NASA-Team untersucht ultraschnelle Laserbearbeitung für mehrere Raumfahrtanwendungen

Ein ultraschneller Laser, der Lichtimpulse mit einer Dauer von nur 100 Millionstel Nanosekunden abfeuert, könnte möglicherweise die Art und Weise revolutionieren, wie NASA-Techniker Instrumentenkomponenten aus unterschiedlichen Materialien herstellen und letztendlich zusammenbauen.

Ein Team optischer Physiker am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, experimentiert mit einem Femtosekundenlaser und hat bereits gezeigt, dass er effektiv Glas mit Kupfer und Glas mit Glas verschweißen und haargroße Nadellöcher in verschiedene Bereiche bohren kann Materialien.

Jetzt weitet die Gruppe unter der Leitung des optischen Physikers Robert Lafon ihre Forschung auf exotischere Gläser wie Saphir und Zerodur sowie auf Metalle wie Titan, Invar, Kovar und Aluminium aus – Materialien, die häufig in Raumfluginstrumenten verwendet werden. Ziel ist es, größere Teile dieser Materialien zu schweißen und zu zeigen, dass die Lasertechnologie unter anderem beim Anbringen von Fenstern an Lasergehäusen und Optiken an Metallhalterungen effektiv ist.

Mit Unterstützung des Center Innovation Fund-Programms des Space Technology Mission Directorate untersucht die Gruppe auch den Einsatz der Technologie bei der Herstellung und Verpackung photonischer integrierter Schaltkreise, einer aufstrebenden Technologie, die von Kommunikations- und Rechenzentren bis hin zu optischen Sensoren allen Bereichen zugute kommen könnte. Obwohl sie elektronischen integrierten Schaltkreisen ähneln, werden photonische integrierte Schaltkreise aus einer Materialmischung, einschließlich Silizium und Silicium, hergestellt und verwenden sichtbares oder infrarotes Licht anstelle von Elektronen, um Informationen zu übertragen.

„Das begann als reine Forschung, aber jetzt hoffen wir, das Gelernte hier bei Goddard auf die Herstellung von Instrumenten anwenden zu können“, sagte Lafon und bezog sich dabei auf die Arbeit, die er und sein Team, darunter Frankie Micalizzi und Steve Li, durchführen Experimentieren Sie mit verschiedenen Materialien und Techniken, die für Raumfahrtanwendungen von Nutzen sein könnten. „Wir sehen bereits, was die Anwendungen sein könnten. In diesem Fall liegt Forschung um der Forschung willen in unserem Interesse“, sagte Lafon.

Die Tugenden der Technologie

Von zentraler Bedeutung für die Weiterentwicklung dieser Anwendungen ist der Laser selbst. Aufgrund seiner kurzen Impulse – gemessen bei einer Billiardstelsekunde – interagiert ein ultraschneller Laser auf einzigartige Weise mit Materialien, sagte Lafon. Die Laserenergie schmilzt das Zielmaterial nicht. Es verdampft es, ohne die umgebende Materie zu erhitzen.

Dadurch können Techniker den Laser präzise anvisieren und unterschiedliche Materialien verbinden, die sonst ohne Epoxidharze nicht befestigt werden könnten. „Es ist nicht möglich, Glas direkt mit Metall zu verbinden“, sagte Lafon. „Man muss Epoxidharz verwenden, das ausgast und Verunreinigungen auf Spiegeln und anderen empfindlichen Instrumentenkomponenten ablagert. Dies könnte eine ernsthafte Anwendung sein. Wir wollen Epoxidharze loswerden. Wir haben bereits damit begonnen, mit anderen Gruppen und Missionen Kontakt aufzunehmen, um herauszufinden, wie diese neuen Fähigkeiten ihren Projekten zugute kommen könnten.“

Eine weitere wichtige Anwendung liegt im Bereich der Mikrobearbeitung. „Die Fähigkeit, kleine Materialmengen zu entfernen, ohne die umgebende Materie zu beschädigen, ermöglicht es uns, mikroskopische Merkmale zu bearbeiten“, fügte Lafon hinzu.

Zu den mikroskopischen Merkmalen gehört alles von gebohrten, haargroßen Nadellöchern in Metallen – eine Anwendung, die das Team bereits demonstriert hat – bis hin zum Ätzen mikroskopischer Kanäle oder Wellenleiter, durch die Licht eindringen kann Photonische integrierte Schaltkreise und Lasersender. Dieselben Wellenleiter könnten es Flüssigkeiten ermöglichen, durch mikrofluidische Geräte und Chips zu fließen, die für chemische Analysen und Instrumentenkühlung benötigt werden.

Weit verbreitete Anwendbarkeit auf NASA-Projekte

„Ultrakurzpulslaser bieten grundlegende Veränderungen in der Art und Weise, wie wir Materialien mikroverarbeiten können“, sagte Ted Swanson, leitender Technologe für strategische Integration bei Goddard. „Die Arbeit des Teams an diesem Forschungsvorhaben wird es Goddard ermöglichen, diese neue Technologie an eine Vielzahl von Flugarten anzupassen Anwendungen.”

Zu diesem Zweck arbeitet das Team an mehreren hochkarätigen Projekten der NASA Laser Kommunikationsprojekte, einschließlich der Laser Communications Relay Demonstration – plant die Zusammenstellung einer Bibliothek mit Mikrobearbeitungs- und Schweißfunktionen. „Sobald wir diese Fähigkeit zuverlässig nachweisen können, werden wir versuchen, sie auf bestehende Herausforderungen hier bei Goddard anzuwenden. Unsere ersten Untersuchungen zeigen, dass diese Technologie auf eine große Anzahl von Projekten in der gesamten NASA angewendet werden könnte“, sagte Lafon.