位于馬里蘭州格林貝爾特的美國宇航局戈達(dá)德太空飛行中心的光學(xué)物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)正在試驗(yàn)一種飛秒激光器,并且已經(jīng)證明它可以有效地將玻璃焊接到銅,玻璃到玻璃,并用不同的材料鉆出毛發(fā)大小的針孔。
現(xiàn)在由光學(xué)物理學(xué)家羅伯特拉豐領(lǐng)導(dǎo)的這個(gè)小組正在將其研究擴(kuò)展到更具異國情調(diào)的玻璃,如藍(lán)寶石和Zerodur,以及金屬,如鈦,因瓦合金,可伐合金和鋁材 - 這些材料常用于航天儀器。目標(biāo)是焊接較大的這些材料,并表明激光技術(shù)可以有效地將窗戶粘附到激光外殼和光學(xué)元件以及其他應(yīng)用中。
在空間技術(shù)任務(wù)理事會(huì)中心創(chuàng)新基金計(jì)劃的支持下,該小組還在探索該技術(shù)在制造和封裝光子集成電路中的應(yīng)用,光子集成電路是一項(xiàng)新興技術(shù),可以使通信,數(shù)據(jù)中心和光學(xué)傳感器等各方面受益。雖然它們類似于電子集成電路,但是光子集成電路是在包括二氧化硅和硅的材料混合物上制造的,并且使用可見光或紅外光而不是電子來傳輸信息。
“這開始是純粹的研究,但現(xiàn)在我們希望開始將我們學(xué)到的東西應(yīng)用到Goddard的樂器制作中,”Lafon說,指的是他和他的團(tuán)隊(duì),包括Frankie Micalizzi和Steve Li正在使用的工作。嘗試不同的材料和技術(shù),可以有利于航天應(yīng)用。“我們已經(jīng)看到了應(yīng)用程序的內(nèi)容。在這種情況下,研究的研究是為了我們的最大利益,“拉豐說。
技術(shù)的美德
Steve Li(左),F(xiàn)rankie Micalizzi(中)和Robert Lafon(右)正在使用超快激光來粘合不同材料并蝕刻微觀通道或波導(dǎo),光可以通過光子集成電路和激光發(fā)射器傳播。(圖片來源:Bill Hrybyk / NASA)
推動(dòng)這些應(yīng)用的核心是激光器本身。Lafon說,憑借其短脈沖 - 在一千萬億分之一秒內(nèi)測量 - 超快激光以獨(dú)特的方式與材料相互作用。激光能量不會(huì)熔化目標(biāo)材料。它在不加熱周圍物質(zhì)的情況下蒸發(fā)它。
因此,技術(shù)人員可以精確地瞄準(zhǔn)激光并粘合不同材料,否則在沒有環(huán)氧樹脂的情況下無法附著。“不可能將玻璃與金屬直接粘合,”拉豐說。“你必須使用環(huán)氧樹脂,它會(huì)在鏡子和其他敏感儀器組件上排出并沉積污染物。這可能是一個(gè)嚴(yán)肅的應(yīng)用程序。我們想擺脫環(huán)氧樹脂。我們已經(jīng)開始聯(lián)系其他團(tuán)體和代表團(tuán),了解這些新功能如何使他們的項(xiàng)目受益。“
另一個(gè)重要的應(yīng)用是微機(jī)械加工領(lǐng)域。“在不損壞周圍物質(zhì)的情況下去除少量材料的能力使我們能夠加工微觀特征,”Lafon補(bǔ)充道。
微觀特征包括金屬鉆孔,頭發(fā)大小的針孔 - 團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明的應(yīng)用 - 蝕刻微光通道或波導(dǎo),光可以通過光子集成電路和激光發(fā)射器傳播。相同的波導(dǎo)可以使液體流過化學(xué)分析和儀器冷卻所需的微流體裝置和芯片。
對(duì)NASA項(xiàng)目的廣泛適用性
“超快激光器為我們的微加工材料提供了根本性的變革,”戈達(dá)德戰(zhàn)略整合高級(jí)技術(shù)專家Ted Swanson說。“該團(tuán)隊(duì)在這項(xiàng)研究工作上的工作將使Goddard能夠?qū)⑦@項(xiàng)新興技術(shù)應(yīng)用于各種各樣的飛行應(yīng)用。”
為此,該團(tuán)隊(duì) - 在NASA的幾個(gè)備受矚目的激光通信項(xiàng)目(包括激光通信中繼演示)上工作,計(jì)劃編制一個(gè)微加工和焊接功能庫。“一旦我們能夠可靠地展示這種能力,我們將嘗試將其應(yīng)用于Goddard的現(xiàn)有挑戰(zhàn)。我們最初的研究表明,這項(xiàng)技術(shù)可以應(yīng)用于NASA的大量項(xiàng)目,“Lafon說。
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