Спектр инфракрасного излучения, испускаемого всеми нагретыми телами, имеет сплошной характер и охватывает значительный диапазон длин волн от долей до сотен микрон. С другой стороны, в огромном большинстве практических применений инфракрасного излучения необходимо выделять узкие участки такого спектра.
Инфракрасная спектроскопия широко используется для исследования строения молекул жидкостей и твердых тел, качественного и количественного анализа веществ. В астрономии анализ инфракрасного излучения, испускаемого небесными телами, позволяет определять их температуру. Это же излучение оказывается способным существенно влиять на жизненные процессы. Обычные средства такой инфракрасной спектроскопии, инфракрасные монохроматоры — это громоздкие, сложные и дорогие приборы, использование которых ограничивается рядом условий.
Задача выделения узких участков спектра в соседствующей с инфракрасным диапазоном видимой области спектра решается с помощью хорошо известных светофильтров.
По ряду причин решение проблемы фильтрации инфракрасного излучения долгое время отставало от развития других областей инфракрасной техники и от запросов практики. Во-первых, инфракрасная область спектра значительно шире, чем видимая. Во-вторых, к фильтрам, работающим в этой области, предъявляются очень жесткие требования. У источников с высокой температурой интенсивность излучения в области фильтрации может быть в тысячи раз слабее интенсивности излучения в максимуме спектра. Таким образом, чтобы фон фильтра был незначительным, пропускание излучения, соответствующего максимуму-спектра, должно составлять тысячные доли процента.
Белорусским ученым удалось преодолеть все эти сложности в результате детального изучения рассеяния инфракрасного излучения на неоднородностях среды, С конца XIX в. известно явление избирательной прозрачности растворов с взвешенными в них частицами вещества, отличающегося от раствора показателем преломления. Некоторые из таких суспензий обнаруживали свойство пропускать только определенный участок видимого спектра. Это явление весьма просто объясняется с точки зрения оптики. Дело в том, что рассеяние излучения, приводящее к уменьшению прозрачности среды, тем больше, чем сильнее отличаются между собой показатели преломления взвешенных частиц и той среды, в которую они помещены. Однако показатель преломления любой среды зависит от длины волны (на этом, в частности, основано действие обычной призмы, по-разному преломляющей различные участки видимого света), и может случиться, что для какой-нибудь длины волны показатели среды и взвешенных частиц совпадут. Тогда для излучения этой длины волны раствор оказывается прозрачным и практически не задерживает излучения. Остальные же участки спектра будут ослабленными ввиду рассеяния.
Однако для видимой области спектра дисперсионные фильтры по сравнению с другими оказались не конкурентоспособные и не нашли применения. Прежде всего, таких фильтров очень мало; свойства их изучены еще недостаточно; кроме того, они не обладают необходимой механической прочностью, а их спектральные характеристики — стабильностью. Порошки, взвешенные в жидкостях, легко смещаются, и целостность слоя нарушается. Показатель преломления жидкостей сильно зависит от температуры, поэтому при изменении температуры будут меняться положение и форма полосы пропускания такой системы, если ее не поместить в термостат. В инфракрасной области спектра добавляется еще одна трудность: слишком мало жидкостей, прозрачных для инфракрасных лучей, а известный небольшой набор таких жидкостей для отдельных областей спектра (типа сероуглерода, четыреххлористого углерода) состоит из очень летучих и нестойких веществ.
Ученые-лауреаты выдвинули идею нового типа фильтров, использующих описанное явление,— твердых фильтров, которые они назвали дисперсионными фильтрами кристалл — кристалл.
Очевидно, что если смешать порошки двух кристаллов, показатели преломления которых совпадают для некоторой длины волны, фильтра не получится, так как между частицами порошков присутствует третья среда — воздух. Удаление воздуха тоже ничего не даст, так как показатель преломления вакуума равен 1. Частицы кристаллов необходимо сблизить настолько, чтобы для заданной длины волны полости между ними не были рассеивающими центрами. В соответствии с предварительными расчетами это удалось осуществить, прессуя порошки кристаллов под давлением около 10 тыс. ат в вакууме 10–2 мм рт.ст.
Успех, однако, оказался бы невозможным без обширных и детальных исследований зависимостей показателя преломления в инфракрасной области для широкого класса веществ. Кроме того, чтобы создать дисперсионные фильтры с оптимальными спектральными характеристиками, нужно было детально изучить, как они рассеивают излучение, как влияют на полосу пропускания толщина диспергирующего слоя, размер частиц, плотность их упаковки и др. Выполненные ранее расчеты полосы пропускания дисперсионных фильтров лишь качественно согласовались с опытными данными. Дело в том, что теоретическое описание рассеяния излучения дисперсионным фильтром затруднено рядом обстоятельств. В дисперсионном фильтре происходит многократное рассеяние причем в условиях плотной упаковки необходим учет так называемых кооперативных эффектов, т. е. следует учитывать интерференцию полей, рассеянных отдельными частицами, составляющими фильтр.
Как оказалось в результате многолетних исследований, для выбора компонентов твердых дисперсионных фильтров существуют довольно широкие возможности- Показатель преломления щелочных галоидов (КСl, NaCl, KBr, KJ) сравнительно невысокий они прозрачны в широкой области спектра. Поэтому такие кристаллы удобно использовать в качестве основы фильтра. Кроме того, они легко прессуются и дают оптимальные спектральные характеристики фильтров. С другой стороны, существует несколько классов кристаллов — карбонаты, сульфаты, молибдаты, вольфраматы, окислы, кристаллы групп АII BVI и AIIIBV, которые удобно использовать как наполнители в твердых фильтрах.
В качестве основы твердых фильтров можно применять полимерные материалы, прозрачные в инфракрасной области спектра, в частности полиэтилен. Высокая текучесть полиэтилена при температурах порядка 150°С позволяет прессовать его при низких давлениях и не в вакууме, что упрощает технологию изготовления фильтров.
Для области инфракрасного спектра от 4 до примерно 40 мкм авторами было разработано более 60 твердых дисперсионных фильтров, с небольшими интервалами, перекрывающими всю эту область.
Оказалось возможным также создать фильтры, где основой служит воздух, — так называемые порошковые дисперсионные фильтры. Показатели преломления ряда кристаллов в коротковолновой области инфракрасных полос поглощения становятся равными 1, т.е. совпадают с показателем преломления воздуха, причем у каждого кристалла — своя область. Например, у карбонатов и сульфатов показатель преломления становится равным 1 в области 5 – 8 мкм, у вольфраматов и молибдатов — в области 8 – 11 мкм, у окислов — 7 – 20 мкм, у кристаллов типа АII BVI и AIIIBV — в области 20 – 70 мкм, а у щелочногалоидных кристаллов эта область простирается от 10 до 100 мкм. Следовательно, порошки таких кристаллов, «взвешенные» в воздухе, будут фильтровать инфракрасное излучение.
Было найдено более 50 систем кристалл — воздух, обладающих фильтрующим эффектом, и разработана технология их изготовления с воспроизводимыми полосами пропускания. Однако диспергирующий слой таких фильтров непрочен. Если же его плотно зажать между двумя подложками и герметизировать, то фильтр можно успешно использовать не только в лабораторных, но и в полевых условиях.
Так как действие дисперсионных фильтров основано на рассеянии излучения, оно существенно зависит от угла зрения, под которым наблюдается прошедшее излучение. Поэтому характеристики таких фильтров зависят от их места в оптической системе и ее конструкции. Соответствующие исследования показали, впрочем, что если эти фильтры использовать в параллельном пучке и соблюдать определенные соотношения расстояний между фильтром, источником излучения и приемником, то характеристики фильтров практически не меняются.
Успешному применению твердых дисперсионных фильтров в немалой мере способствовала стабильность их спектральных характеристик. При хранении фильтров кристалл—кристалл и кристалл—воздух в лабораторных условиях в течение восьми лет не произошло изменения их пропускания. Дисперсионные фильтры подвергались испытаниям на виброустойчивость при ускорении 10g в диапазоне частот 10—1500 гц. При этих воздействиях изменения спектральных характеристик не было зафиксировано. Более прочны, конечно, твердые дисперсионные фильтры, так как диспергирующий слой в них — монолитное целое.
Важная особенность твердых дисперсионных фильтров, отличающая их от фильтров кристалл—жидкость, состоит в независимости спектральной характеристики от температуры при изменении ее в пределах 200°. Практически не влияет температура и на полосы пропускания фильтров кристалл—воздух. Это связано со слабой зависимостью показателя преломления и коэффициента поглощения кристаллов в указанном интервале температур.
Дисперсионные фильтры, а также их комбинирование с другими устройствами открыли новые возможности для инфракрасной спектроскопии. Они уже нашли широкое применение в исследовательских лабораториях и при решении ряда практических задач. На основе дисперсионных фильтров строится упрощенная аппаратура для молекулярного анализа, контроля технологических процессов и т. д. Они используются в приборах для зондирования атмосферы и плазмы, перестройки частоты инфракрасных квантовых генераторов и при поиске новых сред, способных к генерации в этой области спектра.
Наука и человечество. 1975. Сборник – М., «Знание», 1974.