Команда НАСА исследует сверхбыструю лазерную обработку для различных применений в космических полетах

Сверхбыстрый лазер, излучающий световые импульсы длительностью всего в 100 миллионных долей наносекунды, потенциально может произвести революцию в способах производства и, в конечном итоге, сборки компонентов приборов из разнородных материалов техническими специалистами НАСА.

Команда физиков-оптиков из Центра космических полетов 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 материалы.

Теперь группа, возглавляемая физиком-оптиком Робертом Лафоном, расширяет свои исследования в области более экзотического стекла, такого как сапфир и зеродур, и металлов, таких как титан, инвар, ковар и алюминий — материалов, часто используемых в космических полетах. Цель состоит в том, чтобы сваривать более крупные куски этих материалов и показать, что лазерная технология эффективна при приклеивании окон к корпусам лазеров и оптики к металлическим креплениям, а также в других приложениях.

При поддержке программы Центра инновационного фонда Дирекции космических технологий 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 фотонные интегральные схемы похожи на электронные интегральные схемы, они изготавливаются из смеси материалов, включая кремний 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, чему мы научились, при изготовлении 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, какие 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 в одну квадриллионную долю 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 нацеливаться на лазер и склеивать разнородные материалы, которые иначе невозможно было бы прикрепить без эпоксидных смол. «Невозможно напрямую склеить стекло с металлом», — сказал Лафон. «Приходится использовать эпоксидную смолу, которая выделяет газы и откладывает загрязнения на зеркалах и других чувствительных компонентах приборов. Это может быть серьезное применение. Мы хотим избавиться от эпоксидной смолы. Мы уже начали обращаться к другим группам и миссиям, чтобы увидеть, как эти новые возможности могут принести пользу их проектам».

Еще одно важное применение — микрообработка. «Способность удалять небольшие объемы материала, не повреждая окружающие вещества, 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 свет может проходить в фотонные интегральные схемы и лазерные передатчики. Те же волноводы могут позволить жидкостям течь через микрофлюидные устройства и чипы, необходимые для химического анализа и охлаждения инструментов.

Широкая применимость к проектам НАСА

«Сверхбыстрые лазеры предлагают фундаментальные изменения в том, как мы можем микрообрабатывать материалы», — сказал Тед Суонсон, старший технолог по стратегической интеграции в Годдарде. «Работа команды над этим исследованием позволит Годдарду адаптировать эту новую технологию к широкому спектру полетов. Приложения.”

С этой целью команда, работая над несколькими громкими проектами НАСА, лазер коммуникационные проекты, в том числе демонстрация реле лазерной связи, — планируется собрать библиотеку возможностей микрообработки и сварки. «Как только мы сможем надежно продемонстрировать эту возможность, мы попытаемся применить ее для решения существующих проблем здесь, в Годдарде. Наши первоначальные исследования показывают, что эта технология может быть применена к большому количеству проектов НАСА», — сказал Лафон.