Infrarotstrahlung
Als Infrarotstrahlung (kurz IR-Strahlung) bezeichnet man in der Physik elektromagnetische Wellen im Spektralbereich zwischen sichtbarem Licht und der langwelligeren Mikrowellenstrahlung. Dies entspricht einem Wellenlängenbereich von etwa 780 nm bis 1 mm. Bei kurzwelliger IR-Strahlung spricht man oft von "Nahinfrarot" (NIR), bei Wellenlängen von ca. 5...20 Mikrometer von "mittlerem Infrarot" (MIR). Extrem langwellige IR-Strahlung bezeichnet man als "Ferninfrarot" (FIR). Sie grenzen an den Bereich der Terahertzstrahlung.
Technisch wird unterschieden in:
- nahes Infrarot: near infrared NIR, IR-A DIN, 0,7–1,4 µm – beschränkt durch die Wasserabsorption und in der Telekommunikation verwendet, aufgrund der geringen Absorption und Dispersion von Glasfasern
- kurzwelliges IR: short wavelength IR SWIR, IR-B DIN, 1,4–3 µm Die Wasserabsorption steigt bei 1450 nm stark an
- mittelwelliges Infrarot: mid wavelength IR MWIR, IR-C DIN, auch Zwischen-IR: intermediate-IR (IIR), 3–8 µm
- langwelliges IR: long wavelength IR LWIR, IR-C DIN, 8–15 µm)
- fernes Infrarot: far infrared FIR, 15–1000 µm
Die Begriffe sind nicht immer so eindeutig wie im sichtbaren Bereich und werden teils durch die Anwendungen oder spezielle physikalische Phänomene bestimmt, weshalb es mehrere unterschiedliche Bezeichnungen gibt.
Geschichte
Die IR-Strahlung wurde im Jahre 1800 von Wilhelm Herschel entdeckt, indem er Sonnenlicht durch ein Prisma lenkte und hinter dem roten Ende des sichtbaren Spektrums ein Thermometer legte. Aus dem beobachteten Temperaturanstieg schloss er, dass sich das Sonnenspektrum jenseits des Roten fortsetzt. Umgangssprachlich wird IR-Licht oft mit Wärmestrahlung gleichgesetzt.
Breitbandige IR-Quellen sind thermische Strahler wie beispielsweise Glühlampen und Heizstrahler. Selektivstrahler sind der Nernst-Stift, der Auer-Strumpf oder auch Hochdruck-Gasentladungslampen. Als monochromatische, kohärente Quellen dienen Infrarotlaser (Halbleiterlaser, Nd:YAG-Laser, CO2-Laser).
Zum Nachweis von IR-Strahlung aller Wellenlängen eigenen sich thermische Detektoren (Thermoelemente oder Bolometer). Im kurzwelligen Bereich werden Halbleiterdetektoren verwendet. Zur Aufnahme von IR-Bildern im nahen Infrarot eignen sich auch spezielle Photoplatten. Bei längeren Wellenlängen (mittleres Infrarot) werden gekühlte Halbleiterempfänger oder pyroelektrische Sensoren (Anwendung z. B. im PIR-Bewegungsmelder) verwendet.
Bildgebende Sensoren haben für die Thermografie, die Infrarot-Astronomie (Blick durch interstellare Staubwolken möglich) und Nachtsichtgeräte Bedeutung.
Anwendungen
Anwendung in der Astronomie
In der Infrarotastronomie beobachtet man kühle Objekte (< 1000 K), die in anderen Spektralbereichen kaum zu sehen sind oder aber Objekte, die in oder hinter einer interstellaren Wolke liegen. Des Weiteren hilft die IR-Spektroskopie bei der Analyse der betrachteten Objekte.
Anwendung in der Computertechnik
Infrarotschnittstellen von PCs ermöglichen eine drahtlose Kommunikation mit Peripheriegeräten. Dabei war die Firma Hewlett Packard eines der ersten Unternehmen, die die Infrarottechnik mit der EDV verbunden hat. Im Jahre 1979 integrierte man dort erstmals eine IR-Schnittstelle in einen Taschenrechner um so eine Verbindung zu einem Drucker herzustellen. Im Jahre 1990 wurde dann erstmals eine IR-Schnittstelle in einen Desktop-PC integriert. Diese Schnittstelle wurde zu ihrem ersten Standard. Man nannte ihn somit Serial Infrared (Serielles Infrarot), abgekürzt SIR.
Des Weiteren liegt die Standardwellenlänge in der optischen Datenübertragung mittels Glasfasern mit 1550 nm im Infraroten.
Anwendung in der Chemie
IR-Strahlung regt Moleküle zu Schwingungen und Rotationen an. Die Infrarotspektroskopie (IR-Spektroskopie) ist ein physikalisches Analyseverfahren, dass infrarotes Licht für quantitativen Bestimmung von bekannten Substanzen oder zur Strukturaufklärung unbekannter Substanzen benutzt.
Anwendung in der Medizin
Infrarotlicht wird in der Medizin häufig in Verbindung mit Lasertechnik genutzt. Die Einsatzgebiete umfassen dabei insbesondere die Haut-, Augen- und Zahnheilkunde (Messen, Veröden, Schneiden, Koagulieren, Lichttherapie).
Anwendung in der Automobiltechnik
Im Auto kann eine Infrarotkamera genutzt werden, um als Nachtsichtsystem die Sicherheit bei Nachtfahrten zu verbessern. Hierbei muss das von einer Infrarotkamera aufgenommene Bild auf einem Display im Fahrzeuginnern dem Fahrer zur Verfügung gestellt werden. Entsprechende Systeme werden als "Night Vision" bezeichnet.
Anwendung in der Instandhaltung
In der modernen Instandhaltung von elektrischen und mechanischen Anlagen/Maschinen wird die Thermografie als ergänzende Messmethode zur präventiven Mängel- und Schadenserkennung eingesetzt. Berührungslos werden damit zuverlässig kritische Zustände ("Hot-Spots") von Maschinen, Anlagen und Installationen, während deren Normalbetrieb, ermittelt. Dadurch können bereits frühzeitig Massnahmen zur Eingrenzung der Auswirkungen eingeleitet und somit Ausfälle und Schäden vermieden werden.
Anwendung in der Materialbearbeitung
Bohren, Schneiden, Schweißen, Gravieren mit Infrarot-Laser (z.B. CO2-Laser).
Sonstige Anwendungen
- Mit Hilfe der Thermographie lassen sich Bilder der durch die Eigenwärme von Gegenständen entstehenden Infrarotstrahlung (Wärmebilder) erzeugen.
- Die IR-Spektroskopie ist ein wichtiges chemisches Analyseverfahren.
- Fernbedienungen von Fernsehern und Stereoanlagen nutzen Infrarotlicht zur Kommunikation.
- Nachtsichtgeräte liefern Bilder der Umgebung im infraroten Spektralbereich.
- Zielsuchende Waffen, die ihr Ziel über die von diesem ausgesandte Wärme (z.B. Triebwerkswärme bei Flugzeugen) mit einer Infrarotkamera finden.
- Heizlampen emittieren hauptsächlich im Infraroten.
- Sicherheitsmerkmal bei Geldscheinen, z. B. dem Euro.
- Infrarote Leuchtdioden in optischen Brandmeldern und Lichtschranken zur Raucherkennung.
