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Inhalt
2 Marc Scheffer | Inkohärente Lichtquellen 30.04.2014
1. Historischer Hintergrund der IR-Strahlung2. Einteilung der Infrarotstrahlung3. Arten von NIR-Strahlungsquellen4. Festkörperlaser5. Anwendungsgebiete von NIR-Strahlungsquellen
Historischer Hintergrund der IR-Strahlung
3 Marc Scheffer | Inkohärente Lichtquellen 30.04.2014
1800: Sir Wilhelm Herschel entdeckt die IR-Strahlung1859: Gustav Kirchhoff formuliert das kirchhoffscheStrahlungsgesetz1879: Stefan-Boltzmann-Gesetz1893: Wilhelm Wien entwickelt das Wien‘scheVerschiebungsgesetz1900: Max Planck leitet Planck‘sches Strahlungsgesetz her
Einteilung der Infrarotstrahlung
4 Marc Scheffer | Inkohärente Lichtquellen 30.04.2014
IR-A: 780 nm – 1450 nm (NIR)IR-B: 1450 nm – 3000 nm (langwelliger Teil^, auch SWIR genannt)
Arten von NIR-Strahlungsquellen
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(Halogen)GlühlampenInfrarotstrahlerNIR-Laser
Marc Scheffer | Inkohärente Lichtquellen 26.06.2016
Festkörperlaser
6 Marc Scheffer | Inkohärente Lichtquellen 30.04.2014
Aktives Medium:
- Laserkristall: laseraktive Ionen inlaserpassiven 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)
Festkörperlaser - Erläuterung
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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 ÜbergangsmetallenSehr schmalbandige und langlebige Übergänge (d-d und f-f)
Marc Scheffer | Inkohärente Lichtquellen 30.04.2014
Festkörperlaser
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(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, Silikat-
und Phosphat-Gläser erfüllen Anforderungen
Marc Scheffer | Inkohärente Lichtquellen 30.04.2014
Festkörperlaser
9 Marc Scheffer | Inkohärente Lichtquellen 26.06.2016
Beispiele von Ionen/Kristall-Kombinationen
Spektrales Pumpen mit Diodenlasern: Hohe Pumpeffizienz Muss exakt auf Absorptionslinie
abgestimmt sein
Anwendungsgebiete von NIR-Strahlungsquellen
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MaterialverarbeitungFernkundeSignalübertragungMedizinChemie und Astronomie
Marc Scheffer | Inkohärente Lichtquellen 26.06.2016
Materialverarbeitung
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Laserbohren Laserschneiden Laserschweißen
Marc Scheffer | Inkohärente Lichtquellen 26.06.2016
Anwendungsgebiete in der Fernkunde
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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
Marc Scheffer | Inkohärente Lichtquellen 26.06.2016
Anwendungsgebiete in der Medizin
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Transparenz von 780 -1100 nm des optisches Apparates Augenheilkunde, sowohl Diagnose als auch Chirurgie
je nach Wellenlänge unterscheidet sich die Eindringtiefe
Marc Scheffer | Inkohärente Lichtquellen 26.06.2016
Anwendungsgebiete in der Chemie und Astronomie
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Infrarotspektroskopie: mit Hilfe von Absorptionsbanden können Moleküle bzw. funktionelle Gruppen (Atomgruppen in organischen Verbindungen) nachgewiesen werden. Aceton und Wasser bzw. CH- und OH-Gruppen
Marc Scheffer | Inkohärente Lichtquellen 26.06.2016
Anwendungsgebiete – optische Kommunikationstechnik
15 Marc Scheffer | Inkohärente Lichtquellen 30.04.2014
λ < 800 nm: Rayleigh-StreuungPeak bei 900 nm 1240 nm & 1380 nm OH-Absorptionλ > 1550 nm: IR-Absorption aufgrund von Si-O-, Ge-O-, P-O-Bindungen
Quellen
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Die Entdeckung der Infrarotstrahlung, http://www.jessen-thermografie.de/thermografie/geschichte-des-infrarot(28.04.2014)DICKMANN, Prof. Dr.-Ing. K.: Laserphysik M. Sc. WS13/14, Vorlesungsscript, 2014Donald A. Burns: Handbook of near-infrared analysis. CRC Press Boca Raton 2008, ISBN 978-0-8493-7393-0.Mertens, Prof. Dr. K.: Optical Communications M. Sc. WS13/14, Vorlesungsscript, 2014
Marc Scheffer | Inkohärente Lichtquellen 26.06.2016