Kızılötesi

Kızılötesi (kızılaltı, kızılötesi ışın, infrared veya IR), elektromanyetik spektrumun görünür ışık ve mikrodalga bölgeleri arasında yer alan 700 nm ile 1 mm dalgaboyu arasında bulunan bölgedeki enerjik ışınıma verilen isimdir. Bu nedenle insan gözüyle görünmez. Normal sıcaklığındaki insan vücudu 10 mikrometre civarında ışıma yapar. Daha uzun IR dalga boyları (30 μm-100 μm) bazen terahertz radyasyonu aralığının bir parçası olarak dahil edilir. Oda sıcaklığına yakın nesnelerden gelen siyah cisim radyasyonunun neredeyse tamamı kızılötesi dalga boylarındadır. Kızılötesi ışın bir elektromanyetik radyasyon biçimi olarak hem bir dalganın, hem de bir foton parçacığının özellikleriyle enerji ve momentumu yayar.

İngilizce infrared sözcüğü, Latincede "aşağı" veya "ötesi" anlamına gelen infra ile İngilizce "kırmızı" anlamına gelen red kelimelerinden oluşur ve "kırmızıaltı" veya "kırmızıötesi" anlamına gelir.

Nesneler oldukça geniş bir tayfta kızılötesi ışınım yayarlar, fakat algılayıcılar sadece belli bant genişliklerini algılayabildikleri için genellikle kızılötesinden kastedilen belirli bantlardır. Bu yüzden kızılötesi bandı daha küçük alt bantlara bölünmüştür.

Yakın kızılötesi (NIR, IR-A DIN): 0,75-1,4 µm dalga boyları arasındadır. Düşük kayıp miktarı yüzünden genellikle fiberoptik iletişimde kullanılmaktadır. Gece görüşü ekipmanları da genellikle bu dalga boyunu kullanır.

Uzun dalga kızılötesi (LWIR, IR-C DIN): 8–15 µm. Dışarıdan bir ışınım kaynağına gerek duymadan sadece cisimlerin yaydığı ısıyla çalışan termal görüntüleme cihazları bu bandı kullanır.

Kızılötesi radyasyon aralığının evrensel olarak kabul edilmiş bir tanımı yoktur. Genellikle, 700 nanometre (nm)’lerde görünür spektrum'un nominal kırmızı kenarından 1 milimetre (mm)'ye kadar uzandığı kabul edilir. Bu dalga boyu aralığı yaklaşık olarak 430 THz'den 300 GHz'e kadar frekans aralığına karşılık gelir. Kızılötesinin ilerisi elektromanyetik spektrum mikrodalga kısmıdır. Terahertz radyasyonu, kızılötesi bant kenarını 0.1 mm'ye (3 THz) hareket ettirerek, kızılötesinin değil mikrodalga bandının parçası olarak varsayılır.

Kızılötesi görüntüleme hem sivil hem de askeri kullanım alanları bulmuştur. Hedef tespiti, gözlemleme, gece görüşü, güdüm ve takip sistemleri gibi askeri kullanım alanlarının yanında, ısıl verimlilik analizi, uzaktan sıcaklık ölçme, kısa mesafeli kablosuz iletişim, spektroskopi ve hava tahmini gibi alanlarda da kullanılmaktadır. Kızılötesi astronomi algılayıcılarla donatılmış teleskoplar kullanarak uzayın normal teleskoplarla, moleküler bulutlar gibi uzay tozları yüzünden görüntülenemeyen alanlarını görüntülemekte, gezegenler gibi soğuk cisimleri bulmakta ve Evren'in uzak geçmişinden kalan yüksek miktarda kırmızıya kayma'ya sahip cisimleri görüntülemekte kullanılmaktadır.

Kızılötesi filtreler birçok farklı malzemeden üretilebilir. Bunlardan bir tanesi görünür ışığın %99'unu kesebilen polysulphone isimli plastiktir. Kızılötesi filtreler asker gece görüş dürbünlerinde sahneyi kızılötesi ışıkla aydınlatırken, görünür ışığı keserek, dürbünün kullanıcısının dışarıdan görülmesini engeller.

Kızılötesi, görünür ışığın yeterli olmadığı durumlarda gece görüş sistemlerinde kullanılmaktadır. Gece görüş sistemleri ortamdaki az sayıda fotonun elektronlara çevirilerek, kimyasal ve elektriksel bir süreçle yükseltilmesi esasıyla çalışır.

Kızılötesi radyasyon, nesnelerin sıcaklığını uzaktan belirlemek için kullanılabilir (yayıcılığı (İngilizce: emissivity) biliniyorsa). Bu, termografi veya NIR'de veya görünürde çok sıcak nesneler olması durumunda pirometri olarak adlandırılır. Termografi (ısıl görüntüleme) esasen askeri ve sanayi uygulamalarda kullanılır ancak, üretim maliyetlerinin büyük ölçüde azalması nedeniyle teknoloji otomobillerde kızılötesi kameralar şeklinde kamu pazarına ulaşmaktadır.

Termal kamera’lar elektromanyetik tayfın kızılötesi aralığındaki (kabaca 9,000–14,000 nanometre veya 9–14 μm) radyasyonu algılar ve bu radyasyonun görüntülerini oluşturur. Siyah cisim radyasyon yasasına göre kızılötesi radyasyon, sıcaklıklarına bağlı olarak tüm nesneler tarafından yayıldığından, termografi kişinin çevresini görünür aydınlatmalı veya ışıksız "görmesini" mümkün kılar. Bir nesne tarafından yayılan radyasyon miktarı sıcaklıkla artar, bu nedenle termografi sıcaklıktaki değişikliklerin görülmesini sağlar.

Geniş ve belirgin sıcaklıktaki soğuk ortamlarda (deniz, orman, çöl, karlı dağ, bozkır) havadan arama kurtarma çalışmalarında insan gözünden kolay kaçan sıcak insan vücudunun ve konaklama ateş yerinin termografi ile daha kolay farkına varılır.

Hiperspektral görüntü, her pikselde geniş tayf aralığında sürekli tayf içeren "resimdir". Uygulamalı spektroskopi alanında özellikle NIR, SWIR, MWIR ve LWIR tayf bölgeleri ile hiperspektral görüntüleme önem kazanmaktadır. Genel uygulamalar biyolojik, mineralojik, savunma ve sanayi ölçümlerini kapsar.

Termal kızılötesi hiperspektral görüntülemeye benzer şekilde bir termal kamera kullanılarak yapılabilir. Temel fark her pikselin tam LWIR tayfını içermesidir. Sonuçta, Güneş veya Ay gibi harici bir ışık kaynağına gerek duymadan cismin kimyasal tanımlaması yapılabilmektedir. Bu tür kameralar genellikle jeolojik ölçümler, dış mekan gözetimi ve İnsansız hava aracı uygulamaları için uygulanır.

Kızılötesi takip sistemi kullanan füzeler, sıcak cisimler kızılötesi ışık yaydığından "ısı güdümlü füze" olarak da bilinir. Kızılötesi ışınımı, frekansta görünür ışık tayfının altındadır ve sıcak cisimler tarafından güçlü şekilde yayılır. İnsanlar, araç motorları ve uçaklar gibi birçok nesne ısı üretir ve saklarlar ve bu nedenle arka plandaki nesnelere kıyasla ışığın kızılötesi dalga boylarında özellikle görülebilirler.

Kızılötesi ışınım, ısıtma kaynağı olarak kullanılabilir. Örneğin, Kızılötesi saunalarda oturanları ısıtmak için, banyo sonrası havlusuz kurulanma için, elektrikli sobalarda ısınma amacıyla, uçak kanatlarında ise oluşan buzu eritmek amacıyla kullanılır. Kızılötesi ışınım aynı zamanda sağlık ve fizyoterapi alanında da kullanılır.

Kızılötesi ışınım etraflarındaki havayı ısıtmadan sadece ışık geçirmeyen cisimleri ısıttığından dolayı kızartma veya ızgara ile yemek pişirmede de kullanılır. Yararı, IR enerjisinin etraftaki hava yerine yalnızca yiyecek gibi mat nesneleri ısıtmasıdır.

Kızılötesi ısıtma kaplamaların kürlenmesi, plastiklerin şekillendirilmesi, tavlama, plastik kaynağı, baskıların kurutulması vb. sanayi üretim süreçlerinde de giderek daha çok kullanılmaktadır. Bu uygulamalarda kızılötesi ısıtıcılar konveksiyonlu fırınların ve temaslı ısıtmanın yerini almaktadır.

IR veri iletişimi bilgisayar cihazları arasında kısa mesafe iletişimde kullanılmaktadır. Bu tip aygıtlar genellikle IrDA protokülüne uygun üretilmektedir. Uzaktan kumandalar ve IrDA cihazlar, plastik bir mercek tarafından odaklanıp, dar bir ışın hâline getirilen kızılötesi LED ışığı kullanmaktadır. Bu LEDi kapatıp açarak (modüle ederek) bilgi kodlanır ve karşı tarafa aktarılır. Alıcı bir silikon fotodiyot kullanarak kızılötesi ışığı yeniden elektrik akımına çevirir. Fotodiyot sadece verici tarafından üretilen hızla titreşen sinyala tepki gösterir, bu şekilde ortamdaki yavaş değişen ışığı filtrelemiş olur. Kızılötesi ışık duvarları geçemediğinden başka odalardaki cihazları etkilemez, bu yüzden yoğun yerleşim alanlarında kullanılmaya uygundur. Kızılötesi iletişim aynı zamanda uzaktan kumanda aletlerinde en sık tercih edilen iletişim metodudur.

Kızılötesi lazer kullanan açık hava optik iletişim cihazları şehirlerde noktadan noktaya yüksek hızlı iletişim sağlamanın, fiber optik kablo çekmenin masrafıyla karşılaştırıldığında ucuz bir yoludur.

Kızılötesi lazerler aynı zamanda fiberoptik iletişim sistemlerinde de kullanılır. 1.330 nm (en az saçılım) ve 1.550 nm (en iyi iletim) frekanslarındaki ışık fiberoptik iletişimde tercih edilir.

Kızılötesi spektroskopi atomlar arasındaki bağları analiz ederek molekülleri tanımlamaya yarayan bir tekniktir. Her kimyasal bağ kendine has bir frekansta titreşir. Bir moleküldeki bir grup atom (mesela CH2) bağların esneme ve bükülme hareketlerinden dolayı birden fazla titreşim moduna sahip olabilir. Eğer bir titreşim molekülün dipol momentinde değişime yol açarsa, molekül aynı frekansa sahip bir foton soğurur. Çoğu molekülün titreşim frekansları, kızılötesi ışığın frekanslarına denk düşer. Genellikle bu teknik 4000–400 cm−1lik orta-kızılötesi ışınım kullanarak organik bileşikleri analiz etmekte kullanılır. Örneğin soğurduğu tüm frenkanslar kaydedilir. Bu tayf kullanılarak örneğin içeriği ve saflığı hakkında bilgi edinilebilir.

Meteoroloji uyduları termal veya kızılötesi görüntüler üreten tarama radyometreleri ile donatılmıştır ve bu görüntüler daha sonra eğitimli bir analistin bulut yüksekliklerini ve türlerini belirlemesine, kara ve deniz suyu sıcaklıklarını hesaplamasına ve okyanus yüzeyi özelliklerini belirlemesine olanak tanır. Tarama genellikle 10.3–12.5 μm frekans (IR4 ve IR5 kanalları) aralığındadır.

Siklon‘lar veya kümülonimbüs bulutları gibi yüksek ve soğuk tepeli bulutlar genellikle kırmızı veya siyah , Sirrus gibi yüksek buz bulutları parlak beyaz, stratus veya stratokümülüs gibi daha alçak bulutlar daha sıcaktır ve mavi veya gri olarak görüntülenir ve ara bulutlar buna göre gölgelenir. Sıcak arazi yüzeyleri koyu gri veya siyah olarak gösterilir. Kızılötesi görüntünün dezavantajı, tabaka veya sis gibi alçak bulutları çevreleyen kara veya deniz yüzeyine benzer sıcaklığı olması ve görünmemesidir. Ancak, IR4 kanalının (10.3–11.5 μm) ve yakın kızılötesi kanalın (1.58–1.64 μm) parlaklık farkını kullanarak alçak bulut ayırt edilebilir ve bir "sis" uydu görüntüsü üretilebilir. Kızılötesinin avantajı ise gece de kızılötesi fotoğraf çekmenin mümkün olması sayesinde hava durumunun sürekli izlenebilmesidir.

Bu tip kızılötesi görüntüler gemicilik için çok önemli olan okyanus girdaplarının veya anaforların ve Gulf Stream gibi okyanus akıntılarının görüntülenmesini sağlar. Balıkçılar ve çiftçiler hasatı donmaya karşı korumak ve çıkarılan deniz mahsulü miktarını artırmak için kara ve deniz sıcaklıklarını öğrenmek ister. El Niño gibi tabiat olayları da bu şekilde görüntülenebilir. Bilgisayarlı renklendirme teknikleri kullanılarak, normalde siyah-beyaz olan termal resimler, ilgilenilen bilginin daha kolay göze çarpması için renklendirilebilir.

Klimatoloji alanında, Dünya ile atmosfer arasındaki enerji alışverişindeki trendleri izlemek amacıyla atmosferik kızılötesi ışınım takip edilir. Bu eğilimler Dünya'nın iklimindeki uzun dönemli değişiklikler hakkında bilgi verir. Küresel ısınma araştırmalarında Güneş radyasyonu ile birlikte izlenen en önemli parametrelerden biridir. Bu araştırma alanında sürekli dış mekan ölçümleri yapmak için pirgeometre kullanılır. Bu, yaklaşık 4.5 μm ve 50 μm arasında kızılötesi radyasyon duyarlılığına sahip geniş bantlı bir kızılötesi radyometredir.

Astronomlar elektromanyetik tayfın kızılötesi bölümüne düşen cisimleri, aynalar, mercekler ve katı hâl algılayıcıları gibi optik elemanlarla gözler. Bu yüzden de kızılötesi astronomi, optik astronomi altında sınıflandırılmıştır. Bir resim oluşturabilmesi için kızılötesi teleskobun parçaları ısı kaynaklarından dikkatlice yalıtılmış olmalıdır. Bu yüzden algılayıcılar sıvı helyum kullanılarak soğutulur.

Dünya'daki kızılötesi teleskopların duyarlılığı atmosferdeki su buharının kızılötesi tayfın önemli bir bölümünü soğurmasından dolayı oldukça sınırlıdır. Bu sınırlamadan teleskopu yüksek bir yere yerleştirerek veya teleskobu bir sıcak hava balonu ve uçağın üzerine monte ederek kısmen kurtulmak mümkündür. Uzaydaki teleskoplar bundan etkilenmez, bu yüzden de kızılötesi astronomi en iyi uzayda yapılır.

Astronomlar için tayfın kızılötesi kısmının birçok önemi vardır. Galaksimizdeki soğuk, karanlık gaz ve tozdan oluşan moleküler bulutlar yıldızlar tarafından ısıtıldıklarından kızılötesi ışınım yayarlar. Kızılötesi aynı zamanda henüz görünür ışık vermemeye başlamamış olan önyıldızların da görülmesini sağlar. Yıldızlar yaydıkları enerjinin sadece küçük bir kısmını kızılötesi olarak verirler. Bu yüzden kızılötesi gözlem gezegenler gibi soğuk cisimler daha kolay ayırt edilebilmesini sağlar. Görünür ışıkta yıldızın yaydığı parlaklık, gezegenden yansıdan az miktarda ışığı boğar.

Kızılötesi ışık aynı zamanda aktif galaksilerin gaz ve tozla sarılı çekirdeklerini incelemekte de yardımcı olur. Uzaktaki galaksiler de kırmızıya kayma sebebiyle en iyi kızılötesi teleskoplarla görülür.

Sanat tarihçilerinin verdiği isimle kızılötesi reflektogramlar Resimlerin alt katmanlarında gizli çizimleri günışığına çıkartabilir. Karbon siyahı resmin tüm arka planını boyamak için kullanılmadığı sürece reflektogramda iyi görüntü verir. Sanat tarihçileri, sanatçının resim üzerinde daha sonradan yaptıkları düzeltmeleri (pentimento) bu metotla görebilirler. Bu bilgi bir resmin orijinali olup olmadığını anlamakta faydalıdır. Genellikle bir resimde ne kadar pentimento varsa orijinal olma olasılığı o derece fazladır. Bu metot aynı zamanda sanatçının çalışma yöntemine dair de ipuçları verir.

Bu tarz bir kullanım diğer tarihçiler arasında da, özellikle çok eski yazılı eserlerin incelenmesinde kullanılmaktadır. Mürekkebin içinde kullanılan karbon oldukça iyi görüntü verir.

Isıl algılayıcıları bulunan başka organizmalar arasında pitonlar (Pythonidae familyası)), boaların bazıları (Boidae familyası)), vampir yarasalar (Desmodus rotundus), bazı böcekler (Melanophila acuminata) , koyu renk pigmentli kelebekler (Pachliopta aristolochiae ve Troides rhadamantus plateni) ve büyük ihtimalle kan emici böcekler (Triatoma infestans) bulunmaktadır.

Yakın kızılötesi görüş (780–1,000 nm), görsel pigmentlerdeki gürültü nedeniyle uzun süredir imkansız olarak kabul edilse de, sazan ve üç çiklit türünde yakın kızılötesi ışık hissi bildirilmiştir.

Balıklar, NIR'yi avını yakalamak ve fototaktik yüzme oryantasyonu için kullanır. Balıklarda NIR hissi, alacakaranlık sırasında ve bulanık yüzey sularında zayıf aydınlatma koşullarıyla ilgili olabilir.

Yakın kızılötesi ışık kemoterapi neticesinde oluşan ağız içi ülserin tedavisinde ve yaraların iyileşmesine yardımcı olarak kullanılmaktadır. Herpes tedavisinde kullanımına ilişkin bir takım çalışmalar da vardır. Aynı zamanda merkezi sinir sistemi tedavisinde kullanımı konusunda da araştırmalar yapılmaktadır.

Bazı yüksek ısılı sanayi ortamlarında kullanılan kuvvetli kızılötesi ışınım gözlere ve görme duyusuna zarar verebilir. Görünmez olması riski artırmaktadır. Bu yüzden bu tür yerlerde kızılötesi koruyucu gözlük takılması zorunludur.

Yerkürenin yüzeyi ve bulutlar Güneş'in yaydığı görünen ve görünmeyen ışınları soğurarak çoğunu kızılötesi ışınım hâlinde yeniden atmosfere yayar. Atmosferde su buharı, karbon dioksit, metan, azot oksit, kükürt hekzaflorid ve kloroflorokarbonlar gibi maddeler bu ışınımı soğurarak her yönde yeniden yayarlar. Bu yüzden Güneş'ten gelen enerjinin bir kısmı atmosfer içinde tutulur ve sera etkisi denilen duruma yol açar.

Kızılötesi ışınımın keşfi genellikle bir 19. yüzyılda yaşamış bir astronom olan William Herschel'a ithaf edilir. Herschel Royal Society of London'dan daha evvel, 1800 yılında bulgularını yayınlamıştır. Herschel bir üçgen prizma kullanarak Güneş'ten gelen ışığı kırmış ve tayfın içinde kırmızının altında bulunan kızılötesi ışınımı bir termometre kullanarak tespit etmiştir. Sonuca şaşırarak bulduğu bu ışınıma "Kalorifik ışınlar" ismini vermiştir. Kızılötesi terimi 19. yüzyılın sonlarına kadar kullanıma girmemiştir.