Nhóm NASA điều tra gia công laser cực nhanh cho nhiều ứng dụng trên chuyến bay vũ trụ

Một tia laser cực nhanh bắn ra các xung ánh sáng chỉ trong khoảng thời gian 100 phần triệu nano giây có thể có khả năng cách mạng hóa cách các kỹ thuật viên của NASA chế tạo và cuối cùng là lắp ráp các bộ phận dụng cụ làm từ các vật liệu khác nhau.

Một nhóm các nhà vật lý quang học tại Trung tâm bay không gian Goddard của NASA ở Greenbelt, Maryland, đang thử nghiệm tia laser femto giây và đã chứng minh rằng nó có thể hàn thủy tinh với đồng, thủy tinh với thủy tinh một cách hiệu quả và khoan các lỗ kim cỡ sợi tóc ở nhiều dạng khác nhau. nguyên vật liệu.

Giờ đây, nhóm, dẫn đầu bởi nhà vật lý quang học Robert Lafon, đang mở rộng nghiên cứu sang loại thủy tinh kỳ lạ hơn, như sapphire và Zerodur, và các kim loại, như titan, Invar, Kovar và nhôm — những vật liệu thường được sử dụng trong các thiết bị bay vũ trụ. Mục tiêu là hàn các mảnh lớn hơn của những vật liệu này và chứng minh rằng công nghệ laser có hiệu quả trong việc gắn các cửa sổ vào vỏ laser và quang học vào các giá đỡ kim loại, cùng với các ứng dụng khác.

Với sự hỗ trợ từ chương trình Quỹ Đổi mới Trung tâm của Ban Giám đốc Sứ mệnh Công nghệ Vũ trụ, nhóm cũng đang khám phá việc sử dụng công nghệ này trong chế tạo và đóng gói các mạch tích hợp quang tử, một công nghệ mới nổi có thể mang lại lợi ích cho mọi thứ từ truyền thông và trung tâm dữ liệu đến cảm biến quang học. Mặc dù chúng tương tự như các mạch tích hợp điện tử, nhưng mạch tích hợp quang tử được chế tạo trên hỗn hợp vật liệu, bao gồm silica và silicon, đồng thời sử dụng ánh sáng nhìn thấy hoặc hồng ngoại, thay vì điện tử, để truyền thông tin.

“Điều này bắt đầu chỉ là nghiên cứu thuần túy, nhưng bây giờ chúng tôi hy vọng sẽ bắt đầu áp dụng những gì chúng tôi đã học được vào việc chế tạo các nhạc cụ tại Goddard,” Lafon nói, đề cập đến công việc mà anh và nhóm của mình, bao gồm Frankie Micalizzi và Steve Li, đang sử dụng để thử nghiệm các vật liệu và kỹ thuật khác nhau có thể mang lại lợi ích cho các ứng dụng bay vào vũ trụ. “Chúng tôi đã thấy những ứng dụng có thể là gì. Trong trường hợp này, nghiên cứu vì mục đích nghiên cứu là vì lợi ích tốt nhất của chúng tôi,” Lafon nói.

Những đức tính của công nghệ

Trọng tâm của việc thúc đẩy các ứng dụng này chính là tia laser. Lafon cho biết nhờ các xung ngắn – được đo ở một phần triệu tỷ giây – tia laser cực nhanh tương tác với các vật liệu theo một cách độc đáo. Năng lượng laser không làm tan chảy vật liệu mục tiêu. Nó làm bay hơi nó mà không làm nóng vật chất xung quanh.

Kết quả là, các kỹ thuật viên có thể nhắm mục tiêu chính xác vào tia laser và liên kết các vật liệu khác nhau mà không thể gắn được nếu không có epoxy. Lafon nói: “Không thể liên kết trực tiếp thủy tinh với kim loại. “Bạn phải sử dụng epoxy, loại chất thải khí và lắng đọng chất gây ô nhiễm trên gương và các bộ phận nhạy cảm khác của dụng cụ. Đây có thể là một ứng dụng nghiêm túc. Chúng tôi muốn loại bỏ epoxies. Chúng tôi đã bắt đầu liên hệ với các nhóm và sứ mệnh khác để xem những khả năng mới này có thể mang lại lợi ích như thế nào cho dự án của họ”.

Một ứng dụng quan trọng khác là trong lĩnh vực vi cơ khí. Lafon cho biết thêm: “Khả năng loại bỏ khối lượng vật liệu nhỏ mà không làm hỏng vật chất xung quanh cho phép chúng tôi gia công các tính năng vi mô”.

Các tính năng hiển vi bao gồm mọi thứ từ các lỗ kim có kích thước bằng sợi tóc được khoan trong kim loại – một ứng dụng mà nhóm đã chứng minh – cho tới việc khắc các kênh hoặc ống dẫn sóng cực nhỏ mà qua đó ánh sáng có thể truyền qua mạch tích hợp quang tử và máy phát laser. Các ống dẫn sóng tương tự có thể cho phép chất lỏng chảy qua các thiết bị vi lỏng và chip cần thiết cho phân tích hóa học và làm mát thiết bị.

Khả năng ứng dụng rộng rãi cho các dự án của NASA

Ted Swanson, nhà công nghệ cao cấp về tích hợp chiến lược tại Goddard cho biết: “Laser cực nhanh mang lại những thay đổi cơ bản trong cách chúng ta có thể xử lý vật liệu vi mô”. “Công việc của nhóm trong nỗ lực nghiên cứu này sẽ cho phép Goddard điều chỉnh công nghệ mới nổi này cho nhiều loại chuyến bay khác nhau. các ứng dụng.”

Để đạt được mục tiêu đó, nhóm—giữa việc làm việc trên một số dự án nổi tiếng của NASA tia laze các dự án truyền thông, bao gồm Trình diễn Rơle Truyền thông Laser—có kế hoạch biên soạn một thư viện về khả năng vi cơ và hàn. “Sau khi chúng tôi có thể chứng minh khả năng này một cách đáng tin cậy, chúng tôi sẽ cố gắng áp dụng nó cho những thách thức hiện có tại Goddard. Nghiên cứu ban đầu của chúng tôi cho thấy công nghệ này có thể được áp dụng cho một số lượng lớn các dự án trên khắp NASA”, Lafon nói.