Was ist Kurzzeitphysik

Kurzzeitphysik beschäftigt sich mit physikalischen und technischen Effekten und Phänomenen, die sich in kurzen Zeiten abspielen. Diese Zeitspannen können im Bereich einiger Hundertstel Sekunden oder auch im Bereich von Femtosekunden, also 10-15 s, oder sogar Attosekunden, also 10-18 s, liegen.

Zur Kurzzeitphysik gehören schnell ablaufende Vorgänge, wie z.B. Strömungen, bis hin zum Überschallbereich, aber auch schnelllaufende harte Druckwellen, so genannte Stoßwellen, z.B. mit Anwendungen in der Detonationsforschung und in der Medizin (Nierensteinzertrümmerer). Weiterhin sind Vorgänge in Kraftfahrzeugmotoren, wo schnelle chemische Reaktionen und die dabei ablaufenden Verbrennungsvorgänge mit modernen Methoden, z.B. mit Lasermethoden untersucht werden, um den Schadstoffausstoß weiter zu verringern, ein Themengebiet.

Es gehören auch schnelle elektronische Vorgänge in Festkörpern bzw. Halbleitern dazu, wie sie z.B. beim Schalten von Leistung und in modernen Integrierten Schaltkreisen auftreten.

Hinzu kommen Vorgänge und Verfahren, die in gleichmäßigem Dauerbetrieb überhaupt nicht möglich sind, da die dabei auftretenden physikalischen Größen wie Energie, Stromstärke, Temperatur, Druck, elektrische Feldstärke extrem hohe nicht beherrschbare Werte annehmen würden. Man kann diese daher nur impulsartig während kurzer Zeiten ablaufen lassen. Dadurch werden Spitzenleistungen im Mega- bis Terawattbereich sowie Drücke im Mega- und Gigabarbereich erreicht. Derartige Zustände können z.B. durch die Bestrahlung von Materie mit ultrakurzen intensiven Laserpulsen erzeugt werden. Hierbei können z.B. ultrakurze Röntgenimpulse erzeugt werden, die wiederum zur Untersuchung von Prozessen oder Werkstoffen eingesetzt werden können. Die Erzeugung von Strahlung mittels verschiedener Methoden (z.B. mittels Laser, Teilchenstrahlen, Entladungen, Mikroentladungen) in einem weitem Spektralbereich – vom sichtbaren über den ultravioletten bis in den EUV-Bereich („soft x-ray“) und deren Anwendungen sind daher auch eingebunden.

Serie von Hochgeschwindigkeitsbildern, die das Auflaufen einer Stoßwelle auf einen Konus zeigen:
(Aufnahmefrequenz: 370000 Bilder/s; von ISL; ca. 16 MB)

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Ein weiteres Gebiet der Kurzzeitphysik umfasst elektrische Entladungserscheinungen. Im Gegensatz zur Plasmaphysik werden hier vor allem die technischen Anwendungen z.B. beim Schalten hoher Ströme und Spannungen z.B. in der Energietechnik betrachtet. Die Hochleistungsimpulstechnik („Pulsed Power“ Technik), die Bereitstellung hoher elektrischer Leistung in kurzen Zeiten und deren Anwendungen ist neben den Lasersystemen und deren Anwendungen ein weiteres Kernthema der Kurzzeitphysik. Beispiele sind die Module zur Erzeugung der gepulsten Hochspannung in Gaslasern sowie darin eingesetzte Schaltsysteme basierend auf Gasentladungen oder Halbleitern.

Liste der Themenfelder: 

Kurzzeitdynamik Kurzzeitdiagnostik Hochleistungs-/Impulssysteme
- Hochdruckphysik
- Gasdynamik/Verbrennung
- Detonik
- elektronische Verfahren
- optische Verfahren
- neuartige Verfahren
- Komponenten für die Pulsed-Power Technik
- Pulsed Power Systeme / Modulatoren
- Anwendungen der Pulsed Power
- Messtechnik in Pulsed Power Systemen
- Bioelectrics

Angewandte Laserpyhsik

Ein weiteres Gebiet in der Kurzzeitphysik ist die Wechselwirkung von Laserstrahlung mit Materie sowie die Erzeugung der Laserstrahlung. Neben den klassischen Gaslasern (CO2 Laser, Excimerlaser) sind auch die modernen Konzepte von Festkörperlasern (Faserlaser, Scheibenlaser) sowohl im Dauerstrichbetrieb als auch im Impulsbetrieb in der Kurzzeitphysik angesiedelt. Die Anwendung der Laserstrahlung zur Materialbearbeitung, wie z.B. zum Schneiden, Schweißen, Bohren, Härten, Oberflächenmodifikationen etc. und die dabei auftretenden physikalischen Effekte sowohl in der makroskopischen Anwendung als auch in der Mikromaterialbearbeitung sind ebenfalls Themenbereiche der Kurzzeitphysik.

Zu berücksichtigen sind hier auch die vielfältigen Modellstellungen zur Wechselwirkung von intensiver Laserstrahlung mit Materie, die für viele Anwendungsbereiche bereits weit fortgeschritten sind und teilweise schon belastbare Vorhersagen ermöglichen. Ultrakurzpulslaser spielen in diesen Kontext aufgrund der überwiegend auftretenden elektronischen Wechselwirkungsmechanismen eine besondere Rolle und eröffnen ein enormes Spektrum innovativer Anwendungen. So ermöglichen sie einerseits eine herausragende Präzision bei der Materialbearbeitung und sind in der heutigen photonischen Grundlagenforschung nicht mehr wegzudenken. Andererseits stellen sie extreme Anforderungen an die eingesetzten Optikkomponenten und begründen damit auch einen wichtigen Zweig der Kurzzeitphysik bei der Entwicklung, Charakterisierung und Analyse von Laseroptiken aller Art.

Demonstration der Laserstrahlungsresistenz 

Abbildung: Demonstration der Laserstrahlungsresistenz eines Rugate Filters in der Anwendung mit einem Nd:YAG-Laser bei der Wellenlänge 1.064 nm und einer Pulsdauer von 8 ns. Die Belichtungszeit der Aufnahme betrug 30 s. Die Intensität des Lasers ist hier so groß, dass in der Luft dielektrische Durchbrüche entstehen, die sich in Form von lokalen Plasmen darstellen. Der Spiegel war nach 30 min Bestrahlungszeit noch voll funktionsfähig. (Foto: LZH)

Liste der Themenfelder: 

Laser Strahlungsquellen
- Lasersysteme
- Laserstrahlwechselwirkungen
- Laseranwendungen
- Laserkomponenten
- Höchstleistungslaser
- Nichtlineare Prozesse
- Schnell veränderliche Plasmen
- nichtkohärente Strahlungsquellen
- Laser-Plasmaquellen
- DUV - VUV - EUV - BEUV– Quellen und deren Anwendungen
- Röntgenlaser