21.12.2021
РХТУ им. Д.И. Менделеева
1
947

Самая точная сварка: с помощью фемтосекундных световых импульсов ученые соединили кристаллы для твердотельных лазеров

4.6

Ученые из РХТУ вместе с коллегами из Института общей физики имени А. М. Прохорова РАН, Курчатовского института и НИИ «Полюс» работают над созданием систем охлаждения твердотельных лазеров, используемых в медицине, косметологии и других областях. Исследователи разрабатывают технологию надежного соединения двух кристаллов и предлагают использовать для этого фемтосекундную лазерную сварку.

Самая точная сварка: с помощью фемтосекундных световых импульсов ученые соединили кристаллы для твердотельных лазеров / ©Getty images

В недавней работе в журнале Optics and Laser Technology они показали, что в месте образования сварных швов после воздействия интенсивных световых импульсов появляются наноразмерные аморфные области, которые служат мостиками, надежно соединяющими отдельные кристаллы. Эту же технологию можно применять для соединения самых разных материалов.

Твердотельные лазеры на кристаллах алюмо-иттриевого граната с примесями ионов неодима (Nd:YAG) активно используют в разных областях: косметологии, медицине, научных исследованиях, промышленности и даже оборонном комплексе — например, для лазерных видоискателей. Основная слабость этой технологии — это тепло, которое выделяется из активной среды лазера при его работе. Нагрев может привести к деформации самого кристалла (активной среды) и ухудшению качества лазерного пучка. Поэтому лишнее тепло необходимо отводить с помощью охлаждающих элементов.

Сварной шов, сформированный фемтосекундным лазером. с1, с2 – кристаллы Nd:YAG,
a* – аморфные мостики, скрепляющие кристаллы. Изображение получено на просвечивающем электронном микроскопе высокого разрешения / ©Optics&Laser Technologies / Elsevier

В качестве теплоотвода можно использовать точно такой же кристалл, присоединить который к материалу активной среды можно разными способами. Сейчас чаще всего используют диффузионный контакт, в котором кристаллы скрепляются за счет притяжения атомов друг к другу. Но эта технология требует высочайшего качества поверхности, а оно не всегда достижимо, особенно для мелких деталей, например, оптоволокна.

Другие варианты соединения — склеивание и пайка — обеспечивают прочность, но не гарантируют однородности шва. Из-за наличия постороннего вещества прочность такого соединения может быть непредсказуема под нагрузкой или при изменении температур.

Перспективный вариант — это лазерная сварка, для которой используют уже другой лазер — фемтосекундный. Он разогревает материал, размягчает его и образуется сварной шов. При этом с использованием фемтосекундного лазера зона нагрева может располагаться не только на поверхности материала, но и в его глубине, а тепло фокусируется так точно, что не повреждает материал вокруг шва. Это позволяет создать плотное, прочное и термостойкое соединение: в перспективе данную технологию можно использовать даже в условиях открытого космоса — например, при создании лазеров прямо на орбите.

«С помощью фемтосекундного лазера можно сваривать стекла между собой, стекло и металл, стекло и кремний, а мы впервые попробовали соединить лазерной сваркой два кристалла Nd:YAG и результаты этих экспериментов оказались поразительными», — говорит сотрудник кафедры химической технологии стекла и ситаллов РХТУ и первый автор статьи, Татьяна Липатьева.

А — общая схема эксперимента, фемтосекундный лазерный луч фокусируется на границе контакта кристаллов и выжигает сварной шов. Б, В — схемы нанесения швов в разных экспериментах / ©Optics&Laser Technologies / Elsevier

«Монокристаллы Nd:YAG вырастили и отполировали наши коллеги из НИИ «Полюс» имени М. Ф. Стельмаха. Специальных операций высокоточной полировки вроде ионного травления не проводилось, поэтому контакт двух пластинок составлял не более 70 процентов поверхности. Ведь наша задача была как раз в том, чтобы продемонстрировать возможности сварки для кристаллов с поверхностью после стандартной металлографической полировки», — поясняет Татьяна Липатьева.

В эксперименте использовали кристаллы толщиной один миллиметр, но разных размеров. Для изучения механической прочности сварного шва взяли пластинки 5х5 миллиметров, а для проверки надежности соединения под лазерной накачкой — кристаллы побольше, 30х12 мм. Образцы размещали попарно, один под другим, не используя дополнительного прижима, кроме естественной силы тяжести.

Пучок фемтосекундного лазера проходил через верхний кристалл и фокусировался на поверхности раздела двух пластин. Сварные швы формируются за счет перемещения образцов со скоростью 1 мм/с относительно лазерного луча. Для дальнейших испытаний прочности соединения швы наносили параллельно, а для проверки мощности лазера — в виде концентрических кругов. Расстояние между ними составляло 10 и 20 мкм, а ширина каждого шва равнялась три мкм, что обусловлено фокусирующей оптикой и тепловыми характеристиками кристалла.

«После лазерной сварки кристаллы отшлифовали и отполировали, чтобы сварное соединение оказалось на поверхности. Впервые в мире мы исследовали сварной шов фемтосекундного лазера с помощью электронной микроскопии высокого разрешения. Оказалось, что в месте сварки двух пластин Nd:YAG появляются точки аморфизации, где разрушается кристаллическая структура, и сварный шов представляет собой чередование аморфных наноплоскостей толщиной 80-90 нм, отделенных друг от друга кристаллическими областями протяженностью 400-450 нм. Причина возникновения этих аморфных областей нам пока до конца не ясна, но зато понятно, что именно они служат теми мостиками, которые соединяют кристаллы Nd:YAG», — рассказывает Татьяна Липатьева.

Ученые испытали образцы, скрепленные лазерными швами, на термостойкость, прочность и способность выдерживать энергии, необходимые для работы лазера. Даже при том, что швы занимали не более 10 процентов площади контакта, прочность соединения на сдвиг доходила до 110 МПа. Этого достаточно, чтобы выдерживать режим накачки кристаллов лазером. Прочность в перспективе можно повысить, увеличив плотность записи сварных швов и добавив стадию термообработки для снятия остаточных напряжений.

Для проверки термостойкости соединения кристаллы нагревали в электропечи до 1000 градусов Цельсия (температуры плавления кристалла) и остужали до комнатной температуры. На концах параллельных швов после этого этапа появились микротрещины, однако круговые и спиральные швы остались без изменений.

Наконец, чтобы проверить работоспособность подхода, необходимо было еще произвести лазерную накачку сваренных пластин, то есть ввести в образец энергию, сопоставимую с мощностью действующего Nd:YAG-лазера. Строго в центр круговых сварных швов сфокусировали лазерное излучение со средней мощностью 10 Вт. Образец в итоге выдержал нагрузку в 15 кВт/см2 — мощность накачки, превышающую обычно используемую для твердотельных лазеров Nd:YAG. Накачка лазером, как и нагрев до 1000 градусов Цельсия, не привела к разъединению кристаллов.

«Все проверки доказали, что предложенная нами методика подходит для создания охлаждающих элементов лазера. Но для меня самое ценное то, что мы смогли заглянуть внутрь сварного шва и увидели там аморфные наноплоскости. Таких экспериментов с алюмо-иттриевым гранатом до сих пор не проводил никто, и даже в нашей научной группе были сомнения, что с помощью фемтосекундного лазера можно локально аморфизовать кристалл, то есть получить вместо кристаллической решетки аморфный материал. Это открывает большие перспективы исследований: можно соединять различные материалы, а не только кристаллы, можно попробовать существенно уменьшить площадь сварного шва и проверить, будет ли работать технология для отдельных волокон, и так далее», — говорит Татьяна Липатьева. 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева — высшее учебное заведение в Москве, крупнейший учебный и научно-исследовательский центр в области химической технологии.
Вчера, 11:11
ТГУ

Ученые факультета физической культуры Томского государственного университета в рамках гранта, поддержанного РНФ, исследуют особенности механизма усвоения глюкозы при сахарном диабете второго типа. Для этого был организован масштабный четырехмесячный эксперимент на 240 мышах, подобного которому в мире еще никто не проводил. Животные с искусственно сформированным диабетом подвергались физической нагрузке. Установлено, что вечерние тренировки лучше снижали вес мышей мышей, а утренние – приводили к уменьшению уровня глюкозы. Предположительно, фактором, стимулирующим утилизацию глюкозы, выступил стресс. Ученые намерены проверить эту гипотезу.

8 часов назад
Илья Ведмеденко

В конце 2021 года российским ВКС передали два новых Су-57. О поставке первого серийного истребителя пятого поколения сообщили в 2020-м.

Вчера, 18:45
Александра Медведева

Снимки телескопа Hubble показали, что черная дыра в центре карликовой галактики Henize 2-10 создает звезды вместо того, чтобы их разрушать. Открытие может стать ключом к пониманию происхождения сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной.

Вчера, 11:11
ТГУ

Ученые факультета физической культуры Томского государственного университета в рамках гранта, поддержанного РНФ, исследуют особенности механизма усвоения глюкозы при сахарном диабете второго типа. Для этого был организован масштабный четырехмесячный эксперимент на 240 мышах, подобного которому в мире еще никто не проводил. Животные с искусственно сформированным диабетом подвергались физической нагрузке. Установлено, что вечерние тренировки лучше снижали вес мышей мышей, а утренние – приводили к уменьшению уровня глюкозы. Предположительно, фактором, стимулирующим утилизацию глюкозы, выступил стресс. Ученые намерены проверить эту гипотезу.

17 января
Сергей Васильев

Новые измерения свойств минерала из глубоких слоев мантии показали, что ядро планеты теряет тепло в полтора раза активнее, чем полагали до сих пор.

17 января
Илья Ведмеденко

Перспективный российский многоцелевой самолет «Байкал» оторвался от земли. Первый полноценный полет машина должна выполнить до конца января.

26.12.2021
Александр Березин

Российская тяжелая ракета имеет все шансы взлететь после Starship, хотя ее начали создавать на 20 лет раньше, да и по параметрам она радикально уступает детищу Илона Маска. Попробуем разобраться, почему любая попытка создать классическую ракету в наши дни — пустая трата времени и средств. А заодно дать ответ на вопрос, какую космическую ракету на самом деле стоит создавать России.

12 января
Алиса Гаджиева

Дополнительное исследование вулканических пород формации Кибиш в Эфиопии изменило датировку найденных там костей Homo sapiens.

Вчера, 11:11
ТГУ

Ученые факультета физической культуры Томского государственного университета в рамках гранта, поддержанного РНФ, исследуют особенности механизма усвоения глюкозы при сахарном диабете второго типа. Для этого был организован масштабный четырехмесячный эксперимент на 240 мышах, подобного которому в мире еще никто не проводил. Животные с искусственно сформированным диабетом подвергались физической нагрузке. Установлено, что вечерние тренировки лучше снижали вес мышей мышей, а утренние – приводили к уменьшению уровня глюкозы. Предположительно, фактором, стимулирующим утилизацию глюкозы, выступил стресс. Ученые намерены проверить эту гипотезу.

[miniorange_social_login]

Комментарии

1 Комментарий

-
0
+
Причина возникновения этих аморфных областей нам пока до конца не ясна, но зато понятно, что именно они служат теми мостиками, которые соединяют кристаллы Nd:YAG», — рассказывает Татьяна Липатьева. Эти наноплоскости, скорее всего, рез-т плавления кристаллической решетки свариваемых материалов, от действия лазера. Ведь при сваривании всегда идет расплавление, это вам любой мужик на стройке скажет.
Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: