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 grenzt 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 für den sichtbaren Bereich definiert und werden teils durch die Anwendungen oder spezielle physikalische Phänomene bestimmt, weshalb es mehrere unterschiedliche Bezeichnungen gibt.
Geschichte
Die IR-Strahlung wurde im Jahre 1666 von Sir Isaac Newton postuliert. 1800 ermittelte Sir Wiliam Herschel die relative Energie dieser Strahung 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 und auch Infrarot-LEDs. 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 - auch Digitalkameras eignen sich dafür, wenn ihr IR-Sperrfilter nicht zu stark ausgelegt ist. Zur Aufnahme von IR-Bildern im nahen Infrarotbereich eignen sich auch spezielle fotografische Filme. 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 (kälter als 1000 K), die in anderen Spektralbereichen kaum zu sehen sind, oder Objekte, die in oder hinter einer interstellaren Wolke liegen. Zusätzlich hilft die IR-Spektroskopie bei der Analyse der betrachteten Objekte.
Anwendung in der Computertechnik
Infrarotschnittstellen von Computern ermöglichen eine drahtlose Kommunikation mit Peripheriegeräten. Dabei war die Firma Hewlett Packard eines der ersten Unternehmen, das die Infrarot-Technik 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 Personal Computer integriert. Diese Schnittstelle wurde zu ihrem ersten Standard. Man nannte ihn somit Serial Infrared (Serielles Infrarot), abgekürzt SIR. Aus Geschwindigkeitsgründen ist dieser Standard heutzutage durch das abwärtskompatible Fast-IR abgelöst, welches bei PCs jedes Desktop-Mainboard ab ungefähr Baujahr 2002 unterstützt (bzw. für den Anschluss eines solchen Senders/Empfängers vorbereitet ist). PDAs und Notebooks (außer den meisten ganz neuen) haben ein solches Infrarotgerät eingebaut, ebenso wie einige Mobiltelefone (hier gilt für die neueren dasselbe wie für Notebooks).
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, das infrarotes Licht zur quantitativen Bestimmung von bekannten Substanzen oder Strukturaufklärung unbekannter Substanzen benutzt.
Anwendung in der Vermessung von Vegetation
Im nahen Infrarot besitzt Chlorophyll eine deutlich (ungefähr 6x) höherere Reflektivität als im sichtbaren (insbesondere grünen) Spektrum. Dieser Effekt wird zur Erkennung von Vegetation ausgenutzt. Hat man auf diese Weise Vegetation erkannt, kann sie (und nur sie) vermessen werden. Hierbei sticht besonders hervor, dass der Gesundheitszustand von Pflanzen über die Reflexion erkannt werden kann. Dazu wird der Vegetationsindex berechnet.
Die Vermessung von Vegetation ist auch für Autobahn- oder Straßenmeistereien, Gleisinfrastrukturbetreiber (z.B. DB Netz AG) oder Forstbetriebe von Bedeutung. Ragt Vegetation zu weit in das Lichtraumprofil von Fahrzeugen wird dies vom Vermessungssystem automatisch registriert.
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 erhöhen. Hierbei wird das von einer Infrarotkamera aufgenommene Bild auf einem Display im Fahrzeuginneren dem Fahrer zur Verfügung gestellt. Entsprechende Systeme werden meist 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 ggf. Ausfälle und Schäden vermieden werden. Man kann sie auch prima mit der Schwingunsgmesstechnik kombinieren. Wie die Iris des Auges eine Krankheit anzeigt, zeigt auch die Temperaturerhöhung bzw. die Schwingung mögliche Ausfälle an.
Anwendung in der Materialbearbeitung
Bohren, Schneiden, Schweißen, Gravieren mit Infrarot-Laser (z.B. CO2-Laser).
Sonstige Anwendungen
- Bauthermografie zur Qualitätssicherung und Visualisierung von Wärmebrücken
- Mit Hilfe der Thermographie lassen sich Bilder der durch die Eigenwärme von Gegenständen entstehenden Infrarotstrahlung erzeugen, sogenannte "Wärmebilder".
- 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 strahlen hauptsächlich im Infraroten.
- Mit Gas oder elektrisch beheizte Infrarot-Strahler zur Trocknung von Warenbahnen, wie z.B. Papier.
- Sicherheitsmerkmal bei Geldscheinen, z. B. dem Euro.
- Infrarote Leuchtdioden in optischen Brandmeldern und Lichtschranken zur Raucherkennung.
