Inkohärente Lichtquellen NIR-Strahlungsquellen

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1 Inkohärente Lichtquellen NIR-Strahlungsquellen Marc Scheffer Physikalische Technik

2 Inhalt 1. Historischer Hintergrund der IR-Strahlung 2. Einteilung der Infrarotstrahlung 3. Arten von NIR-Strahlungsquellen 4. Festkörperlaser 5. Anwendungsgebiete von NIR-Strahlungsquellen 2 Marc Scheffer Inkohärente Lichtquellen

3 Historischer Hintergrund der IR-Strahlung 1800: Sir Wilhelm Herschel entdeckt die IR-Strahlung 1859: Gustav Kirchhoff formuliert das kirchhoffsche Strahlungsgesetz 1879: Stefan-Boltzmann-Gesetz 1893: Wilhelm Wien entwickelt das Wien sche Verschiebungsgesetz 1900: Max Planck leitet Planck sches Strahlungsgesetz her 3 Marc Scheffer Inkohärente Lichtquellen

4 Einteilung der Infrarotstrahlung IR-A: 780 nm 1450 nm (NIR) IR-B: 1450 nm 3000 nm (langwelliger Teil^, auch SWIR genannt) 4 Marc Scheffer Inkohärente Lichtquellen

5 Arten von NIR-Strahlungsquellen (Halogen)Glühlampen Infrarotstrahler NIR-Laser 5 Marc Scheffer Inkohärente Lichtquellen

6 Festkörperlaser Aktives Medium: - Laserkristall: laseraktive Ionen in laserpassiven Wirtsmedium dotiert (i) Laseraktive Ionen: a). Übergangsmetalle (nicht abgeschlossene innere 3d-Schale) b). Seltene Erden (Lanthanoide) (nicht abgeschlossene innere 4f-Schale, Geschlossene äußere 5s- und 5p-Schale) 6 Marc Scheffer Inkohärente Lichtquellen

7 Festkörperlaser - Erläuterung Warum sind Übergangsmetalle und Seltene Erden geeignet? In Festkörpern normalerweise starke Kopplung zwischen den Teilchen kurze Lebensdauer der angeregten Zustände Anders bei laseraktiven Ionen: optische Übergänge finden in den inneren nicht vollständig gefüllten Schalen statt (4f-Elektronen bei den Seltenen Erden) Äußere geschlossene Schale (5s oder 5p) sorgt für Abschirmung des Kristallfeldes der umgebenden Wirtsgitterionen Abschirmungseffekt bei Seltene Erden größer als bei Übergangsmetallen Sehr schmalbandige und langlebige Übergänge (d-d und f-f) 7 Marc Scheffer Inkohärente Lichtquellen

8 Festkörperlaser (ii) Wirtsmedium Sorgt für einen definierten Abstand zwischen den laseraktiven Ionen Vermeidung von Wechselwirkung Anforderungen: -gute Wärmeleitfähigkeit - hohe optische Qualität - nicht doppelbrechend - in Serie herstellbar - mechanische Stabilität bestimmte Oxid- und Fluorid-Kristalle, Silikatund Phosphat-Gläser erfüllen Anforderungen 8 Marc Scheffer Inkohärente Lichtquellen

9 Festkörperlaser Beispiele von Ionen/Kristall-Kombinationen Spektrales Pumpen mit Diodenlasern: Hohe Pumpeffizienz Muss exakt auf Absorptionslinie abgestimmt sein 9 Marc Scheffer Inkohärente Lichtquellen

10 Anwendungsgebiete von NIR-Strahlungsquellen Materialverarbeitung Fernkunde Signalübertragung Medizin Chemie und Astronomie 10 Marc Scheffer Inkohärente Lichtquellen

11 Materialverarbeitung Laserbohren Laserschneiden Laserschweißen 11 Marc Scheffer Inkohärente Lichtquellen

12 Anwendungsgebiete in der Fernkunde Dient zur Analyse von Luft- und Satellitenbildern zur Beurteilung der Vitalität der Vegetation. im NIR besitz Chlorophyll eine höhere Reflektivität (Faktor 6) Aufnahme von zwei Bildern (NIR und VIS) Vegetation erkennbar 12 Marc Scheffer Inkohärente Lichtquellen

13 Anwendungsgebiete in der Medizin Transparenz von nm des optisches Apparates Augenheilkunde, sowohl Diagnose als auch Chirurgie je nach Wellenlänge unterscheidet sich die Eindringtiefe 13 Marc Scheffer Inkohärente Lichtquellen

14 Anwendungsgebiete in der Chemie und Astronomie Infrarotspektroskopie: mit Hilfe von Absorptionsbanden können Moleküle bzw. funktionelle Gruppen (Atomgruppen in organischen Verbindungen) nachgewiesen werden. Aceton und Wasser bzw. CH- und OH-Gruppen 14 Marc Scheffer Inkohärente Lichtquellen

15 Anwendungsgebiete optische Kommunikationstechnik λ < 800 nm: Rayleigh- Streuung Peak bei 900 nm 1240 nm & 1380 nm OH-Absorption λ > 1550 nm: IR-Absorption aufgrund von Si-O-, Ge-O-, P-O-Bindungen 15 Marc Scheffer Inkohärente Lichtquellen

16 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! 16 Marc Scheffer Inkohärente Lichtquellen

17 Quellen Die Entdeckung der Infrarotstrahlung, ( ) DICKMANN, Prof. Dr.-Ing. K.: Laserphysik M. Sc. WS13/14, Vorlesungsscript, 2014 Donald A. Burns: Handbook of near-infrared analysis. CRC Press Boca Raton 2008, ISBN Mertens, Prof. Dr. K.: Optical Communications M. Sc. WS13/14, Vorlesungsscript, Marc Scheffer Inkohärente Lichtquellen