超快激光器可以在持續(xù)時間內(nèi)發(fā)射僅百萬分之一納秒的光脈沖，這可能會徹底改變NASA技術人員制造和最終組裝由不同材料制成的儀器組件的方式。
位于馬里蘭州格林貝爾特的美國宇航局戈達德太空飛行中心的光學物理學家團隊正在試驗一種飛秒激光器，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)在由光學物理學家羅伯特拉豐領導的這個小組正在將其研究擴展到更具異國情調(diào)的玻璃，如藍寶石和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。目標是焊接較大的這些材料，并表明激光技術可以有效地將窗戶粘附到激光外殼和光學元件以及其他應用中。
在空間技術任務理事會中心創(chuàng)新基金計劃的支持下，該小組還在探索該技術在制造和封裝光子集成電路中的應用，光子集成電路是一項新興技術，可以使通信，數(shù)據(jù)中心和光學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到的東西應用到Goddard的樂器制作中，”Lafon說，指的是他和他的團隊，包括Frankie Micalizzi和Steve Li正在使用的工作。嘗試不同的材料和技術，可以有利于航天應用。“我們已經(jīng)看到了應用程序的內(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，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）
推動這些應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 - 超快激光以獨特的方式與材料相互作用。激光能量不會熔化目標材料。它在不加熱周圍物質的情況下蒸發(fā)它。
因此，技術人員可以精確地瞄準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。這可能是一個嚴肅的應用程序。我們想擺脫環(huán)氧樹脂。我們已經(jīng)開始聯(lián)系其他團體和代表團，了解這些新功能如何使他們的項目受益。“
另一個重要的應用是微機械加工領域。“在不損壞周圍物質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補充道。
微觀特征包括金屬鉆孔，頭發(fā)大小的針孔 - 團隊已經(jīng)證明的應用 - 蝕刻微光通道或波導，光可以通過光子集成電路和激光發(fā)射器傳播。相同的波導可以使液體流過化學分析和儀器冷卻所需的微流體裝置和芯片。
對NASA項目的廣泛適用性
“超快激光器為我們的微加工材料提供了根本性的變革，”戈達德戰(zhàn)略整合高級技術專家Ted Swanson說。“該團隊在這項研究工作上的工作將使Goddard能夠將這項新興技術應用于各種各樣的飛行應用。”
為此，該團隊 - 在NASA的幾個備受矚目的激光通信項目（包括激光通信中繼演示）上工作，計劃編制一個微加工和焊接功能庫。“一旦我們能夠可靠地展示這種能力，我們將嘗試將其應用于Goddard的現(xiàn)有挑戰(zhàn)。我們最初的研究表明，這項技術可以應用于NASA的大量項目，“Lafon說。
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