Infrarotstrahlung

Grundlagen, Spektralbereiche und Nachweis

Infrarotstrahlung, kurz IR-Strahlung, ist elektromagnetische Strahlung zwischen sichtbarem Licht und der längerwelligen Terahertzstrahlung. Üblicherweise umfasst sie Wellenlängen von 780 nm bis 1 mm. Das entspricht Frequenzen von 300 GHz bis 400 THz beziehungsweise Wellenzahlen von 10 cm⁻¹ bis 12.800 cm⁻¹. Sie ist unter anderem Grundlage für Thermografie, Fernerkundung, Fernbedienungen und Nachtsichtgeräte.

Die Grenzen der Teilbereiche sind nicht einheitlich festgelegt. Nach CIE und DIN wird zwischen IR-A von 0,78 bis 1,40 µm, IR-B von 1,4 bis 3,0 µm und IR-C unterschieden. IR-A und IR-B gehören zum nahen Infrarot, kurz NIR. Die Grenze bei 780 nm hängt mit dem an das Sonnenspektrum angepassten menschlichen Sehsinn zusammen; die Grenze bei 1450 nm beruht auf der Absorption durch Wasser. Fotografisches Infrarot, auch ColorInfraRed oder CIR, liegt bei 0,7 bis 1,0 µm. Nach einer anderen gebräuchlichen Einteilung folgen auf NIR von 780 bis 1400 nm das kurzwellige Infrarot SWIR von 1,4 bis 3,0 µm, das mittlere Infrarot MWIR von 3,0 bis 8 µm, das langwellige Infrarot LWIR von 8 bis 15 µm und das ferne Infrarot FIR von 15 µm bis 1 mm. Im Bereich des fernen Infrarots absorbiert die Atmosphäre stark.

Infrarotstrahlung wird häufig mit Wärmestrahlung gleichgesetzt, weil menschliche Thermorezeptoren einen Teil davon wahrnehmen. Tatsächlich können jedoch Mikrowellen, sichtbares Licht und alle anderen Bereiche elektromagnetischer Strahlung ebenfalls die Temperatur erhöhen. Glühlampen und Heizstrahler sind breitbandige thermische IR-Quellen; für besondere Anwendungen wurden unter anderem Globar und Nernst-Stift entwickelt.

Zum Nachweis aller IR-Wellenlängen eignen sich thermische Detektoren wie Thermoelemente und Bolometer. Im kurzwelligen Bereich werden Halbleiterdetektoren verwendet. Digitalkameras können Infrarot erfassen, wenn ihr IR-Sperrfilter nicht zu stark wirkt. Für nahes Infrarot gibt es spezielle fotografische Filme; bei längeren Wellenlängen nutzt man unter anderem gekühlte Halbleiterdetektoren, pyroelektrische Sensoren beziehungsweise PIR-Sensoren und Thermosäulen.

Wärme, Stoffanalyse und Kunstuntersuchung

Jeder Heizkörper sendet Infrarotstrahlung aus, besonders bei Temperaturen deutlich über 100 °C. Unterhalb davon überwiegt meist die Wärmeabgabe an die Luft, doch der Strahlungsanteil kann die Behaglichkeit erhöhen. Infrarot-Panels dienen als Haus- oder Übergangsheizungen, etwa im Bad. Auch die Raumstation Mir wurde seit 1986 auf diese Weise beheizt. Weitere Beispiele sind Heizpilze und Infrarotgrills.

In der chemischen Analytik regt Infrarotstrahlung Moleküle zu Schwingungen und Rotationen an. Die Infrarotspektroskopie untersucht, welche genau festgelegten Wellenlängen eine Probe absorbiert. So lässt sich die Struktur unbekannter Substanzen aufklären; durch quantitative Messungen kann außerdem die Reinheit bekannter Stoffe bestimmt werden. Das Verfahren wird auch bei der Abfalltrennung von Kunststoffen eingesetzt.

Die Absorptionszentren der Molekülschwingungen hängen direkt mit dem Brechungsindex und damit dem Reflexionsverhalten eines Materials zusammen. Darauf beruht die Infrarotreflektographie. Sie wird besonders in der Kunstwissenschaft eingesetzt und nutzt Unterschiede in der Reflexion der Farbmittel. Die berührungs- und zerstörungsfreie Methode kann die obere Malschicht eines Gemäldes durchdringen und darunterliegende, sonst unsichtbare Unterzeichnungen dokumentieren.

Astronomie, Kommunikation, Vegetation und Fotografie

Die Infrarotastronomie beobachtet „kühle“ Objekte mit Temperaturen unter 1100 K, die in anderen Spektralbereichen kaum sichtbar sind. Sie kann außerdem Objekte untersuchen, die in oder hinter interstellaren Wolken liegen. Mit der IR-Spektroskopie werden charakteristische Banden bestimmter Stoffe nachgewiesen, beispielsweise Methangas auf dem Exoplaneten beim Fixstern HD 189733.

Infrarotfernbedienungen, Optokoppler und die meisten Lichtschranken arbeiten im nahen Infrarot bei 880 bis 950 nm, weil Silicium-Photodioden und Phototransistoren dort besonders empfindlich sind. Frühere Infrarotschnittstellen von Computern und Mobiltelefonen ermöglichten eine drahtlose Datenübertragung. Hewlett-Packard integrierte 1979 eine IR-Schnittstelle in einen Taschenrechner zur Verbindung mit einem Drucker und 1990 in einen Personal Computer. Aus dem seriellen Standard Serial Infrared, kurz SIR, entstand das abwärtskompatible Fast-IR; später wurde die Technik weitgehend durch Bluetooth ersetzt. In Lichtwellenleitern wird IR-A wegen geringer Absorption und Dispersion bevorzugt; die Standardwellenlänge beträgt 1550 nm. Infrarot-Leuchtdioden und Kameras dienen außerdem der Lage- und Bewegungserkennung, beispielsweise bei der Wii-Fernbedienung.

Grüne Vegetation reflektiert nahes Infrarot ungefähr sechsmal stärker als sichtbares Licht. Frisches Blattgewebe reflektiert gut, während Chlorophyll und begleitende Karotinoide andere Wellenlängen absorbieren. Vergleicht oder dividiert man ein sichtbares Bild mit einem Nahinfrarotbild derselben Szene, tritt Vegetation deutlich hervor. Multispektralkameras erfassen dafür mehrere Spektralbereiche. Messungen von Fahrzeugen oder Flugzeugen bestimmen Vegetationsflächen und -volumen und erkennen Pflanzen, die in das Lichtraumprofil von Straßen- oder Schienenfahrzeugen hineinragen. Die spektrale Reflexion vom nahen bis zum fernen Infrarot hilft zudem, Vegetationstypen, Wassermangel sowie Pilz- und Insektenbefall zu erkennen.

In der Analogfotografie werden bis 820 nm empfindliche Infrarotfilme eingesetzt; Filter halten sichtbares Licht ganz oder weitgehend zurück. Typisch ist der Wood-Effekt mit dunklem Himmel und hell dargestelltem chlorophyllhaltigem Laub oder Gras. Wegen der geringeren Streuung der größeren Wellenlängen können IR-Kameras leichten Dunst und Nebel besser durchdringen. Falschfarbenfilme stellen verschiedene Infrarotwellenlängen als sichtbare Farben dar und werden etwa zur Waldschadenskartierung, in der Luftbildarchäologie und zur Untersuchung von Gemälden verwendet. Bei der Infrarot-Entfernungsmessung wird die Laufzeit zwischen dem ausgesandten Licht und seiner Rückkehr zum Empfänger ausgewertet; das Ergebnis steuert beispielsweise Objektiv oder Blitzgerät.

Medizin, Polizei und Militär

In der Medizin dienen langwellige keramische Infrarotstrahler und vor allem nahes Infrarot aussendende Rotlichtlampen zur örtlichen Behandlung von Entzündungen, beispielsweise der Nasennebenhöhlen. Infrarotwärmekabinen ermöglichen Ganzkörperbehandlungen. IR-Laser werden besonders in der Haut-, Augen- und Zahnheilkunde zum Messen, Veröden, Schneiden, Koagulieren und für die Lichttherapie genutzt. Thermografie kann wärmere Entzündungsherde sichtbar machen. Pyrometer bestimmen bei der Fiebermessung die Temperatur im Ohr anhand der Wärmestrahlung im mittleren Infrarot. Die Pulsoxymetrie misst die Sauerstoffsättigung roter Blutkörperchen.

Nahes Infrarot dringt tief in und unter die Haut ein, während mittleres Infrarot bereits an der Hautoberfläche und an der Hornhaut des Auges absorbiert wird. Intensives nahes Infrarot, besonders Laserstrahlung, ist für Augen und Haut gefährlich: Es kann unbemerkt bis zur Netzhaut gelangen, dort fokussiert werden und Gewebe zerstören. Im Körper kann es in Bereichen ohne Temperatursensoren absorbiert werden und dadurch ebenfalls unbemerkt Schäden verursachen.

Polizei und Militär verwenden Nachtsichtgeräte und Restlichtverstärker im nahen Infrarot. Bildverstärker machen schwache Strahlung sichtbar; zusätzliche IR-Beleuchtung ist möglich. Nachtsichtbrillen erzeugen vor jedem Auge ein einfarbiges Bild der Nahinfrarotstrahlung. Bewegliche Kamerasysteme an Hubschraubern liefern sichtbare Videos sowie Bilder im mittleren Infrarot und helfen nachts bei der Suche nach vermissten oder flüchtigen Personen. Wärmesuchende Lenkflugkörper orientieren sich an heißen Bauteilen wie Abgasdüsen und -rohren von Turbinen, Verbrennungs- oder Raketenmotoren. Kampfflugzeuge und Militärschiffe können Flares als Täuschkörper ausstoßen. Imaging Infra-Red, kurz IIR, erzeugt und verarbeitet Infrarotbilder, um typische Ziele besser zu erkennen.

Thermografie, Industrie und Sicherheitsprüfung

Die Thermografie erzeugt Wärmebilder aus der Infrarotstrahlung von Gegenständen. In der Bauthermografie macht sie Wärmebrücken und Wärmeverluste sichtbar und unterstützt dadurch gezielte Dämmmaßnahmen. Feuerwehren nutzen tragbare Wärmebildkameras, um Brandherde, Glutnester und Menschen in verrauchten Räumen aufzuspüren.

Bei elektrischen, elektronischen und mechanischen Baugruppen, Anlagen und Maschinen dient Thermografie als berührungslose Ergänzung der Diagnose und Instandhaltung. Kritische warme Stellen, sogenannte „hot spots“, können während des Betriebs erkannt werden, bevor Ausfälle oder größere Schäden entstehen. Auch bei Schwingungsanalysen und Festigkeitsprüfungen ist das Verfahren nützlich: Risse und lose Verbindungen können sich durch Wärmeentwicklung verraten. Infrarotpyrometer messen berührungslos Prozess-, Bauteil- und Kühlkörpertemperaturen.

Industrielle Infrarotstrahler trocknen beispielsweise Papierbahnen, härten Werkstoffe durch Wärme aus und erweichen Kunststoffe für die Verformung. Die Strahler werden elektrisch oder mit Gas beheizt. Auch die meisten Laser zum Schneiden, Schweißen, Härten, Gravieren und Bohren arbeiten mit Infrarotwellenlängen.

Infrarot-Testgeräte prüfen Sicherheitsmerkmale in Pässen und Geldscheinen. Bei Euroscheinen erzeugen Druckfarben mit unterschiedlicher IR-Absorption unter Infrarotbeleuchtung besondere Motive: Einige werden mit einer infrarotempfindlichen Kamera sichtbar, während andere, bei normalem Licht sichtbare Bestandteile verschwinden.

Nutzung in der Gastronomie

In der Gastronomie werden Infrarotstrahler und Heizpilze häufig in Außen- und Raucherbereichen eingesetzt. Infrarotgrills gibt es als große Geräte für gastronomische Betriebe und als kleine Tischgrills. Da ihre Strahler oberhalb des Grillguts angebracht sind, trifft kein Fett auf die Heizelemente. Dadurch wird im Vergleich zu klassischen Holz-, Elektro- oder Gasgrills Rauchentwicklung verhindert.