Операндная высокоскоростная ближне‑инфракрасная визуализация во время лазерного спекания наночастиц для пространственно‑временных измерений температуры

Наблюдение за нагревом материалов в реальном времени

От деталей, напечатанных на 3D‑принтере, до электроники следующего поколения — многие передовые технологии используют лазеры для спекания мелких частиц в прочный массивный материал. Но в эти молниеносные моменты самая важная величина — реальная температура материала — чрезвычайно трудно измерима пространственно и временно. В этом исследовании представлен компактный оптический комплекс, способный регистрировать повышение и понижение температуры микроскопических участков менее чем за тысячную долю секунды, что открывает возможность лучшего управления процессом производства материалов высокой производительности.

Почему важны крошечные горячие зоны

Лазерное спекание работает за счёт фокусировки пучка на слое или таблетке порошка, в результате чего частицы нагреваются, слипаются и уплотняются в твердое тело. Особенно для полупроводниковых и оксидных наночастиц, таких как диоксид титана, итоговый размер зерен, пористость и даже трещины определяются точной температурной историей в масштабе всего нескольких миллисекунд и нескольких микрометров. Слишком низкая температура — материал остаётся пористым; слишком высокая или слишком длительное воздействие — возможны трещины или даже абляция. Обычные инфракрасные камеры часто лишены либо нужной скорости, либо пространственного разрешения, чтобы зафиксировать происходящее в этих крошечных горячих зонах, а термопары нельзя поместить прямо в активную область. Поэтому авторы обратились к ближнему инфракрасному излучению и высокоскоростной камере, чтобы отслеживать температуру без контакта с образцом.

Преобразование свечения в карты температуры

Любой горячий объект светится в инфракрасной области, и при высоких температурах, характерных для лазерного спекания, значительная часть этого излучения приходится на ближнюю инфракрасную область, чуть за пределами видимой красной части спектра. Команда модифицировала коммерчески доступную высокоскоростную камеру на кремниевом сенсоре, сняла встроенный фильтр и оснастила её микроскопическим объективом, оптимизированным для ближнего ИК. Длиннопропускающий фильтр блокирует видимый и ультрафиолетовый свет — включая сам лазер и любую флуоресценцию — так что камера регистрирует только тепловое излучение нагретого материала. Чтобы перевести яркость в реальную температуру, систему аккуратно откалибровали с использованием таблетки диоксида титана, нагреваемой на керамической пластине, при одновременном контроле температуры термопарой и пирометром. Подгоняя стандартное радиометрическое уравнение к этим данным, они получили калибровочную кривую, которая преобразует интенсивность каждого пикселя в температуру с точностью, подходящей для диапазона примерно 600 °C—900 °C на скоростях свыше тысячи кадров в секунду.

Приближение к быстрым и мелким горячим зонам

Микроскопические объективы обеспечивают пространственное разрешение лучше 10 микрометров — достаточно, чтобы различить примерно 9‑микрометровый лазерный пятно на таблетке. Тесты с калиброванной микроскопической линейкой показали, что элементы, удалённые всего на 10 микрометров, можно чётко различить, хотя камера наблюдает образец под углом 45 градусов. В то же время камера может записывать более тысячи полноформатных изображений в секунду и, при уменьшенном поле зрения, почти шестнадцать тысяч кадров в секунду. Эта комбинация позволила исследователям отслеживать эволюцию температуры горячей зоны во времени при изменении мощности лазера и длительности импульса в процессе резонансного ультрафиолетового лазерного спекания наночастиц диоксида титана.

Как тепло формирует конечный материал

С откалиброванной системой команда измеряла, как температура горячей зоны реагирует на лазерные импульсы различной мощности и длительности. Они обнаружили очень быстрое повышение температуры в течение первой миллисекунды воздействия, затем небольшое понижение до плато, которое сохранялось на протяжении оставшейся части импульса, и затем столь же быстрое охлаждение после выключения лазера. Регулируя мощность, можно было повысить или снизить уровень этого плато; изменяя длительность импульса — контролировать, как долго материал оставался горячим. В экспериментах с высокой мощностью оценочные скорости нагрева и охлаждения достигали миллионов градусов в секунду. Изображения, полученные сканирующим электронным микроскопом, показали, что эти температурно‑временные профили прямо коррелируют с микроструктурой: умеренные мощности давали почти полностью плотные участки, тогда как более высокие мощности вызывали появление пор, ряби и в конечном итоге трещин или даже признаков удаления материала. Пространственный масштаб уплотнения соответствовал области, испытавшей самые высокие измеренные температуры.

Новое окно в быстрое производство

Проще говоря, авторы создали высокоскоростной тепловой «микроскоп», который может наблюдать, как крошечный участок материала нагревается и охлаждается, когда лазер спекает наночастицы в твердое тело. Связывая эти детальные температурные «фильмы» с итоговой внутренней структурой, работа показывает, как производители могли бы настраивать мощность и длительность лазера как ручки, чтобы добиться желаемых свойств и одновременно избежать повреждений. Поскольку система компактна, собрана из готовых компонентов и работает при очень высоких температурах, её можно интегрировать в широкий спектр установок для лазерного производства и даже сочетать с рентгеновскими инструментами. В итоге этот подход приближает нас к производству материалов по индивидуальному заказу, структура которых формируется с миллисекундной и микрометровой точностью.

Цитирование: 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

Ключевые слова: лазерное спекание, ближне‑инфракрасная визуализация, высокоскоростная термография, наночастицы, аддитивное производство