Ultraman kann den Nobelpreis gewinnen, indem er Monster bekämpft!

Der Kampfverlauf zwischen Ultraman und Monstern läuft im Allgemeinen wie folgt ab:

Ultraman und die Monster kämpfen drei Minuten lang.

Das schwer verletzte Monster stand brav da und wartete auf seinen Tod.

Ultraman feuert einen tödlichen Strahl ab, um das Monster zu töten.

Für Ultraman Tiga hat sein Spezialangriff einen professionellen Namen:

Die Pilion-Strahlen .

Aber egal welcher Ultraman,

Ihre Spezialbewegungen basieren alle auf dem Specium Ray .

Heute werde ich Ihnen Schritt für Schritt beibringen, wie Sie den hochtödlichen Spacium-Strahl abfeuern.

01

Lasererzeugung

biubiubiu~

Wir alle wissen, dass Licht die duale Natur einer Welle und eines Teilchens hat. Wir können uns einen Lichtstrahl so vorstellen, dass er aus vielen Photonen besteht, von denen jedes über eine bestimmte Energiemenge verfügt. Je höher die Frequenz des Lichts oder je kleiner die Wellenlänge des Lichts, desto höher ist die Energie des Photons.

Die Beziehung zwischen der Photonenenergie E und der Frequenz ν und der Wellenlänge ist wie folgt, wobei h die Planck-Konstante und c die Lichtgeschwindigkeit ist.

Die folgende Abbildung listet das Frequenzspektrum (Wellenlängenspektrum) des Lichts auf. Der farbige Teil in der Mitte ist das sichtbare Licht, das wir sehen können. Auf beiden Seiten des sichtbaren Lichts gibt es ultraviolettes Licht und infrarotes Licht . Licht mit höherer Frequenz wird als Röntgen- und Gammastrahlen bezeichnet, Licht mit niedrigerer Frequenz als Mikrowellen, Radiowellen usw.

Das Frequenzspektrum des Lichts. Bildquelle: Wikipedia

Die Gesamtintensität eines Lichtstrahls ist die Leistung des Lichts, die die Anzahl der Photonen im Strahl darstellt.

Um dem Licht eine hohe Tödlichkeit zu verleihen, müssen wir zunächst dafür sorgen, dass die Leistung des Lichts sehr hoch ist , das heißt, dass ein Lichtstrahl eine große Anzahl von Photonen enthält.

Das ist leicht zu verstehen. Beispielsweise kann die Bündelung von Sonnenlicht durch eine Linse brennbare Materialien entzünden. Und je heller das Licht, desto greller ist es.

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Zweitens müssen wir sicherstellen, dass die Photonenenergie groß ist .

Wir sagen oft, dass zu starke ultraviolette Strahlung dem menschlichen Körper schaden kann, oder wir sehen Strahlungsgefahren im CT-Raum eines Krankenhauses (im CT-Raum werden Röntgenstrahlen verwendet), weil die Photonenenergie dieser Lichter zu groß ist.

Man kann sich Spaciumstrahlen im Wesentlichen als Laser mit sehr hoher Energie vorstellen.

Wenn Laserlicht auf ein Objekt trifft, absorbieren die Atome, Ionen oder Elektronen im Inneren des Objekts die Energie der Photonen , die Elektronen werden ionisiert und die Energie wird zwischen den Atomen übertragen . Dadurch steigt die Temperatur des Objekts und es schmilzt, verdampft oder verwandelt sich sogar in Plasma .

Wenn ein starker Laser auf einen Festkörper gerichtet wird, kommt es in einem bestimmten Teil des Festkörpers plötzlich zu einer heftigen Energiestörung . Bei der Ausbreitung von Energie im Inneren des Festkörpers entsteht eine Spannungswelle , die zum Bruch des Festkörpers führen kann [1].

Daher liegt in der Handlung eine gewisse Rationalität: Nachdem Ultraman einen Lichtstrahl abgefeuert und das Monster getroffen hat, wird das Monster in Stücke explodieren.

Ein Laser ist ein starker Lichtstrahl mit starker Monochromatizität (d. h. Einzelfrequenz) und starker Richtwirkung . Wie wird also ein Laser erzeugt ?

In dieser Zeit können wir uns an Einstein wenden, um Hilfe zu erhalten. Er schlug das Konzept der stimulierten Lichtstrahlung vor, das die Grundlage für die Lasererzeugung bildet.

Die Quantenmechanik lehrt uns, dass sich Elektronen in der Materie auf diskreten Energieniveaus befinden. Wenn sich Elektronen auf einem höheren Energieniveau befinden, wechseln sie spontan auf ein niedrigeres Energieniveau. Während des Übergangs strahlen sie ein Photon nach außen ab. Die Energie des abgestrahlten Photons ist gleich der Energiedifferenz zwischen den beiden Energieniveaus .

Schematische Darstellung der spontanen Emission

Dieser Vorgang wird als spontane Emission bezeichnet. Die von Leuchtstoffen emittierte Fluoreszenz, die wir in unserem täglichen Leben sehen, ist ein Beispiel für spontane Strahlung. Allerdings können spontan emittierte Photonen nicht zu Laserlicht kombiniert werden.

Wenn wir von außen einen Lichtstrahl einstrahlen und die Energie des Photons größer ist als die Energiedifferenz zwischen den beiden Energieniveaus, absorbiert das Elektron das Photon und erhält dessen Energie, indem es vom niedrigen auf das hohe Energieniveau springt. Dieser Vorgang wird als stimulierte Absorption bezeichnet.

Schematische Darstellung der stimulierten Absorption

Hier kommt der Punkt . Wenn die Energie eines externen Photons gleich der Energiedifferenz zwischen zwei Energieniveaus ist und sich das Elektron auf einem hohen Energieniveau befindet, springt das Elektron unter der Störung des externen Photons auf ein niedriges Energieniveau und strahlt ein Photon ab . Dieser Vorgang wird als stimulierte Strahlung bezeichnet.

Schematische Darstellung der stimulierten Strahlungsemission

Wir können feststellen, dass ursprünglich ein Photon einfiel, jetzt aber zwei Photonen emittiert werden, d. h., durch stimulierte Strahlung können wir stärkeres Licht erhalten .

Dabei sollte jeder auf eines achten :

Wie bereits erwähnt, kommt es zu spontaner Strahlung, solange sich die Elektronen auf einem hohen Energieniveau befinden. Wir möchten jedoch nicht, dass es zu einer spontanen Strahlung kommt . Wir hoffen, dass mehr Elektronen an der stimulierten Strahlung teilnehmen, um den gewünschten Laser zu erzeugen.

Wie können wir also den Prozess der stimulierten Emission vorteilhafter gestalten? Die Antwort lautet: Solange die Anzahl der Elektronen in hohen Energieniveaus größer ist als die Anzahl der Elektronen in niedrigen Energieniveaus, spricht man von Besetzungsinversion [2].

Elektronen mit hohem Energieniveau springen jedoch immer auf niedrige Energieniveaus. Wie können wir also sicherstellen, dass es auf hohen Energieniveaus immer mehr Elektronen gibt als auf niedrigen Energieniveaus?

Als kluger Mensch haben Sie sich sicher schon Folgendes gedacht: Da die Elektronen auf dem Hochenergieniveau ständig verbraucht werden, kann ich nicht einen Weg finden, diesem Energieniveau Elektronen von einem anderen Energieniveau wieder zuzuführen ?

Herzlichen Glückwunsch, Sie haben das Prinzip des Rubinlasers verstanden.

Der Rubinlaser verwendet ein Drei-Niveau-System , bei dem die Energieniveaus von niedrig nach hoch in E1, E2 und E3 unterteilt werden können [3].

Unter der Bestrahlung einer Xenonlampe:

1. Die ursprünglich im Grundzustand E1 befindlichen Elektronen im Rubinkristall werden nach Absorption der von der Xenonlampe emittierten Photonen auf das höchste Energieniveau E3 angeregt.

2. Die Lebensdauer von Elektronen auf dem Energieniveau E3 ist extrem kurz, etwa Pikosekunden, und eine große Anzahl von Teilchen strahlt spontan vom Energieniveau E3 auf das Zwischenenergieniveau E2 ab.

3. Die Lebensdauer von Elektronen auf dem Energieniveau E2 ist relativ lang, etwa Millisekunden, sodass sich allmählich eine große Anzahl von Elektronen auf dem Energieniveau E2 ansammelt und die Umkehrung der Anzahl der Teilchen auf dem Energieniveau E1 und dem Energieniveau E2 bewirkt.

Der Elektronenübergangsprozess des Rubinlasers

Daher verstärkt der Kristall die Lichtkomponente und gibt sie aus, deren Frequenz hv=E2-E1 erfüllt. Der Ausgangslaser hat eine Wellenlänge von 694 Nanometern für rotes Licht .

Nun haben wir durch stimulierte Strahlung eine große Anzahl von Photonen erzeugt. Wie können wir diese also in Laser umwandeln und an die Außenwelt abgeben ?

Wir können an beiden Enden des Laserbearbeitungsmaterials (z. B. Rubin) zwei parallele Spiegel installieren. Diese beiden reflektierenden Oberflächen bilden einen Resonanzhohlraum . In diesem Fall kann nur Licht parallel zur Spiegelachse im Inneren hin und her reflektiert werden [2].

Grundaufbau des Lasers

Das Licht durchdringt das Arbeitsmaterial und wird durch stimulierte Strahlung verstärkt, und der schließlich emittierte Laser weist eine starke Unidirektionalität auf.

Aus der obigen Analyse können wir ersehen, dass die starke Unidirektionalität des Lasers dazu führt , dass die Photonen in einem sehr kleinen Raum eingeschlossen sind, d. h., die Anzahl der Photonen in der Raumeinheit ist groß , sodass der Laser eine sehr hohe Leistung hat.

Und, ist das jetzt genug? Gewöhnliche Laser können Menschen vielleicht verbrennen, aber verglichen mit Ultramans Fähigkeit, mit einem einzigen Lichtstrahl hundert Meter weit vorzudringen, und mit den Monstern mit hartem Körper reicht unsere Kraft nicht aus !

02

Gepulster Laser

biu~biu~biu~

Begrüßen wir nun unseren Protagonisten: den Pulslaser .

Bei dem von uns zuvor hergestellten Laser handelt es sich um einen kontinuierlichen Laser , d. h. die Energieverteilung des Lichtstrahls ist kontinuierlich.

Ein gepulster Laser ist ein Lichtstrahl, der aus segmentierten Impulsen besteht. Die Dauer eines Impulses wird als Impulsbreite bezeichnet.

Schematische Darstellung der Impulslicht-Zeitwellenform

Wir können uns Folgendes vorstellen:

Bei einem kontinuierlichen Lichtstrahl sind alle Photonen gleichmäßig im Strahl verteilt. Bei gepulstem Licht existieren Photonen nur so lange, wie der Puls dauert .

Wenn die beiden Strahlen die gleiche Gesamtzahl an Photonen aufweisen, enthält ein Impuls des gepulsten Lichts mehr Photonen .

Gepulste Laser haben mehr Photonen pro Puls

Das heißt, obwohl die Durchschnittsleistung beider gleich ist, hat gepulstes Licht eine stärkere Momentanleistung als Dauerlicht.

Man kann vorhersagen, dass die Momentanleistung des Lasers umso stärker ist, je schmaler die Pulsbreite des gepulsten Lichts ist. Daher ist die Erzeugung gepulster Laser mit ultrakurzer Pulsbreite unser nächstes Ziel.

Wie erzeugt man also gepulstes Licht ?

Wie bereits erwähnt, schwingt das durch stimulierte Strahlung erzeugte Licht im Resonanzhohlraum hin und her, um eine verstärkte Laserleistung zu erzielen. Allerdings muss es im Resonanzhohlraum zu Verlusten kommen. Nur wenn die Verstärkung des Mediums gegenüber dem Licht den Verlust übersteigt, kann eine kontinuierliche Laserleistung erreicht werden [2].

Wir können die Verluste im Resonanzhohlraum abstimmen .

Stellen Sie zunächst den Verlust des Resonanzhohlraums auf einen sehr großen Wert ein, sodass der Laser kein Laserlicht erzeugen kann. Auf diese Weise kann eine große Anzahl von Teilchen im angeregten Zustand auf dem oberen Energieniveau des Lasers akkumuliert werden, was zu einer großen Anzahl von Inversionsteilchen führt.

Wenn die Anzahl der Inversionsteilchen einen Schwellenwert erreicht, wird der Verlust des Hohlraums plötzlich reduziert und eine große Anzahl von Teilchen im angeregten Zustand führt die stimulierte Strahlung schnell durch .

Im nächsten Impulszyklus wird dann der gleiche Vorgang erneut ausgeführt. Dadurch entstehen sehr schmale Lichtimpulse .

Schematische Darstellung der Anpassung des Resonanzhohlraumverlusts zur Erzielung einer gepulsten Laserleistung

Die Pulsbreite von gepulsten Lasern, die im Allgemeinen durch Änderung des Verlustes des Resonanzhohlraums erreicht wird, kann den Nanosekundenbereich erreichen.

Wir können die Verluste eines Resonanzhohlraums verändern, indem wir einen elektrooptischen Kristall darin platzieren [2].

Der sogenannte elektrooptische Kristall ist ein Kristall, bei dem sich die Polarisationsrichtung des durch den Kristall hindurchtretenden Lichts ändert, wenn zwischen zwei Enden eine Spannung angelegt wird. Wenn zu diesem Zeitpunkt ein weiterer Polarisator mit einer dazu senkrechten Polarisationsrichtung hinzugefügt wird, kann das Licht den Polarisator nicht passieren und somit nicht im Resonanzhohlraum hin und her schwingen.

Wie können wir also weiterhin Laser mit kürzerer Pulsbreite und höherer Momentanleistung erzeugen ?

Wir wissen, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist und die Lichtintensität hauptsächlich von der Schwingung des elektrischen Felds abhängt. Licht, dessen Schwingungsrichtung parallel zur Achse des Resonanzhohlraums verläuft, wird als Longitudinalmodus bezeichnet, und Licht, dessen Schwingungsrichtung senkrecht zur Achse verläuft, wird als Transversalmodus bezeichnet.

Beispielsweise ist die Schwingung einer Feder ein Longitudinalmodus und die Schwingung einer Wasserwelle ein Transversalmodus.

Die Schwingung des elektrischen Feldes umfasst Amplitude, Schwingungsperiode und Phase.

Bei einem allgemeinen Laser sind die Schwingungen seines internen Lichtfelds völlig anders und die Phasen sind zufällig. Daher stören sich die einzelnen Modi nicht gegenseitig.

Nun können wir dem Resonanzhohlraum einen Modulator oder einen sogenannten Kerr-Kristall hinzufügen, um die Schwingungsmodi phasenzusynchronisieren [4].

Nach einer gewissen Zeit treffen dann einige Schwingungsmodi bei ihren jeweiligen maximalen Amplituden aufeinander, erreichen eine Überlagerung und geben schließlich eine größere Amplitude aus.

Schematische Darstellung der Phasenkopplung zwischen verschiedenen Modi zur Bildung eines stärkeren Pulslasers

Auf diese Weise haben wir eine modengekoppelte Verstärkung des Lasers erreicht. Mit diesem Verfahren lassen sich gepulste Laser mit Pulsbreiten von Pikosekunden oder sogar Femtosekunden realisieren.

Aber das reicht noch nicht aus, wir brauchen noch leistungsfähigere Laser.

Durch die Umwandlung von Dauerlicht in Femtosekunden-Pulslaser haben wir eine sehr starke Momentanleistung erreicht. Können wir die Femtosekunden-Pulslaser also direkt weiter verstärken ?

Die Antwort ist ja!

Als nächstes werden wir die Chirped-Pulse-Amplification-Technologie verwenden, um unseren Spaciume-Strahl weiter zu verbessern.

Wir leiten einen Laserstrahl durch eine Reihe von Prismen, um seine Pulsbreite zu strecken, sodass seine Spitzenleistung sehr niedrig wird.

Dann lassen wir es zur Verstärkung durch ein Verstärkungsmedium laufen . Da wir seine Spitzenleistung im Voraus reduziert haben, wird der Laser während des Verstärkungsprozesses im Verstärkungsmedium nicht beschädigt.

Nachdem der Laser durch das Verstärkungsmedium verstärkt wurde, wird er durch eine Reihe von Prismen geleitet, um seine Pulsbreite zu komprimieren , was bedeutet , dass mehr Licht auf eine kleinere Fläche komprimiert wird , wodurch die Intensität des Femtosekunden-Laserpulses erheblich erhöht wird.

Erwähnenswert ist, dass diese Methode auch mit dem Nobelpreis für Physik 2018 ausgezeichnet wurde. Ultraman kann also mit dieser Technologie den Nobelpreis gewinnen!

03

Hohe Harmonische

biuuu~biuuu~biuuu~

Wir haben jetzt eine sehr starke optische Leistung erreicht. Wie können wir unsere Leistung also weiter verbessern?

Zurück zu unserer ursprünglichen Idee: Sollten wir als nächstes die Energie der Photonen erhöhen ? Das bedeutet, die Lichtfrequenz zu erhöhen.

Im Jahr 1961 veröffentlichten Franken et al. leitete einen von einem Rubinlaser erzeugten roten Lichtstrahl durch einen Quarzkristall und stellte fest, dass sich das ausgegebene Licht in violettes Licht verwandelte [5].

Aus dem Spektrum lässt sich ableiten, dass die Frequenz von violettem Licht doppelt so hoch ist wie die von rotem Licht, was bedeutet, dass eine Frequenzverdoppelung des Lichts erreicht wurde. Das von ihnen entdeckte Phänomen wird als Erzeugung der zweiten Harmonischen bezeichnet.

OK, es sieht so aus, als hätten wir erreicht, was wir wollten: Wir haben die Energie der Photonen erhöht .

Ende dieses Artikels...

Nur ein Scherz, schauen wir uns an , wie die zweite Harmonische erzeugt wird .

Wie bereits erwähnt, besteht Licht aus elektromagnetischen Wellen.

In einem Objekt ist der Kern positiv und die Elektronen negativ geladen. Wenn das elektrische Feld auf das Atom einwirkt, bewegen sich der Kern und die Elektronen in zwei entgegengesetzte Richtungen.

Dadurch entsteht ein Dipol . Der Dipol erzeugt ein elektrisches Feld, das dem extern angelegten elektrischen Feld überlagert ist, wodurch sich die Größe und Richtung des externen elektrischen Felds ändern. Dieser Vorgang ist der Polarisationsprozess des elektrischen Feldes.

Für den gesamten Festkörper wird der vom Dipol eingebrachte Beitrag als Polarisationsintensität bezeichnet. Durch einige komplexe Lösungen können wir erkennen, dass der Ausdruck der Polarisationsintensität P als Summe der Leistungen des externen elektrischen Felds E geschrieben werden kann. Der Leistungsindex entspricht der Ordnung der nichtlinearen Effekte, und der vorhergehende Koeffizient wird als nichtlinearer Koeffizient bezeichnet [6].

Beziehung zwischen Polarisationsintensität und angelegtem elektrischen Feld

Die Erzeugung der zweiten Harmonischen ist ein nichtlinearer Effekt zweiter Ordnung. Darüber hinaus kommt es zur Erzeugung der dritten Harmonischen, einem nichtlinearen Effekt dritter Ordnung, d. h. die Frequenz des ausgehenden Lichts ist dreimal so hoch wie die Frequenz des einfallenden Lichts.

In Festkörpern können nichtlineare Effekte Photonen mit Frequenzen erzeugen, die um ein Vielfaches höher sind als die des ultravioletten Lichts.

Aber es ist immer noch nicht genug. Können wir unsere Stärke weiter verbessern?

OK!

Bei dieser Methode werden Femtosekundenlaser verwendet, um Gas zu ionisieren und so höhere Harmonische zu erzeugen . Mit dieser Methode kann die Frequenz um ein Dutzend Mal erhöht und sogar gepulste Laser im Röntgenbereich erzeugt werden [7].

Der Vorgang läuft folgendermaßen ab:

Femtosekunden-Pulslaser werden verwendet, um auf Gasatome einzuwirken und die darin enthaltenen Elektronen zu ionisieren.

Die ionisierten Elektronen werden durch das elektrische Feld des Femtosekundenlasers beschleunigt, um eine sehr hohe Energie zu erhalten.

Die Elektronen rekombinieren erneut mit Atomen und die Summe der kinetischen Energie, die die Elektronen im Lichtfeld während des Rekombinationsprozesses erhalten, und der Übergangsenergie vom kontinuierlichen Zustand in den Grundzustand (gleich der Ionisierungsenergie) wird in Form von Photonen höherer Ordnung abgestrahlt.

Schematische Darstellung der drei Schritte der Erzeugung höherer Harmonischer. Die beiden oberen rechten Bilder zeigen den Kollisionsprozess beschleunigter Elektronen mit anderen Elektronen oder Atomen, und das untere Bild zeigt die hochharmonische Strahlung aus der Rekombination beschleunigter Elektronen und Atome. Bildquelle: Referenz [5].

Darüber hinaus hat man herausgefunden, dass die Pulsbreite des durch den Prozess der Erzeugung höherer Harmonischer abgestrahlten extrem ultravioletten Pulslichts den Attosekundenbereich erreichen kann.

Auf diese Weise haben wir nicht nur die Energie der Spaciume-Lichtphotonen erheblich erhöht , sondern auch Attosekundenlaser mit kürzeren Pulsbreiten als Femtosekundenlaser erhalten, wodurch die Momentanleistung des Lichts weiter erhöht wurde .

Auf diese Weise kann ein solcher Spacium-Strahl bereits eine extrem starke Zerstörungskraft erreichen.

Das ist alles für den heutigen Artikel „Die Grundlagen der Spezialbewegungen von Ultraman – Specium Ray“.

Hast du es gelernt?

Quellen:

[1] Forschungsfortschritte zum Schadensmechanismus von Hochintensitätslasern, Zhou Yichun et al., Mechanics and Practice, Vol. 17, Nr. 1, 1995.

[2] Principles of Lasers, Orazio Svelto, 1998 4. Auflage, Springer.

[3] Rubinlaser, Abteilung 5, Northwest Institute of Telecommunications Engineering, Laser und Infrarot, 1978, (04)

[4] Laser Principles, Zhou Bingkun et al., 6. Auflage, National Defense Industry Press, 2009

[5] Erzeugung optischer Harmonischer, PA Franken et.al, Phys. Ehrw. Lett. 7, 118-119 (1961).

[6] Nonlinear Optics, Shi Shunxiang et al., 2012, 2. Auflage, Xidian University Press

[7] Technische Prinzipien und Fortschritte bei der Erzeugung von Attosekundenpulsen, Wei Zhiyi et al., Science Bulletin, Vol. 66, Nr. 8, 2021: 889 ~ 901

Quelle: Institut für Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

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