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(xué)物理學(xué)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(xué)物理學(xué)家羅伯特拉豐領(lǐng)導(dǎo)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(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)理事會中心創(chuàng)新基金計劃的支持下，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(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(zhì)的情況下蒸發(fā)它。

因此，技術(shù)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(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(yīng)用是微機械加工領(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(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(shù)專家Ted Swanson說。“該團隊在這項研究工作上的工作將使Goddard能夠?qū)⑦@項新興技術(shù)應(yīng)用于各種各樣的飛行應(yīng)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(yīng)用于Goddard的現(xiàn)有挑戰(zhàn)。我們最初的研究表明，這項技術(shù)可以應(yīng)用于NASA的大量項目，“Lafon說。