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Als Infrarotstrahlung (kurz IR-Strahlung, auch Ultrarotstrahlung) bezeichnet man in der Physik elektromagnetische Wellen im Spektralbereich zwischen sichtbarem Licht und der längerwelligen Terahertzstrahlung. Infrarotstrahlung ist ein Teil der Wärmestrahlung.
Inhaltsverzeichnis |
Als Infrarot wird der Bereich zwischen 780 nm und 1 mm (das sind 1.000.000 nm) bezeichnet.
Eine Einteilung des Spektralbereiches beruht auf den Arten der Molekülschwingungen, die sich auf die Anwendungen auswirken. Die Begriffe sind nicht so eindeutig wie im sichtbaren Bereich definiert und werden teils durch die Anwendungen oder spezielle physikalische Phänomene bestimmt, weshalb es mehrere unterschiedliche Bezeichnungen gibt.
Unter Beachtung der technischen Anwendung wird nach DIN[1] anders unterschieden:
Die IR-Strahlung wurde im Jahre 1666 von Sir Isaac Newton postuliert. 1800 ermittelte Sir Wilhelm Herschel die relative Energie dieser Strahlung, indem er Sonnenlicht durch ein Prisma lenkte und jenseits des roten Endes des sichtbaren Spektrums ein Thermometer anbrachte. Aus dem beobachteten Temperaturanstieg schloss er, dass sich das Sonnenspektrum jenseits des Roten fortsetzt.
Umgangssprachlich wird IR-Licht oft mit Wärmestrahlung gleichgesetzt, auch wenn sowohl Mikrowellen als auch sichtbares Licht, wie der ganze elektromagnetische Spektralbereich, zur Wärmestrahlung beitragen.
Breitbandige IR-Quellen sind thermische Strahler wie beispielsweise Glühlampen und Heizstrahler. Selektivstrahler sind die Nernstlampe, der Glühstrumpf oder auch Hochdruck-Gasentladungslampen und auch Infrarotdioden. Als monochromatische, kohärente Quellen dienen Infrarotlaser (Halbleiterlaser, Nd:YAG-Laser, CO2-Laser).
Unterschiedliche Infrarotstrahler wurden entwickelt damit die Vielfalt der Anwendungen der Infrarotstrahlung zu entsprechen.
Zum Nachweis von IR-Strahlung aller Wellenlängen eignen 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.
Die ursächliche Anwendung von Infrarotstrahlung ist die Wärmeerzeugung. Einerseits können Infrarot-Leuchtdioden in optischen Brandmeldern und Lichtschranken zur Raucherkennung Wärme erkennen. Andererseits sendet jeder Ofen auch infrarote Strahlung ab. Komplette Hausheizungen oder Übergangsheizung im Bad werden mittels Infrarot-Panels ausgeführt, die Raumstation MIR wurde seit 1986 auf diese Art in Weltraumkälte beheizt.
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. Hierbei werden wie in der Chemie mittels IR-Spektroskopie Banden bestimmter Substanzen nachgewiesen, so z. B. Methangas auf dem Exoplaneten bei Fixstern HD 189733.
Infrarotfernbedienungen, Optokoppler und die meisten Lichtschranken arbeiten im nahen Infrarot bei 880 bis 950 nm Wellenlänge, da hier Silicium-Fotodioden und Fototransistoren ihre höchste Empfindlichkeit haben.
Infrarotschnittstellen von Computern arbeiten ebenfalls in diesem Wellenlängenbereich und ermöglichen eine drahtlose Kommunikation mit Peripheriegeräten.
Dabei war die Firma Hewlett Packard eines der ersten Unternehmen, das 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 Personal Computer integriert. Diese Schnittstelle wurde zu ihrem ersten Standard. Da sie seriell arbeitete, wurde sie Serial Infrared (Serielles Infrarot), abgekürzt SIR benannt. 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 (bis ungefähr Baujahr 2006) haben ein solches Infrarotgerät eingebaut, ebenso wie einige Mobiltelefone (hier gilt für die neueren dasselbe wie für Notebooks). Die Infrarotschnittstellen werden zunehmend durch Bluetooth ersetzt.
Die Standardwellenlänge in der optischen Datenübertragung mittels Glasfasern liegt bei 1550 nm und somit ebenfalls im NIR.
Die optische Datenübertragung mittels IR-Laser durch die Atmosphäre wird durch die optische Freiraumübertragung charakterisiert.
IR-Strahlung regt Moleküle zu Schwingungen und Rotationen an. Die Infrarotspektroskopie ist ein physikalisch-chemisches Analyseverfahren. Die Absorption von infrarotem Licht definierter Wellenlängen wird zur Strukturaufklärung unbekannter Substanzen eingesetzt. Durch quantitative Bestimmung lässt sich die Reinheit von bekannten Substanzen bestimmen.
Bei der Abfalltrennung lässt sich die IR-Spektroskopie zur Erkennung und Trennung von Kunststoffen einsetzen.
Im nahen Infrarot besitzt die grüne Vegetation durch das Chlorophyll eine ungefähr sechsfach höhere Reflexion als im sichtbaren Spektralbereich. Dieser Effekt wird zur Erkennung von Vegetationsflächen genutzt. Es werden von einer Szene zwei Bilder genommen, eines im sichtbaren, das andere im nahen infraroten Bereich. Häufig werden Multispektralkameras verwendet. Durch Division beider Bilder wird die Vegetation deutlich sichtbar und kann leicht segmentiert werden.
Die auf diese Weise erkannte Vegetation wird von einem Fahrzeug oder Flugzeug vermessen. Die Vergleichsmessung von Vegetation in Innenräumen beobachtet eine Pflanze über einen längeren Zeitraum. Die Vermessung der Vegetation von Fahrzeugen aus gibt eine Aussage über die lokal vorherrschenden Bedingungen. Die Bestimmung des Flächenanteils der Vegetation zur gesamten Grundfläche aus der Luft aufgenommener Bilder ist ein häufiger Fall. Das Vegetationsvolumen innerhalb eines vordefinierten Raumes wird bestimmt. Diese Volumenvermessung von Vegetation ist für Autobahn- und Straßenmeistereien sowie Betreiber von Schienennetzen von Bedeutung. Vegetation die in das Lichtraumprofil von Fahrzeugen hineinragt wird automatisch erkannt und der Rückschnitt kann veranlasst werden.
Über die spektrale Reflexion insbesondere im nahen bis fernen Infrarot von grüner Vegetation werden Vegetationstypen unterschieden, der jeweilige Gesundheitszustand der Vegetation wird erkannt. Der Gesundheitszustand der Pflanzen hängt in erster Linie von Ihrer Wasserversorgung ab. Gemessen wird die Trockenheit, Pilz- und Insektenbefall ist zu erkennen.
Heizlampen strahlen im Infraroten und sind schon seit langem für medizinische Zwecke im Einsatz.
Wärmestrahlung von Heizstrahlern (keramische Infrarotstrahler mit langwelliger IR-Strahlung, Rotlichtlampen, die vorrangig nahes IR emittieren) wird zur örtlichen Behandlung von Entzündungen (Nasennebenhöhlen) eingesetzt. Für die Ganzkörper-Behandlung siehe Infrarotwärmekabine.
Eine weitere Form der Ganzkörperanwendung und Teilkörperanwendung von kurzwelliger IR-Strahlung erfolgt in sogenannten „Melting Domes“. Hier wird durch eine großflächige, tunnelartig über dem Körper gelegene Strahlungsquelle ein hoher Anteil an Infrarot-A-Strahlung erreicht. Das Einsatzgebiet entspricht dem der Infrarotwärmekabinen, die Geräte sind jedoch mobil.
Infrarotstrahlung wird in der Medizin auch häufig in Form von Lasern genutzt. Die Einsatzgebiete umfassen dabei insbesondere die Haut-, Augen- und Zahnheilkunde (Messen, Veröden, Schneiden, Koagulieren, Lichttherapie).
Nahes Infrarot dringt tief in und unter die Haut ein, während insbesondere MIR bereits an der Oberfläche der Haut und der Hornhaut des Auges absorbiert wird.
Nahes Infrarot hoher Intensität (Laserstrahlung) ist daher besonders gefährlich für Augen und Haut, da es im Auge unbemerkt bis zur Netzhaut gelangt, dort fokussiert wird und Zerstörungen verursacht. Am Körper wird es in Regionen absorbiert, in denen sich keine Temperatursensoren befinden und kann daher dort ebenfalls oft unbemerkt Schäden verursachen.
Zur Fiebermessung werden Pyrometer verwendet, die die Temperatur im Ohr anhand der Wärmestrahlung im mittleren Infrarot messen.
Zum Auffinden lokaler Entzündungsherde werden Thermografieaufnahmen herangezogen.
Zur Messung der Sauerstoffsättigung roter Blutkörperchen dient die Pulsoxymetrie
Im Auto kann eine Infrarotkamera (NIR) genutzt werden, um die Sicherheit bei Nacht- und Nebelfahrten zu erhöhen. Hierbei wird das IR-Bild dem Fahrer auf einem Display angezeigt. Die Systeme werden auch als „Night Vision“ bezeichnet, und es wird behauptet, dass sie eine deutlich erhöhte Sicherheit bei schlechten Sichtverhältnissen ermöglichen, da die Durchdringungsfähigkeit und Reichweite des infraroten Anteiles der mit Glühlampen arbeitenden Autoscheinwerfer im IR-Bereich wesentlich höher als im sichtbaren Bereich ist. Neuere Untersuchungen (2008) legen Zweifel an der Nützlichkeit solcher Systeme nahe.
Jäger und das Militär nutzen tragbare Nachtsichtgeräte und Restlichtverstärker im Nahen Infrarot, um sonst unsichtbare Objekte erkennen zu können, wobei auch zusätzliche Infrarot-Beleuchtung eingesetzt werden kann.
Zielsuchende Waffen finden ihr Ziel über Wärmestrahlung, wie sie z. B. von der Triebwerkswärme bei Flugzeugen ausgesandt wird. Zur Abwehr verfügen neuere Kampfflugzeugmodelle über Einrichtungen, die Flammenbündel ausstoßen können, die solche Waffen in die Irre leiten sollen.
In Militär- und Polizeifahrzeugen sind häufig Infrarotsichtgeräte eingebaut, die das mittlere Infrarot nutzen um Fahrzeuge und Personen im Dunklen anhand ihrer thermischen Strahlungsemission zu erkennen.
Mit Hilfe der Thermografie lassen sich sogenannte „Wärmebilder“ erzeugen, für die die Infrarotstrahlung aus der Eigenwärme von Gegenständen genutzt wird.
Eine besondere Anwendung ist die Bauthermografie zur Qualitätssicherung und Visualisierung von Wärmebrücken und Wärmeverlusten an Gebäuden. Im Ergebnis können dann wärmedämmende Maßnahmen gezielt eingesetzt werden.
In der Diagnose und Instandhaltung von elektrischen, elektronischen und mechanischen Baugruppen, Anlagen oder Maschinen wird die Thermografie als ergänzende Messmethode zur präventiven Mängel- und Schadenserkennung eingesetzt. Berührungslos können damit kritische Zustände („Hot Spots“) von Maschinen, Anlagen und Installationen während des Betriebes ermittelt werden. Dadurch können bereits frühzeitig Maßnahmen zur Eingrenzung der Auswirkungen eingeleitet und somit ggf. Ausfälle und Schäden vermieden werden.
Die Thermografie wird bei der Schwingungsanalyse und Festigkeitsprüfung eingesetzt. Risse und lose Verbindungen verraten sich durch ihre Wärmeentwicklung.
Mit Infrarot-Pyrometern werden berührungslos Prozesstemperaturen und Temperaturen von Bauteilen und Kühlkörpern gemessen und kontrolliert.
Viele thermische Verfahren in der Industrie werden durch Infrarotstrahlung vorgenommen. Neben dem Einsatz beim Trocknen können Materialien aushärten. Das Backen in seinen gesamten Formen von Lebensmitteln bis zu technischen Prozessen findet mit Thermostrahlung statt.
Kunststoffe werden erweicht und verformt. Mit Infrarot-Lasern werden Kunststoffe verschweißt, beschriftet und geschnitten, im Einsatz sind Diodenlaser, Nd:YAG-Laser und Kohlendioxidlaser. Hier erfolgt die Auswahl der Laser nach der Absorption der jeweiligen Kunststoffe, Kohlendioxidlaser senden bei 10,6 µm, der Nd:YAG-Laser bei 1,064 µm.
Auch Metalle werden mit Infrarotlasern gebohrt, geschnitten, gehärtet und graviert.
Warenbahnen werden mit Infrarotstrahler getrocknet, die mit Gas oder elektrisch beheizt sind. Solche Zusatzeinrichtungen sind an Papiermaschinen vorhanden.
Druckmaschinen werden bei problematischen Bedruckstoffen mit Infrarot-Wärmestrahler versehen.
Sicherheitsmerkmale in Pässen und Geldscheinen werden ebenfalls mit Infrarotstrahlern überprüft. So kann bei Euroscheinen neben anderen Merkmalen die Infrarotabsorption bestimmter Materialien bei definierten Wellenlängen geprüft werden. Auch die Infrarotfluoreszenz von Methylenblau im britischen Reisepass ist solch ein Merkmal.
Radiowellen | Mikrowellen | Terahertzstrahlung | Infrarotstrahlung | Sichtbares Spektrum | Ultraviolettstrahlung | Röntgenstrahlung | Gammastrahlung
Nahes Infrarot NIR | Kurzwelliges Infrarot SWIR | Mittleres Infrarot MIR | Mittleres Infrarot MWIR | Langwelliges Infrarot LWIR | Fernes Infrarot LIR
