Infrarot

Infrarot ( IR ; manchmal auch Infrarotlicht genannt ) ist elektromagnetische Strahlung (EMR) mit Wellenlängen, die länger als die von sichtbarem Licht , aber kürzer als die von Mikrowellen sind . Das Infrarotspektrum beginnt mit den Wellen, die etwas länger als die von rotem Licht (den längsten Wellen im sichtbaren Spektrum ) sind, daher ist IR für das menschliche Auge unsichtbar. Im Allgemeinen (gemäß ISO und CIE) umfasst IR Wellenlängen von etwa 780  nm (380  THz ) bis 1  mm (300  GHz ). ^{[ 1 ] [ 2 ]} Man unterscheidet üblicherweise zwischen langwelliger thermischer IR, die von terrestrischen Quellen emittiert wird, und kurzwelliger IR, dem Nahinfrarot (NIR), das Teil des Sonnenspektrums ist . ^{[ 3 ]} Längere IR-Wellenlängen (30–100 μm) werden manchmal dem Terahertz- Bereich zugeordnet. ^{[ 4 ]} Fast die gesamte Schwarzkörperstrahlung von Objekten nahe Raumtemperatur liegt im IR-Bereich. Als Form der elektromagnetischen Strahlung transportiert Infrarot Energie und Impuls , übt Strahlungsdruck aus und besitzt Eigenschaften, die sowohl denen einer Welle als auch denen eines Teilchens , des Photons , entsprechen . ^{[ 5 ]}

Es war schon lange bekannt, dass Feuer unsichtbare Wärme abgeben ; 1681 zeigte der Pionier der Experimente, Edme Mariotte, dass Glas, obwohl für Sonnenlicht transparent, Strahlungswärme abhält. ^{[ 6 ] [ 7 ]} Im Jahr 1800 entdeckte der Astronom Sir William Herschel anhand seiner Wirkung auf ein Thermometer , dass Infrarotstrahlung eine Art unsichtbarer Strahlung im energieärmeren Spektrum als rotes Licht ist . ^{[ 8 ]} Durch Herschels Untersuchungen stellte sich schließlich heraus, dass etwas mehr als die Hälfte der Sonnenenergie in Form von Infrarotstrahlung auf die Erde gelangt . Das Verhältnis zwischen absorbierter und emittierter Infrarotstrahlung hat einen wichtigen Einfluss auf das Erdklima .

Infrarotstrahlung wird von Molekülen emittiert oder absorbiert , wenn diese ihre Rotations- oder Schwingungsbewegungen ändern. Sie regt Schwingungsmoden in einem Molekül durch eine Änderung des Dipolmoments an und eignet sich daher als Frequenzbereich zur Untersuchung dieser Energiezustände von Molekülen mit geeigneter Symmetrie. Die Infrarotspektroskopie untersucht die Absorption und Transmission von Photonen im Infrarotbereich. ^{[ 9 ]}

Infrarotstrahlung findet Anwendung in Industrie, Wissenschaft, Militär, Handel und Medizin. Nachtsichtgeräte mit aktiver Nahinfrarotbeleuchtung ermöglichen die Beobachtung von Personen und Tieren, ohne dass der Beobachter selbst entdeckt wird. Die Infrarotastronomie nutzt sensorbestückte Teleskope, um staubige Regionen des Weltraums wie Molekülwolken zu durchdringen , Objekte wie Planeten zu entdecken und stark rotverschobene Objekte aus der Frühzeit des Universums zu beobachten . ^{[ 10 ]} Infrarot-Wärmebildkameras werden eingesetzt, um Wärmeverluste in isolierten Systemen zu messen, Veränderungen des Blutflusses in der Haut zu beobachten, die Brandbekämpfung zu unterstützen und die Überhitzung elektrischer Bauteile zu erkennen. ^{[ 11 ]} Zu den militärischen und zivilen Anwendungen zählen Zielerfassung , Überwachung , Nachtsicht , Zielsuche und Verfolgung. Menschen mit normaler Körpertemperatur strahlen hauptsächlich im Wellenlängenbereich um 10 μm. Zu den nichtmilitärischen Anwendungen gehören die Analyse der thermischen Effizienz , die Umweltüberwachung, die Inspektion von Industrieanlagen, die Erkennung von Cannabisplantagen , die Temperaturfernerkundung, die drahtlose Nahbereichskommunikation , die Spektroskopie und die Wettervorhersage .

Es gibt keine allgemein anerkannte Definition des Infrarotbereichs. Üblicherweise erstreckt er sich vom roten Rand des sichtbaren Spektrums bei 780 nm bis 1 mm. Dieser Wellenlängenbereich entspricht einem Frequenzbereich von etwa 430 THz bis 300 GHz. Jenseits des Infrarots liegt der Mikrowellenbereich des elektromagnetischen Spektrums . Zunehmend wird Terahertzstrahlung dem Mikrowellenbereich und nicht dem Infrarotbereich zugeordnet, wodurch sich die Grenze des Infrarotbereichs auf 0,1 mm (3 THz) verschiebt.

Sonnenlicht mit einer effektiven Temperatur von 5780  K (5510 °C, 9940 °F) besteht aus Strahlung im nahen thermischen Spektrum, die etwas mehr als zur Hälfte aus Infrarotstrahlung besteht. Im Zenit liefert das Sonnenlicht auf Meereshöhe eine Bestrahlungsstärke von etwas über 1  kW  pro Quadratmeter. Von dieser Energie entfallen 527 W auf Infrarotstrahlung, 445  W auf sichtbares Licht und 32  W auf Ultraviolettstrahlung . ^{[ 13 ]} Nahezu die gesamte Infrarotstrahlung im Sonnenlicht ist Nahinfrarotstrahlung mit einer Wellenlänge unter 4  μm.

Auf der Erdoberfläche, bei weit niedrigeren Temperaturen als auf der Sonnenoberfläche, besteht ein Teil der Wärmestrahlung aus Infrarotstrahlung im mittleren Infrarotbereich, die deutlich länger ist als die des Sonnenlichts. Schwarzkörperstrahlung, auch Wärmestrahlung genannt, ist kontinuierlich: Sie strahlt in allen Wellenlängenbereichen. Von diesen natürlichen Wärmestrahlungsprozessen sind nur Blitze und natürliche Brände heiß genug, um nennenswerte Mengen an sichtbarer Energie zu erzeugen, wobei Brände weitaus mehr Infrarot- als sichtbares Licht abgeben. ^{[ 14 ]}

Objekte emittieren im Allgemeinen Infrarotstrahlung über ein breites Wellenlängenspektrum. Manchmal ist jedoch nur ein begrenzter Spektralbereich von Interesse, da Sensoren üblicherweise nur Strahlung innerhalb einer bestimmten Bandbreite erfassen. Thermische Infrarotstrahlung besitzt zudem eine maximale Emissionswellenlänge, die gemäß dem Wien'schen Verschiebungsgesetz umgekehrt proportional zur absoluten Temperatur des Objekts ist . Das Infrarotband wird häufig in kleinere Abschnitte unterteilt, wobei die Art der Unterteilung je nach Anwendungsgebiet der Infrarotstrahlung variiert.

Infrarotstrahlung beginnt im Allgemeinen mit Wellenlängen, die länger als das für das menschliche Auge sichtbare Spektrum sind. Es gibt keine feste Wellenlängengrenze für das Sichtbare, da die Empfindlichkeit des Auges für Wellenlängen oberhalb von etwa 700 nm zwar schnell, aber stetig abnimmt. Daher sind auch Wellenlängen, die etwas länger als 700 nm sind, sichtbar, sofern sie ausreichend hell sind, obwohl sie nach gängigen Definitionen noch als Infrarotstrahlung klassifiziert werden. Licht von Nahinfrarotlasern kann daher schwach rot erscheinen und eine Gefahr darstellen, da es tatsächlich eine große Energiemenge transportieren kann. Selbst Infrarotstrahlung mit Wellenlängen bis zu 1050 nm, die von gepulsten Lasern erzeugt wird, ist unter bestimmten Bedingungen für den Menschen sichtbar. ^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]}

Ein häufig verwendetes Unterteilungsschema ist: ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]}

Ein Vergleich einer Wärmebildaufnahme (oben) und eines normalen Fotos (unten). Die Plastiktüte ist für langwelliges Infrarotlicht größtenteils transparent, die Brille des Mannes hingegen ist undurchsichtig.

Das Band, das NIR und SWIR zusammen umfasst, wird manchmal als reflektiertes Infrarot bezeichnet, während das Band, das MWIR und LWIR umfasst, manchmal als thermisches Infrarot bezeichnet wird .

Die Internationale Beleuchtungskommission (CIE) empfahl die Aufteilung der Infrarotstrahlung in die folgenden drei Bänder: ^{[ 23 ] [ 24 ]}

ISO 20473 legt folgendes Schema fest: ^{[ 25 ]}

Astronomen unterteilen das Infrarotspektrum üblicherweise wie folgt: ^{[ 26 ].}

Diese Einteilung ist nicht präzise und kann je nach Publikation variieren. Die drei Regionen dienen der Beobachtung unterschiedlicher Temperaturbereiche ^{[ 27 ]} und somit unterschiedlicher Umgebungen im Weltraum.

Das in der Astronomie am häufigsten verwendete photometrische System ordnet verschiedenen Spektralbereichen je nach verwendeten Filtern Großbuchstaben zu: I, J, H und K umfassen den nahen Infrarotbereich; L, M, N und Q bezeichnen den mittleren Infrarotbereich. Diese Buchstaben werden üblicherweise als atmosphärische Fenster verstanden und finden sich beispielsweise in den Titeln vieler wissenschaftlicher Arbeiten .

Ein drittes Schema unterteilt das Frequenzband anhand der Reaktion verschiedener Detektoren: ^{[ 28 ].}

• Nahes Infrarot: von 0,7 bis 1,0 μm (vom ungefähren Ende des Empfindlichkeitsbereichs des menschlichen Auges bis hin zu dem von Silizium).
• Kurzwellige Infrarotstrahlung: 1,0 bis 3 μm (von der Absorptionskante von Silizium bis zum MWIR-Atmosphärenfenster). InGaAs deckt den Bereich bis etwa 1,8 μm ab; die weniger empfindlichen Bleisalze decken diesen Bereich ebenfalls ab. Kryogenisch gekühlte MCT-  Detektoren können den Bereich von 1,0–2,5 μm abdecken .
• Mittelwelliger Infrarotbereich: 3 bis 5 μm (definiert durch das atmosphärische Fenster und abgedeckt durch Indiumantimonid , InSb und Quecksilbercadmiumtellurid , HgCdTe, und teilweise durch Bleiselenid , PbSe).
• Langwelliges Infrarot: 8 bis 12 oder 7 bis 14 μm (dies ist das atmosphärische Fenster, das von HgCdTe und Mikrobolometern abgedeckt wird ).
• Sehr langwelliges Infrarot (VLWIR) (12 bis etwa 30 μm, bedeckt mit dotiertem Silizium).

Nahes Infrarot ist der Wellenlängenbereich, der dem für das menschliche Auge sichtbaren Spektrum am nächsten liegt. Mittleres und fernes Infrarot liegen zunehmend weiter vom sichtbaren Spektrum entfernt. Andere Definitionen basieren auf unterschiedlichen physikalischen Mechanismen (Emissionsmaxima vs. -banden, Wasserabsorption), und die neuesten Definitionen beruhen auf technischen Gründen (gängige Siliziumdetektoren sind bis etwa 1050 nm empfindlich, während die Empfindlichkeit von InGaAs je nach Konfiguration zwischen etwa 950 nm und 1700–2600 nm liegt). Derzeit existieren keine internationalen Standards für diese Spezifikationen.

Der Beginn des Infrarotbereichs wird (je nach Standard) bei unterschiedlichen Wellenlängen, typischerweise zwischen 700 nm und 800 nm, definiert, die Grenze zwischen sichtbarem und infrarotem Licht ist jedoch nicht präzise festgelegt. Das menschliche Auge ist für Licht mit Wellenlängen über 700 nm deutlich weniger empfindlich, daher tragen längere Wellenlängen nur unwesentlich zur Beleuchtung von Szenen mit herkömmlichen Lichtquellen bei. Besonders intensives Nahinfrarotlicht (z. B. von Lasern , LEDs oder hellem Tageslicht, bei dem das sichtbare Licht herausgefiltert wurde) ist bis etwa 780 nm detektierbar und wird als rotes Licht wahrgenommen. Intensive Lichtquellen mit Wellenlängen bis zu 1050 nm erscheinen als schwaches rotes Leuchten, was die Nahinfrarotbeleuchtung dunkler Szenen erschwert (dieses praktische Problem wird üblicherweise durch indirekte Beleuchtung gelöst). Blätter leuchten besonders hell im nahen Infrarotbereich. Werden alle sichtbaren Lichtlecks um einen Infrarotfilter herum blockiert und erhält das Auge einen Moment Zeit, sich an das extrem schwache Bild anzupassen, das durch einen visuell undurchsichtigen, Infrarot-durchlässigen Fotofilter dringt, kann der Wood-Effekt beobachtet werden , der aus im Infrarotbereich leuchtendem Laub besteht. ^{[ 29 ]}

In der optischen Kommunikation wird der genutzte Teil des Infrarotspektrums in sieben Bänder unterteilt, je nach Verfügbarkeit von Lichtquellen, Sende-/Absorptionsmaterialien (Fasern) und Detektoren: ^{[ 30 ] .}

Das C-Band ist das dominierende Frequenzband für Fernkommunikationsnetze . Die S- und L-Bänder basieren auf weniger ausgereifter Technologie und sind nicht so weit verbreitet.

Infrarotstrahlung ist allgemein als „Wärmestrahlung“ bekannt ^{[ 31 ]} , doch Licht und elektromagnetische Wellen jeder Frequenz erwärmen Oberflächen, die sie absorbieren. Infrarotlicht der Sonne trägt zu 49 % ^{[ 32 ]} zur Erwärmung der Erde bei; der Rest wird durch sichtbares Licht verursacht, das absorbiert und anschließend bei längeren Wellenlängen wieder abgestrahlt wird. Sichtbares Licht oder ultraviolett emittierende Laser können Papier verkohlen, und glühend heiße Objekte emittieren sichtbare Strahlung. Objekte bei Raumtemperatur emittieren Strahlung , die hauptsächlich im Bereich von 8 bis 25 μm konzentriert ist. Diese Strahlung unterscheidet sich jedoch nicht von der Emission von sichtbarem Licht durch glühende Objekte und von ultravioletter Strahlung durch noch heißere Objekte (siehe Schwarzkörperstrahlung und Wiensches Verschiebungsgesetz ) ^{[ 33 ] .}

Wärme ist Energie, die aufgrund eines Temperaturunterschieds fließt. Im Gegensatz zu Wärme, die durch Wärmeleitung oder Konvektion übertragen wird , kann sich Wärmestrahlung im Vakuum ausbreiten . Wärmestrahlung ist durch ein spezifisches Spektrum vieler Wellenlängen gekennzeichnet, die mit der Emission eines Objekts aufgrund der Schwingung seiner Moleküle bei einer bestimmten Temperatur verbunden sind. Wärmestrahlung kann von Objekten in jeder Wellenlänge emittiert werden, und bei sehr hohen Temperaturen ist diese Strahlung mit Spektren weit oberhalb des Infrarotbereichs verbunden, die sich bis in den sichtbaren, ultravioletten und sogar Röntgenbereich erstrecken (z. B. die Sonnenkorona ). Die weit verbreitete Gleichsetzung von Infrarotstrahlung mit Wärmestrahlung ist daher lediglich ein Zufall, der auf den typischen (vergleichsweise niedrigen) Temperaturen nahe der Erdoberfläche beruht.

Das Konzept des Emissionsgrades ist wichtig für das Verständnis der Infrarotstrahlung von Objekten. Es beschreibt, wie stark die Wärmestrahlung einer Oberfläche vom Ideal eines schwarzen Körpers abweicht . Zwei Objekte mit gleicher Temperatur zeigen beispielsweise unterschiedliche Emissionsgrade und können daher ein anderes Infrarotbild erzeugen. Bei gleichem Emissionsgrad erscheinen Objekte mit höherem Emissionsgrad heißer und solche mit niedrigerem Emissionsgrad kühler (vorausgesetzt, die Umgebung ist kühler als die betrachteten Objekte). Objekte mit nicht perfektem Emissionsgrad weisen reflektierende und/oder transparente Eigenschaften auf, wodurch die Temperatur der Umgebung teilweise reflektiert und/oder durchgelassen wird. Befindet sich das Objekt in einer wärmeren Umgebung, erscheint ein Objekt mit niedrigerem Emissionsgrad bei gleicher Temperatur wahrscheinlich heißer als ein Objekt mit höherem Emissionsgrad. Daher führen eine falsche Wahl des Emissionsgrades und die Nichtberücksichtigung der Umgebungstemperatur zu ungenauen Messergebnissen mit Infrarotkameras und Pyrometern.

Infrarotlicht wird in Nachtsichtgeräten eingesetzt, wenn das sichtbare Licht zum Sehen nicht ausreicht. ^{[ 34 ]} Nachtsichtgeräte funktionieren durch die Umwandlung von Umgebungslichtphotonen in Elektronen, die anschließend durch einen chemischen und elektrischen Prozess verstärkt und dann wieder in sichtbares Licht umgewandelt werden. ^{[ 34 ]} Infrarotlichtquellen können das verfügbare Umgebungslicht für Nachtsichtgeräte ergänzen und so die Sicht im Dunkeln verbessern, ohne dass eine sichtbare Lichtquelle benötigt wird. ^{[ 34 ] [ 1 ]}

Die Verwendung von Infrarotlicht und Nachtsichtgeräten sollte nicht mit der Wärmebildtechnik verwechselt werden , die Bilder auf der Grundlage von Oberflächentemperaturunterschieden durch die Erfassung von Infrarotstrahlung ( Wärme ) erzeugt, die von Objekten und ihrer Umgebung abgegeben wird. ^{[ 35 ] [ 8 ]}

Infrarotstrahlung ermöglicht die berührungslose Temperaturmessung von Objekten (sofern der Emissionsgrad bekannt ist). Dieses Verfahren wird als Thermografie bezeichnet, bei sehr heißen Objekten im nahen Infrarotbereich oder im sichtbaren Spektrum als Pyrometrie . Die Thermografie (Wärmebildgebung) findet hauptsächlich in militärischen und industriellen Anwendungen Verwendung, doch dank stark gesunkener Produktionskosten erobert die Technologie zunehmend den Massenmarkt in Form von Infrarotkameras an Fahrzeugen.

Thermografiekameras erfassen Strahlung im Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums (etwa 9.000–14.000 nm bzw. 9–14 μm) und erzeugen Bilder dieser Strahlung. Da alle Objekte gemäß dem Strahlungsgesetz des schwarzen Körpers Infrarotstrahlung abhängig von ihrer Temperatur abgeben, ermöglicht die Thermografie die Betrachtung der Umgebung mit und ohne sichtbares Licht. Die von einem Objekt abgegebene Strahlungsmenge steigt mit der Temperatur, daher macht die Thermografie Temperaturunterschiede sichtbar (daher der Name).

Ein hyperspektrales Bild ist ein „Bild“, das ein kontinuierliches Spektrum über einen breiten Spektralbereich an jedem Pixel enthält. Die hyperspektrale Bildgebung gewinnt in der angewandten Spektroskopie zunehmend an Bedeutung, insbesondere in den Spektralbereichen NIR, SWIR, MWIR und LWIR. Typische Anwendungsgebiete sind Messungen in der Biologie, Mineralogie, Verteidigung und Industrie.

Die thermische Infrarot-Hyperspektralbildgebung kann analog mit einer Wärmebildkamera durchgeführt werden , mit dem grundlegenden Unterschied, dass jedes Pixel ein vollständiges LWIR-Spektrum enthält. Folglich kann die chemische Identifizierung des Objekts ohne externe Lichtquelle wie Sonne oder Mond erfolgen. Solche Kameras werden typischerweise für geologische Messungen, Außenüberwachung und UAV- Anwendungen eingesetzt. ^{[ 37 ]}

In der Infrarotfotografie werden Infrarotfilter verwendet , um das Nahinfrarotspektrum zu erfassen. Digitalkameras nutzen häufig Infrarotblocker . Günstigere Digitalkameras und Kamerahandys verfügen über weniger effektive Filter und können intensives Nahinfrarot erfassen, das in einem hellen Violett-Weiß erscheint. Dies ist besonders deutlich beim Fotografieren von Objekten in der Nähe von IR-hellen Bereichen (z. B. in der Nähe einer Lampe), da die entstehenden Infrarotinterferenzen das Bild überstrahlen können. Es gibt auch eine Technik namens Terahertz -Bildgebung, bei der mit Ferninfrarot- oder Terahertzstrahlung fotografiert wird . Der Mangel an hellen Lichtquellen kann die Terahertz-Fotografie anspruchsvoller machen als die meisten anderen Infrarot-Bildgebungsverfahren. In letzter Zeit hat die Terahertz-Bildgebung aufgrund einer Reihe neuer Entwicklungen, wie z. B. der Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie , großes Interesse geweckt .

Die Infrarotzielsuche, auch Infrarot-Zielsuchsystem genannt, ist ein passives Lenksystem für Flugkörper , das die von einem Ziel ausgesendete Infrarotstrahlung zur Zielverfolgung nutzt. Flugkörper mit Infrarotsuchfunktion werden oft als „Wärmesucher“ bezeichnet, da heiße Körper Infrarotstrahlung stark abgeben. Viele Objekte, wie beispielsweise Menschen, Fahrzeugmotoren und Flugzeuge, erzeugen Wärme und heben sich daher von kühleren Hintergründen ab. ^{[ 38 ]}

Infrarotstrahlung kann gezielt als Wärmequelle eingesetzt werden. Beispielsweise wird sie in Infrarotsaunen verwendet , um die Nutzer zu erwärmen. Sie kann auch in anderen Heizanwendungen eingesetzt werden, etwa zum Enteisen von Flugzeugflügeln. ^{[ 39 ]}

Die Infrarotheizung gewinnt auch in industriellen Fertigungsprozessen zunehmend an Bedeutung, beispielsweise beim Aushärten von Beschichtungen, beim Formen von Kunststoffen, beim Glühen, beim Kunststoffschweißen und beim Trocknen von Drucken. In diesen Anwendungen ersetzen Infrarotheizungen Konvektionsöfen und Kontaktheizungen.

Verschiedene Technologien und Technologievorschläge nutzen Infrarotstrahlung zur Kühlung von Gebäuden und anderen Systemen. Der langwellige Infrarotbereich (LWIR, 8–15 μm) ist besonders geeignet, da ein Teil der Strahlung in diesem Wellenlängenbereich durch das Infrarotfenster der Atmosphäre ins Weltall entweichen kann . So erreichen passive Oberflächen zur tageszeitlichen Strahlungskühlung (PDRC) Temperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur selbst bei direkter Sonneneinstrahlung und erhöhen den Wärmetransport von der Erde ins Weltall – ohne Energieverbrauch und ohne Umweltbelastung . ^{[ 40 ] [ 41 ]} PDRC-Oberflächen maximieren die kurzwellige solare Reflexion , um den Wärmeeintrag zu verringern, während gleichzeitig ein starker Wärmetransport durch langwellige Infrarotstrahlung (LWIR) gewährleistet wird . ^{[ 42 ] [ 43 ]} Weltweit betrachtet, wurde diese Kühlmethode als Möglichkeit vorgeschlagen, die globale Erwärmung zu verlangsamen und sogar umzukehren . Schätzungen gehen von einer globalen Oberflächenabdeckung von 1–2 % aus, um die globalen Wärmeflüsse auszugleichen. ^{[ 44 ] [ 45 ]}

Die Infrarot-Datenübertragung wird auch für die Nahfeldkommunikation zwischen Computerperipheriegeräten und PDAs eingesetzt . Diese Geräte entsprechen üblicherweise den von der IrDA (Infrared Data Association) veröffentlichten Standards. Fernbedienungen und IrDA-Geräte nutzen Infrarot -Leuchtdioden (LEDs), um Infrarotstrahlung auszusenden, die mithilfe einer Linse zu einem Strahl gebündelt wird , den der Benutzer auf den Detektor richtet. Der Strahl wird moduliert , d. h. ein- und ausgeschaltet, entsprechend einem Code, den der Empfänger interpretiert. Aus praktischen Gründen wird üblicherweise Nahinfrarot (unter 800 nm) verwendet. Diese Wellenlänge wird effizient von kostengünstigen Silizium- Fotodioden erfasst, die die detektierte Strahlung in einen elektrischen Strom umwandeln . Dieses elektrische Signal wird durch einen Hochpassfilter geleitet , der die schnellen Pulsationen des Infrarotsenders beibehält, aber die sich langsam ändernde Infrarotstrahlung des Umgebungslichts herausfiltert. Infrarotkommunikation ist besonders nützlich für die Nutzung in Innenräumen mit hoher Bevölkerungsdichte. Da Infrarotstrahlung Wände nicht durchdringt, stört sie keine anderen Geräte in angrenzenden Räumen. Infrarot ist die gängigste Methode zur Steuerung von Geräten per Fernbedienung. Zur Kommunikation mit Infrarot werden Infrarot-Fernsteuerungsprotokolle wie RC-5 und SIRC verwendet.

Die optische Freiraumkommunikation mittels Infrarotlasern kann , abgesehen von den Strahlenschäden, im Vergleich zur Verlegung von Glasfaserkabeln eine relativ kostengünstige Methode zur Installation einer Kommunikationsverbindung in einem urbanen Gebiet mit Übertragungsraten von bis zu 4 Gigabit/s darstellen. „Da das Auge Infrarotstrahlung nicht wahrnehmen kann, findet kein Blinzeln oder Schließen der Augen statt, um Schäden zu vermeiden oder zu reduzieren.“ ^{[ 46 ]}

Infrarotlaser werden zur Lichterzeugung für optische Faserkommunikationssysteme eingesetzt. Wellenlängen um 1330 nm (geringste Dispersion ) oder 1550 nm (beste Transmission) sind für Standard -Quarzglasfasern optimal .

Die Infrarot-Datenübertragung von Audioversionen gedruckter Schilder wird im Rahmen des Projekts „Remote Infrared audible Signage“ als Hilfsmittel für Sehbehinderte erforscht . Die Übertragung von Infrarotdaten von einem Gerät zum anderen wird auch als Beaming bezeichnet .

IR wird manchmal für unterstützende Audioübertragung als Alternative zu einer Audio-Induktionsschleife verwendet .

Die Infrarot-Schwingungsspektroskopie (siehe auch Nahinfrarotspektroskopie ) ist eine Technik zur Identifizierung von Molekülen durch Analyse ihrer Bindungen. Jede chemische Bindung in einem Molekül schwingt mit einer für diese Bindung charakteristischen Frequenz. Eine Atomgruppe in einem Molekül (z. B. CH₂ ₎ kann mehrere Schwingungsmoden aufweisen, die durch die Streck- und Biegeschwingungen der gesamten Gruppe hervorgerufen werden. Führt eine Schwingung zu einer Änderung des Dipolmoments im Molekül, absorbiert dieses ein Photon mit der entsprechenden Frequenz. Die Schwingungsfrequenzen der meisten Moleküle entsprechen den Frequenzen des Infrarotlichts. Typischerweise wird diese Technik zur Untersuchung organischer Verbindungen mithilfe von Lichtstrahlung aus dem mittleren Infrarotbereich (4000–400 cm⁻¹) ^eingesetzt . Dabei wird ein Absorptionsspektrum aller Frequenzen einer Probe aufgenommen. Dieses Spektrum liefert Informationen über die Zusammensetzung der Probe hinsichtlich der vorhandenen chemischen Gruppen sowie über ihre Reinheit (beispielsweise zeigt eine feuchte Probe eine breite OH-Absorption um 3200 cm⁻¹ ⁾ . Die Einheit zur Angabe der Strahlung in dieser Anwendung, cm⁻¹ ^, ist die spektroskopische Wellenzahl . Sie ist die Frequenz geteilt durch die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.

In der Halbleiterindustrie wird Infrarotlicht zur Charakterisierung von Materialien wie Dünnschichten und periodischen Grabenstrukturen eingesetzt. Durch Messung des Reflexionsvermögens von Licht an der Oberfläche eines Halbleiterwafers lassen sich Brechungsindex (n) und Extinktionskoeffizient (k) mithilfe der Forouhi-Bloomer-Dispersionsgleichungen bestimmen . Das Reflexionsvermögen des Infrarotlichts kann zudem zur Ermittlung der kritischen Abmessungen, der Tiefe und des Seitenwandwinkels von Grabenstrukturen mit hohem Aspektverhältnis verwendet werden.

Wettersatelliten mit scannenden Radiometern erzeugen Wärmebilder oder Infrarotbilder. Diese ermöglichen es geschulten Analysten, Wolkenhöhen und -arten zu bestimmen, Land- und Oberflächenwassertemperaturen zu berechnen und Meeresoberflächenmerkmale zu lokalisieren. Der Scan erfolgt typischerweise im Bereich von 10,3–12,5 μm (IR4- und IR5-Kanäle).

Wolken mit hohen, kalten Oberseiten, wie Zyklonen oder Cumulonimbuswolken , werden oft rot oder schwarz dargestellt, niedrigere, wärmere Wolken wie Stratus oder Stratocumulus blau oder grau, wobei dazwischenliegende Wolken entsprechend schattiert erscheinen. Heiße Landoberflächen werden dunkelgrau oder schwarz abgebildet. Ein Nachteil von Infrarotbildern besteht darin, dass niedrige Wolken wie Stratus oder Nebel eine ähnliche Temperatur wie die umgebende Land- oder Meeresoberfläche aufweisen und daher nicht sichtbar sind. Mithilfe des Helligkeitsunterschieds zwischen dem IR4-Kanal (10,3–11,5 μm) und dem Nahinfrarotkanal (1,58–1,64 μm) lassen sich niedrige Wolken jedoch erkennen, wodurch ein Nebel -Satellitenbild entsteht. Der Hauptvorteil von Infrarotbildern liegt darin, dass auch nachts Aufnahmen erstellt werden können, wodurch sich Wetterereignisse kontinuierlich beobachten lassen.

Diese Infrarotbilder können Meereswirbel und Strömungen wie den Golfstrom darstellen und sind daher für die Schifffahrt von großem Wert. Fischer und Landwirte interessieren sich für die Land- und Wassertemperaturen, um ihre Ernte vor Frost zu schützen oder ihre Fangerträge zu steigern. Selbst El-Niño- Phänomene lassen sich erkennen. Mithilfe digitaler Farbverfahren können die grauen Wärmebilder in Farbe umgewandelt werden, um die gewünschten Informationen leichter identifizieren zu können.

Der Hauptwasserdampfkanal im Bereich von 6,40 bis 7,08 μm kann von einigen Wettersatelliten abgebildet werden und zeigt die Menge an Feuchtigkeit in der Atmosphäre an.

In der Klimatologie wird die atmosphärische Infrarotstrahlung überwacht, um Trends im Energieaustausch zwischen Erde und Atmosphäre zu erkennen. Diese Trends liefern Informationen über langfristige Veränderungen des Erdklimas. Sie ist neben der Sonneneinstrahlung einer der wichtigsten Parameter in der Erforschung der globalen Erwärmung .

In diesem Forschungsgebiet wird ein Pyrgeometer zur Durchführung kontinuierlicher Außenmessungen eingesetzt. Es handelt sich dabei um ein Breitband-Infrarotradiometer mit einer Empfindlichkeit für Infrarotstrahlung zwischen etwa 4,5 μm und 50 μm.

Astronomen beobachten Objekte im Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums mithilfe optischer Komponenten wie Spiegeln, Linsen und digitalen Halbleiterdetektoren. Daher zählt die Infrarotastronomie zur optischen Astronomie . Um ein Bild zu erzeugen, müssen die Komponenten eines Infrarotteleskops sorgfältig vor Wärmequellen abgeschirmt und die Detektoren mit flüssigem Helium gekühlt werden .

Die Empfindlichkeit erdgebundener Infrarotteleskope ist durch den Wasserdampf in der Atmosphäre stark eingeschränkt, da dieser einen Teil der aus dem Weltraum einfallenden Infrarotstrahlung außerhalb bestimmter atmosphärischer Fenster absorbiert . Diese Einschränkung lässt sich teilweise beheben, indem man das Teleskop in großer Höhe platziert oder es mit einem Ballon oder Flugzeug in den Weltraum transportiert. Weltraumteleskope sind von dieser Einschränkung nicht betroffen, weshalb der Weltraum als idealer Standort für die Infrarotastronomie gilt.

Der Infrarotbereich des Spektrums bietet Astronomen zahlreiche Vorteile. Kalte, dunkle Molekülwolken aus Gas und Staub in unserer Galaxie leuchten durch die Strahlungswärme eingebetteter Sterne. Infrarotlicht kann auch zur Entdeckung von Protosternen genutzt werden , bevor diese sichtbares Licht aussenden. Da Sterne im Infrarotbereich einen geringeren Anteil ihrer Energie abgeben, lassen sich nahegelegene, kühle Objekte wie Planeten leichter nachweisen. (Im sichtbaren Lichtspektrum würde das vom Stern reflektierte Licht das Licht eines Planeten überstrahlen.)

Infrarotlicht eignet sich auch zur Beobachtung der Kerne aktiver Galaxien , die oft von Gas und Staub umhüllt sind. Ferne Galaxien mit hoher Rotverschiebung weisen eine Verschiebung des Maximums ihres Spektrums zu längeren Wellenlängen auf, sodass sie im Infrarotbereich leichter zu beobachten sind. ^{[ 10 ]}

Die Infrarotreinigung ist eine Technik, die von einigen Filmscannern , Filmscannern und Flachbettscannern eingesetzt wird , um die Auswirkungen von Staub und Kratzern auf den fertigen Scan zu reduzieren oder zu entfernen . Dabei wird ein zusätzlicher Infrarotkanal des Scans an derselben Position und Auflösung wie die drei sichtbaren Farbkanäle (Rot, Grün und Blau) erfasst. Der Infrarotkanal dient in Kombination mit den anderen Kanälen dazu, Kratzer und Staub zu lokalisieren. Sobald diese Defekte lokalisiert sind, können sie durch Skalierung korrigiert oder durch Inpainting ersetzt werden . ^{[ 47 ]}

Die Infrarotreflektografie ^{[ 48 ]} ermöglicht die zerstörungsfreie Sichtbarmachung von Farbschichten, insbesondere der Unterzeichnung oder der als Vorlage dienenden Skizze des Künstlers. Restauratoren nutzen diese Technik, um die Unterschiede zwischen den sichtbaren Farbschichten und der Unterzeichnung oder den dazwischenliegenden Schichten zu untersuchen (solche vom Künstler vorgenommenen Änderungen werden als Pentimenti bezeichnet ). Diese Information ist sehr hilfreich, um zu entscheiden, ob es sich bei einem Gemälde um das Original oder eine Kopie handelt und ob es durch übereifrige Restaurierungsarbeiten verändert wurde. Generell gilt: Je mehr Pentimenti vorhanden sind, desto wahrscheinlicher handelt es sich um das Original. Die Reflektografie liefert zudem wertvolle Einblicke in die Arbeitsweise des Künstlers. ^{[ 49 ]} Häufig lässt sich in der Reflektografie auch die Verwendung von Ruß durch den Künstler nachweisen , der in Reflektogrammen gut sichtbar ist, sofern er nicht auch im Malgrund verwendet wurde. Die Infrarotreflektografie kann mit modifizierten handelsüblichen Digitalkameras im NIR-Spektralbereich oder mit speziellen Instrumenten im SWIR-Spektralbereich durchgeführt werden. ^{[ 50 ]} Die jüngste Erweiterung der Reflektographie in den MWIR-Spektralbereich ^{[ 51 ] [ 52 ]} hat sich als geeignet erwiesen, subtile Unterschiede in Oberflächenmaterialien zu erkennen.

Schließlich lässt sich die NIR-Reflektografie mit guten Ergebnissen auch mit Smartphone-Kameras durchführen. ^{[ 53 ]}

Jüngste Fortschritte in der Entwicklung infrarotempfindlicher Kameras ermöglichen es, nicht nur Untermalungen und Pentimenti, sondern auch ganze Gemälde zu entdecken und darzustellen, die später vom Künstler übermalt wurden. ^{[ 54 ]} Bemerkenswerte Beispiele hierfür sind Picassos „ Bügelnde Frau“ und „Blaues Zimmer“ , in denen jeweils ein Männerporträt unter dem heutigen Gemälde sichtbar gemacht wurde.

Ähnliche Anwendungen der Infrarotspektroskopie finden sich bei Restauratoren und Wissenschaftlern für verschiedenste Objekte, insbesondere für sehr alte Schriftstücke wie die Schriftrollen vom Toten Meer , die römischen Werke in der Villa der Papyri und die in den Höhlen von Dunhuang gefundenen Texte der Seidenstraße . ^{[ 55 ]} Ruß, der in Tinte verwendet wurde, kann extrem gut sichtbar gemacht werden.

Die Grubenotter besitzt zwei Infrarot-Sinnesgruben am Kopf. Über die genaue thermische Empfindlichkeit dieses biologischen Infrarot-Detektionssystems besteht Unsicherheit. ^{[ 56 ] [ 57 ]}

Weitere Organismen mit Wärmerezeptoren sind Pythons (Familie Pythonidae ), einige Boas (Familie Boidae ), die Gemeine Vampirfledermaus ( Desmodus rotundus ), verschiedene Prachtkäferarten ( Melanophila acuminata ) ^{[ 58 ]} , dunkel pigmentierte Schmetterlinge ( Pachliopta aristolochiae und Troides rhadamantus plateni ) und möglicherweise die Blutwanze Triatoma infestans ^{[ 59 ]} . Grubennattern und Riesenschlangen identifizieren und erbeuten ihre Beute mithilfe ihrer Infrarot-empfindlichen Grubenorgane , indem sie die von ihr abgegebene Wärme wahrnehmen . Auch die Infrarot-empfindlichen Grubenorgane der Gemeinen Vampirfledermaus ( Desmodus rotundus ) helfen ihr, blutreiche Bereiche an ihren warmblütigen Opfern zu erkennen. Der Prachtkäfer Melanophila acuminata spürt Waldbrände mithilfe von Infrarot-Grubenorganen auf und legt seine Eier auf frisch abgebrannten Bäumen ab . Thermorezeptoren auf den Flügeln und Fühlern dunkel pigmentierter Schmetterlinge wie Pachliopta aristolochiae und Troides rhadamantus plateni schützen diese vor Hitzeschäden beim Sonnenbaden. Darüber hinaus wird vermutet, dass Thermorezeptoren es blutsaugenden Wanzen ( Triatoma infestans ) ermöglichen, ihre warmblütigen Opfer durch die Wahrnehmung ihrer Körperwärme aufzuspüren. ^{[ 59 ]}

Einige Pilze, wie Venturia inaequalis , benötigen zum Ausstoßen Nahinfrarotlicht. ^{[ 60 ]}

Obwohl Nahinfrarotsehen (780–1000 nm) aufgrund von Störungen in den Sehfarbstoffen lange Zeit als unmöglich galt ^{[ 61 ]} , wurde die Wahrnehmung von Nahinfrarotlicht beim Karpfen und bei drei Buntbarscharten nachgewiesen. ^{[ 61 ] [ 62 ] [ 63 ] [ 64 ] [ 65 ]} Fische nutzen Nahinfrarotlicht zur Jagd ^{[ 61 ]} und zur phototaktischen Schwimmorientierung. ^{[ 65 ]} Die Nahinfrarotwahrnehmung bei Fischen könnte unter schlechten Lichtverhältnissen in der Dämmerung ^{[ 61 ]} und in trüben Oberflächengewässern relevant sein. ^{[ 65 ]}

Nahinfrarotlicht, auch Photobiomodulation genannt, wird zur Behandlung von durch Chemotherapie verursachten Mundgeschwüren sowie zur Wundheilung eingesetzt. Es gibt einige Arbeiten zur Behandlung von Herpesviren. ^{[ 66 ]} Forschungsprojekte umfassen Untersuchungen zu den heilenden Wirkungen auf das zentrale Nervensystem durch Hochregulierung der Cytochrom-c-Oxidase und andere mögliche Mechanismen. ^{[ 67 ]}

Starke Infrarotstrahlung in bestimmten industriellen Umgebungen mit hohen Temperaturen kann die Augen schädigen und zu Augenschäden oder Erblindung führen. Da die Strahlung unsichtbar ist, müssen an solchen Orten spezielle Infrarotschutzbrillen getragen werden. ^{[ 68 ]}

Die Entdeckung der Infrarotstrahlung wird dem Astronomen William Herschel im frühen 19. Jahrhundert zugeschrieben . Herschel veröffentlichte seine Ergebnisse 1800 vor der Royal Society in London . Er nutzte ein Prisma , um Sonnenlicht zu brechen und wies die Infrarotstrahlung jenseits des roten Spektralbereichs anhand eines Temperaturanstiegs auf, der mit einem Thermometer gemessen wurde . Er war von dem Ergebnis überrascht und nannte die Strahlung „Wärmestrahlen“. ^{[ 69 ] [ 70 ]} Der Begriff „Infrarot“ tauchte erst gegen Ende des 19. Jahrhunderts auf. ^{[ 71 ]} Die lateinische Vorsilbe „infra- “ bedeutet „unten“, da es sich um Licht unterhalb des roten Bereichs im Spektrum handelt. ^{[ 72 ]} Ein früheres Experiment von Marc-Auguste Pictet im Jahr 1790 demonstrierte die Reflexion und Fokussierung von Wärmestrahlung durch Spiegel in Abwesenheit von sichtbarem Licht. ^{[ 73 ]}

Weitere wichtige Daten sind: ^{[ 28 ]}

• 1830: Leopoldo Nobili baute den ersten Thermosäulen -Infrarotdetektor. ^{[ 74 ]}
• 1840: John Herschel erstellt das erste Wärmebild, ein sogenanntes Thermogramm . ^{[ 75 ]}
• 1860: Gustav Kirchhoff formulierte den Schwarzkörpersatz . ^{[ 76 ]}${\displaystyle E=J(T,n)}$
• 1873: Willoughby Smith entdeckte die Photoleitfähigkeit von Selen . ^{[ 77 ]}
• 1878: Samuel Pierpont Langley erfindet das erste Bolometer , ein Gerät, das kleine Temperaturschwankungen und damit die Leistung von Ferninfrarotquellen messen kann. ^{[ 78 ]}
• 1879: Das Stefan-Boltzmann-Gesetz wurde empirisch formuliert und ^besagt , dass die von einem schwarzen Körper abgestrahlte Leistung proportional zu T⁴ ist . ^{[ 79 ]}
• In den 1880er und 1890er Jahren lösten Lord Rayleigh und Wilhelm Wien einen Teil der Schwarzkörpergleichung, doch beide Lösungen divergierten in Teilen des elektromagnetischen Spektrums. Dieses Problem wurde als „ Ultraviolettkatastrophe und Infrarotkatastrophe“ bezeichnet. ^{[ 80 ]}
• 1892: Willem Henri Julius veröffentlichte Infrarotspektren von 20 organischen Verbindungen, gemessen mit einem Bolometer in Einheiten der Winkelverschiebung. ^{[ 81 ]}
• 1901: Max Planck veröffentlichte die Schwarzkörpergleichung und den Schwarzkörpersatz. Er löste das Problem durch die Quantisierung der zulässigen Energieübergänge. ^{[ 82 ]}
• 1905: Albert Einstein entwickelte die Theorie des photoelektrischen Effekts . ^{[ 83 ]}
• 1905–1908: William Coblentz veröffentlichte Infrarotspektren in Wellenlängeneinheiten (Mikrometern) für verschiedene chemische Verbindungen in Investigations of Infra-Red Spectra . ^{[ 84 ] [ 85 ] [ 86 ]}
• 1917: Theodore Case entwickelte den Thalliumsulfiddetektor , der zur Herstellung des ersten Infrarot-Such- und Verfolgungsgeräts beitrug , das Flugzeuge in einer Entfernung von einer Meile (1,6 km) orten konnte.
• 1935: Bleisalze – frühe Raketenlenkung im Zweiten Weltkrieg .
• 1938: Yeou Ta sagte voraus, dass der pyroelektrische Effekt zur Detektion von Infrarotstrahlung genutzt werden könnte. ^{[ 87 ]}
• 1945: Das Zielgerät 1229 „Vampir“, ein Infrarotwaffensystem, wurde als erstes tragbares Infrarotgerät für militärische Anwendungen eingeführt.
• 1952: Heinrich Welker züchtete synthetische InSb- Kristalle.
• 1950er und 1960er Jahre: Nomenklatur und radiometrische Einheiten wurden von Fred Nicodemenus , G. J. Zissis und R. Clark definiert ; Robert Clark Jones definierte D *.
• 1958: W. D. Lawson ( Royal Radar Establishment in Malvern) entdeckte die IR-Detektionseigenschaften von Quecksilbercadmiumtellurid (HgCdTe). ^{[ 88 ]}
• 1958: Die Raketen Falcon und Sidewinder wurden unter Verwendung von Infrarottechnologie entwickelt.
• 1960er Jahre: Paul Kruse und seine Kollegen am Honeywell Research Center demonstrieren die Verwendung von HgCdTe als effektive Verbindung für die Infrarotdetektion. ^{[ 88 ]}
• 1962: J. Cooper demonstrierte die pyroelektrische Detektion. ^{[ 89 ]}
• 1964: W. G. Evans entdeckte Infrarot-Thermorezeptoren in einem pyrophilen Käfer. ^{[ 58 ]}
• 1965: Erstes IR-Handbuch; erste kommerzielle Bildgebungssysteme ( Barnes, Agema (heute Teil von FLIR Systems Inc.)); Richard Hudsons bahnbrechendes Werk; F4 TRAM FLIR von Hughes ; Pionierarbeit in der Phänomenologie durch Fred Simmons und A. T. Stair ; Gründung des Nachtsichtlabors der US-Armee (heute Night Vision and Electronic Sensors Directorate (NVESD)), und Ratchets entwickelt dort Modelle zur Erkennung, Identifizierung und Detektion.
• 1970: Willard Boyle und George E. Smith schlugen bei den Bell Labs die CCD-Technologie für das Bildtelefon vor .
• 1973: Gemeinsames Modulprogramm, gestartet von NVESD. ^{[ 90 ]}
• 1978: Die Infrarot-Bildgebungsastronomie erreichte ihren Durchbruch, Observatorien wurden geplant, das IRTF auf Mauna Kea wurde eröffnet; 32 × 32 und 64 × 64 Arrays wurden unter Verwendung von InSb, HgCdTe und anderen Materialien hergestellt.
• 2013: Am 14. Februar entwickelten Forscher ein neuronales Implantat , das Ratten die Fähigkeit verleiht , Infrarotlicht wahrzunehmen. Damit erhalten Lebewesen erstmals neue Fähigkeiten, anstatt lediglich bestehende Fähigkeiten zu ersetzen oder zu erweitern. ^{[ 91 ]}

• Infrarot: Eine historische Perspektive (Archiviert am 07.08.2007 in der Wayback Machine , Omega Engineering)
• Die Infrared Data Association (IDA) archivierte ihre Daten am 22.05.2008 im Internet Archive (Wayback Machine) , einer Standardisierungsorganisation für Infrarot-Datenverbindungen.
• SIRC-Protokoll , archiviert am 13.10.2011 im Internetarchiv Wayback Machine
• Anleitung zum Bau eines USB-Infrarotempfängers zur Fernsteuerung von PCs ( Archiviert am 19.07.2011 im Internet Archive) .
• Infrarotwellen : Eine detaillierte Erklärung des Infrarotlichts. (NASA)
• Herschels Originalveröffentlichung aus dem Jahr 1800, in der er die Entdeckung des Infrarotlichts verkündete
• Die Bibliothek der Thermografen (archiviert am 11.06.2013 im Internetarchiv Wayback Machine) , Sammlung von Thermogrammen
• Infrarotreflektografie in der Gemäldeanalyse ( Archiviert am 22.12.2015 im Internetarchiv von ColourLex)
• Molly Faries, Techniken und Anwendungen – Analytische Möglichkeiten der Infrarotreflektographie: Die Perspektive einer Kunsthistorikerin ( Archiviert am 22.12.2015 im Internet Archive) , in: Wissenschaftliche Untersuchung von Kunst: Moderne Techniken in Konservierung und Analyse, Sackler NAS Colloquium, 2005