Absorption Licht

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Lichtabsorption

Physikalische Grundlagen

Trifft eine elektromagnetische Welle auf eine äußere oder innere Grenzfläche, dann wird diese teilweise in das Material eindringen (Transmission), partiell an der Ober- oder Grenzfläche zurückgeworfen (Reflexion) und unterliegt im Material einer Absorption, wobei sich die Intensität I₀ der einfallenden Welle verringert. Der Absorptionsanteil enthält dabei auch implizit den Streuanteil. Im Fall der Lichteinstrahlung spricht man von der Lichtabsorption, wobei das Licht eine Wechselwirkung mit dem Medium eingeht. Infolge dieses Effekts, d. h. der Lichtabsorption, entsteht in dem bestrahlten Werkstoff ein angeregter energetischer Zustand (Bewegungsenergie) der Materie (Absorber). Das Gegenteil der Absorption ist die Lichtemission (auch spontane Lichtemission), wobei die Energie des emittierenden Werkstoffes um einen definierten Betrag abgesenkt wird. Infolge der Absorption wird der Anteil der Transmission durch das Material somit abgeschwächt (Bild 1). Oftmals werden die abschwächenden Anteile, wie Reflexion und Streuung mit der Absorption, zusammenfassend als Exstinktion bezeichnet.

Bild 1:

Absorption von Licht durch einen Absorber a) und Intensitätsverlauf b) [1]

Das LAMBERT-BEER'sche Schwächungsgesetz

Beim Durchgang von Licht durch einen absorbierenden Werkstoff wird die Ausgangsintensität I₀ durch die Entstehung von Wärme in ihrer Intensität auf den Wert I (d) gemindert. Dieser Transmissionsverlust hängt von der Dicke d und dem Absorptionskoeffizient $\alpha$ ab, und wird in Analogie zum Schwächungsgesetz hier durch das LAMBERT-BEER'sche Gesetz (benannt nach Johann Heinrich Lambert und August Beer) (Gl. 1) beschrieben.

$I(d)=I_{0}\cdot e^{-\alpha d}$

(1)

Entscheidend für den absorbierten Lichtanteil ist die Albedo (Verhältnis von Reflexion zu Absorption) des untersuchten Werkstoffes, d. h. es ist der Reflexionsgrad von Materialien mit differierenden Spektralbereichen. Praktisch bedeutet eine Albedo von 0 Prozent, dass keine Reflexion an der Oberfläche stattfindet und 100 Prozent stellt einen Werkstoff ohne Absorption dar.
Die Optik von Kunststoffen, wie deren Farbe, Transparenz, Trübung oder Deckvermögen hängen im Wesentlichen von zwei Eigenschaften des einstrahlenden Lichts ab. Das ist einerseits die Absorption, durch die das eingestrahlte Licht in dem Werkstoff in Bewegungsenergie und damit in Wärme umgesetzt wird, und andererseits wird das Licht durch Streuungseffekte aus seiner Einstrahlrichtung abgelenkt.

Ermittlung des Reflexions- und Transmissionsgrades

Messtechnisch kann die Absorption nur durch die Bestimmung des Reflexions- als auch des Transmissionsgrades ermittelt werden.

Bei der Evaluierung der optischen Eigenschaften wird nur die Energieaufteilung des Lichtes betrachtet. Da die Aufteilung von der Wellenlänge λ abhängt, wird sie durch spektrale Werkstoffkennwerte beschrieben. Der spektrale Transmissionsgrad τ(λ) ist dabei das Verhältnis von durchgelassenem (Φ_eλ)τ und einfallendem spektralen Strahlungsfluss Φ_{e λ} welches die Durchlässigkeit eines Materials kennzeichnet. Der Absorptionsgrad α(λ) ergibt sich nach (Gl. 2), wobei (Φ_eλ)α der gesamte im Werkstoff absorbierte spektrale Strahlungsfluss ist

$\alpha (\lambda )={\frac {(\Phi _{e\lambda })_{\alpha }}{\Phi _{e\lambda }}}$

(2)

Analog zu dieser Vorgehensweise kann nach (Gl. 3) der spektrale Reflexionsgrad p(λ) ermittelt werden, wobei (Φ_eλ)_p der gesamte an der Grenzfläche (siehe: Phasengrenzfläche) des Mediums reflektierte spektrale Strahlenfluss ist.

$p(\lambda )={\frac {(\Phi _{e\lambda })_{p}}{\Phi _{e\lambda }}}$

(3)

Die Transmissionsgrade werden zumeist mit Spektralphotometern gemessen. Die meisten ungefüllten und unverstärkten amorphen Kunststoffe sind im sichtbaren Licht transparent, d. h. sie weisen keine oder eine vernachlässigbare Absorption auf. Werden jedoch Farbstoffe, Wärmestabilisatoren oder UV-Stabilisatoren zugesetzt, dann ändert sich die Transmission erheblich. Meistens können diese Zusätze auf Grund ihrer geringen Größe nur mit der Rasterelektronenmikroskopie (REM) oder der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) nachgewiesen werden.

Literaturhinweise

[1]	Eichler, J., Eichler, H. J.: Laser – Bauformen, Strahlführung, Anwendungen. Springer Verlag, Berlin (2003) 5. Auflage, S. 258 (ISBN 3-540-00376-2)
[2]	Trempler, J.: Optische Eigenschaften. In: Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage, S. 323–357 (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe AMK-Büchersammlung unter A 18)