Infrarotstrahlung

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 Hausheizungen[8] 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.

Transmissionsinfrarotspektrum eines Styrol-Acrylnitril-Copolymers (SAN)

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.

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.

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.

USB-Infrarotport für PC

Infrarot-Sensoren an einem iPhone 3GS, die als Annäherungssensoren verwendet werden

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 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.

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.

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.

Farbfilme mit „Falschfarbenwiedergabe“ werden eingesetzt, um verschiedene infrarote Wellenlängen als Farben darzustellen. Einsatzgebiet dieser Materialien sind Luftbildaufnahmen zur Waldschadenskartierung und in der Luftbildarchäologie oder allgemein zur Untersuchung von Gemälden und Farbflächen.

Canon AF35M mit Autofokus über Infrarot-Entfernungsmessung (1979)

Entfernungsmessung im Fotobereich kann mittels Infrarot-Laufzeitverfahren erfolgen. Die zurückgelegte Zeit zwischen dem ausgesandten Licht vom eingebauten Infrarotsenders zum Empfängersensor wird ausgewertet und automatisch auf das Objektiv oder in das eingebaute Blitzgerät übertragen. Manche Ausführungen arbeiten teilweise im sichtbaren Lichtspektrum und erlauben den Einsatz von optischen Autofokus-Systemen bei schlechten Lichtverhältnissen.

Heizlampen strahlen im Infraroten und sind schon seit langem für medizinische Zwecke im Einsatz.

Wärmestrahlung von Heizstrahlern, wie keramische Infrarotstrahler mit langwelliger IR-Strahlung oder vorrangig nahes Infrarot emittierende Rotlichtlampen, werden zur örtlichen Behandlung von Entzündungen (beispielsweise der Nasennebenhöhlen) eingesetzt. Für die Ganzkörper-Behandlung kommen Infrarotwärmekabinen zum Einsatz.[9] Infrarotstrahlung wird in der Medizin häufig in Form von Lasern genutzt. Die Einsatzgebiete umfassen dabei insbesondere die Haut-, Augen- und Zahnheilkunde (Messen, Veröden, Schneiden, Koagulieren, Lichttherapie). Außerdem wird mit Infrarot nach den (wärmeren) eigentlichen Entzündungsherden gesucht, um diese effektiver behandeln zu können. Zum Auffinden lokaler Entzündungsherde wird Thermografie eingesetzt.

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 verursachen kann. Am Körper wird es in Regionen absorbiert, in denen sich keine Temperatursensoren befinden und kann daher oft unbemerkt Schäden verursachen.

Zur Fiebermessung werden Pyrometer verwendet, die die Temperatur im Ohr anhand der Wärmestrahlung im mittleren Infrarot messen. Schließlich dient die Pulsoxymetrie zur Messung der Sauerstoffsättigung roter Blutkörperchen.

Am Helm eines Soldaten befestigtes Nachtsichtgerät

Polizei und Militär nutzen tragbare Nachtsichtgeräte und Restlichtverstärker im Nahen Infrarot, dessen zentrales Bauteil Bildverstärker sind, um in der Dunkelheit ansonsten nicht sichtbare Objekte erkennen zu können. Zusätzlich kann mit Infrarot beleuchtet werden. Hubschrauberpiloten fliegen nachts mit Hilfe einer am Helm befestigten Nachtsichtbrille, bei der vor jedem Auge ein einfarbiges Abbild der Nahinfrarotstrahlung von Objekten am Boden erzeugt wird. Außen am Hubschrauber kann ein bewegliches Kamerasystem montiert sein, das im sichtbaren wie im mittleren Infrarot Videos und Wärmebilder liefert. Diese werden zum Beispiel bei der Suche nach vermissten oder flüchtigen Personen auch in der Dunkelheit benutzt.[10]

Viele Typen selbständig zielsuchender Lenkflugkörper finden ihr Ziel über Wärmestrahlung, die sichtbare heiße Teile, insbesondere Abgasdüsen und -rohre von Turbinen, Verbrennungs- und Raketenmotoren ausgesandt wird. Zur Abwehr verfügen neuere Kampfflugzeuge und Militärschiffe über Einrichtungen, die Täuschkörper (Flares) ausstoßen, um diese Waffen vom Zielobjekt wegzuleiten.

Imaging Infra-Red (IIR) erzeugt Bilder im Infraroten und verarbeitet diese, um typische Ziele besser erkennen zu können.

Bauthermografie:
Außenwand ohne Wärmedämmung

Mit Hilfe der Thermografie lassen sich „Wärmebilder“ erzeugen, für die die Infrarotstrahlung der Wärme von Gegenständen genutzt wird. Eine bekannte Anwendung ist die Bauthermografie zur Qualitätssicherung und Visualisierung von Wärmebrücken und Wärmeverlusten an Gebäuden. Im Ergebnis können dann wärmedämmende Maßnahmen gezielt eingesetzt werden. Die Feuerwehr benutzt tragbare Wärmebildkameras zum Aufspüren von Brandherden und Glutnestern oder zu rettenden Personen in verrauchten Innenräumen.

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 (englisch: „hot spots“) von Maschinen, Anlagen und Installationen während des Betriebes ermittelt werden, um frühzeitig Maßnahmen zum Begrenzen der Wirkungen zu treffen und Ausfälle und Schäden zu vermeiden.

Die Thermografie wird bei der Schwingungsanalyse und Festigkeitsprüfung eingesetzt. Risse und lose Verbindungen verraten sich durch ihre Wärmeentwicklung. Mit Infrarotpyrometern werden berührungslos Prozesstemperaturen und Temperaturen von Bauteilen und Kühlkörpern gemessen und kontrolliert.

Viele thermische Verfahren in der Industrie werden durch Infrarotstrahlung vorgenommen. Hierzu zählt das Trocknen (zum Beispiel von Papierbahnen), das Aushärten mittels Wärme und das Erweichen von Kunststoffen, um sie zu verformen. Hierfür werden Infrarotstrahler eingesetzt, die mit Gas oder elektrisch beheizt werden.

Die meisten Laser zur Laser-Materialbearbeitung (zum Beispiel Laserschneiden, Schweißen, Härten, Lasergravieren, Bohren) arbeiten bei Infrarot-Wellenlängen.

Geldscheine: links im Sichtbaren, rechts infrarot beleuchtet und durch ein Nachtsichtgerät fotografiert

Infrarotsensitive Sicherheitsmerkmale in Pässen und Geldscheinen werden mit Infrarot-Testgeräten überprüft. So erscheinen bei Euroscheinen aufgrund abweichender Infrarotabsorption bestimmter Druckfarben Motive. Bei Bestrahlung mit Infrarot (zum Beispiel mit einer Infrarot-Leuchtdiode) und Betrachtung mithilfe einer infrarotempfindlichen Kamera werden diese Motive sichtbar – andere, mit bloßem Auge sichtbare Motive verschwinden hingegen.

Infrarotstrahlung wird in der Gastronomie eingesetzt. In Form von Heizstrahlern und Heizpilzen sind sie für Außen- und Raucherbereiche häufig anzutreffen. Zudem werden sie auch für den kulinarischen Genuss eingesetzt, in Form von Infrarotgrills (als großer Gastrogrill oder kleiner Tischgrill). Im Vergleich zu klassischen Holz-, Elektro- oder Gasgrills, haben sie durch die Wärmestrahlung den Vorteil, dass kein Fett auf die Heizelemente trifft, da die Strahler oberhalb des Grillguts angebracht sind. Dadurch wird auch Rauchentwicklung verhindert.[11]