Условно считается, что инфракрасный диапазон спектра простирается от 0,78 до 340 мк. Практически же из всего инфракрасного спектра освоен лишь участок примерно от 0,78 до 200 мк. Более длинноволновое излучение используется в специальных научных исследованиях.
Сделаем вывод: инфракрасные лучи представляют собой электромагнитные колебания определенных длин волн; они распространяются, отражаются, поляризуются и интерферируют (взаимно усиливаются или ослабляются при их наложении друг на друга) точно так же, по тем же самым законам, что и электромагнитные колебания других диапазонов.
Как же получать, генерировать (создавать) инфракрасные лучи? Каждое тело, нагреваясь, начинает испускать все больше и больше видимых лучей. Кусок стали, например, при слабом нагреве светится вишневым светом, потом, по мере повышения температуры, его свечение становится оранжевым, желтым и, наконец, ослепительно бело-желтым, таким ярким, что глазам больно. Но нагретый предмет — мощный источник не только световых, но и инфракрасных лучей. Общая мощность излучения для реальных источников примерно пропорциональна их абсолютной температуре в четвертой степени. Напомним, что абсолютная температура в градусах Кельвина больше температуры в градусах Цельсия примерно на 273°. Выходит, что если увеличить абсолютную температуру источника в три раза, мощность его излучения возрастет в 81 раз, а при увеличении абсолютной температуры в 5 раз мощность излучения возрастет в 625 раз. Этот закон излучения нагретого тела применим с некоторыми поправками ко многим материалам и реальным объектам.
Итак, простейшие генераторы инфракрасных лучей — нагретые твердые тела. Интенсивность их излучения резко увеличивается с увеличением температуры. Следует сразу же оговориться, что источниками инфракрасного излучения могут быть не только твердые и жидкие тела, но и газы. Многие газы также увеличивают мощность инфракрасного излучения с увеличением температуры. Эта физическая закономерность, как мы увидим в дальнейшем, имеет большое прикладное значение и может быть использована в военном деле при решении исключительно важных задач.
Но какова же практическая ценность инфракрасных лучей? Почему они могут использоваться в военных целях? По многим причинам. Пожалуй, главная из них та, что инфракрасные лучи излучаются практически любыми военными объектами, независимо от того, освещены эти объекты или находятся в полной темноте. Если тело имеет температуру больше абсолютного нуля (—273 °C), то оно источник инфракрасного излучения. Большинство военных объектов — достаточно мощные источники инфракрасного излучения.
Таковы, например, современные реактивные самолеты— истребители и бомбардировщики — носители атомного оружия. Сопла их двигателей, раскаленные при работе до нескольких сот градусов, могут быть обнаружены с помощью инфракрасных систем за много километров от цели. Для борьбы с самолетами противника во многих странах созданы снаряды класса «воздух — воздух» с тепловыми головками самонаведения. Так, в США на вооружение приняты два самонаводящих снаряда с тепловыми головками самонаведения — «Сайдуиндер» и «Фолкон». Точность попадания в цель подобных систем можно проиллюстрировать следующим примером. При испытаниях ракет в качестве мишени используют не настоящий самолет-бомбардировщик, а телеуправляемую мишень в виде планера, на плоскость крыла которого устанавливают источник инфракрасного излучения — фару с лампой накаливания. Точность попадания самонаводящихся снарядов с тепловыми головками самонаведения настолько высока, что были случаи, когда ракета «Сайдуиндер» сбивала источник излучения на плоскости летающей мишени, а сама мишень оставалась при этих испытаниях неповрежденной.
Не менее мощные источники инфракрасного излучения и многие наземные объекты, особенно заводы и фабрики. Их обнаружение также возможно на больших расстояниях. В литературе приводятся данные о том, что с помощью инфракрасных систем можно получить изображения различных объектов в полной темноте. К таким объектам относятся производственные сооружения, элементы ландшафта земной поверхности, автомобили, морские суда. Известны многочисленные приборы для снятия так называемых тепловых карт местности по ее собственному тепловому излучению. Специфические возможности инфракрасных приборов и относительная простота их устройства при малом весе и потребляемой мощности приобретают особо важное значение в свете требований к современному оружию.
Однако инфракрасная техника имеет свои пределы. Хотя инфракрасное излучение проходит в условиях дымки через атмосферу значительно лучше, чем видимый свет (это связано с его длиной волны, большей по сравнению с размером рассеивающих частиц), через облака и туманы оно проникает не намного лучше, чем видимое. Таким образом, в условиях Земли инфракрасная техника не всепогодное средство. Пожалуй, это главный ее недостаток.
Другое дело космическое пространство. В печати отмечалось, что оно весьма благоприятно для применения инфракрасных приборов, так как здесь отсутствует ослабляющее излучение среды. Это позволяет более свободно выбирать спектральную область работы инфракрасных приборов. Образно можно сказать, что в космосе инфракрасные системы становятся «всепогодными», так как само понятие «погода» здесь отсутствует. Выходит, за пределами земной атмосферы могут быть принципиально реализуемы все преимущества инфракрасной техники: высокая разрешающая способность, простота устройства, малый вес, малые габариты по сравнению с аналогичными более громоздкими и мощными радиолокационными устройствами.
Прежде чем говорить о тех задачах, которые могут быть решены с помощью инфракрасной техники в космосе, остановимся коротко на физических принципах устройства некоторых описанных в зарубежной литературе типичных инфракрасных систем.
Каждая инфракрасная система конструируется для решения определенной задачи. Элементы системы выбираются так, чтобы получить оптимальные условия ее работы в данной спектральной области с максимальной чувствительностью, высокой разрешающей способностью, с учетом характеристик источника излучения, который нужно обнаружить, и вида информации, которую система должна выдавать.
Многие инфракрасные системы пассивные; иными словами, они только принимают излучения от цели. Такие устройства содержат следующие элементы: оптическую систему, приемник или чувствительный элемент, а также электронное устройство для усиления и логической обработки полученного сигнала. Оптические системы большинства инфракрасных устройств состоят из комбинаций линз, зеркал и фильтров и служат, главным образом, для того, чтобы собрать и сфокусировать на приемный элемент поток инфракрасного излучения, приходящий от цели. Наличие фильтров в оптической системе обусловливается необходимостью ограничить нежелательное влияние излучений фона или посторонних источников и тем самым выделить излучение цели.
Один из центральных элементов любой инфракрасной системы — приемник лучистой энергии или чувствительный элемент. Говоря о нем, следует подчеркнуть особую роль физики полупроводников и ее исключительное влияние на инфракрасную технику вообще и на военную инфракрасную технику в частности. В послевоенные годы развитие исследований в области физики твердого тела и полупроводников, а также возросшая роль научного, промышленного и военного применения инфракрасной техники привели к появлению разнообразных чувствительных элементов, область использования которых непрерывно расширяется. Но задача любого приемника инфракрасного излучения — преобразование энергии излучения в электрический сигнал.
Наиболее известные приемники инфракрасного излучения — полупроводниковые фотосопротивления, термоэлементы, болометры, термисторы, термостолбики. Многие из этих приемников работают при комнатной температуре. Некоторые имеют высокую чувствительность лишь при глубоком охлаждении. Рабочая температура многих инфракрасных приемников излучения достигает температуры жидкого азота (77°К), а порой и жидкого гелия (4°К). Таким образом, их применение связано со специфическими вопросами физики низких температур. Выбор приемника инфракрасного излучения производится так, чтобы получить наибольшую чувствительность устройства в заданной спектральной области.