यूवी लेजर ऑप्टिक्स का जीवनकाल दो मुख्य कारणों से सीमित होता है: लेजर-प्रेरित संदूषण (एलआईसी) और यूवी थकान। एलआईसी ऑप्टिक की सतह पर अवांछित सामग्रियों के जमाव के कारण होता है, जबकि यूवी थकान संचयी के कारण होता है यूवी प्रकाश के संपर्क में आने से ऑप्टिक को नुकसान होता है। ये दो क्षति प्रक्रियाएं समय के साथ ऑप्टिकल तत्व के प्रदर्शन को खराब कर देती हैं जब तक कि अपरिवर्तनीय क्षति न हो जाए।
विभिन्न वातावरणों में उपयोग किए जाने वाले 355 एनएम यूवी लेजर ऑप्टिक्स पर दीर्घकालिक प्रयोगों से संदूषण और थकान के स्रोतों के साथ-साथ शमन रणनीतियों और सफाई तकनीकों में महत्वपूर्ण अंतर्दृष्टि का पता चला है जो दूषित ऑप्टिक्स को बहाल कर सकते हैं।
लेजर-प्रेरित संदूषण (एलआईसी) क्या है
ऑप्टिकल तत्वों का संदूषण तब हो सकता है जब यूवी लेजर प्रकाश सिस्टम में कणों, जल वाष्प, कार्बनिक पदार्थों और अन्य दूषित पदार्थों के साथ संपर्क करता है। ये संदूषक परिवेशी वायु, ऑप्टोमैकेनिकल उपकरण और सिस्टम में अन्य सामग्रियों से आ सकते हैं। यद्यपि शुष्क नाइट्रोजन के साथ वातन जैसी शमन विधियाँ मदद करती हैं, फिर भी वे एलआईसी को जन्म दे सकती हैं। कण पदार्थ का कोई भी निर्माण ऑप्टिकल पथ को अस्पष्ट कर सकता है, घटक फ़ंक्शन को ख़राब कर सकता है, और संभवतः प्रकाशिकी की लेजर क्षति सीमा को कम कर सकता है।
कम तापीय चालकता के कारण अक्सर ऑप्टिकल सतहों पर संघनन होता है। ये संघनित पानी के अणु एलआईसी को आरंभ करने के लिए लेजर और सतह सामग्री के साथ बातचीत कर सकते हैं। इसके अलावा, गैस उत्सर्जन और अन्य वायुजनित आणविक संदूषक अक्सर ऑप्टिकल सतहों पर कार्बन-आधारित जमा का कारण बनते हैं। एलआईसी की वृक्ष-जैसी वृद्धि चित्र 1 में देखी जा सकती है।
2005 में किए गए शोध में एलआईसी की ओर ले जाने वाले विभिन्न लेजर इंटरैक्शन का विस्तार से वर्णन किया गया है। उदाहरण के लिए, प्रकाश-प्रेरित प्री-न्यूक्लिएशन में कांच की सतह के साथ यूवी प्रकाश की सीधी बातचीत के कारण निर्मित एक आणविक परत शामिल होती है। पर्याप्त लंबे एक्सपोज़र के बाद, इस बिल्डअप का घनत्व संतृप्त स्तर पर दिखाया गया था।
आसपास की गैसों के साथ संपर्क से भी संदूषकों का जमाव हो सकता है। 400 नैनोमीटर से छोटी यूवी तरंग दैर्ध्य पर फोटॉन ऊर्जाएं सामान्य अणुओं (जैसे, O2, CO2, CO, N2, आदि) की बंधन ऊर्जा के करीब पहुंचने लगती हैं। यह यूवी प्रकाश को इनमें से कुछ बंधनों को तोड़ने की अनुमति देता है, जिससे अन्य आयन और अणु बनते हैं जो ऑप्टिकल सतहों को दूषित कर सकते हैं।
यूवी थकान क्या है?
पर्यावरण से प्रेरित एलआईसी के अलावा, कोटिंग्स और सब्सट्रेट्स के लिए उपयोग की जाने वाली सामग्री ऑप्टिकल थकान की प्रक्रिया के कारण समय के साथ गिरावट के लिए अतिसंवेदनशील होती है, भले ही प्रकाश स्रोत की तीव्रता लेजर प्रेरित क्षति सीमा (एलआईडीटी) से कम हो।
यूवी थकान की अवधारणा की तुलना किसी किताब को बांधने से की जा सकती है। यहां तक कि हल्के उपयोग से भी टूट-फूट हो सकती है। एडमंड ऑप्टिक्स द्वारा किए गए यूवी थकान प्रयोगों से पता चला है कि कुछ शर्तों के तहत, जैसे वैक्यूम, यूवी लेजर विकिरण से यूवी थकान प्रभाव हो सकता है। एलआईसी और यूवी थकान के बीच विशिष्ट विशेषता यह है कि एलआईसी एक संचयी प्रक्रिया है, जबकि थकान का विनाश है सामग्री, जिसके परिणामस्वरूप मलिनकिरण या अन्य आंतरिक परिवर्तन होते हैं, और संभवतः सामग्री को हटा भी दिया जाता है।
दो घटनाएं जो ऑप्टिकल प्रदर्शन में इस स्पष्ट कमी की स्थितियों और तंत्र को निर्धारित करती हैं, शॉर्ट-पल्स लेजर शासन में एकल-पल्स क्षति सीमा से नीचे हैं।
पहला तंत्र अपवर्तक सूचकांक के संशोधन पर आधारित है, जिससे लेंसिंग प्रभाव उत्पन्न होता है जो ऑप्टिकल तत्व पर स्थानीयकृत प्रकाश की तीव्रता को बढ़ा सकता है।
दूसरे तंत्र में स्व-फंसे एक्सिटॉन के गठन के माध्यम से ऑप्टिकली प्रेरित दोषों का निर्माण शामिल है, जिससे अवशोषण केंद्रों का संचय होता है और ऑप्टिकल प्रभावकारिता का नुकसान होता है।
एलआईसी और ऑप्टिकल थकान दोनों दृश्य और अवरक्त तरंग दैर्ध्य पर लेजर में हो सकते हैं, हालांकि कुछ हद तक। हालाँकि, यूवी फोटॉन की उच्च ऊर्जा इन प्रभावों को इस वर्णक्रमीय सीमा में उत्सर्जित प्रणालियों में अधिक सामान्य बनाती है।
रिसर्च फर्म मार्केटवॉच3 के अनुसार, यूवी लेजर बाजार हाल के वर्षों में तेजी से बढ़ा है और 2022 और 2028 के बीच 5.4% सीएजीआर होने की उम्मीद है। हाई-पावर यूवी लेजर प्रिंटिंग, मेडिसिन, माइक्रोफैब्रिकेशन, सेमीकंडक्टर प्रोसेसिंग और एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग सहित अनुप्रयोगों में एक प्रमुख तत्व बन गए हैं। एलआईसी और यूवी थकान के कारण समय के साथ इन प्रणालियों का प्रदर्शन खराब हो जाता है, जिससे उनके ऑप्टिकल घटकों के आवधिक प्रतिस्थापन की आवश्यकता होती है। इससे यूवी लेजर सिस्टम को बनाए रखने की लागत काफी बढ़ जाती है और सिस्टम दक्षता कम हो जाती है। सिस्टम की एलआईडीटी में कमी से लेजर-प्रेरित क्षति (चित्र 2) के कारण भयावह सिस्टम विफलता का खतरा भी बढ़ सकता है।
एलआईसी और यूवी थकान का विश्लेषण
प्रयोग यूवी लेजर सिस्टम में ऑप्टिकल घटकों की गिरावट प्रक्रिया का अनुकरण करने, संदूषण के संभावित स्रोतों की जांच करने और विभिन्न सुधारात्मक उपायों का पता लगाने में मदद करते हैं। ऐसे ही एक अध्ययन में, एलआईसी में परिवर्तन और यूवी लेजर विकिरण से प्रेरित ऑप्टिकल थकान का विश्लेषण करने के लिए एक {{0}}एनएम, 10- से 20-नैनोसेकंड स्पंदित लेजर का उपयोग करके प्रयोग किए गए थे। 0.6 मिलीजूल प्रति पल्स, 0.6 मिमी के बीम व्यास के साथ। इस परीक्षण बेंच का योजनाबद्ध आरेख चित्र 3 में दिखाया गया है।
बर्न-बॉक्स "दहन कक्ष" में कई एंटी-रिफ्लेक्टिव खिड़कियां होती हैं जो अनुकरण करती हैं कि यूवी लेजर सिस्टम कैसे प्रभावित होता है, जैसे कि बीम विस्तारक। बर्न-बॉक्स समानांतर में पृथक प्रयोगात्मक वातावरण निष्पादित करना संभव बनाता है। एक अर्ध-तरंग शीट और ध्रुवीकरण बीम स्प्लिटर क्यूब ने प्रयोग में प्रत्येक ऑप्टिकल पथ की औसत शक्ति को नियंत्रित करने की अनुमति दी। ऊर्जा मीटरों की एक मिलान जोड़ी ने औसत लेजर शक्ति को मापा। इसने परीक्षण किए गए प्रकाशिकी की थकान और/या संदूषण के समय ट्रांसमिशन गिरावट की निगरानी की।
चित्र 3. यूवी लेजर सिस्टम में ऑप्टिकल तत्वों के क्षरण का अनुकरण करने, संदूषण के संभावित स्रोतों की जांच करने और विभिन्न सुधारात्मक उपायों का पता लगाने के लिए विकसित यूवी एक्सपोज़र टेस्ट बेड का योजनाबद्ध आरेख। एआर: विरोधी-चिंतनशील खिड़की; एफएस: अनकोटेड फ्यूज्ड सिलिका विंडो; घंटा: अत्यधिक परावर्तक दर्पण; एचडब्ल्यूपी: हाफ-वेव प्लेट; पीबीसी: ध्रुवीकरण बीम स्प्लिटर क्यूब।
प्रयोग दैनिक और निरंतर माप के साथ किए गए। दैनिक माप में आवास को खोलना और चित्र 3 में दिखाए गए प्रत्येक माप स्थान पर एक ऊर्जा मीटर लगाना शामिल है, जिसमें वह स्थिति भी शामिल है जिसमें आमतौर पर बीम टिपर होता है, 3- मिनट के माप के लिए। निरंतर माप में दो ऊर्जा मीटरों को उस स्थिति के अलावा अन्य माप स्थितियों पर रखना शामिल होता है जिसमें आमतौर पर बीम टिपर होता है। ऊर्जा मीटरों ने अगले दैनिक माप तक हर 30 मिनट में औसत बिजली दर्ज की। एक पर्यावरण कक्ष विभिन्न स्थितियों, जैसे वैक्यूम स्थितियों या गैस की उपस्थिति के अलग-अलग प्रभावों की जांच की अनुमति देता है। प्रत्येक प्रयोग के अंत में, एक विभेदक हस्तक्षेप कंट्रास्ट माइक्रोस्कोप ने शोधकर्ताओं को खिड़की की सतह पर दूषित पदार्थों को देखने की अनुमति दी।
चित्र 4. यहां दिखाए गए पहले के पारदर्शी प्रकाशिकी पर अपारदर्शी सफेद संदूषण यूवी लेजर के संपर्क के बाद लेजर-प्रेरित संदूषण (एलआईसी) के कारण है। छवि क्रेडिट: एडमंड ऑप्टिक्स के सौजन्य से
सामान्य प्रायोगिक परिणाम
दहन कक्ष ने समानांतर अलगाव अध्ययन और बीम विस्तारक जैसे लेजर ऑप्टिक्स घटकों के अधिक यथार्थवादी सिमुलेशन की अनुमति दी। प्रारंभिक प्रयोगों से पता चला है कि थ्रेड स्नेहक, एनोडाइज्ड एल्यूमीनियम और नए विटॉन ओ-रिंग कई अन्य प्रकार की ऑप्टिकल असेंबली में यूवी सिस्टम में संदूषण के सामान्य स्रोत हैं। इन कारकों को हटाने से परीक्षण किए गए प्रकाशिकी के जीवन में सुधार हो सकता है।
विटन ओ-रिंग्स: नए, बिना खुले ओ-रिंग्स के साथ, दहन कक्ष की खिड़की का संप्रेषण परीक्षण के चार दिनों में कम होने लगा और सात दिनों के बाद पूरी तरह से अपारदर्शी हो गया। परीक्षण के बाद दूषित ऑप्टिकल सतहों पर एक दूधिया सफेद धुंध बन गई (चित्रा 4)। उपयोग से पहले ओ-रिंग्स को बेक करने से कुछ हद तक गैस निकलने से रोका गया, जिसके परिणामस्वरूप एक सप्ताह के बाद ट्रांसमिशन के पूर्ण नुकसान के बजाय पांच सप्ताह में ट्रांसमिशन में 6% की हानि हुई। ओ-रिंग्स को वैक्यूम में रखना या उन्हें स्वच्छ वातावरण में स्वतंत्र रूप से सांस लेने देना उन्हें पकाने जितना ही प्रभावी है।
एनोडाइज्ड एल्युमीनियम: एनोडाइज्ड सतहों में छिद्र होते हैं जो उपयोग के दौरान निकलने वाले प्रदूषकों को फंसा लेते हैं। इसके अलावा, एनोडाइज्ड सामग्री यूवी जोखिम के तहत प्रतिक्रियाशील हो सकती है।
स्टेनलेस स्टील: एनोडाइज्ड एल्यूमीनियम के बजाय साफ स्टेनलेस स्टील का उपयोग करने वाले प्रयोगों में सात सप्ताह के बाद महत्वपूर्ण गिरावट नहीं देखी गई।
इंडियम: इंडियम की फ़ॉइल सील ओ-रिंग्स की तुलना में यूवी थकान के लिए उच्च प्रतिरोध प्रदान करती है।
यह जांचने के लिए अतिरिक्त प्रयोग किए गए कि प्रकाशिकी का तापमान एलआईसी के विकास को कैसे बढ़ावा देता है, क्या दैनिक सफाई दूषित पदार्थों के निर्माण को रोकती है, और क्या सिस्टम पर शुष्क हवा बहने से कोई सकारात्मक प्रभाव पड़ता है। ये नए प्रयोग 355 एनएम यूवी एक्सपोज़र से आगे बढ़कर 266 एनएम तरंग दैर्ध्य परीक्षण की ओर बढ़ रहे हैं।
सारांश
यूवी थकान और एलआईसी को समझना और कम करना तेजी से महत्वपूर्ण हो जाएगा क्योंकि कई लेजर सिस्टम उच्च ऊर्जा और उच्च रिज़ॉल्यूशन का उपयोग करने के लिए छोटी तरंग दैर्ध्य की ओर बढ़ते हैं। 355 एनएम पर प्रायोगिक परिणामों से पता चला है कि यदि सिस्टम में पारंपरिक ओ-रिंग्स और एनोडाइज्ड एल्यूमीनियम का उपयोग किया जाता है तो एलआईसी एक सप्ताह में यूवी लेजर ऑप्टिक्स को पूरी तरह से अपारदर्शी बना सकता है। सौभाग्य से, ओ-रिंग्स को इंडियम सील्स से बदलकर, एनोडाइज्ड एल्यूमीनियम को स्टेनलेस स्टील से बदलकर और आसपास के वातावरण को यथासंभव स्वच्छ बनाकर इन प्रभावों को काफी कम किया जा सकता है। यूवी लेजर सिस्टम विकसित करते समय, लेख में वर्णित अनुसार अपने सिस्टम को एलआईसी और यूवी थकान के प्रति अधिक प्रतिरोधी कैसे बनाया जाए, यह जानने के लिए अपने ऑप्टिक्स आपूर्तिकर्ता से बात करें।
