Du bekämpfst Monster, schnitzt, startest die Kernfusion, warum bist du überall?

Als Kind saß ich vor dem Fernseher und sah zu, wie Ultraman gegen Monster kämpfte. Jedes Mal, wenn Ultraman von einem Monster getroffen wurde, begann die Energieanzeige auf seiner Brust zu blinken (Ultramans innerer Gedanke: Die Zeit läuft ab, ich kann nicht mehr handeln), und dann setzte er seine Spezialfähigkeit ein – den Spacium-Strahl!

(Bildquelle: Wikipedia)

Als ich noch ein Grundschüler war, streckte ich jedes Mal, wenn ich Ultraman zu Ende geschaut hatte, meine Hand aus und machte eine Geste in der Hoffnung, damit einen Spacium-Strahl wegzuwischen, aber unglücklicherweise war ich kein Bürger des M78-Nebels.

Später sagte mir mein Gehirn, ausgestattet mit dem Wissen der modernen Physik: Bei den von Ultraman Jack ausgesendeten Specium-Strahlen, den von Ultraman Seven ausgesendeten Amerium-Strahlen und den von Tiga ausgesendeten Zaperion-Strahlen handelte es sich wahrscheinlich allesamt um Laser.

Im Jahr 1916 beschrieb Einstein erstmals die Beziehung zwischen stimulierter und spontaner Emission von Atomen. Lange Zeit wurde darüber spekuliert, ob sich dieses Phänomen zur Verstärkung des Lichtfeldes nutzen ließe. Am 16. Mai 1960 gab Maiman, ein Wissenschaftler am Seuss Laboratory in Kalifornien, die erfolgreiche Produktion eines Lasers bekannt. Dies war der erste Laser, den die Menschheit je entwickelt hat, und Maiman war zudem der erste Wissenschaftler weltweit, der den Laser in die Praxis einführte.

Maiman und sein Rubinlaser

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Bevor wir über die verschiedenen magischen Anwendungen von Lasern sprechen, wollen wir uns zunächst ansehen, wie Laser hergestellt werden.

Photonen „gehorsam“ machen: Laser und stimulierte Strahlungsemission

Bei dem von Maiman entwickelten Laser handelte es sich bei dem leuchtenden Material um einen kleinen Stab aus Rubin. Rubine bestehen aus vielen Atomen, und Atome bestehen aus Kernen und Elektronen, die um die Kerne kreisen:

(Bildquelle: vom Autor selbst erstellt)

Wenn ein Elektron von einer weit vom Kern entfernten Umlaufbahn auf eine Umlaufbahn in der Nähe des Kerns springt, wird etwas Energie in Form von Licht freigesetzt. Dieser Prozess findet bei Atomen in allen Arten leuchtender Objekte statt.

(Bildquelle: vom Autor selbst erstellt)

Aufgrund der Zufälligkeit der Bahnübergänge der Elektronen ist in der Natur jedoch auch die Energie der Photonen unterschiedlich, die durch die Übergänge der Elektronen entstehen, die unterschiedliche Atomkerne umkreisen. Daher sind die emittierten Photonen ein Sammelsurium und nichts Besonderes an ihnen. Wir nennen dieses Licht natürliches Licht.

Der größte Unterschied zwischen Laser- und natürlichem Licht besteht darin, dass die Photonen des Lasers die gleiche Energie haben und im Gleichklang wirken. Die Photonen im Laser sind so gehorsam, weil man sich dabei das von Einstein entdeckte Phänomen der stimulierten Strahlung zunutze macht.

Das Phänomen der stimulierten Strahlung bedeutet, dass, wenn ein Photon einen Bereich durchläuft, in dem noch kein Elektronenübergang stattgefunden hat, andere Elektronen von diesem Photon beeinflusst werden und nacheinander mit dem Übergang beginnen, wodurch viele Photonen mit der gleichen Energie und Ausbreitungsrichtung erzeugt werden.

Es ist genau wie wenn es in der Schule fast Zeit für das Abendessen ist und sich alle fertig machen, um in die Cafeteria zu gehen. Solange ein Klassenkamerad die Führung übernimmt, werden alle folgen und zur Cafeteria rennen.

(Bildquelle: vom Autor selbst erstellt)

Mithilfe des Phänomens der stimulierten Strahlung ist es Wissenschaftlern gelungen, Laser zu entwickeln. Da die von Lasern emittierten Photonen die gleiche Energie haben und sich im Gleichtakt bewegen, sind sie gerichteter, haben eine einzige Farbe und eine konzentriertere Energie als natürliches Licht. Schließlich gilt: „Einigkeit macht stark.“ Ultraman ist dank hochkonzentrierter Energielaser in der Lage, Monster zu besiegen.

Okay, jetzt, da der Laser hergestellt wurde, was kann er außer Monster besiegen noch?

Auch filigrane Arbeiten mit dem Laser – Femtosekundenlaserbearbeitung

Femtosekunden werden auch Mikrosekunden genannt. Wie kurz ist diese Zeit? Eine Femtosekunde ist nur ein Billiardstel einer Sekunde. Wir wissen, dass Licht die schnellste Substanz in der Natur ist, die 300.000 Kilometer pro Sekunde zurücklegen kann, aber in einer Femtosekunde kann Licht nur 300 Nanometer zurücklegen.

Femtosekunden-Laserbearbeitung bedeutet, dass beim Abtragen von Materialien mit einem Laser die Zeit, die der Laser für die Interaktion mit dem Material benötigt, im Femtosekundenbereich liegt. Da die Laserenergie hochkonzentriert ist, werden auch die Stellen verbrannt, die Sie nicht verbrennen möchten, wenn die Wechselwirkungszeit zwischen dem Laser und dem Material nicht so kontrolliert wird, dass sie sehr kurz ist.

Bei der Laserchirurgie zur Behandlung von Myopie ist es sehr wichtig, den Laser entsprechend der Dicke des Hornhautgewebes zu steuern, da sonst ... die Folgen schwerwiegend sein können.

Mithilfe der Femtosekunden-Bearbeitungstechnologie können Laser sehr präzise Strukturen bearbeiten. Es kann nicht nur Monster bekämpfen, sondern auch heikle Arbeiten erledigen, wie Zhang Fei, der einen Faden durch eine Nadel fädelt – grob, aber heikel.

Das Bild unten zeigt eine Mikrolinse, die mithilfe der Femtosekunden-Laserverarbeitungstechnologie auf einer Glasoberfläche hergestellt wurde. Seine Größe beträgt nur 10 Mikrometer, während der Durchmesser eines menschlichen Haares 60–100 Mikrometer erreichen kann.

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Diese filigranen Muster werden alle mit Lasern mit sehr geringer Energie eingraviert. Würde man extrem energiereiche Laser für filigrane Arbeiten verwenden, wäre das, als würde Ultraman einen Faden durch ein Nadelöhr ziehen – rau, rau, rau und dazwischen fein. Normalerweise verwenden wir eine Lupe, um das Sonnenlicht auf einen kleinen Lichtpunkt zu bündeln, der Holz verbrennen oder sogar Papier entzünden kann. Was würde also passieren, wenn wir mehrere Laserstrahlen mit sehr hoher und konzentrierter Energie gemeinsam fokussieren könnten? Darüber werden wir als nächstes sprechen, über die „Methode zur Entstehung der Sonne“ – die Laser-Kernfusion.

Laserinduzierte Kernfusion: Große Kraft bewirkt Wunder

Die Entwicklung der Menschheit geht mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Energieentwicklungs- und -nutzungstechnologie einher. Die saubere, sichere und kontrollierte Kernfusionstechnologie ist die ideale Stromerzeugungstechnologie, nach der die Menschheit strebt. Zu den derzeit untersuchten Technologien zur kontrollierten Kernfusion gehören die Kernfusion mit magnetischem Einschluss, die Kernfusion mit Lasereinschluss und Z-Puls-Kraftwerke. Die National Ignition Facility (NIF) der Vereinigten Staaten, Shenguang-1 und Shenguang-2 in Jiading, Shanghai, und Shenguang-3 in Sichuan sind allesamt große Versuchsanlagen zur Erforschung der Laser-Kernfusion.

Das Grundprinzip der Laser-Kernfusion besteht darin, feste kugelförmige Kernmaterialien (kleine Kugeln mit einem Durchmesser von etwa zwei Millimetern) mithilfe eines Lasers auf eine Temperatur zu erhitzen, bei der eine Kernfusion möglich ist (etwa 100 Millionen Grad Celsius). Im Idealfall ist die nach der Kernfusion des Kernmaterials freigesetzte Energie größer als die Energie, die zum Erhitzen des Kernmaterials verbraucht wird, und die zusätzliche Energie kann vom Menschen genutzt werden.

Bis zur praktischen Anwendung der Kernfusion werden derzeit noch Jahrzehnte vergehen. Am Beispiel der National Ignition Facility der Vereinigten Staaten: Um den Kernbrennstoff auf eine Temperatur zu bringen, die eine Kernfusion ermöglicht, sind 192 Laserstrahlen erforderlich, die das Kernmaterial mit einem Durchmesser von etwa 3 mm gleichzeitig aus allen Richtungen treffen. Das NIF-Gerät ist so groß wie drei Fußballfelder und es ist sehr schwierig, eine so hohe Steuergenauigkeit zu erreichen.

Im Inneren der National Ignition Facility

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Kernmaterialpellets

(Bildquelle: Wikipedia)

Die Wissenschaftler der National Ignition Facility haben alles Mögliche versucht, um die 192 Laserstrahlen dünn und gerade zu machen, damit sie präzise auf den Ball gerichtet werden können. **Einige Wissenschaftler zerbrechen sich den Kopf darüber, wie man Laserstrahlen biegen kann. **Nachdem Sie das Zeta-Biegelicht von Ultraman Zeta gesehen hatten, wollten Sie es in der Realität nachbilden? Diese Art von Licht, das sich entlang eines gekrümmten Pfades bewegt, wurde erstmals 2007 entdeckt und wird als Airy-Strahl bezeichnet.

Licht, das sich von selbst einschaltet – Airy Beam

Dieser magische Lichtstrahl ist nach dem englischen Astronomen und Mathematiker Sir John Airy benannt. Im Jahr 1838 entdeckte er die Airy-Gleichung, als er die Frage „Warum ist der Regenbogen gekrümmt?“ untersuchte. Wenn es ein Samen ist, dann ist der Airy-Strahl der große Baum, der nach mehr als hundert Jahren wachsen wird. Da der Mechanismus der Airy-Strahlerzeugung jedoch zu kompliziert ist, werden wir in diesem Artikel nicht im Detail erklären, wie er erzeugt wird.

Ausbreitungsweg des Airy-Strahls im Labor gemessen

(Bildquelle: Referenzen)

Wissenschaftler haben sich die selbstbiegenden Eigenschaften von Airy-Strahlen zunutze gemacht und optische Pinzetten entwickelt, die mithilfe von Airy-Strahlen winzige Partikel transportieren:

(Bildquelle: Referenzen)

Wenn die Energie des Airy-Strahls groß genug ist, können die damit hergestellten Laserwaffen mit Feinden fertig werden, die sich hinter einer Deckung verstecken. Wenn die Ausbreitungsdistanz des Airy-Strahls groß genug ist, können wir Orte beleuchten, die gewöhnliche Strahlen nicht erreichen können. Wenn der Airy-Strahl fein genug ist, können wir winzige Strukturen mit komplexeren Formen erstellen.

Das Aufkommen der Dampfmaschine löste die industrielle Revolution aus und die Entdeckung der elektromagnetischen Induktion ermöglichte der Menschheit den Eintritt in das elektrische Zeitalter. Wohin wird uns der Laser, der derzeit als „schnellstes Messer“, „präzisestes Lineal“ und „hellstes Licht“ gefeiert wird, in Zukunft führen? Warten wir gemeinsam ab.

Quellen:

[1] Cao Xiaowen, Zhang Lei, Yu Yongsen et al. Femtosekundenlaserpräparation mikrooptischer Komponenten und ihre Anwendungen[J]. Chinesisches Journal für Laser, 2017, 44(1):13.

[2] Siviloglou GA, Christodoulides DN. Beschleunigen von Airy-Strahlen mit endlicher Energie[J]. Optics Letters, 2007, 32(8):979-81.

[3] Lin Zunqi. Die Entwicklung der Laser-Kernfusion (eingeladener Beitrag) [J]. Chinesischer Laser, 2010(9):2202-2207.

[4]https://zhuanlan.zhihu.com/p/26697972

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Autor: Gesalzener Fisch im Meer

Hersteller: China Science Expo