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde supérieure à celle de la lumière visible mais plus courte que celle des micro-ondes.

Image infrarouge de longueur d'onde moyenne d'un petit chien en fausse couleur.

Définition

Le nom signifie « en dessous du rouge » (du latin infra : « plus bas »), car l'infrarouge est une onde électromagnétique de fréquence inférieure à celle de la lumière visible: le rouge. La longueur d'onde des infrarouges est comprise entre le domaine visible (≈ 0,7 μm) et le domaine des micro-ondes (≈ 1 mm).

L'infrarouge est associé à la chaleur car, à température ambiante ordinaire, les objets émettent spontanément des radiations dans le domaine infrarouge ; la relation est modélisée par la loi du rayonnement du corps noir dite aussi loi de Planck. La longueur d'onde du maximum d'émission d'un corps noir porté à une température absolue T (en kelvin) est donnée par la relation 0,002898/T connue sous le nom de loi du déplacement de Wien. Cela signifie qu'à température ambiante ordinaire (T aux environs de 300 K), le maximum d'émission se situe aux alentours de 10 μm, la plage concernée étant 8-13 μm. Placé à la surface terrestre, un télescope observant dans cette gamme de longueur d'onde serait donc aveuglé par le fond thermique émis par les objets environnants, c'est pourquoi on envoie les télescopes infrarouges dans l'espace.

Cette association entre l'infrarouge et la chaleur n'est cependant due qu'à la gamme de température observée à la surface de la Terre. Selon sa température, un objet émettra spontanément des radiations dans différentes bandes du spectre électromagnétique, en dessous des infrarouges ou même au-dessus, par exemple dans le visible. C'est ainsi qu'une lampe à incandescence produit de la lumière. Inversement, il est possible de générer un rayonnement infrarouge qui ne soit pas thermique, c'est-à-dire dont le spectre ne soit pas celui du corps noir ; c'est le cas, par exemple, des diodes électroluminescentes utilisées dans les télécommandes.

L'analyse scientifique et technique de ces rayonnements est dénommée spectroscopie infrarouge.

Histoire

Le rayonnement infrarouge est intuitivement perceptible par la simple exposition de la peau à la chaleur émise par une source chaude dans le noir, mais il ne fut prouvé qu'en 1800 par William Herschel, un astronome anglais d'origine allemande, au moyen d'une expérience très simple : Herschel a eu l'idée de placer un thermomètre à mercure dans le spectre obtenu par un prisme de verre afin de mesurer la chaleur propre à chaque couleur. Le thermomètre indique que la chaleur reçue est la plus forte du côté rouge du spectre, y compris au-delà de la zone de lumière visible, là où il n'y avait plus de lumière . C'était la première expérience montrant que la chaleur pouvait se transmettre indépendamment d'une lumière visible (ce phénomène était parfois appelé à l'époque la chaleur obscure ou rayonnement sombre). Il a dans le même temps montré qu'un prisme pouvait dévier un rayon calorique. Ceci a été complété par l'écossais John Leslie, un mathématicien et physicien qui mit au point le cube de Leslie, un dispositif destiné à démontrer et calculer la valeur d'émissivité thermique de chaque matériau selon sa nature et sa géométrie.

D'après les résultats d'étude de Grazyna Palczewska et al., publiés en décembre 2014, l'être humain est capable, à certaines conditions, de voir en infrarouge. Cela peut se produire lorsqu'une paire de photons, appartenant au spectre infrarouge, heurtent (presque) simultanément une même cellule de la rétine d'un œil : « si un unique pigment de la rétine est heurté par deux photons se succédant très rapidement, se caractérisant par une longueur d'onde de 1 000 nanomètres, explique Vladimir J. Kefalov, un des cosignataires de l'étude, alors ces particules lumineuses vont délivrer la même quantité d'énergie qu'un seul photon évoluant sur une longueur d'onde de 500 nanomètres, soit une longueur d'onde appartenant au spectre du visible. C'est pourquoi nous [les être humains] sommes capables de détecter de telles émissions lumineuses ».

Bandes spectrales des radiations infrarouges

L'infrarouge est subdivisé en IR proche (PIR ou IR-A ou NIR pour Near-IR en anglais), IR moyen (MIR ou IR-B ou MIR pour Mid-IR en anglais) et IR lointain (LIR ou IR-C ou FIR pour Far-IR en anglais). Cette classification n'est cependant pas universelle car les frontières varient d'un domaine d'étude à l'autre sans que l'on ne puisse donner raison à qui que ce soit. Le découpage peut être lié à la longueur d'onde (ou à la fréquence) des émetteurs, des récepteurs (détecteurs), ou encore aux bandes de transmission atmosphérique. Le seul découpage qui a une raison rationnelle est celui marqué par l'opacité aux infrarouges de la vapeur et qui se situe entre 5,5 et 7,5 µm et qui est la frontière entre les ondes moyennes et les ondes longues mais ce n'est néanmoins pas très scientifique, seulement basé sur le fait que dans cette frange de longueurs d'onde l'observation infrarouge et la transmission sont quasiment impossibles parce que l'air y est presque opaque aux rayonnements infrarouges.

Découpage ISO

L'ISO 20473:2007 spécifie la division du rayonnement optique en bandes spectrales pour l'optique et la photonique. Elle ne s'applique pas aux applications d'éclairage ou de télécommunication ou à la protection contre les risques de rayonnement optique dans les zones de travail.

Découpage CIE

La CIE recommande dans le domaine de la photobiologie et de la photochimie le découpage du domaine infra-rouge en trois domaines.

Utilisations

Chauffage

Chauffage à infrarouge lointain (IRL).

Les lampes à émission infrarouge sont utilisées dans des domaines de la production quotidienne. Les secteurs de l'automobile, l'agroalimentaire, les textiles, la plasturgie, le formatage des matières, les soins du corps, etc. sont concernés par des applications de chauffage de matières. Ces techniques de chaleur particulières et innovatrices permettent un gain de productivité et une économie du coût de production qui se caractérise en temps gagné et en énergie dépensée.

Vision nocturne

Caméra infrarouge de marque FLIR (Forward Looking Infrared Radar), montée sur un hélicoptère UH-1 Huey

Les équipements de vision de nuit utilisent les infrarouges lorsque la quantité de lumière visible est trop faible pour voir les objets. Le rayonnement est détecté, puis amplifié pour l'afficher sur un écran : les objets les plus chauds semblant être les plus lumineux. Dans certains cas un projecteur d'infrarouge associé au système de vision, permet de visualiser des objets sans chaleur intrinsèque, par réflexion, cette lumière étant émise hors du spectre visible, elle est donc invisible à l’œil nu (actuellement ce sont souvent des spots LED qui sont utilisés).

Thermographie infrarouge

Thermographie de rue

Il faut également ajouter comme utilisation, en plus de la vision de nuit, tout le domaine de la thermographie infrarouge permettant de voir et de mesurer à distance et sans contact la température d'objets cibles.

Photographie infrarouge

Des photographies argentiques et numériques, en couleur ou en noir et blanc, peuvent être faites sur les longueurs d'ondes correspondant à l'infrarouge proche (de 780 nm à 900 nm). Ces photographies ont un intérêt artistique car elles montrent des scènes à l'ambiance étrange, et un intérêt biologique car elles permettent entre autres de repérer l'activité chlorophylienne.

Réflectographie infrarouge

La réflectographie infrarouge est une méthode d'investigation basée sur la lumière infrarouge et permettant de visualiser des couches de carbone cachées par des pigments de peinture. Typiquement, elle permet en peinture d'étudier les dessins préparatoires de peintures sur toiles et des repentirs qui sont cachés par la peinture finale.

Guidage

Les infrarouges sont également utilisés dans le domaine militaire pour le guidage des missiles air-air ou sol-air : un détecteur infrarouge guide alors le missile vers la source de chaleur que constitue le (ou les) réacteur de l'avion cible. De tels missiles peuvent être évités par des manœuvres spéciales (alignement avec le Soleil) ou par l'utilisation de leurres thermiques.

Contre-mesure anti-missiles

Brouilleur de récepteur infrarouge, posé sur un avion militaire, ici un OV-10 Bronco.

Il existe également des brouilleurs pour contrer les détecteurs infrarouges des missiles que l'on pose directement sur la carlingue. Ils servent à émettre une grande quantité de rayonnement infrarouge modulé de façon à diminuer les performances des missiles lancés sur leur cible.

Détecteurs d'intrusion

Détecteur de présence à infrarouge

Certains capteurs de proximité (associés aux systèmes de détection d'intrusion) appelés IRP (pour Infra Rouge Passif), utilisent le rayonnement en infrarouge émis par l'ensemble des objets du local surveillé (y compris les murs). La pénétration d'un individu provoque une modification du rayonnement. Lorsque cette modification est constatée sur plusieurs faisceaux (découpage du rayonnement total de la pièce par une lentille de Fresnel), un contact électrique envoie une information d'alarme à la centrale.

Communication

Télécommande à infrarouge

Une utilisation plus commune des rayonnements infrarouges est leur usage dans les commandes à distance (télécommandes), où ils sont préférés aux ondes radio, car ils n'interfèrent pas avec les autres signaux électromagnétiques comme les signaux de télévision. Dans ce domaine, il existe plusieurs codages des informations (RC5 pour Philips, SIRCS pour Sony, etc.). Les infrarouges sont aussi utilisés pour la communication à courte distance entre les ordinateurs et leurs périphériques. Les appareils utilisant ce type de communication sont généralement conformes aux standards IrDA. Ils sont très utilisés dans le domaine de la robotique ou dans les appareils nécessitant des transmissions de données à courte distance sans obstacle.

Spectroscopie

La spectroscopie infrarouge est une des méthodes utilisées pour l'identification des molécules organiques et inorganiques à partir de leurs propriétés vibrationnelles (en complément d'autres méthodes, la RMN et la spectrométrie de masse). En effet, le rayonnement infrarouge excite des modes de vibration (déformation, élongation) spécifiques de liaisons chimiques. La comparaison entre rayonnement incident et transmis à travers l'échantillon suffit par conséquent à déterminer les principales fonctions chimiques présentes dans l'échantillon.

Le proche infrarouge peut être utilisé pour déterminer la teneur en lipides d'aliments ou d'animaux vivants (ex : saumon atlantique d'élevage vivant) par une technique non-destructive .

L'astronomie infrarouge est difficile à cause de l'atmosphère terrestre. C'est pour cela que les astronomes envoient des satellites infrarouge :

IRAS (1983, NASA, Royaume-Uni, Pays-Bas),

ISO (1995 ; ESA), Wire (1999 ; États-Unis, échec au lancement),

Spitzer (2003 ; ex-SIRTF, États-Unis), ASTRO-F (2006 ; Japon)

Herschel (2009 ; ESA).

Banque

Billet de 10 euros, vu en lumière visible à gauche et en infrarouges à droite.

Aujourd'hui, les rayons infrarouges sont aussi utilisés pour le contrôle d'authenticité de billets de banque. En effet, ils se prêtent particulièrement à la détection de faux billets.

Laser infrarouge

Les lasers infrarouges peuvent être utilisés pour la gravure, la soudure ou la découpe de matériaux. On les trouve aussi sous formes de diodes dans les lecteurs et graveurs optiques (CD, DVD, ...).

一只狗的红外线照片

假色的红外线望远镜图，其中的蓝色、绿色及红色对应3.4, 4.6和12 µm的波长

红外线（Infrared，简称IR）又俗称红色光芒，是波长介乎微波与可见光之间的电磁波，其波长在760奈米（nm）至1毫米（mm）之间，是波长比红光长的非可见光，对应频率约是在430 THz到300 GHz的范围内。室温下物体所发出的热辐射多都在此波段。

红外线是在1800年由天文学家威廉·赫歇尔发现，他藉温度的上升，发现有一种看不到的辐射，其频率低于红色光。太阳的能量中约有超过一半的能量是以红外线的方式进入地球，地球吸收及发射红外线辐射的平衡对其气候有关键性的影响。

当分子改变其旋转或振动的运动方式时，就会吸收或发射红外线。由红外线的能量可以找出分子的振动模态及其偶极矩的变化，因此在研究分子对称性及其能态时，红外线是理想的频率范围。红外线光谱学研究在红外线范围内的光子吸收及发射。

红外线可用在军事、工业、科学及医学的应用中。红外线夜视设备利用即时的近红外线影像，可以在不被查觉的情形下在夜间观察人或是动物。红外线天文学利用有传感器的望远镜穿透太空的星尘（例如分子云），检测像是行星等星体，以及检测早期宇宙留下的红移星体。红外线热显像相机可以检测隔绝系统的热损失，观查皮肤中血液流动的变化，以及电子设备的过热。红外线穿透云雾的能力比可见光强，像红外线导引常用在飞弹的导航、热成像仪及夜视镜可以用在不同的应用上、红外天文学及远红外线天文学可在天文学中应用红外线的技术。

光线与"红外线"的关系

光线是一种辐射电磁波，其波长分布自300nm（紫外线）到14,000nm（远红外线）。不过以人类的经验而言，「光域」通常指的是肉眼可见的光波域，即是从400nm（紫）到700nm（红）可以被人类眼睛感觉得到的范围，一般称为「可见光域」（Visible）。由于近代科技的发达，人类利用各种「介质」（特殊材质的感应器），把感觉范围从「可见光」部份向两端扩充，最低可达到0.08～0.1nm（X光, 0.8～1Å），最高可达10,000nm（远红外线，热像范围）。

自然界的红外线

阳光的等效温度为5,780开尔文，其热辐射的频谱中有一半是红外线。在海平面上，阳光在的辐照度是每平方公尺1 千瓦。其中有527瓦的能量是红外线、445瓦是可见光，而32瓦的能量是紫外线。 在地球表面，其温度远低于太阳的温度，几乎所有的热辐射都是由不同频率的红外线组成。在这些天然的热辐射源中，只有闪电及火热到可以产生一些可见光，而火产生的红外线比可见还要多。

不同领域的红外线

近红外线（NIR, IR-A DIN）：波长在0.75－1.4微米，以水的吸收来定义，由于在二氧化硅玻璃中的低衰减率，通常使用在光纤通信中。在这个区域的波长对影像的增强非常敏锐。例如，包括夜视设备，像是夜视镜。

短波长红外线（SWIR, IR-B DIN）：1.4－3微米，水的吸收在1,450奈米显著的增加。1,530至1,560奈米是主导远距离通信的主要光谱区域。

中波长红外线（MWIR, IR-C DIN）也称为中红外线：波长在3－8微米。被动式的红外线追热导向飞弹技术在设计上就是使用3－5微米波段的大气窗口来工作，对飞机红外线标识的归航，通常是针对飞机引擎排放的羽流。

长波长红外线（LWIR, IR-C DIN）：8－15微米。这是"热成像"的区域，在这个波段的传感器不需要其他的光或外部热源，例如太阳、月球或红外灯，就可以获得完整的热排放量的被动影像。前视性红外线（FLIR）系统使用这个区域的频谱。，有时也会被归类为"远红外线"

远红外线（FIR）：50－1,000微米（参见远红外线雷射）。

红外线-A (IR-A)：700奈米－1,400奈米（0.7微米－1.4微米）

红外线-B (IR-B)：1,400奈米－3,000奈米（1.4微米－3微米）

红外线-C (IR-C)：3,000奈米－1毫米（3微米－1,000微米）

近红外线：波长范围为0.7至1.0 µm（由人眼无法侦测的范围到硅可响应的范围）

短波红外线：波长范围为1.0至3 µm（由硅的截止频率到大气红外线窗口的截止频率），InGaAs范围可以到1.8 µm，一些较不灵敏的铅盐也可侦测到此范围。

中波红外线：波长范围为3至5 µm（由大气红外线窗口定义，也是锑化铟及HgCdTe可覆盖的范围，有时是硒化铅可覆盖的范围）

长波红外线：波长范围为8至12或是7至14 µm（是HgCdTe及微测辐射热计可覆盖的范围）

远红外线（VLWIR）：波长范围为12至30 µm，是掺杂硅可覆盖的范围

红外线的发现

公元1666年牛顿发现光谱并测量出3,900埃～7,600埃（400nm～700nm）是可见光的波长。1800年4月24日英国伦敦皇家学会的威廉·赫歇尔发表太阳光在可见光谱的红光之外还有一种不可见的延伸光谱，具有热效应。他所使用的方法很简单，用一支温度计测量经过棱镜分光后的各色光线温度，由紫到红，发现温度逐渐增加，可是当温度计放到红光以外的部份，温度仍持续上升，因而断定有红外线的存在。在紫外线的部份也做同样的测试，但温度并没有增高的反应。紫外线是1801年由RITTER用氯化银感光剂所发现。

红外线辐射源区分

白炽发光区（Actinic range）：或称「光化反应区」，由白炽物体产生的射线，自可见光域到红外域。如灯泡（钨丝灯，TUNGSTEN FILAMENT LAMP），太阳。

热体辐射区（Hot-object range）：由非白炽物体产生的热射线，如电熨斗及其它的电热器等，平均温度约在400℃左右。

发热传导区（Calorific range）由滚沸的热水或热蒸汽管产生的热射线。平均温度低于200℃，此区域又称为「非光化反应区」（Non-actinic）。

温体辐射区（Warm range）：由人体、动物或地热等所产生的热射线，平均温度约为40℃左右。

站在照相与摄影技术的观点来看感光特性：光波的能量与感光材料的敏感度是造成感光最主要的因素。波长愈长，能量愈弱，即红外线的能量要比可见光低，比紫外线更低。但是高能量波所必须面对的另一个难题就是：能量愈高穿透力愈强，无法形成反射波使感光材料截取影像，例如X光，就必须在被照物体的背后取像。因此，摄影术就必须往长波长的方向——「近红外线」部份发展。以造影为目标的近红外线摄影术，随着化学与电子科技的进展，演化出下列三个方向：

近红外线底片：以波长700nm～900nm的近红外线为主要感应范围，利用加入特殊染料的乳剂产生光化学反应，使此一波域的光变化转为化学变化形成影像。

近红外线电子感光材料：以波长700nm～2,000nm的近红外线为主要感应范围，它是利用以硅为主的化合物晶体产生光电反应，形成电子影像。

中、远红外线热像感应材料：以波长3,000nm～14,000nm的中红外线及远红外线为主要感应范围，利用特殊的感应器及冷却技术，形成电子影像。

红外线和温室效应

温室效应的简图 地球表面及云会吸收太阳发射的可见光及辐射．再以红外线的形式发射到大气层中。大气中的特定物质（例如云里的水滴和水蒸气，还有二氧化碳、甲烷、一氧化氮、六氟化硫及氟氯碳化物等）会吸收红外线，再发射回地球。温室效应可以提高大气层及地表的温度。