Самая точная сварка: с помощью фемтосекундных световых импульсов ученые соединили кристаллы для твердотельных лазеров
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.
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.
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.
«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.
Telegram 
Дзен 
VK То, в каком порядке дети в одной семье появились на свет, оказалось связано с вероятностью развития самых разных заболеваний — от аллергии и гастрита до аутизма и СДВГ. Ученые составили наиболее полную на сегодня карту подобных связей, проанализировав данные более 10 миллионов человек.
Специалисты по поведению животных проверили, что важнее для кошки — голос ее котенка или место, откуда он доносится. Для этого 13 кошек-матерей слушали записи криков собственных и чужих котят, которые включали то возле их гнезда, то в другом месте. Голос своего детеныша заставлял самок реагировать, но оказался для них не главным ориентиром.
Когда заканчиваются догадки, начинается генетика. Ученые Сургутского государственного университета совместно с коллегами из Санкт-Петербурга доказали, что анализ ДНК методом полноэкзомного секвенирования способен найти генетические причины редких заболеваний там, где традиционная медицина остается бессильной. Такой способ помог установить причины заболеваний почти у каждого четвертого пациента с подозрением на наследственную патологию, а в перспективе может изменить подход к диагностике редких болезней не только в Югре, но и по всей России.
Американская компания Firebird официально запустила в городе Раздан крупный центр обработки данных и фабрику искусственного интеллекта. На сегодняшний день это самый масштабный технологический хаб подобного уровня в СНГ, а после завершения всех этапов строительства он войдет в пятерку самых мощных вычислительных кластеров в мире.
Американское Министерство войны продолжает публиковать документы и видеозаписи о наблюдении неопознанных летающих объектов. Как и ранее, происхождение объектов из наблюдений неясно, но достаточно очевидно, что как минимум часть из них не относятся к известным сегодняшней науке природным феноменам.
Британские экологи выяснили, что большинство людей не догадываются о вреде солнцезащитных кремов для Мирового океана. Обзор научной литературы и локальный уличный опрос наглядно продемонстрировали разрыв между реальными экологическими угрозами и повседневными привычками покупателей.
Долгое время считалось, что до прихода европейцев тропические леса Амазонии были заселены сравнительно плохо. Однако выяснилось, что плотная растительность скрывает большинство следов древних обществ. С помощью воздушного лазерного сканирования ученые обнаружили сотни неизвестных земляных сооружений и предположили, что около двух тысяч лет назад население юго-западной части Амазонии могло достигать трех миллионов человек.
Американская компания Firebird официально запустила в городе Раздан крупный центр обработки данных и фабрику искусственного интеллекта. На сегодняшний день это самый масштабный технологический хаб подобного уровня в СНГ, а после завершения всех этапов строительства он войдет в пятерку самых мощных вычислительных кластеров в мире.
Очереди на заправках стали привычным явлением в России, а на фоне информационного вакуума от властей о конкретных показателях производства бензина в июне население вынуждено ориентироваться на слухи. Все это выглядит довольно странно, но есть нюанс: скорее всего, кризис уже начинает выдыхаться. Как именно мы это выяснили?
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно