التصوير القريب من تحت الحمراء عالي السرعة أثناء تلحيم الجسيمات النانوية بالليزر لقياسات درجة الحرارة المكانية والزمانية

مراقبة تسخين المواد في الزمن الحقيقي

من الأجزاء المعدنية المطبوعة ثلاثية الأبعاد إلى إلكترونيات الجيل القادم، تعتمد العديد من التقنيات المتقدمة على الليزر لدمج جزيئات صغيرة إلى مواد متماسكة ومتينة. لكن خلال هذه العمليات السريعة للغاية، كانت أهم كمية — درجة حرارة المادة الفعلية — صعبة القياس بشكل مكاني وزماني. تقدّم هذه الدراسة نظام تصوير مضغوط يمكنه رصد ارتفاع وانخفاض درجات الحرارة في بقع مجهرية خلال أقل من جزء من الألف من الثانية، ما يفتح الباب أمام تحكم أفضل في كيفية صناعة المواد عالية الأداء.

لماذا تهم البقع الحارة الصغيرة

يعمل التلحيم بالليزر بتركيز شعاع على سرير أو قرص من المسحوق بحيث تسخن الجسيمات وتندمج وتكتسب كثافة لتصبح مادة صلبة. بالنسبة للجسيمات النانوية لأشباه الموصلات والأكاسيد مثل ثاني أكسيد التيتانيوم، يتحكم تاريخ درجة الحرارة الدقيق خلال بضعة ميلي ثانية وعلى مقاييس ميكرومتر قليلة في حجم الحبيبات والفراغات وحتى الشقوق الناتجة. إذا كانت الحرارة غير كافية يبقى الهيكل مساميًا؛ وإذا كانت مرتفعة جدًا أو لفترة طويلة، فقد يتشقق أو حتى يتبخر. الكاميرات الحرارية التقليدية غالبًا ما تفتقر إما إلى السرعة أو الدقة المكانية لالتقاط ما يحدث في هذه البقع الصغيرة، ولا يمكن وضع الثرموقبلات مباشرة في المنطقة النشطة. لذلك لجأ المؤلفون إلى الضوء القريب من تحت الحمراء وكاميرا عالية السرعة لتتبع الحرارة دون ملامسة العينة.

تحويل التوهج إلى خرائط درجة حرارة

أي جسم ساخن يبعث ضوءًا في الطيف تحت الأحمر، وعند درجات الحرارة العالية ذات الصلة بتلحيم الليزر، يقع جزء كبير من هذا التوهج في نطاق القريب من تحت الحمراء، الذي يجاور الأحمر المرئي. عدّل الفريق كاميرا تجارية عالية السرعة قائمة على حساس سيليكون، نزعوا فلترها المدمج وزودوها بعدسة ميكروسكوبية محسّنة للضوء القريب من تحت الحمراء. يوقف فلتر طول موجي طويل الضوء المرئي والأشعة فوق البنفسجية — بما في ذلك شعاع الليزر نفسه وأي توهج فلوري — بحيث تسجل الكاميرا فقط الإشعاع الحراري من المادة المسخنة. لتحويل السطوع إلى درجة حرارة فعلية، قاموا بمعايرة النظام بعناية باستخدام قرص من ثاني أكسيد التيتانيوم مسخن على صفيحة خزفية، مع تتبع الحرارة بواسطة ثرموقبل وقياس حراري بالأشعة. من خلال ملاءمة معادلة إشعاعية معيارية على هذه البيانات، حصلوا على منحنى تحويل يحوّل شدة كل بكسل إلى درجة حرارة، بدقة مناسبة لدرجات حرارة تتراوح تقريبًا بين 600 °م و900 °م عند أكثر من ألف إطار في الثانية.

تكبير البقع الحارة الصغيرة والسريعة

توفر العدسات الميكروسكوبية دقة مكانية أفضل من 10 ميكرومترات — كافية لتفكيك بقعة الليزر البالغة نحو 9 ميكرومترات على القرص. أظهرت الاختبارات بمقياس دقيق معاير أن الميزات المفصولة بفواصل تبلغ 10 ميكرومترات فقط يمكن تمييزها بوضوح، على الرغم من أن الكاميرا تطل على العينة بزاوية 45 درجة. في الوقت نفسه، يمكن للكاميرا تسجيل أكثر من ألف صورة كاملة الإطار في الثانية، ومع حقل رؤية مخفض، ما يقرب من ستة عشر ألف صورة في الثانية. سمح هذا المزيج للباحثين بمراقبة تطور درجة حرارة البقعة مع الزمن أثناء تغيير كل من طاقة الليزر ومدة النبضة خلال تلحيم اليورف البنفسجي الرنان لجسيمات ثاني أكسيد التيتانيوم.

كيف تشكل الحرارة المادة النهائية

باستخدام النظام المعاير، قاس الفريق كيف تستجيب درجة حرارة البقعة النشطة لنبضات ليزر ذات قوى وأطوال مختلفة. وجدوا ارتفاعًا سريعًا جدًا في درجة الحرارة خلال المللي ثانية الأولى من التعرض، يليه انخفاض طفيف إلى هضبة تبقى لبقية النبضة، ثم تبريد سريع مماثل عند إيقاف الليزر. من خلال تعديل طاقة الليزر، أمكن رفع أو خفض درجة حرارة الهضبة؛ ومن خلال تغيير طول النبضة، أمكن التحكم في مدة بقاء المادة ساخنة. في تجارب الطاقة العالية، وصلت معدلات التسخين والتبريد المقدرة إلى ملايين الدرجات في الثانية. كشفت صور الماسح الإلكتروني للنقاط الملحومة أن هذه ملفات درجة الحرارة-الزمن ترتبط مباشرة بالميكروتركيب: أدت القوى المتوسطة إلى مناطق شبه مكتملة الكثافة، بينما أدت القوى الأعلى إلى مسام وتموجات وفي النهاية تشقق أو حتى علامات إزالة مادة. اتساع المنطقة المتماسكة طابق المنطقة التي شهدت أعلى درجات حرارة مقاسة.

نافذة جديدة على التصنيع السريع

بعبارات مبسطة، بنى المؤلفون «ميكروسكوبًا» حراريًا عالي السرعة يمكنه مشاهدة بقعة صغيرة من المادة تسخن وتبرد بينما يدمج الليزر الجسيمات النانوية إلى جسم صلب. من خلال ربط هذه أفلام درجات الحرارة المفصلة بالتركيب الداخلي النهائي، يوضح العمل كيف يمكن للمصنعين ضبط طاقة وتوقيت الليزر كأدوات لضبط الخصائص المطلوبة مع تجنب التلف. وبما أن النظام مضغوط ومبني من مكونات جاهزة ومتوافق مع درجات حرارة عالية جدًا، فيمكن دمجه في مجموعة واسعة من تجهيزات التصنيع المعتمدة على الليزر وحتى دمجه مع أجهزة أشعة إكس. في نهاية المطاف، يقربنا هذا النهج من تصنيع مواد مُفصّلة حسب الطلب تُشكَّل بدقة ميلي ثانية وميكرومتر.

الاستشهاد: Schulte, J., Schroer, M.A. & Winterer, M. Operando high speed near infrared imaging during laser sintering of nanoparticles for time and space resolved temperature measurements. Sci Rep 16, 8158 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37445-7

الكلمات المفتاحية: تلحيم بالليزر, التصوير القريب من تحت الحمراء, التصوير الحراري عالي السرعة, جسيمات نانوية, التصنيع الإضافي