Infrarrojo (Infrared)

Infrarrojos (IR), también conocido como luz infrarroja, constituye una forma de radiación electromagnética (EMR) caracterizada por longitudes de onda que superan las de la luz visible pero más cortas que las microondas. Esta banda espectral comienza en longitudes de onda que superan inmediatamente las de la luz roja (las ondas más largas dentro del espectro visible), lo que hace que el IR sea imperceptible para la visión humana. Según los estándares ISO y CIE, el IR normalmente abarca longitudes de onda que van desde aproximadamente 780 nm (380 THz) a 1 mm (300 GHz). La radiación infrarroja se clasifica convencionalmente en IR térmica de longitud de onda más larga, que se origina en emisores terrestres, e IR de longitud de onda más corta, o IR cercana, que forma un componente del espectro solar. Las longitudes de onda dentro del rango IR más largo (30 a 100 μm) se clasifican ocasionalmente en la banda de radiación de terahercios. La gran mayoría de la radiación de cuerpo negro emitida por objetos a temperatura ambiente se encuentra dentro del espectro IR. Como modalidad de EMR, el IR transmite energía y momento, ejerce presión de radiación y exhibe características consistentes tanto con un comportamiento ondulatorio como con propiedades similares a las de una partícula, específicamente como un fotón.

La emisión de calor invisible de los incendios fue reconocida durante siglos; En 1681, el experimentador pionero Edmé Mariotte demostró que el vidrio, a pesar de su transparencia a la luz solar, bloqueaba eficazmente el calor radiante. En 1800, el astrónomo Sir William Herschel identificó la radiación infrarroja como un componente espectral invisible con menor energía que la luz roja, detectando su presencia a través de su impacto térmico sobre un termómetro. Investigaciones posteriores, basadas en el trabajo de Herschel, revelaron que más de la mitad de la energía total del Sol que llega a la Tierra llega en forma de radiación infrarroja. El equilibrio entre la radiación infrarroja absorbida y emitida influye significativamente en el sistema climático de la Tierra.

Las moléculas emiten o absorben radiación infrarroja durante las transiciones en sus movimientos de rotación y vibración. Esta radiación excita modos de vibración molecular mediante alteraciones en el momento dipolar, estableciendo así un rango de frecuencia valioso para investigar estos estados de energía en moléculas que poseen la simetría adecuada. La espectroscopia infrarroja es una técnica que analiza la absorción y transmisión de fotones dentro del espectro infrarrojo.

La radiación infrarroja encuentra una gran utilidad en los ámbitos industrial, científico, militar, comercial y médico. Los sistemas de visión nocturna que emplean iluminación activa en el infrarrojo cercano permiten la observación de individuos o animales manteniendo al observador oculto. La astronomía infrarroja aprovecha los telescopios equipados con sensores para atravesar regiones cósmicas opacas y polvorientas, incluidas las nubes moleculares, facilitando la detección de cuerpos celestes como planetas y la observación de objetos altamente desplazados al rojo de las etapas nacientes del universo. Las cámaras de imágenes térmicas infrarrojas se utilizan para identificar la disipación de calor en sistemas aislados, monitorear las variaciones del flujo sanguíneo cutáneo, ayudar en las operaciones de extinción de incendios y detectar componentes eléctricos sobrecalentados. Tanto las aplicaciones militares como civiles abarcan la adquisición de objetivos, la vigilancia, las capacidades de visión nocturna, los mecanismos de localización y los sistemas de seguimiento. La radiación primaria emitida por los seres humanos a temperatura corporal normal se produce en longitudes de onda de aproximadamente 10 μm. Las aplicaciones civiles se extienden además al análisis de eficiencia térmica, vigilancia ambiental, inspecciones de infraestructura industrial, identificación de operaciones de cultivo ilícito, medición remota de temperatura, transmisión inalámbrica de datos de corto alcance, análisis espectroscópico y predicción meteorológica.

Definición y relación del espectro electromagnético

Sigue siendo difícil encontrar una definición universalmente aceptada del rango espectral preciso de la radiación infrarroja. Convencionalmente, se considera que su extensión abarca desde el límite rojo nominal del espectro visible, a 780 nm, hasta 1 mm. Este intervalo de longitud de onda se correlaciona con un rango de frecuencia de aproximadamente 430 THz a 300 GHz. El segmento de microondas del espectro electromagnético se encuentra más allá del rango infrarrojo. Sin embargo, la radiación de terahercios se está clasificando progresivamente dentro de la banda de microondas en lugar de la de infrarrojos, desplazando así el límite superior de la banda de infrarrojos a 0,1 mm (3 THz).

Características

La luz solar, que posee una temperatura efectiva de 5780 K (5510 °C, 9940 °F), comprende radiación de espectro casi térmico, y el infrarrojo representa poco más de la mitad de su composición total. En su cenit, la radiación solar emite una irradiancia superior a 1 kW por metro cuadrado al nivel del mar. Esta distribución energética incluye 527W de radiación infrarroja, 445W de luz visible y 32W de radiación ultravioleta. Prácticamente toda la radiación solar infrarroja cae dentro del espectro del infrarrojo cercano, caracterizado por longitudes de onda inferiores a 4 μm.

A temperaturas significativamente más bajas que la superficie solar, la superficie de la Tierra emite radiación térmica principalmente dentro del espectro del infrarrojo medio, caracterizado por longitudes de onda considerablemente más largas que las que se encuentran en la luz solar. Tanto la radiación de cuerpo negro como la térmica son fenómenos continuos que se emiten en todo el espectro electromagnético. Entre las fuentes naturales de radiación térmica, sólo los rayos y los incendios forestales generan energía visible sustancial; sin embargo, los incendios emiten predominantemente radiación infrarroja en lugar de luz visible.

regiones espectrales

Los objetos suelen emitir radiación infrarroja en un amplio espectro de longitudes de onda; sin embargo, las aplicaciones prácticas suelen centrarse en una región espectral limitada, ya que los sensores están diseñados para detectar radiación dentro de anchos de banda específicos. Según la ley de desplazamiento de Wien, la radiación térmica infrarroja presenta una longitud de onda máxima de emisión que es inversamente proporcional a la temperatura absoluta del objeto. El espectro infrarrojo suele segmentarse en bandas más estrechas, aunque los esquemas de división específicos varían según el dominio de aplicación.

Límite visible

La radiación infrarroja se define convencionalmente como radiación electromagnética con longitudes de onda que exceden las perceptibles por el ojo humano. Sin embargo, no existe un límite de longitud de onda definitivo para la visión humana, ya que la sensibilidad ocular disminuye progresivamente más allá de aproximadamente 700 nm. En consecuencia, se pueden percibir longitudes de onda ligeramente más largas que este umbral si su intensidad es suficientemente alta, a pesar de que las definiciones estándar las clasifican como infrarrojas. Por ejemplo, la luz láser del infrarrojo cercano puede aparecer como un tenue resplandor rojo y supone un peligro potencial debido a su capacidad de transmitir energía sustancial. En circunstancias específicas, los humanos pueden incluso detectar radiación láser infrarroja pulsada con longitudes de onda que se extienden hasta 1050 nm.

Esquema de subdivisión de uso común

Un esquema de subdivisión predominante incluye:

La banda combinada de infrarrojo cercano (NIR) e infrarrojo de onda corta (SWIR) ocasionalmente se denomina infrarrojo reflejado, mientras que la banda de infrarrojo de onda media (MWIR) y de onda larga (LWIR) a menudo se denomina infrarrojo térmico.

Esquema de división CIE

La Comisión Internacional de Iluminación (CIE) propuso la siguiente división en tres bandas para la radiación infrarroja:

Esquema ISO 20473

ISO 20473 describe el siguiente esquema de clasificación:

Esquema de división astronómica

Los astrónomos suelen clasificar el espectro infrarrojo en los siguientes segmentos:

Estas clasificaciones no están definidas de forma rígida y pueden diferir según las distintas publicaciones. Cada una de estas tres regiones se emplea para observar distintos rangos de temperatura, lo que facilita el estudio de diversos entornos cósmicos.

En astronomía, el sistema fotométrico predominante asigna letras mayúsculas a varias regiones espectrales en función de los filtros empleados. Específicamente, I, J, H y K denotan longitudes de onda del infrarrojo cercano, mientras que L, M, N y Q corresponden a la región del infrarrojo medio. Estas designaciones son ampliamente reconocidas en relación con las ventanas atmosféricas y aparecen con frecuencia en los títulos de numerosas publicaciones académicas.

Esquema de división de respuesta de sensores

Un tercer esquema de clasificación segmenta la banda infrarroja según las características operativas de los diferentes detectores:

• Infrarrojo cercano (NIR): Este rango, que abarca de 0,7 a 1,0 μm, se extiende desde el límite aproximado de la sensibilidad del ojo humano hasta el límite operativo de los detectores de silicio.
• Infrarrojos de onda corta (SWIR): esta región, que abarca de 1,0 a 3 μm, se extiende desde el corte del detector de silicio hasta la ventana atmosférica de infrarrojos de onda media (MWIR). Los detectores de arseniuro de indio y galio (InGaAs) suelen funcionar hasta aproximadamente 1,8 μm, mientras que para este rango espectral se utilizan detectores de sal de plomo menos sensibles. Los detectores de telururo de mercurio y cadmio (MCT) enfriados criogénicamente son capaces de detectar radiación dentro del rango de 1,0 a 2,5 μm.
• Infrarrojo de onda media (MWIR): esta banda, que oscila entre 3 y 5 μm, se caracteriza por una ventana atmosférica y es detectada por materiales como el antimoniuro de indio (InSb), el telururo de mercurio y cadmio (HgCdTe) y, en parte, el seleniuro de plomo (PbSe).
• Infrarrojo de onda larga (LWIR): esta ventana atmosférica, que abarca de 8 a 12 μm o, a veces, de 7 a 14 μm, suele estar cubierta por detectores y microbolómetros de HgCdTe.
• Infrarrojo de onda muy larga (VLWIR): con una extensión de 12 a aproximadamente 30 μm, esta región se detecta utilizando silicio dopado.

La región del infrarrojo cercano representa el rango espectral con longitudes de onda más cercanas a las perceptibles por el ojo humano. Por el contrario, las regiones del infrarrojo medio y lejano se alejan progresivamente del espectro visible. Las definiciones alternativas se basan en distintos mecanismos físicos, como picos de emisión, bandas específicas o absorción de agua, mientras que las clasificaciones más recientes se basan en consideraciones técnicas, incluido el rango de sensibilidad de los detectores de silicio comunes (hasta aproximadamente 1050 nm) y los detectores de InGaAs (que normalmente comienzan con una sensibilidad alrededor de 950 nm y se extienden entre 1700 y 2600 nm, dependiendo de su configuración específica). Actualmente, no existen estándares internacionales para estas especificaciones particulares.

El límite preciso entre la luz visible y la infrarroja sigue sin estar definido, y varios estándares suelen situar el inicio de la radiación infrarroja entre 700 nm y 800 nm. La sensibilidad ocular humana disminuye significativamente para longitudes de onda superiores a 700 nm, lo que hace que las longitudes de onda más largas sean en gran medida imperceptibles en escenas iluminadas por fuentes convencionales. Sin embargo, la radiación del infrarrojo cercano (NIR) de alta intensidad, como la de los láseres, los LED o la luz diurna filtrada, se puede detectar hasta aproximadamente 780 nm y se percibe como roja. Además, las potentes fuentes de luz que emiten longitudes de onda de hasta 1.050 nm pueden aparecer como un tenue resplandor rojo, lo que plantea desafíos para la iluminación NIR en entornos con poca luz; Este problema normalmente se mitiga mediante técnicas de iluminación indirecta. En particular, el follaje exhibe una alta reflectividad en el espectro NIR. Al eliminar la fuga de luz visible alrededor de un filtro infrarrojo y permitir la adaptación ocular a la imagen extremadamente tenue transmitida a través de un filtro fotográfico de paso IR visualmente opaco, los observadores pueden percibir el efecto Madera, caracterizado por un follaje brillante en el infrarrojo.

Bandas de Telecomunicaciones

En los sistemas de comunicación óptica, el espectro infrarrojo utilizado se segmenta en siete bandas distintas, una clasificación basada en la disponibilidad de fuentes de luz, las propiedades de los materiales transmisores/absorbentes (por ejemplo, fibras ópticas) y las características del detector.

La banda C predomina en las redes de telecomunicaciones de larga distancia. Por el contrario, las bandas S y L dependen de tecnologías menos maduras y, en consecuencia, presentan un despliegue más limitado.

Calor

Si bien la radiación infrarroja se denomina comúnmente "radiación de calor", es importante tener en cuenta que todas las ondas electromagnéticas, independientemente de su frecuencia, inducen calentamiento en las superficies que las absorben. La radiación solar infrarroja contribuye aproximadamente en un 49% al calentamiento de la Tierra, y la parte restante se atribuye a la absorción de luz visible seguida de su reemisión en longitudes de onda más largas. Por ejemplo, la luz visible o los láseres ultravioleta pueden carbonizar el papel y los objetos incandescentes emiten radiación visible. Los objetos a temperatura ambiente emiten principalmente radiación dentro de la banda de 8 a 25 μm; sin embargo, este fenómeno no es fundamentalmente distinto de la luz visible emitida por cuerpos incandescentes o de la radiación ultravioleta de fuentes aún más calientes (consulte la radiación de los cuerpos negros y la ley de desplazamiento de Wien).

El calor representa energía en tránsito, impulsada por un diferencial de temperatura. A diferencia de la conducción o convección térmica, la radiación térmica posee la capacidad única de propagarse a través del vacío. Esta radiación está definida por un espectro específico de múltiples longitudes de onda, que se origina a partir de las vibraciones moleculares dentro de un objeto a una temperatura particular. Si bien la radiación térmica puede emitirse en todo el espectro electromagnético, a temperaturas extremadamente altas, sus espectros asociados se extienden significativamente más allá del infrarrojo, abarcando regiones visibles, ultravioleta e incluso de rayos X (por ejemplo, la corona solar). En consecuencia, la asociación común de la radiación infrarroja con la radiación térmica es simplemente una coincidencia, ya que se deriva de las temperaturas comparativamente bajas que prevalecen cerca de la superficie de la Tierra.

Comprender las emisiones infrarrojas de los objetos requiere comprender el concepto de emisividad. La emisividad cuantifica cómo la radiación térmica de una superficie diverge de la de un cuerpo negro ideal. Por ejemplo, dos objetos a una temperatura física idéntica pueden presentar imágenes infrarrojas diferentes si sus emisividades varían. Específicamente, dada una configuración de emisividad fija, los objetos con mayor emisividad se registrarán como más cálidos, mientras que aquellos con menor emisividad aparecerán más fríos, suponiendo que el entorno ambiental sea más frío que los objetos observados. Los objetos que exhiben una emisividad imperfecta también poseen propiedades reflectantes y/o transparentes, lo que lleva a una reflexión o transmisión parcial de la temperatura ambiental circundante a través del objeto. Por el contrario, en un ambiente más cálido, un objeto con menor emisividad, a pesar de estar a la misma temperatura, probablemente parecería más cálido que uno más emisivo. En consecuencia, una selección inexacta de la emisividad y no tener en cuenta la temperatura ambiente producirán mediciones erróneas al emplear cámaras infrarrojas y pirómetros.

Aplicaciones

Visión nocturna

La radiación infrarroja se emplea en equipos de visión nocturna durante períodos de iluminación visible insuficiente. Los dispositivos de visión nocturna funcionan convirtiendo los fotones de la luz ambiental en electrones, que posteriormente se amplifican mediante procesos químicos y eléctricos y luego se reconvierten en luz visible. Las fuentes de luz infrarroja pueden complementar la luz ambiental disponible para la conversión de estos dispositivos, mejorando así la visibilidad en la oscuridad sin utilizar una fuente de luz visible.

Es crucial diferenciar la aplicación de luz infrarroja y dispositivos de visión nocturna de las imágenes térmicas, que generan imágenes basadas en variaciones de temperatura de la superficie al detectar la radiación infrarroja (calor) emitida por los objetos y su entorno circundante.

Termografía

La radiación infrarroja se puede utilizar para determinar de forma remota la temperatura de los objetos, siempre que se conozca su emisividad. Esta técnica se denomina termografía; para objetos extremadamente calientes dentro del infrarrojo cercano (NIR) o espectro visible, se denomina pirometría. Si bien la termografía (imágenes térmicas) se emplea principalmente en los sectores militar e industrial, la tecnología está penetrando cada vez más en el mercado de consumo, especialmente como cámaras infrarrojas en automóviles, debido a reducciones sustanciales en los gastos de fabricación.

Las cámaras termográficas perciben radiación dentro del rango infrarrojo del espectro electromagnético (aproximadamente 9.000 a 14.000 nm o 9 a 14 μm) y generan las imágenes correspondientes. Como todos los objetos emiten radiación infrarroja proporcionalmente a su temperatura, de acuerdo con la ley de radiación del cuerpo negro, la termografía permite percibir el entorno independientemente de la iluminación visible. La cantidad de radiación emitida por un objeto es directamente proporcional a su temperatura, lo que facilita la visualización de las diferencias de temperatura.

Imágenes hiperespectrales

Una imagen hiperespectral constituye un cubo de datos que abarca un espectro continuo en un amplio rango espectral en cada píxel. Las imágenes hiperespectrales son cada vez más importantes en el campo de la espectroscopia aplicada, específicamente dentro de las regiones espectrales del infrarrojo cercano (NIR), del infrarrojo de onda corta (SWIR), del infrarrojo de onda media (MWIR) y del infrarrojo de onda larga (LWIR). Las aplicaciones comunes abarcan mediciones biológicas, mineralógicas, de defensa e industriales.

Las imágenes hiperespectrales infrarrojas térmicas se pueden realizar de manera análoga utilizando una cámara termográfica, con la distinción clave de que cada píxel contiene un espectro infrarrojo de onda larga (LWIR) completo. En consecuencia, la identificación química de un objeto se puede realizar sin necesidad de una fuente de luz externa, como el Sol o la Luna. Estas cámaras se emplean habitualmente en mediciones geológicas, vigilancia exterior y aplicaciones de vehículos aéreos no tripulados (UAV).

Otras técnicas de imágenes

En la fotografía infrarroja, se emplean filtros infrarrojos para registrar el espectro del infrarrojo cercano. Las cámaras digitales incorporan frecuentemente bloqueadores de infrarrojos. Sin embargo, las cámaras digitales y los teléfonos con cámara más económicos poseen filtros menos eficientes y son capaces de percibir una intensa radiación infrarroja cercana, que se manifiesta como un color blanco púrpura brillante. Este efecto es particularmente evidente al fotografiar sujetos cerca de fuentes infrarrojas intensas, como lámparas, donde la interferencia infrarroja resultante puede degradar la calidad de la imagen. Otra técnica, conocida como imágenes de rayos T, utiliza radiación de terahercios o infrarrojo lejano. La escasez de fuentes potentes puede hacer que la fotografía de terahercios sea más ardua que muchas otras técnicas de imágenes infrarrojas. Recientemente, las imágenes de rayos T han atraído una atención significativa debido a los avances recientes, incluida la espectroscopia en el dominio del tiempo de terahercios.

Seguimiento

El seguimiento por infrarrojos, también conocido como localización por infrarrojos, constituye un sistema pasivo de guía de misiles que utiliza la radiación infrarroja emitida por un objetivo como guía. Los misiles que emplean búsqueda infrarroja se denominan frecuentemente "buscadores de calor" porque las fuentes térmicas emiten infrarrojos intensamente. Numerosos objetos, incluidos cuerpos humanos, motores de vehículos y aviones, producen calor, creando así un contraste térmico con fondos más fríos.

Calefacción

La radiación infrarroja puede servir como fuente de calor intencional. Se utiliza, por ejemplo, en saunas de infrarrojos para calentar a los ocupantes. También se puede utilizar en otras aplicaciones de calefacción, como para facilitar la eliminación del hielo de las alas de los aviones (descongelación).

La calefacción por infrarrojos también está ganando cada vez más importancia en los procesos de fabricación industrial, por ejemplo, en la polimerización de recubrimientos, el moldeado de plástico, el recocido, la soldadura de plástico y el secado de impresiones. En estas aplicaciones, los calentadores infrarrojos sirven como alternativas a los hornos de convección y los métodos de calentamiento por contacto.

Refrigeración

Una amplia gama de tecnologías existentes y propuestas aprovechan las emisiones infrarrojas para enfriar edificios y otros sistemas. La región infrarroja de onda larga (LWIR), que abarca entre 8 y 15 μm, es particularmente ventajosa porque parte de la radiación en estas longitudes de onda puede escapar al espacio a través de la ventana infrarroja de la atmósfera. Este mecanismo permite que las superficies de enfriamiento radiativo diurno pasivo (PDRC) alcancen temperaturas de enfriamiento subambientales incluso bajo irradiancia solar directa, facilitando así la disipación de calor de la Tierra al espacio exterior sin requerir entrada de energía ni generar contaminantes. Las superficies PDRC están diseñadas para maximizar la reflectancia solar de onda corta, minimizando así la absorción de calor y, al mismo tiempo, manteniendo una sólida transferencia de calor por radiación térmica infrarroja de onda larga (LWIR). A escala global, este método de enfriamiento se ha postulado como una estrategia para mitigar y potencialmente revertir el calentamiento global, y ciertas proyecciones sugieren que una cobertura de superficie global del 1-2 % podría ser suficiente para reequilibrar los flujos de calor globales.

Comunicaciones

La transmisión de datos por infrarrojos (IR) también encuentra aplicación en la comunicación de corto alcance entre periféricos de computadora y asistentes digitales personales. Estos dispositivos suelen cumplir con los estándares promulgados por la Asociación de datos infrarrojos (IrDA). Los controles remotos y los dispositivos IrDA emplean diodos emisores de luz (LED) infrarrojos para emitir radiación infrarroja, que puede enfocarse mediante una lente en un haz dirigido dirigido a un detector. Este haz está modulado, es decir, se enciende y apaga rápidamente, según un código específico que luego interpreta el receptor. Por consideraciones prácticas, se utiliza habitualmente el infrarrojo muy cercano (por debajo de 800 nm). Esta longitud de onda se detecta eficazmente mediante fotodiodos de silicio económicos, que convierten la radiación incidente en corriente eléctrica. Luego, la señal eléctrica resultante se procesa a través de un filtro de paso alto, que preserva las pulsaciones rápidas que se originan en el transmisor de infrarrojos y al mismo tiempo atenúa la radiación infrarroja que varía lentamente de fuentes ambientales. Los sistemas de comunicación por infrarrojos son particularmente ventajosos para aplicaciones interiores en entornos densamente poblados. Dado que la radiación IR no atraviesa las paredes, evita interferencias con otros dispositivos ubicados en habitaciones adyacentes. El infrarrojo sigue siendo el método predominante para que los controles remotos operen aparatos electrónicos. Los protocolos de control remoto por infrarrojos específicos, como RC-5 y SIRC, facilitan la comunicación a través de señales infrarrojas.

La comunicación óptica en espacio libre que emplea láseres infrarrojos ofrece un método comparativamente económico para establecer enlaces de comunicación en entornos urbanos, logrando velocidades de hasta 4 gigabit/s, especialmente en comparación con el gasto que supone desplegar cable de fibra óptica. Sin embargo, esta ventaja se ve contrarrestada por el potencial de daño por radiación. Una preocupación importante es que el ojo humano no puede detectar la radiación infrarroja, lo que significa que es posible que no se produzcan respuestas protectoras naturales como parpadear o cerrar los ojos, que de otro modo podrían mitigar o prevenir el daño.

Los láseres infrarrojos sirven como fuente de luz para los sistemas de comunicaciones de fibra óptica. Para las fibras de sílice estándar, las longitudes de onda cercanas a 1330 nm (que ofrecen una dispersión mínima) o 1550 nm (que proporcionan una transmisión óptima) se consideran las selecciones más adecuadas.

La transmisión de datos por infrarrojos de versiones de audio de carteles impresos se está investigando actualmente como tecnología de asistencia para personas con discapacidad visual, específicamente en el marco del proyecto de señalización audible por infrarrojos remotos. El proceso de transmisión de datos infrarrojos entre dispositivos a veces se denomina "transmisión".

Los infrarrojos se emplean ocasionalmente para aplicaciones de audio de asistencia y sirven como una alternativa a los bucles de inducción de audio tradicionales.

Espectroscopia

La espectroscopía vibratoria infrarroja es una técnica empleada para la identificación molecular mediante el análisis de sus enlaces químicos constituyentes. Cada enlace químico dentro de una molécula exhibe una frecuencia vibratoria característica. Los grupos atómicos dentro de una molécula (por ejemplo, CH₂) pueden poseer varios modos de oscilación, que surgen de los movimientos colectivos de estiramiento y flexión del grupo. Si una oscilación induce un cambio en el momento dipolar de la molécula, ésta absorberá un fotón de la frecuencia correspondiente. Las frecuencias vibratorias de la mayoría de las moléculas se alinean con las de la luz infrarroja. Esta técnica se aplica normalmente para analizar compuestos orgánicos, utilizando radiación de la banda del infrarrojo medio, específicamente entre 4000 y 400 cm^-1. Posteriormente se registra un espectro completo que detalla todas las frecuencias de absorción dentro de una muestra. Este espectro proporciona información sobre la composición del grupo químico de la muestra y su pureza; por ejemplo, una muestra hidratada exhibirá una amplia banda de absorción de O-H alrededor de 3200 cm⁻¹. La unidad empleada para la radiación en este contexto, cm⁻¹, se conoce como número de onda espectroscópica, que representa la frecuencia dividida por la velocidad de la luz en el vacío.

Metrología de película delgada

Dentro del sector de los semiconductores, la radiación infrarroja sirve como herramienta de diagnóstico para materiales como películas delgadas y estructuras de zanjas periódicas. La medición de la reflectancia de la luz de la superficie de una oblea semiconductora permite determinar el índice de refracción (n) y el coeficiente de extinción (k) mediante la aplicación de las ecuaciones de dispersión de Forouhi-Bloomer. Además, la reflectancia infrarroja facilita la evaluación de dimensiones críticas, profundidad y ángulos de las paredes laterales en estructuras de zanjas de alta relación de aspecto.

Meteorología

Los satélites meteorológicos, equipados con radiómetros de barrido, generan imágenes térmicas o infrarrojas, lo que permite a analistas cualificados determinar las altitudes y clasificaciones de las nubes, calcular las temperaturas de la tierra y del agua superficial y señalar las características de la superficie oceánica. Este escaneo normalmente opera dentro del rango de 10,3 a 12,5 μm, utilizando canales IR4 e IR5.

Las nubes frías a gran altitud, incluidos ciclones y formaciones cumulonimbos, con frecuencia se representan en rojo o negro. Por el contrario, las nubes más bajas y más cálidas, como estratos o estratocúmulos, aparecen en azul o gris, y los tipos de nubes intermedias se representan con los tonos correspondientes. Las temperaturas elevadas de la superficie terrestre se indican mediante una coloración gris oscuro o negra. Una limitación de las imágenes infrarrojas es su incapacidad para representar claramente las nubes bajas, como estratos o niebla, debido a su similitud térmica con la superficie terrestre o marina adyacente. Sin embargo, al analizar el diferencial de brillo entre el canal IR4 (10,3-11,5 μm) y el canal de infrarrojo cercano (1,58-1,64 μm), se pueden diferenciar las nubes bajas, generando así una imagen de satélite de niebla. El principal beneficio de las imágenes infrarrojas radica en su capacidad para operar de forma nocturna, lo que facilita la observación ininterrumpida de los patrones climáticos.

Las imágenes infrarrojas son capaces de ilustrar remolinos o vórtices oceánicos y mapear corrientes, como la Corriente del Golfo, que ofrece una utilidad significativa al sector del transporte marítimo. Tanto las operaciones de pesca comercial como las empresas agrícolas se benefician del conocimiento de las temperaturas de la tierra y el agua, lo que ayuda a proteger los cultivos contra las heladas y mejora las capturas marinas, respectivamente. Además, los fenómenos de El Niño son detectables mediante este método. La aplicación de técnicas de digitalización en color permite la transformación de imágenes térmicas en escala de grises en color, simplificando así la identificación de datos pertinentes.

Ciertos satélites meteorológicos están equipados para obtener imágenes del canal primario de vapor de agua, que opera entre 6,40 y 7,08 μm, que revela el contenido de humedad atmosférica.

Climatología

Dentro de la climatología, la radiación infrarroja atmosférica se monitorea continuamente para identificar patrones en la transferencia de energía entre la Tierra y su atmósfera. Estas tendencias ofrecen información crucial sobre las alteraciones prolongadas del clima de la Tierra. Junto con la radiación solar, constituye un parámetro fundamental investigado en la investigación del calentamiento global.

En este campo de investigación se utiliza un pirgeómetro para realizar mediciones continuas en exteriores. Este instrumento funciona como un radiómetro infrarrojo de banda ancha y muestra una sensibilidad a la radiación infrarroja dentro del rango aproximado de 4,5 μm a 50 μm.

Astronomía

Los astrónomos utilizan componentes ópticos, como espejos, lentes y detectores digitales de estado sólido, para observar objetos celestes dentro del segmento infrarrojo del espectro electromagnético. En consecuencia, esta práctica se clasifica bajo astronomía óptica. Para la formación de imágenes, los elementos constitutivos de un telescopio infrarrojo deben protegerse meticulosamente de fuentes térmicas y sus detectores deben enfriarse con helio líquido.

La eficacia de los telescopios infrarrojos terrestres está sustancialmente limitada por el vapor de agua atmosférico, que atenúa una fracción de la radiación infrarroja extraterrestre fuera de ventanas atmosféricas específicas. Este impedimento puede mitigarse parcialmente ubicando observatorios telescópicos a altitudes elevadas o desplegando telescopios a través de globos o aviones. Los telescopios espaciales están exentos de esta restricción, lo que convierte al espacio exterior en el entorno óptimo para la astronomía infrarroja.

El segmento infrarrojo del espectro electromagnético ofrece varias ventajas distintas para la observación astronómica. Dentro de nuestra galaxia, nubes moleculares frías y opacas de gas y polvo emiten radiación térmica cuando son iluminadas por estrellas incrustadas. La detección infrarroja también facilita la identificación de protoestrellas antes de su emisión de luz visible. A medida que las estrellas irradian una menor proporción de su energía en el espectro infrarrojo, los objetos fríos cercanos, como los planetas, se vuelven más discernibles. (Por el contrario, en el espectro de luz visible, el resplandor estelar normalmente oscurece la luz reflejada de un cuerpo planetario).

La radiación infrarroja resulta fundamental para observar los núcleos de galaxias activas, frecuentemente oscurecidos por el gas y el polvo. Además, las galaxias distantes que exhiben un desplazamiento al rojo significativo muestran un pico espectral desplazado hacia longitudes de onda más largas, lo que las hace más susceptibles a la observación infrarroja.

Limpieza

La limpieza por infrarrojos constituye una metodología empleada por ciertos escáneres de películas, películas y de superficie plana para mitigar o eliminar el impacto del polvo y los rayones en el resultado final escaneado. Este proceso opera adquiriendo un canal infrarrojo auxiliar del escaneo, manteniendo parámetros posicionales y de resolución idénticos a los tres canales de color visibles (rojo, verde y azul). La integración del canal infrarrojo con los canales visibles facilita la detección precisa de arañazos y partículas de polvo. Después de su identificación, estas imperfecciones se pueden rectificar mediante ajustes de escala o empleando técnicas de pintura.

Conservación y análisis de arte

La reflectografía infrarroja ofrece un método no destructivo para examinar pinturas y exponer las capas subyacentes, específicamente el dibujo preliminar o el contorno guía del artista. Los conservadores de arte emplean esta técnica para analizar las discrepancias entre las capas de pintura visibles y el dibujo subyacente o los estratos intermedios; dichas modificaciones, cuando las ejecuta el artista original, se denominan pentimenti. Esta visión analítica es crucial para determinar la autenticidad de una pintura como obra original frente a una copia, y para evaluar cualquier alteración resultante de una restauración excesiva. Por lo general, una mayor incidencia de pentimenti se correlaciona con una mayor probabilidad de que la pintura sea la versión principal. Además, proporciona valiosas perspectivas sobre metodologías artísticas. La reflectografía frecuentemente descubre la aplicación de negro de carbón por parte del artista, que exhibe una fuerte visibilidad en los reflectogramas, siempre que no se haya incorporado también a la capa subyacente de la pintura. La reflectografía infrarroja se puede implementar utilizando cámaras digitales comerciales modificadas que operan en la región espectral del infrarrojo cercano (NIR) o instrumentos especializados diseñados para la región espectral del infrarrojo de onda corta (SWIR). La reciente expansión de la reflectografía a la región espectral del infrarrojo de onda media (MWIR) ha demostrado eficacia para discernir variaciones sutiles en los materiales de la superficie.

Además, la reflectografía del infrarrojo cercano (NIR) puede producir resultados satisfactorios cuando se realiza con cámaras de teléfonos inteligentes.

Los avances en el desarrollo de cámaras sensibles al infrarrojo ahora permiten la detección y visualización no solo de pinturas base y pentimenti, sino también de composiciones completas posteriormente pintadas por el artista. Ejemplos ilustrativos incluyen Mujer planchando y Habitación azul de Picasso, en los que el análisis infrarrojo ha revelado un retrato masculino debajo de la superficie actualmente reconocida en ambas obras de arte.

Los conservadores y científicos aplican de manera similar técnicas infrarrojas a diversos artefactos, particularmente a documentos escritos antiguos como los Rollos del Mar Muerto, los textos romanos de la Villa de los Papiros y los manuscritos de la Ruta de la Seda descubiertos en las Cuevas de Dunhuang. El pigmento negro de humo comúnmente empleado en las tintas exhibe una visibilidad excepcional bajo examen infrarrojo.

Sistemas biológicos

Las víboras poseen un par de hoyos sensibles a los infrarrojos ubicados en sus cabezas. Sin embargo, la sensibilidad térmica precisa de este mecanismo biológico de detección infrarroja sigue siendo un tema de investigación en curso.

Otros organismos que poseen órganos termoreceptivos incluyen pitones (familia Pythonidae), ciertas boas (familia Boidae), el murciélago vampiro común (Desmodus rotundus), varias especies de escarabajos joya (Melanophila acuminata), mariposas de pigmentación oscura (Pachliopta aristolochiae y Troides rhadamantus plateni) y insectos potencialmente hematófagos (Triatoma infestans). Las serpientes crotalina y boid utilizan sus órganos foso sensibles a infrarrojos para detectar las emisiones térmicas de sus presas, facilitando así la identificación y captura. De manera similar, las axilas sensibles a los infrarrojos del murciélago vampiro común (Desmodus rotundus) ayudan a localizar áreas ricas en sangre en sus huéspedes de sangre caliente. El escarabajo joya, Melanophila acuminata, emplea órganos infrarrojos para detectar incendios forestales y posteriormente deposita sus huevos en árboles recientemente carbonizados. Los termorreceptores situados en las alas y antenas de mariposas de pigmentación oscura, como Pachliopta aristolochiae y Troides rhadamantus plateni, brindan protección contra el daño térmico durante el sol. Además, se plantea la hipótesis de que los termorreceptores permiten que los insectos que se alimentan de sangre (Triatoma infestans) identifiquen huéspedes de sangre caliente al detectar el calor corporal que emiten.

Ciertos hongos, incluido Venturia inaequalis, necesitan iluminación infrarroja cercana para la expulsión de esporas.

A pesar de la creencia arraigada de que la visión del infrarrojo cercano (780-1000 nm) era inalcanzable debido al ruido de los pigmentos visuales, la percepción de la luz del infrarrojo cercano se ha documentado en la carpa común y en tres especies de cíclidos. Los peces utilizan NIR para la adquisición de presas y guía fototáctica para nadar. Esta sensibilidad NIR en los peces podría ser crucial en ambientes con poca luz, como durante el crepúsculo o en aguas superficiales turbias.

Fotobiomodulación

La luz infrarroja cercana, también conocida como fotobiomodulación, se emplea en el tratamiento terapéutico de la ulceración oral inducida por la quimioterapia y para promover la cicatrización de heridas. La investigación preliminar también sugiere su potencial en tratamientos contra el virus del herpes. Las iniciativas de investigación actuales investigan sus efectos neuroprotectores en el sistema nervioso central, particularmente a través de la regulación positiva de la citocromo c oxidasa y otras posibles vías biológicas.

Peligros para la salud

La intensa radiación infrarroja que se encuentra en entornos industriales específicos con altas temperaturas plantea riesgos oculares y puede provocar daños oculares o ceguera en las personas expuestas. Dada la naturaleza invisible de esta radiación, en estos entornos son obligatorias gafas de protección infrarroja especializadas.

Historia científica

El descubrimiento de la radiación infrarroja se atribuye al astrónomo William Herschel a principios del siglo XIX. Herschel presentó sus hallazgos a la Royal Society de Londres en 1800. Empleó un prisma para refractar la luz solar e identificó la radiación infrarroja, situada más allá de la porción roja del espectro, observando la elevación de la temperatura en un termómetro. Sorprendido por este resultado, los denominó "Rayos Caloríficos". El término "infrarrojos" surgió más tarde en el siglo XIX, derivado del prefijo latino infra-, que significa "abajo", ya que representa la luz situada debajo del rojo en el espectro electromagnético. Antes de esto, un experimento realizado en 1790 por Marc-Auguste Pictet ya había demostrado la reflexión y concentración del calor radiante utilizando espejos, incluso sin la presencia de luz visible.

Los principales hitos históricos incluyen:

• 1830: Leopoldo Nobili desarrolló el detector infrarrojo de termopila inaugural.
• 1840: John Herschel generó la primera imagen térmica, posteriormente denominada termograma.
• 1860: Gustav Kirchhoff articuló el teorema del cuerpo negro, expresado como E = J ( T , n ) {\displaystyle E=J(T,n)}.
• 1873: Willoughby Smith identificó el fenómeno de la fotoconductividad en el selenio.
• 1878: Samuel Pierpont Langley inventó el primer bolómetro, un instrumento capaz de detectar pequeñas fluctuaciones de temperatura y, en consecuencia, la potencia de salida de fuentes de infrarrojo lejano.
• 1879: Se formuló empíricamente la ley de Stefan-Boltzmann, que establece que la potencia irradiada por un cuerpo negro es directamente proporcional a T⁴.
• Décadas de 1880 y 1890: Lord Rayleigh y Wilhelm Wien proporcionaron de forma independiente soluciones parciales a la ecuación del cuerpo negro; sin embargo, ambos modelos exhibieron divergencias en regiones específicas del espectro electromagnético. Esta cuestión no resuelta se conoció como la "catástrofe ultravioleta y la catástrofe infrarroja".
• 1892: Willem Henri Julius publicó los espectros infrarrojos de 20 compuestos orgánicos, que se midieron utilizando un bolómetro y se expresaron en unidades de desplazamiento angular.
• 1901: Max Planck introdujo la ecuación y el teorema del cuerpo negro, resolviendo el problema existente cuantificando las transiciones de energía permitidas.
• 1905: Albert Einstein avanzó la teoría que explica el efecto fotoeléctrico.
• 1905–1908: William Coblentz publicó espectros infrarrojos para varios compuestos químicos, expresados en unidades de longitud de onda (micrómetros), dentro de su trabajo titulado Investigaciones de espectros infrarrojos.
• 1917: Theodore Case desarrolló el detector de sulfuros talosos, que facilitó la creación del primer dispositivo de búsqueda y seguimiento por infrarrojos capaz de detectar aeronaves a una distancia de una milla (1,6 km).
• 1935: Las sales de plomo se utilizaron en los primeros sistemas de guía de misiles durante la Segunda Guerra Mundial.
• 1938: Yeou Ta teorizó que el efecto piroeléctrico podría aprovecharse para la detección de radiación infrarroja.
• 1945: Se presentó el sistema de armas infrarrojas Zielgerät 1229 "Vampir", el primer dispositivo infrarrojo portátil diseñado para aplicaciones militares.
• 1952: Heinrich Welker sintetizó con éxito cristales de antimonuro de indio (InSb).
• Décadas de 1950 y 1960: Fred Nicodemenus, G. J. Zissis y R. Clark establecieron la nomenclatura y las unidades radiométricas, mientras que Robert Clark Jones definió D*.
• 1958: W. D. Lawson, afiliado al Royal Radar Establishment en Malvern, descubrió las propiedades de detección infrarroja del telururo de mercurio y cadmio (HgCdTe).
• 1958: Se desarrollan los misiles Falcon y Sidewinder, que incorporan tecnología infrarroja.
• Durante la década de 1960, Paul Kruse y su equipo de investigación en el Centro de Investigación Honeywell demostraron la eficacia del telururo de mercurio y cadmio (HgCdTe) como compuesto para la detección infrarroja.
• En 1962, J. Cooper presentó una demostración de detección piroeléctrica.
• W. G. Evans identificó termorreceptores infrarrojos dentro de un escarabajo pirófilo en 1964.
• El año 1965 marcó varios avances significativos: la publicación del manual inaugural de infrarrojos (IR); la introducción de los primeros lectores de imágenes comerciales de Barnes and Agema (posteriormente integrados en FLIR Systems Inc.); la publicación del texto fundamental de Richard Hudson; el desarrollo del F4 TRAM FLIR por parte de Hughes; y el trabajo pionero en fenomenología de Fred Simmons y A. T. Stair. Al mismo tiempo, el ejército de EE. UU. estableció su laboratorio de visión nocturna, ahora conocido como Dirección de Visión Nocturna y Sensores Electrónicos (NVESD), donde Rachets posteriormente desarrolló modelos para detección, reconocimiento e identificación.
• En 1970, Willard Boyle y George E. Smith, trabajando en Bell Labs, propusieron el dispositivo de carga acoplada (CCD) para su aplicación en la tecnología de teléfonos con imágenes.
• La Dirección de Visión Nocturna y Sensores Electrónicos (NVESD) inició el programa de módulos comunes en 1973.
• En 1978, la astronomía de imágenes infrarrojas había madurado significativamente, lo que llevó a la planificación de nuevos observatorios y a la inauguración de la Instalación del Telescopio Infrarrojo (IRTF) en Mauna Kea. Durante este período, se fabricaron matrices de 32 × 32 y 64 × 64 utilizando antimonuro de indio (InSb), telururo de mercurio y cadmio (HgCdTe) y otros materiales avanzados.
• El 14 de febrero de 2013, investigadores desarrollaron con éxito un implante neuronal capaz de dotar a ratas de la capacidad de percibir luz infrarroja. Este avance representó el primer ejemplo de cómo proporcionar a los organismos vivos capacidades sensoriales completamente nuevas, en lugar de simplemente reemplazar o mejorar las preexistentes.

Notas

Notas

Referencias

Infrarrojos: una perspectiva histórica.

• Infrarrojos: una perspectiva histórica Archivado el 7 de agosto de 2007 en Wayback Machine (Omega Engineering)
• Infrared Data Association, una organización de estándares dedicada a la interconexión de datos por infrarrojos.
• Protocolo SIRC.
• Construcción de un receptor de infrarrojos USB para el control remoto de un ordenador personal.
• Ondas infrarrojas: una explicación detallada de la luz infrarroja.
• Artículo original de Herschel de 1800 que anuncia el descubrimiento de la luz infrarroja.
• La biblioteca termográfica: una colección de termogramas.
• Reflectografía infrarroja en el análisis de pinturas.
• Farias, Molly. "Técnicas y aplicaciones: capacidades analíticas de la reflectografía infrarroja: la perspectiva de un historiador del arte". En *Examen científico del arte: técnicas modernas de conservación y análisis*, Coloquio Sackler NAS, 2005.