Infrarotstrahlung

Infrared dog.jpg | Duisburg_Lehmbruck_IR_normal.JPG | Duisburg_Lehmbruck_IR_IR.JPG Als Infrarotstrahlung (kurz IR-Strahlung, auch Ultrarotstrahlung) oder Wärmestrahlung 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 (ab 780nm) spricht man oft von Nahinfrarot (near infrared, NIR), bei Wellenlängen von ca. 5...20 Mikrometer von mittlerem Infrarot (mid infrared, MIR). Extrem langwellige IR-Strahlung bezeichnet man als Ferninfrarot (far infrared, FIR). Sie grenzt an den Bereich der Terahertzstrahlung.

Technisch wird auch oft näher unterschieden in:

nahes Infrarot (engl. near infrared) NIR, IR-A nach DIN, 0,7 – 1,4 µm – beschränkt durch die Wasserabsorption und aufgrund der geringen Absorption und Dispersion von Glasfasern in der Telekommunikation verwendet
mittleres Infrarot (engl. mid IR)
- kurzwelliges IR (engl. short wavelength IR) SWIR, IR-B nach DIN, 1,4 – 3 µm Die Wasserabsorption steigt bei 1450 nm stark an
- mittelwelliges Infrarot (engl. mid wavelength IR) MWIR, IR-C nach DIN, auch Zwischen-IR: intermediate-IR (IIR), 3 – 8 µm
- langwelliges IR (engl. long wavelength IR) LWIR, IR-C nach DIN, 8 – 15 µm)
fernes Infrarot (engl. 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 William Herschel die relative Energie dieser Strahlung, 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, YAG-Laser, CO₂-Laser).

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.

Bildgebende Sensoren haben für die Thermografie, die Infrarot-Astronomie (Blick durch interstellare Staubwolken möglich) und Nachtsichtgeräte Bedeutung.

Anwendungen

Infrarot-Strahlung kann das Auge schädigen. Vermeiden Sie daher unbedingt, direkt in Infrarot-Strahlungsquellen zu blicken oder mit solchen auf die Augen anderer Personen zu zielen.

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.

Elektronik und Computertechnik

Infrarot-Fernbedienungen, Optokoppler und die meisten Lichtschranken arbeiten im Nahen Infrarot bei 880 bis 950 nm Wellenlänge, da hier Silizium-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 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).

Die Standardwellenlänge in der optischen Datenübertragung mittels Glasfasern liegt bei 1550 nm und somit ebenfalls im NIR.

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.

Vermessung von Vegetation

Im nahen Infrarot besitzt Chlorophyll eine deutlich (ungefähr 6x) höhere 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. Siehe CIR-bilder (Colour infrared images)

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.

Medizin

Wärmestrahlung von Heizstrahlern bzw. Rotlichtlampen (es wird vorrangig Nahes IR emittiert) wird zur örtlichen Behandlung von Entzündungen (z.B. Nasennebenhöhlen) eingesetzt.
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).

Auto, bei Jägern und beim Militär

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 oft als "Night Vision" bezeichnet und ermöglichen auch eine deutlich bessere Sicht bei Nebel.
Jäger und das Militär nutzen tragbare Nachtsichtgeräte im Nahen und Mittleren Infrarot, um mit oder ohne Infrarot-Beleuchtung unerkannt Objekte erkennen zu können.
Militärfahrzeuge und Flugzeuge des Militärs und der Polizei haben oft Infrarot-Sichtgeräte an Bord, mit denen sich Fahrzeuge und Personen im Dunklen erkennen lassen.

Instandhaltung

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 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 mit der Schwingunsgmesstechnik kombinieren. Die Temperaturerhöhung bzw. Schwingungen zeigen mögliche Ausfälle an.

Materialbearbeitung

Bohren, Schneiden, Schweißen, Gravieren mit Infrarot-Laser (z.B. Kohlendioxidlaser (CO₂-Laser)).

Sonstige

Bauthermografie zur Qualitätssicherung und Visualisierung von Wärmebrücken
Mit Hilfe der Thermografie 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.

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