Une équipe de la NASA étudie l'usinage laser ultra-rapide pour plusieurs applications de vols spatiaux

Un laser ultrarapide qui émet des impulsions de lumière d'une durée de seulement 100 millionièmes de nanoseconde pourrait potentiellement révolutionner la façon dont les techniciens de la NASA fabriquent et, à terme, assemblent des composants d'instruments fabriqués à partir de matériaux différents.

Une équipe de physiciens optiques du Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, dans le Maryland, expérimente un laser femtoseconde et a déjà montré qu'il peut souder efficacement le verre au cuivre, le verre au verre, et percer des trous d'épingle de la taille d'un cheveu dans différents matériaux.

Aujourd'hui, le groupe, dirigé par le physicien optique Robert Lafon, étend ses recherches à des verres plus exotiques, comme le saphir et le Zerodur, et à des métaux, comme le titane, l'Invar, le Kovar et l'aluminium, des matériaux souvent utilisés dans les instruments de vol spatial. L'objectif est de souder des morceaux plus gros de ces matériaux et de montrer que la technologie laser est efficace pour coller des fenêtres sur des boîtiers laser et des optiques sur des supports métalliques, entre autres applications.

Avec le soutien du programme Centre d'innovation de la Direction des missions de technologie spatiale, le groupe explore également l'utilisation de cette technologie dans la fabrication et le conditionnement de circuits intégrés photoniques, une technologie émergente qui pourrait profiter à tous les domaines, des communications et centres de données aux capteurs optiques. Bien qu'ils soient similaires aux circuits intégrés électroniques, les circuits intégrés photoniques sont fabriqués à partir d'un mélange de matériaux, notamment de silice et de silicium, et utilisent la lumière visible ou infrarouge, au lieu d'électrons, pour transférer des informations.

"Cela a commencé comme de la recherche pure, mais nous espérons maintenant commencer à appliquer ce que nous avons appris à la fabrication d'instruments ici à Goddard", a déclaré Lafon, faisant référence au travail que lui et son équipe, dont Frankie Micalizzi et Steve Li, utilisent pour expérimenter différents matériaux et techniques qui pourraient bénéficier aux applications de vols spatiaux. « Nous voyons déjà quelles pourraient être les applications. Dans ce cas, la recherche pour la recherche est dans notre meilleur intérêt », a déclaré Lafon.

Les vertus de la technologie

Le laser lui-même est au cœur du progrès de ces applications. Grâce à ses impulsions courtes, mesurées à un quadrillionième de seconde, un laser ultrarapide interagit avec les matériaux d'une manière unique, a expliqué Lafon. L'énergie laser ne fait pas fondre le matériau ciblé. Il le vaporise sans chauffer la matière environnante.

En conséquence, les techniciens peuvent cibler avec précision le laser et lier des matériaux différents qui autrement ne pourraient pas être fixés sans époxy. "Il n'est pas possible de lier directement le verre au métal", a déclaré Lafon. « Vous devez utiliser de l'époxy, qui dégaze et dépose des contaminants sur les miroirs et autres composants sensibles des instruments. Cela pourrait être une application sérieuse. Nous voulons nous débarrasser des époxy. Nous avons déjà commencé à contacter d’autres groupes et missions pour voir comment ces nouvelles capacités pourraient bénéficier à leurs projets.

Une autre application importante concerne le domaine du micro-usinage. "La capacité d'éliminer de petits volumes de matière sans endommager la matière environnante nous permet d'usiner des caractéristiques microscopiques", a ajouté Lafon.

Les caractéristiques microscopiques incluent tout, depuis les trous d'épingle percés dans les métaux (une application que l'équipe a déjà démontrée) jusqu'à la gravure de canaux microscopiques ou de guides d'ondes à travers lesquels la lumière pourrait voyager. circuits intégrés photoniques et émetteurs laser. Les mêmes guides d’ondes pourraient permettre aux liquides de circuler à travers les dispositifs microfluidiques et les puces nécessaires aux analyses chimiques et au refroidissement des instruments.

Applicabilité généralisée aux projets de la NASA

« Les lasers ultrarapides offrent des changements fondamentaux dans la façon dont nous pouvons microtraiter les matériaux », a déclaré Ted Swanson, technologue principal pour l'intégration stratégique chez Goddard. "Le travail de l'équipe sur cet effort de recherche permettra à Goddard d'adapter cette technologie émergente à une grande variété de vols applications.”

À cette fin, l'équipe, en travaillant sur plusieurs des projets les plus médiatisés de la NASA laser des projets de communication, y compris la démonstration de relais de communication laser, prévoient de compiler une bibliothèque de capacités de micro-usinage et de soudage. « Une fois que nous serons en mesure de démontrer cette capacité de manière fiable, nous tenterons de l'appliquer aux défis existants ici à Goddard. Nos premières recherches montrent que cette technologie pourrait être appliquée à un grand nombre de projets au sein de la NASA », a déclaré Lafon.