Une équipe Goddard utilise un laser ultrarapide pour coller des matériaux dissemblables, dans le but d'éliminer à terme les époxydes qui dégazent et contaminent les composants sensibles des engins spatiaux. Voici quelques échantillons (de gauche à droite) :silice soudée au cuivre; silice soudée à l'Invar; et saphir soudés à l'Invar. Crédit :NASA/W. Hrybyk
Un laser ultrarapide qui émet des impulsions lumineuses d'une durée de seulement 100 millionièmes de nanoseconde pourrait potentiellement révolutionner la façon dont les techniciens de la NASA fabriquent et finalement assemblent des composants d'instruments faits de matériaux différents.
Une équipe de physiciens optiques du Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, expérimente un laser femtoseconde et a déjà montré qu'il peut souder efficacement le verre au cuivre, verre à verre, et percez des trous d'épingle de la taille d'un cheveu dans différents matériaux.
Maintenant le groupe, dirigé par le physicien optique Robert Lafon, étend ses recherches à des verres plus exotiques, comme le saphir et le Zerodur, et métaux, comme le titane, Invar, Kovar, et l'aluminium, des matériaux souvent utilisés dans les instruments de vol spatial. L'objectif est de souder de plus gros morceaux de ces matériaux et de montrer que la technologie laser est efficace pour coller les fenêtres sur les boîtiers laser et les optiques sur les supports métalliques, entre autres applications.
Avec le soutien du programme Fonds d'innovation du Centre de la Direction des missions de technologie spatiale, le groupe explore également l'utilisation de la technologie dans la fabrication et le conditionnement de circuits intégrés photoniques, une technologie émergente qui pourrait profiter à tout, des communications et des centres de données aux capteurs optiques. Bien qu'ils soient similaires aux circuits intégrés électroniques, les circuits intégrés photoniques sont fabriqués sur un mélange de matériaux, y compris la silice et le silicium, et utiliser la lumière visible ou infrarouge, au lieu d'électrons, pour transférer des informations.
"Cela a commencé comme une recherche pure, mais maintenant nous espérons commencer à appliquer ce que nous avons appris à la fabrication d'instruments ici à Goddard, " Lafon a dit, se référant au travail de lui et de son équipe, dont Frankie Micalizzi et Steve Li, utilisent pour expérimenter différents matériaux et techniques qui pourraient bénéficier aux applications de vol spatial. « On voit déjà quelles pourraient être les applications. Dans ce cas, la recherche pour la recherche est dans notre meilleur intérêt, ", a déclaré Lafon.
Steve Li (à gauche), Frankie Micalizzi (au milieu), et Robert Lafon (à droite) utilisent un laser ultrarapide pour lier des matériaux dissemblables et graver des canaux microscopiques ou des guides d'ondes à travers lesquels la lumière pourrait voyager dans des circuits intégrés photoniques et des émetteurs laser. Crédit :NASA/W. Hrybyk
Les vertus de la technologie
Le laser lui-même est essentiel pour faire progresser ces applications. Grâce à ses impulsions courtes, mesurées à un quadrillionième de seconde, un laser ultrarapide interagit avec les matériaux d'une manière unique, dit Lafon. L'énergie laser ne fait pas fondre le matériau ciblé. Il le vaporise sans chauffer la matière environnante.
Par conséquent, les techniciens peuvent cibler avec précision le laser et coller des matériaux différents qui, autrement, ne pourraient pas être fixés sans époxy. "Il n'est pas possible de coller du verre au métal directement, " dit Lafon. " Il faut utiliser de l'époxy, qui dégage et dépose des contaminants sur les miroirs et autres composants sensibles de l'instrument. Cela pourrait être une application sérieuse. Nous voulons nous débarrasser des époxydes. Nous avons déjà commencé à contacter d'autres groupes et missions pour voir comment ces nouvelles capacités pourraient profiter à leurs projets."
Une autre application importante est dans le domaine du micro-usinage. "La capacité d'enlever de petits volumes de matière sans endommager la matière environnante nous permet d'usiner des caractéristiques microscopiques, " ajouta Lafon.
Les caractéristiques microscopiques incluent tout, du foré, des trous d'épingle de la taille d'un cheveu dans les métaux - une application que l'équipe a déjà démontrée - pour graver des canaux microscopiques ou des guides d'ondes à travers lesquels la lumière pourrait voyager dans des circuits intégrés photoniques et des émetteurs laser. Les mêmes guides d'ondes pourraient permettre aux liquides de circuler à travers des dispositifs microfluidiques et des 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 senior en 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 d'applications de vol."
À cette fin, l'équipe - entre travailler sur plusieurs des projets de communication laser de grande envergure de la NASA, y compris la démonstration de relais de communication laser—prévoit 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 essaierons 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 à travers la NASA, ", a déclaré Lafon.
