चित्र 1: लेजर-प्रेरित क्षति तंत्र जो पल्स अवधि के पैमाने पर काफी भिन्न होते हैं। लंबी पल्स, जिनमें नैनोसेकंड अवधि वाली पल्स भी शामिल हैं, मुख्य रूप से थर्मल प्रभावों के माध्यम से नुकसान पहुंचाती हैं। जैसे ही नाड़ी की अवधि फेमटोसेकंड समय पैमाने तक कम हो जाती है, वाहक अवशोषण और गैर-रैखिक प्रभाव प्राथमिक क्षति तंत्र बन जाते हैं।
जैसे-जैसे लेज़र तकनीक का विकास जारी है, वैसे-वैसे प्रकाशिकी को भी उच्च परिशुद्धता अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक विशिष्टताओं को पूरा करना होगा। अल्ट्राफास्ट लेजर की शक्ति ने चिकित्सा प्रक्रियाओं, माइक्रोमशीनिंग, बुनियादी विज्ञान अनुसंधान और कई अन्य क्षेत्रों में क्रांति ला दी है। पहले नैनोसेकंड लेज़रों के वर्चस्व वाले उद्योगों और अनुप्रयोगों के लिए, अल्ट्राफास्ट लेज़रों को अपनाने से कई चुनौतियाँ सामने आती हैं, जिनमें ऑप्टिकल घटकों के लिए काफी भिन्न लेज़र क्षति सीमाएँ भी शामिल हैं। लेजर प्रणालियों की दक्षता और दीर्घायु सुनिश्चित करने के लिए, नैनोसेकंड और फेमटोसेकंड पल्स अवधि पर लेजर क्षति सीमा में अंतर और उनके कारणों को समझना महत्वपूर्ण है।
लेजर क्षति सीमा (एलडीटी), जिसे कभी-कभी लेजर-प्रेरित क्षति सीमा (एलआईडीटी) के रूप में जाना जाता है, किसी भी लेजर प्रणाली के लिए प्रकाशिकी का चयन करते समय मूल्यांकन किया जाने वाला एक प्रमुख पैरामीटर है। आईएसओ 21254 एलडीटी को "लेजर विकिरण की अधिकतम मात्रा" के रूप में परिभाषित करता है। एक ऑप्टिकल तत्व पर घटना जिसके बारे में माना जाता है कि इससे शून्य के तत्व को नुकसान पहुंचने की संभावना है..."। यह परिभाषा काफी सरल लगती है, लेकिन वास्तविक एलडीटी मान ऑप्टिकल तत्व की प्रकृति के अलावा कई कारकों पर निर्भर करता है। विशेष रूप से, किसी ऑप्टिकल तत्व का एलडीटी नैनोसेकंड (10-9s) बनाम फेमटोसेकंड (10-15s) पल्स अवधि पर मूल्यांकन करने पर परिमाण के कई आदेशों से भिन्न हो सकता है। यह बड़ा अंतर बहुत भिन्न लेजर क्षति तंत्रों से उत्पन्न होता है जो इन अलग-अलग समय के पैमाने पर होते हैं (चित्र 1 देखें)।
नैनोसेकंड लेजर क्षति तंत्र
फेमटोसेकंड पल्स के विपरीत, नैनोसेकंड लेजर की लंबी पल्स मुख्य रूप से थर्मल तंत्र के माध्यम से ऑप्टिकल घटकों को नुकसान पहुंचाती है। लेज़र ऑप्टिकल तत्व की सामग्री में बड़ी मात्रा में ऊर्जा जमा करता है, जो लेज़र घटना स्थल के भीतर स्थानीय हीटिंग को ट्रिगर करता है। यह ताप सीधे पिघलने की ओर ले जा सकता है, या यह थर्मल विस्तार और परिणामी यांत्रिक तनाव के माध्यम से कुछ संरचनात्मक परिवर्तन का कारण बन सकता है। यह तनाव दरार का कारण बन सकता है या सब्सट्रेट से कोटिंग को पूरी तरह अलग कर सकता है।
कोटिंग सामग्री के सीधे हीटिंग के अलावा, नैनोसेकंड लेजर विकिरण के तहत प्रकाशिकी कोटिंग के भीतर दोषों के प्रति विशेष रूप से संवेदनशील होते हैं। ये दोष ऑप्टिकल कोटिंग के भीतर छोटी बिजली की छड़ों की तरह काम करते हैं, क्योंकि उनकी अवशोषण दर अपने परिवेश की तुलना में बहुत अधिक होती है। परिणामस्वरूप, ये दोषपूर्ण क्षेत्र बहुत तेजी से गर्म हो जाते हैं, और भयावह लेजर क्षति की स्थिति में, ये दोष कोटिंग से बाहर निकल सकते हैं। यह भारी क्षति तंत्र आम तौर पर प्रकाशिकी की सतह पर गड्ढे छोड़ देता है, साथ ही कुछ कण भी होते हैं जो क्षति की घटना के तुरंत बाद सतह पर फिर से जमा हो जाते हैं (चित्र 2 देखें)।
चित्र 2: 532एनएम नैनोसेकंड स्पंदित लेजर द्वारा उत्पन्न लेजर क्षति। यह क्षति ऑप्टिकल तत्व की कोटिंग के भीतर एक दोष के कारण हुई थी, जिसके परिणामस्वरूप तत्व की सतह पर गड्ढे और कण पदार्थ फिर से जमा हो गए थे।
क्योंकि ये दोष साइटें लेजर क्षति की शुरुआत करती हैं, दोषों की उपस्थिति जितनी अधिक होगी, किसी दिए गए ऑप्टिकल तत्व के लिए एलडीटी उतना ही कम होगा। इसलिए, नैनोसेकंड लेजर के साथ उपयोग किए जाने वाले प्रकाशिकी के लिए, प्रकाशिकी की सतह की गुणवत्ता पर ध्यान केंद्रित किया जाता है। इसके अलावा, नैनोसेकंड समय पैमाने पर एलडीटी परीक्षण एक उच्च सांख्यिकीय प्रक्रिया है। ऑप्टिकल सतह पर किसी भी स्थान पर क्षति की संभावना कई संबंधित कारकों के कारण होती है, जिसमें घटना बीम का आकार, दोष स्थानों का वितरण और घनत्व और अंतर्निहित भौतिक गुण शामिल हैं। ये कई प्रभाव यह भी बताते हैं कि नैनोसेकंड एलडीटी मान एक ही कोटिंग के बैचों के बीच महत्वपूर्ण रूप से भिन्न क्यों हो सकते हैं। एलडीटी सब्सट्रेट पॉलिशिंग और तैयारी में विसंगतियों, वास्तविक कोटिंग जमाव प्रक्रिया में उतार-चढ़ाव और यहां तक कि कोटिंग के बाद भंडारण की स्थिति में बदलाव से प्रभावित हो सकता है।
नैनोसेकंड एलडीटी पर विभिन्न प्रभाव फेमटोसेकंड लेजर क्षति के लिए जिम्मेदार मुख्य तंत्र के विपरीत हैं, जो मुख्य रूप से लागू कोटिंग सामग्री से संबंधित है।
फेमटोसेकंड लेजर क्षति तंत्र
फेमटोसेकंड लेज़रों की अल्ट्राफास्ट पल्स विभिन्न तंत्रों के माध्यम से नुकसान पहुंचाती हैं, आंशिक रूप से उनके द्वारा उत्पादित बहुत उच्च शिखर शक्ति के कारण। भले ही नैनोसेकंड और फेमटोसेकंड लेजर में समान पल्स ऊर्जा होती है, फेमटोसेकंड लेजर की छोटी पल्स अवधि के कारण फेमटोसेकंड लेजर पल्स की चरम शक्ति नैनोसेकंड लेजर की तुलना में लगभग दस लाख गुना अधिक हो सकती है। ये उच्च तीव्रता वाले लेजर पल्स वैलेंस बैंड से कंडक्शन बैंड तक सीधे इलेक्ट्रॉनों को उत्तेजित करने में सक्षम हैं। भले ही घटना लेजर पल्स की फोटॉन ऊर्जा इस छलांग (मटेरियल बैंड गैप के रूप में जानी जाती है) से कम है, अल्ट्राफास्ट लेजर पल्स का चरम प्रवाह इतना अधिक है कि इलेक्ट्रॉन एक समय में एक से अधिक फोटॉन को अवशोषित कर सकते हैं। इस नॉनलाइनियर तंत्र को मल्टीफोटोन आयनीकरण के रूप में जाना जाता है और यह अल्ट्राफास्ट लेजर ऑप्टिक्स में एक सामान्य क्षति मार्ग है।
फेमटोसेकंड लेजर विकिरण में टनलिंग आयनीकरण भी एक क्षति मार्ग हो सकता है। यह घटना तब होती है जब अल्ट्राफास्ट लेजर पल्स एक बहुत मजबूत विद्युत क्षेत्र उत्पन्न करता है जो इतना मजबूत होता है कि घटना विद्युत क्षेत्र वास्तव में चालन बैंड में ऊर्जा को विकृत कर देता है, जो इलेक्ट्रॉनों को वैलेंस बैंड के माध्यम से सुरंग बनाने की अनुमति देता है। एक बार जब पर्याप्त इलेक्ट्रॉन चालन बैंड में उत्तेजित हो जाते हैं, तो आपतित विकिरण ऊर्जा को सीधे मुक्त इलेक्ट्रॉनों में जोड़ना शुरू कर देता है, जिसके परिणामस्वरूप कोटिंग सामग्री टूट जाती है।
इन क्षति मार्गों के कारण, फेमटोसेकंड एलडीटी नैनोसेकंड एलडीटी की तुलना में अधिक नियतात्मक है। लेजर क्षति अनिवार्य रूप से फेमटोसेकंड लेजर के एक निश्चित इनपुट प्रवाह पर "चालू" होती है, जो लेपित ढांकता हुआ कोटिंग सामग्री के बैंडगैप के लिए आनुपातिक है। यह नैनोसेकंड लेजर क्षति की संभाव्य प्रकृति के विपरीत है (चित्र 3 देखें)।
छवि चित्र 3: एलडीटी परीक्षण के परिणाम 4ns (बाएं) और 48fs (दाएं) पल्स स्थितियों पर प्राप्त हुए। नैनोसेकंड क्षति वक्र का सपाट ढलान माप की संभाव्य प्रकृति को दर्शाता है, जबकि 100% क्षति संभावना की ओर तेज बदलाव फेमटोसेकंड लेजर क्षति के नियतात्मक तंत्र को दर्शाता है।
नैनोसेकंड लेजर क्षति मार्ग के विपरीत, यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि थर्मल प्रभाव फेमटोसेकंड समय पैमाने पर एक ऑप्टिकल तत्व के एलडीटी को प्रभावित नहीं करते हैं। ऐसा इसलिए है क्योंकि अल्ट्राफास्ट लेजर पल्स की अवधि वास्तव में तेज है सामग्री संरचना के भीतर थर्मल प्रसार का समय पैमाना। परिणामस्वरूप, फेमटोसेकंड पल्स कोटिंग सामग्री में गर्मी के रूप में ऊर्जा जमा नहीं करते हैं, और इसलिए नैनोसेकंड लेजर पल्स की तरह थर्मल विस्तार और यांत्रिक तनाव उत्पन्न नहीं करते हैं। इन सटीक कारणों से, अल्ट्राफास्ट लेजर कई अनुप्रयोगों में बेहद फायदेमंद होते हैं जिनके लिए उच्च परिशुद्धता काटने और अंकन की आवश्यकता होती है, जैसे कि कार्डियोवस्कुलर स्टेंट के निर्माण में।
सही प्रकाशिकी का चयन
उनकी पल्स अवधि की तरह, नैनोसेकंड और फेमटोसेकंड पल्स के लिए विशिष्ट एलडीटी मान परिमाण के कई आदेशों से भिन्न हो सकते हैं। जब 100 एफएस पल्स के साथ मापा जाता है, तो एक साधारण लेजर दर्पण का एलडीटी मान लगभग 0.2 जे/सेमी2 हो सकता है; हालाँकि, जब 5 एनएस पल्स के साथ मापा जाता है, तो ऑप्टिक का एलडीटी 10 जे/सेमी2 के करीब हो सकता है। ये अलग-अलग मूल्य पहली बार में चिंताजनक हो सकते हैं, लेकिन वे इन समय के पैमाने पर क्षति के बहुत अलग तंत्र का संकेत मात्र हैं।
इसी कारण से, बड़े समय के पैमाने पर एलडीटी कैलकुलेटर का उपयोग करते समय अतिरिक्त सावधानी बरतनी चाहिए। सामान्य तौर पर, पल्स अवधि बढ़ने पर एलडीटी बड़ा हो जाता है। लेकिन अनुकूलित फेमटोसेकंड दालों से अनुकूलित नैनोसेकंड दालों में, या अनुकूलित नैनोसेकंड दालों से अनुकूलित फेमटोसेकंड दालों में एलडीटी मान को समायोजित करने से प्रकाशिकी को नुकसान होने की संभावना है। उचित एलडीटी रेटिंग के साथ एक ऑप्टिक का चयन करना सबसे अच्छा अभ्यास है जो आपके वास्तविक अनुप्रयोग स्थितियों (तरंग दैर्ध्य, पुनरावृत्ति आवृत्ति और पल्स अवधि सहित) के जितना संभव हो उतना करीब प्राप्त किया जाता है।
सारांश
अधिक परिशुद्धता की आवश्यकता को पूरा करने के लिए लेजर तकनीक का विकास जारी रहेगा। जैसे-जैसे ये नई प्रौद्योगिकियाँ आकार लेती हैं, वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों के लिए सही प्रकाशिकी का चयन करने में लेजर क्षति तंत्र (और कौन सी क्षति एक निश्चित समय के पैमाने पर हावी होती है) में अंतर को समझना तेजी से महत्वपूर्ण हो जाएगा। इन अंतरों को समझने से न केवल उपयोग में आने वाली लेजर प्रणालियों की दक्षता और जीवनकाल में सुधार होगा, बल्कि भविष्य की अधिक उन्नत लेजर प्रणालियों के लिए निर्बाध अनुकूलन की भी अनुमति मिलेगी।
