Уведомления
Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь, чтобы оценивать материалы, создавать записи и писать комментарии.
Авторизуясь, вы соглашаетесь с правилами пользования сайтом и даете согласие на обработку персональных данных.
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 Ученые десятилетиями ищут кости мамонтов, которые, по данным генетиков, могли дожить на материке до бронзового века. Очередная потенциальная находка с Аляски, считавшаяся остатками мамонтов, после проверки оказалась костями китов, умерших около двух тысяч лет назад.
На юге Африки ученые обнаружили коллекцию небольших каменных стрел. С виду — обычные артефакты древнего человека. Но современные технологии позволили выявить их смертельный секрет. Эти наконечники, которым почти 60 тысяч лет, сохранили следы яда. Авторы нового исследования пришли к выводу, что древние охотники стали использовать яды намного раньше, чем считала наука.
Польша может экстрадировать на Украину российского археолога, заведующего сектором археологии Северного Причерноморья в отделе Античного мира Эрмитажа Александра Бутягина. Соответствующее ходатайство направила прокуратура в Окружной суд Варшавы.
Загрязнение океана нефтью и пластиком — глобальная экологическая проблема, о которой давно говорят ученые. Оказалось, что эти два типа загрязнителей способны объединяться в гибридные образования, которые могут преодолевать тысячи километров по морским просторам.
В конце 2025 года СМИ рассказали нам, что «новая» российская орбитальная станция (РОС) будет состоять из модулей, летающих в космосе до 30 лет. «И так сойдет!»: новую российскую орбитальную станцию соберут из остатков МКС», «Отцепим старье от МКС и будем бесконечно чинить» — это не издание «Панорама», а абсолютно реальные заголовки российских СМИ. Печально, но сходную позицию занял и лучший космический журналист и расследователь современного мира Эрик Бергер. Он зашел настолько далеко, чтобы пожалеть, что Дмитрий Рогозин уже не возглавляет «Роскосмос». А вот у тех, кто знает тему, решения по РОС, заявленные официальными лицами в конце прошлого года, вызвали положительную реакцию. Почему?
Ученые опровергли представление о медленной химической реакции флоры на инфекции, выяснив, что растения передают сигнал тревоги стремительными электрическими импульсами. Оказалось, что для активации этой «нервной системы» используются не профильные противомикробные вещества, а гормоны, которые раньше считались ответственными исключительно за защиту от насекомых.
На скалистых берегах аргентинской Патагонии разворачивается настоящая драма. Магеллановы пингвины, долгое время чувствовавшие себя в безопасности на суше в своих многотысячных колониях, столкнулись с новым и беспощадным врагом. Их извечные морские страхи — касатки и морские леопарды — теперь блекнут перед угрозой, пришедшей из глубины материка. Виновник переполоха — грациозный и мощный хищник, недавно вернувшийся на эти земли после долгого изгнания.
Среди самых интригующих открытий космического телескопа «Джеймс Уэбб» — компактные объекты, получившие название «маленькие красные точки». Их видели только в самых дальних уголках Вселенной. Большинство возникло в первый миллиард лет после Большого взрыва, и ученые предполагали, что такие источники представляют собой небольшие компактные галактики. Однако международная команда астрономов пришла к иному выводу. Они предположили, что на самом деле «маленькие красные точки» — черные дыры, окруженные массивной газовой оболочкой.
У побережья Канады морские биологи стали свидетелями необычного случая. Косатки и дельфины объединили свои силы, чтобы вместе охотиться на тихоокеанского лосося. Они погружались в темные глубины, а после удачной охоты делились пищей. Это первое задокументированное охотничье сотрудничество между двумя видами морских млекопитающих.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
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