Сверхбыстрый лазер, излучающий световые импульсы длительностью всего 100 миллионных долей наносекунды, потенциально может революционизировать способ производства и сборки компонентов приборов из разнородных материалов техническими специалистами НАСА.
Команда 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 сверлить отверстия размером с волос в различных материалах .
Теперь группа, возглавляемая физиком-оптиком Робертом Лафоном, расширяет свои исследования в области более экзотического стекла, такого как сапфир и церодур, а также металлов, таких как титан, инвар, ковар и алюминий - материалов, часто используемых в приборах космических полетов. Цель состоит в том, чтобы сварить более крупные куски этих материалов и показать, что лазерная технология эффективна при приклеивании окон к корпусам лазеров и оптики к металлическим опорам, среди прочего.
При поддержке программы Фонда инноваций Центра Управления космических миссий, группа также изучает возможность использования этой технологии при изготовлении и упаковке фотонных интегральных схем - новой технологии, которая может принести пользу всему, от центров связи и обработки данных до оптических датчиков. Хотя они похожи на электронные интегральные схемы, фотонные интегральные схемы изготавливаются из смеси материалов, включая диоксид кремния и кремний, и для передачи информации используют видимый или инфракрасный свет вместо электронов.
«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 экспериментируйте с различными материалами и методами, которые могут принести пользу космическим полетам. «Мы уже видим, какими могут быть приложения. В этом случае исследование ради исследований отвечает нашим интересам», - сказал Лафон.
Достоинства технологии
Центральное место в развитии этих приложений занимает сам лазер. По словам Лафона, благодаря своим коротким импульсам, измеряемым с точностью до одной квадриллионной секунды, сверхбыстрый лазер уникальным образом взаимодействует с материалами. Энергия лазера не плавит целевой материал. Он испаряет его, не нагревая окружающее вещество.
В результате технические специалисты могут точно нацелить лазер и склеить разнородные материалы, которые иначе невозможно было бы прикрепить без эпоксидной смолы. «Невозможно приклеить стекло к металлу напрямую, - сказал Лафон. «Вы должны использовать эпоксидную смолу, которая выделяет газ и осаждает загрязнения на зеркалах и других чувствительных компонентах инструментов. Это может быть серьезным применением. Мы хотим избавиться от эпоксидных смол. Мы уже начали связываться с другими группами и миссиями, чтобы узнать, как они новые возможности могут принести пользу их проектам ".
Еще одно важное применение - это микрообработка. «Возможность удалять небольшие объемы материала без повреждения окружающего материала позволяет нам обрабатывать микроскопические детали», - добавил Лафон.
Микроскопические функции включают в себя все: от просверленных отверстий размером с волос в металлах - применение, которое команда уже продемонстрировала - до травления микроскопических каналов или волноводов, через которые может проходить свет в фотонных интегральных схемах и лазерных передатчиках. Те же волноводы могут позволить жидкостям проходить через микрофлюидные устройства и чипы, необходимые для химического анализа и охлаждения инструментов.
Широкая применимость к проектам НАСА
«Сверхбыстрые лазеры предлагают фундаментальные изменения в способах микропереработки материалов», - сказал Тед Свансон, старший технолог по стратегической интеграции в Goddard. «Работа команды над этим исследовательским усилием позволит Годдарду адаптировать эту новую технологию к широкому спектру полетных приложений ».
С этой целью группа - в период работы над несколькими громкими проектами NASA по лазерной связи, включая демонстрацию Laser Communications Relay Demonstration - планирует составить библиотеку возможностей микромеханической обработки и сварки. «Как только мы сможем надежно продемонстрировать эту возможность, мы попытаемся применить ее к существующим проблемам здесь, в Годдарде. Наши первоначальные исследования показывают, что эта технология может быть применена к большому количеству проектов в НАСА», - сказал Лафон.
