mini|Infrarotbild des Orionnebels Infrarotstrahlung (kurz IR-Strahlung, selten Ultrarotstrahlung) ist in der Physik elektromagnetische Strahlung im Spektralbereich zwischen sichtbarem Licht und der längerwelligen Terahertzstrahlung. Üblicherweise ist damit Licht (i. w. S.) mit einer Wellenlänge zwischen 780 nm und 1 mm gemeint. Dies entspricht einem Frequenzbereich von 300 GHz bis 400 THz bzw. einem Wellenzahlbereich von 10 cm−1 bis 12.800 cm−1. Sie bildet die Grundlage von Anwendungen zum Beispiel in der Thermografie, Fernerkundung, bei Fernbedienungen und Nachtsichtgeräten.
mini|Eine Infrarotfotografie (MIR, um 10 µm) eines kleinen Hundes (Falschfarbendarstellung)
Der lateinische Namensbestandteil infra bedeutet „unterhalb“, insgesamt also „unterhalb rot“ und bezieht sich auf die Frequenz.
Einteilung des Spektralbereichs Eine Einteilung des infraroten Spektralbereichs, Infrarot genannt (kurz IR), beruht auf den Arten der Molekülschwingungen, die sich auf die Anwendungen auswirken. Die Begriffe und Grenzen sind nicht eindeutig wie im sichtbaren Bereich definiert und werden teils durch Anwendungen oder spezielle physikalische Phänomene bestimmt, weshalb es mehrere unterschiedliche Festlegungen gibt. Das International Commission on Illumination (CIE) und DIN schlagen die Einteilung in drei Bänder vor: IR-A, IR-B und IR-C. Die Festlegung mit den Bezeichnungen NIR, MIR und FIR folgt der ISO 20473.
+ Einteilung der Infrarotstrahlung nach DIN 5031 Benennung Kurzzeichen Wellenlänge(μm) Strahlungs-Temperaturnach Wien (Kelvin) Einsatzbereiche / Bemerkungen nahes Infrarot NIR IR-A 0,78…1,4 3700…970 kurzwelliger Teil des NIR-Bereichs, 780-nm-Grenze bedingt durch den dem Sonnenspektrum angepassten menschlichen Sehsinn. photographisches Infrarot (ColorInfraRed, CIR) liegt bei 0,7 bis 1,0 µm: fotografischer Film kann diesen Wellenbereich aufnehmen. IR-B 1,4…3,0 langwelliger Teil des NIR-Bereichs Die Begrenzung ist in der Wasserabsorption bei 1450 nm begründet. mittleres Infrarot MIR IR-C 3…50 970…60 Bereich thermischer Strahlung bei irdischen Temperaturen fernes Infrarot FIR 50…1000 60…3 Die Atmosphäre absorbiert hier stark, an der Grenze zum Mikrowellenbereich wird gerade noch die kosmische 3-Kelvin-Strahlung sichtbar.
Auch andere Festlegungen sind üblich, beispielsweise ist eine häufig im angloamerikanischen Raum genutzte und bei der Spezifikation von Erderkundungskameras angewandte Unterteilung: nahes Infrarot (englisch: , NIR) ist kurzwellige IR-Strahlung, die sich direkt an den sichtbaren (roten) Bereich anschließt von 780 nm bis 1400 nm. kurzwelliges Infrarot (englisch: , SWIR) 1,4 bis 3,0 µm mittleres Infrarot (englisch: , MWIR) mit Wellenlängen von 3,0 µm bis 8 µm. langwelliges Infrarot (englisch: , LWIR) 8 bis 15 µm fernes Infrarot (englisch: , FIR) ist langwellige IR-Strahlung von 15 µm bis 1 mm und reicht in den Bereich der Terahertzstrahlung.
Geschichte Die IR-Strahlung wurde um 1800 vom deutsch-britischen Astronomen, Techniker und Musiker Friedrich Wilhelm Herschel bei dem Versuch entdeckt, die Temperatur der verschiedenen Farben des Sonnenlichtes zu messen. Er ließ dazu Sonnenlicht durch ein Prisma fallen und platzierte Thermometer in den einzelnen Farbbereichen. Er bemerkte, dass jenseits des roten Endes des sichtbaren Spektrums das Thermometer die höchste Temperatur anzeigte. Es war zunächst unklar, ob die Ursache hierfür eine neue Art Strahlung oder eine unsichtbare Form des Lichts war. Sie wurde zunächst und bis Anfang des 20. Jahrhunderts als „Wärmestrahlung“ oder „Ultrarot“ bezeichnet. Der Name „Infrarot“ setzte sich erst ab den 1880er Jahren durch. Der genaue Ursprung der Bezeichnung ist unbekannt.Jack R. White, Herschel and the puzzle of infrared, American Scientist, Band 100, Nr. 3, Mai-Juni 2012, S. 218
Quellen mini|Infrarotlampe für medizinische Zwecke Da die Thermorezeptoren des Menschen auf einen Teil des Infrarotspektrums reagieren, wird Infrarotstrahlung oft mit Wärmestrahlung gleichgesetzt. Richtig ist: Mikrowellen, sichtbares Licht und der ganze elektromagnetische Spektralbereich tragen unabhängig von der Wahrnehmung zur Erhöhung der Temperatur bei. Breitbandige IR-Quellen (zum Beispiel Glühlampen und Heizstrahler) sind thermische Strahler. Für spezielle Anwendungen wurden Infrarotstrahler wie Globar und Nernst-Stift entwickelt.
Nachweis
Zum Nachweis von IR-Strahlung aller Wellenlängen eignen sich thermische Detektoren (Thermoelemente oder Bolometer). Im kurzwelligen Bereich werden halbleiterbasierte Detektoren verwendet (siehe dazu innerer photoelektrischer Effekt). Digitalkameras sind geeignet, wenn ihr IR-Sperrfilter nicht zu stark ausgelegt ist. Zur Aufnahme von IR-Bildern im nahen Infrarotbereich eignen sich weiterhin spezielle fotografische Filme und bei längeren Wellenlängen (mittleres Infrarot) werden gekühlte Halbleiterdetektoren, pyroelektrische Sensoren (PIR-Sensoren) oder Thermosäulen verwendet.
Anwendungen Heizung
Eine wesentliche Anwendung ist die Heizung durch Strahlung. Jeder Heizkörper sendet infrarote Strahlung aus, insbesondere bei Temperaturen deutlich über 100 °C. Darunter überwiegt meist die Wärmeabgabe an die Luft; allerdings steigt die Behaglichkeit durch den Strahlungsanteil. Komplette HausheizungenPeter Kosack (TU Kaiserslautern): Bericht zum Forschungsprojekt „Beispielhafte Vergleichsmessung zwischen Infrarotstrahlungsheizung und Gasheizung im Altbaubereich“, Oktober 2009. oder Übergangsheizungen im Bad werden mittels Infrarot-Panels ausgeführt. Die Raumstation Mir wurde seit 1986 auf diese Art beheizt. Andere Beispiele sind Heizpilze und Infrarotgrills.
Chemische Analytik und Verfahrenstechnik
mini|hochkant=1.5|Transmissionsinfrarotspektrum eines Styrol-Acrylnitril-Copolymers (SAN):Transmission in Prozent als Funktion der Wellenzahl der Strahlung
Infrarotstrahlung 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. Die Infrarotspektroskopie wird bei der Abfalltrennung von Kunststoffen genutzt.
Die Absorptionszentren der Molekülschwingungen sind direkt mit dem Brechungsindex der Materialien und somit ihrem Reflexionsverhalten verknüpft. Im infraroten Bereich wird dies unter anderem bei der Infrarotreflektographie ausgenutzt.
Kunstwissenschaft
Die Infrarotreflektographie ist eine hauptsächlich in der Kunstwissenschaft angewandte Untersuchungsmethode, mit der sich über die Reflexionseigenschaften der auf einem Bildträger aufgebrachten Farbmittel Zeichnungselemente aus stärker reflektierenden Stoffen sichtbar machen lassen. Mit dieser berührungs- und zerstörungsfreien Technik ist es möglich, die obere Malschicht eines Gemäldes zu durchdringen und die sonst nicht sichtbare Unterzeichnung zu dokumentieren.
Astronomie
mini|Der Andromedanebel im infraroten Licht bei 24 μm
In der Infrarotastronomie beobachtet man „kühle“ Objekte (kälter als 1100 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 Infrarotspektroskopie Banden bestimmter Substanzen nachgewiesen, beispielsweise das Methangas auf dem Exoplaneten bei Fixstern HD 189733.
Elektronik und Computertechnik
mini|USB-Infrarotport für PC mini|Infrarot-Sensoren an einem iPhone 3GS, die als Annäherungssensoren verwendet werden mini|Spektrum einer typischen Infrarot-Fernbedienung Infrarotfernbedienungen, Optokoppler und die meisten Lichtschranken arbeiten im nahen Infrarot bei 880 bis 950 nm Wellenlänge, da hier Silicium-Photodioden und Phototransistoren ihre höchste Empfindlichkeit haben. Infrarotschnittstellen von Computern und Mobiltelefonen wie dem Nokia 8210 arbeiten ebenfalls in diesem Wellenlängenbereich und ermöglichen eine drahtlose Kommunikation mit Peripheriegeräten. Die optische Datenübertragung mittels IR-Laser durch die Atmosphäre wird durch die optische Freiraumübertragung charakterisiert.
Eines der ersten Unternehmen, die Infrarottechnik mit der EDV verbunden haben, war Hewlett-Packard. 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 eine IR-Schnittstelle in einen Personal Computer integriert. Diese Schnittstelle wurde zu einem Standard. Da sie seriell arbeitete, wurde sie Serial Infrared (serielles Infrarot), abgekürzt SIR benannt. Aus Geschwindigkeitsgründen ist dieser Standard durch das abwärtskompatible Fast-IR abgelöst worden und mittlerweile weitestgehend durch Bluetooth ersetzt.
In der Telekommunikation wird IR-A aufgrund der geringen Absorption und Dispersion bevorzugt in Lichtwellenleitern verwendet. Die Standardwellenlänge liegt bei 1550 nm.
Die Wii-Fernbedienung und andere Anwendungen nutzen Infrarot-Leuchtdioden und Kameras zur Lage- und Bewegungserkennung im Raum.
Lichtstrahltelefon-Verbindungen auf Infrarotbasis konnten sich nicht durchsetzen. Infrarot-Lichtsprechgeräte ermöglichten im Kalten Krieg eine grenzüberschreitende abhörsichere Kommunikation und wurden von Geheimdiensten eingesetzt.
Vegetation
Im nahen Infrarot besitzt die grüne Vegetation eine ungefähr sechsfach höhere Reflexion als im sichtbaren Spektralbereich, da frisches Blattgewebe ein gutes Reflexionsvermögen aufweist und die übrigen Wellenlängen vom Chlorophyll und den begleitenden Karotinoiden absorbiert werden. 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 unterschieden 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 und 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.
Fotografie Infrarot-Fotografie
mini|Infrarotbild auf Kodak-HIE-Film (Botanischer Garten, Bern)
In der Analogfotografie können im nahen infraroten Bereich bis 820 nm sensibilisierte, sogenannte Infrarotfilme eingesetzt werden. Das sichtbare Licht wird durch vorgesetzte Filter gänzlich oder zum Großteil (Rotfilter) ausgeschaltet. Typisches Ergebnis ist der Wood-Effekt: ein dunkel abgebildeter Himmel und helle chlorophyllhaltige Pflanzenteile (Laub, Gras). Infrarot-Kameras können wegen der geringeren Streuung aufgrund der größeren Wellenlänge leichten Dunst und Nebel besser durchdringen.
IR-Aufnahmen werden bei Luftaufnahmen für Spionage und militärische (Luft- und Gelände-)Aufklärung eingesetzt. Weitere Nutzungen finden in der Astronomie und in Fahrerassistenzsystemen statt.