Сверхбыстрый лазер, испускающий световые импульсы длительностью всего в 100 миллионных долей наносекунды, потенциально может произвести революцию в том, как специалисты НАСА производят и, в конечном итоге, собирают компоненты приборов из разнородных материалов.
Группа физиков-оптиков из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, экспериментирует с фемтосекундным лазером и уже показала, что он может эффективно сваривать стекло с медью, стекло со стеклом и просверливать крошечные отверстия в различных материалах .
Теперь группа, возглавляемая физиком-оптиком Робертом Лафоном, расширяет свои исследования в области более экзотических стекол, таких как сапфир и церодур, и металлов, таких как титан, инвар, ковар и алюминий — материалов, часто используемых в приборах для космических полетов. Цель состоит в том, чтобы сварить большие куски этих материалов и показать, что лазерная технология эффективна для приклеивания окон к корпусам лазеров и оптики к металлическим креплениям, среди прочего.
При поддержке программы Центра инноваций Центра Управления космических технологий группа также изучает возможности использования этой технологии в производстве и корпусировании фотонных интегральных схем — новой технологии, которая может принести пользу всему, от коммуникаций и центров обработки данных до оптических датчиков. Хотя они похожи на электронные интегральные схемы, фотонные интегральные схемы изготавливаются из смеси материалов, включая кварц и кремний, и используют видимый или инфракрасный свет вместо электронов для передачи информации.
"Это началось как чистое исследование, но теперь мы надеемся начать применять то, что мы узнали, для изготовления инструментов здесь, в Годдарде", — сказал Лафон, имея в виду работу, которую он и его команда, включая Фрэнки Микалицци и Стива Ли, используют для экспериментировать с различными материалами и методами, которые могут принести пользу космическим полетам. "Мы уже видим, какими могут быть приложения. В этом случае исследования ради исследований в наших интересах", — сказал Лафон.
Достоинства технологии
Центральное место в развитии этих приложений занимает сам лазер. По словам Лафона, благодаря коротким импульсам, измеряемым одной квадриллионной долей секунды, сверхбыстрый лазер взаимодействует с материалами уникальным образом. Энергия лазера не плавит целевой материал. Он испаряет его, не нагревая окружающее вещество.
В результате технические специалисты могут точно нацеливать лазер и склеивать разнородные материалы, которые иначе нельзя было бы скрепить без эпоксидных смол. "Невозможно напрямую соединить стекло с металлом", — сказал Лафон. "Вы должны использовать эпоксидную смолу, которая выделяет газы и осаждает загрязнения на зеркалах и других чувствительных компонентах инструментов. Это может быть серьезное применение. Мы хотим избавиться от эпоксидных смол. Мы уже начали связываться с другими группами и миссиями, чтобы узнать, как эти новые возможности могут принести пользу их проектам".
Другое важное применение находится в области микрообработки. "Возможность удалять небольшие объемы материала без повреждения окружающего вещества позволяет нам обрабатывать микроскопические детали", — добавил Лафон.
Микроскопические особенности включают в себя все, от просверленных отверстий размером с волос в металлах — применение, которое команда уже продемонстрировала — до травления микроскопических каналов или волноводов, по которым может проходить свет в фотонных интегральных схемах и лазерных передатчиках. Те же самые волноводы могут пропускать жидкости через микрожидкостные устройства и чипы, необходимые для химического анализа и охлаждения приборов.
Широкое применение в проектах НАСА
"Сверхбыстрые лазеры предлагают фундаментальные изменения в том, как мы можем микрообрабатывать материалы", — сказал Тед Суонсон, старший технолог по стратегической интеграции в Goddard. "Работа команды над этим исследовательским проектом позволит Годдарду адаптировать эту новую технологию к широкому спектру летных приложений ".
С этой целью команда, работающая над несколькими громкими проектами НАСА в области лазерной связи, включая демонстрацию ретранслятора лазерной связи, планирует собрать библиотеку возможностей микрообработки и лазерной сварки. "Как только мы сможем надежно продемонстрировать эту возможность, мы попытаемся применить ее к существующим задачам здесь, в Годдарде. Наши первоначальные исследования показывают, что эту технологию можно применять к большому количеству проектов в НАСА", — сказал Лафон.
