Question

Как сделать невидимый спектр электромагнитных волн видимым?

Answer 1

Строго говоря, видим любой спектр, потому что спектр - это графическое представление распределения чего-то (например, энергии электромагнитного излучения) по какому-либо параметру (например, по длинам волн). Н как может быть невидимым реисунок на бумаге или картинка на экране монитора...

Поэтому вопрос, надо полагать, на самом деле имеет такой смысл: "как сделать видимым излучение в невидимой части спектра". Ясное дело, что никак. Если только не переделать человеческий глаз.

Но вот что можно сделать с имеющимися у нас от природа глазами - так это снабдить их техническими приспособлениями. Из каковых простейшим может быть обыкновенный фотоаппарат, причём лучше даже плёночный. С помощью такого фотоаппарата, щели и призмы можно разложить белый свет в спектр - и на плёнке отклик будет не только от видимого света, но и от инфракрасного.

Столь же привычен нам и рентгеновский аппарат. Ведь он тоже превращает невидимое излучение (рентген) в видимое изображение.

Для ультрафиолетового излучения визуализировать его может помочь флуоресцентный экран.

Сложнее всего с инфракрасным и с радиочастотным излучением (в силу малой энергии его квантов), но и там есть способы.

Инфракрасные датчики широко применяются в астрономии и в военном деле. Да и в промышленности тоже. Такие датчики бывают разных типов, отличающихся физикой регистрации ИК излучения. В астрономии для этого служат узкозонные полупроводники. Обычные кремниевые матрицы, типа тех, что стоят во всех цифровых камерах, способны регистрировать ИК излучение с длиной волны короче 1,05 мк. Для излучения с большей длиной волны энергия квантов уже недостаточна для генерации электронно-дырочных пар в кремнии, потому что она меньше ширины запрещённой зоны кремния. Выход очевиден - взять полупроводники с меньшей шириной запрещённой зоны. Например, теллурид кадмия, теллурид кадмия-ртути (соединение КРТ) или сходные. Ширина запрещённой зоны в таких материалах доходит порой до сотых долей электрон-вольта, поэтому они способны регистрировать излучение в дальней ИК области спектра. Платой за такое счастье является необходимость работы при криогенных температурах - ведь чем у́же запрещённая зона, тем интенсивнее генерация электронно-дырочных пар за счёт собственных тепловых колебаний решётки.

Второй метод - матрицы на микроболометрах. Болометры - это устройства для прямой регистрации энергии по её тепловому воздействию. Излучение, по фигу какой длины волны, обладает одним универсальным свойством: оно переносит энергию. Значит, если научиться регистрировать эту энергию, можно будет визуализировать любое излучение. Вот этим и занимаются болометры: они регистрируют изменение температуры чувствительного элемента, вызванное попавшим на него излучением, и тем самым позволяют измерить его энергию (строго говоря - плотность энергии). Для целей получения картинки создаётся матрица таких элементов (микроболометров: обычно с шагом в 27-35-50 мк). Излучение, попавшее на каждый элемент такой матрицы, вызывает изменение температуры элемента и, как следствие, какого-либо связанного с температурой параметра - например, его сопротивления или ёмкости относительно подложки (нагрев вызывает механический прогиб консоли).