टीईए लेजर
टीईए लेजर गैस लेजर है जो सामान्यतः वायुमंडलीय दबाव पर या उससे ऊपर गैस मिश्रण में उच्च वोल्टेज विद्युत निर्वहन द्वारा सक्रिय होता है। सबसे सामान्य प्रकार कार्बन डाइऑक्साइड लेजर और एक्साइमर लेजर होता हैं, अतः दोनों का उद्योग और अनुसंधान में बड़े पैमाने पर उपयोग किया जाता है। इस प्रकार नाइट्रोजन लेजर कम सामान्य होता हैं। संक्षिप्त नाम "टीईए" का अर्थ ट्रांसवर्सली एक्साइटेड एटमॉस्फेरिक है।
इतिहास
आविष्कार
कार्बन डाइऑक्साइड (CO2) टीईए लेजर का आविष्कार सन्न 1960 के दशक के अंत में कनाडा के क्यूबेक में डीआरडीसी वाल्कार्टियर में रक्षा अनुसंधान और विकास कनाडा में कार्य करने वाले जैक्स ब्यूलियू द्वारा किया गया था। इस प्रकार सन्न 1970 तक विकास को गुप्त रखा गया था, जब संक्षिप्त विवरण प्रकाशित किया गया था।
सन्न 1963 में, बेल टेलीफोन प्रयोगशालाओं में कार्यरत सी. कुमार एन. पटेल ने प्रथम बार कम दबाव वाले आरएफ-उत्तेजित CO2 गैस डिस्चार्ज से 10.6 µm पर लेजर आउटपुट का प्रदर्शन किया था। सामान्यतः नाइट्रोजन और हीलियम को जोड़ने और डीसी विद्युत निर्वहन का उपयोग करके, लगभग 100 डब्ल्यू की सीडब्ल्यू शक्तियां प्राप्त की गईं थी। अतः उच्च वोल्टेज का उपयोग करके डिस्चार्ज को स्पंदित करके, या घूमने वाले दर्पण का उपयोग करके क्यू-स्विचिंग करके, कुछ किलोवाट की पल्स शक्तियाँ व्यावहारिक सीमा के रूप में प्राप्त की जा सकती हैं।
उच्च शिखर शक्तियाँ केवल उत्तेजित CO2 अणुओं के घनत्व को बढ़ाकर ही प्राप्त की जा सकती हैं। इस प्रकार गैस की प्रति इकाई मात्रा में संग्रहीत ऊर्जा की क्षमता घनत्व और इस प्रकार गैस के दबाव के साथ रैखिक रूप से बढ़ती है, किन्तु गैस के टूटने और ऊपरी लेजर स्तरों में युगल ऊर्जा को प्राप्त करने के लिए आवश्यक वोल्टेज उसी दर से बढ़ती है। सामान्यतः बहुत अधिक वोल्टेज से बचने का व्यावहारिक समाधान यह था कि वोल्टेज को ऑप्टिकल अक्ष पर ट्रांसवर्सली पल्स किया जाए (न कि अनुदैर्ध्य रूप से जैसा कि कम दबाव वाले लेज़रों के स्थितियों में था), जिससे ब्रेकडाउन की दूरी कुछ सेंटीमीटर तक सीमित हो जाती थी। इसने कुछ दसियों केवी के प्रबंधनीय वोल्टेज के उपयोग की अनुमति दी जाती थी। इस आधार पर समस्या यह थी कि इन उच्च गैस दबावों पर चमक डिस्चार्ज को कैसे प्रारंभ और स्थिर किया जाता था, बिना डिस्चार्ज को उज्ज्वल उच्च-वर्तमान चाप में परिवर्तित करता था, और गैस की उपयोगी मात्रा पर इसे कैसे प्राप्त किया जाता था।
CO2 टीईए लेज़र
ब्यूलियू ने ट्रांसवर्सली-उत्तेजित वायुमंडलीय-दबाव CO2 लेजर की सूचना दी थी। इस प्रकार चाप निर्माण की समस्या का उनका समाधान कुछ सेंटीमीटर के पृथक्करण के साथ पिनों की रैखिक सरणी का सामना करने वाली संचालन पट्टी बनाना था। सामान्यतः पिनों को व्यक्तिगत रूप से प्रतिरोधकों से लोड किया गया था, जिससे प्रत्येक पिन से कम धारा वाले ब्रश या ग्लो डिस्चार्ज में डिस्चार्ज हो जाता था, जो बार की ओर फैल जाता था। लेज़र कैविटी ने श्रृंखला में इनमें से 100-200 डिस्चार्ज की जांच की जिससे लेज़र लाभ मिलता है। इस आधार पर तेज डिस्चार्ज संधारित्र तेजी से स्पार्क गैप या थाइरेट्रॉन का उपयोग करके लेजर इलेक्ट्रोड पर स्विच करता है जो उच्च वोल्टेज पल्स प्रदान करता है।
यह पहले "पिन-बार" टीईए लेज़र, जो प्रति सेकंड लगभग पल्स पर कार्य करते थे, चूँकि निर्माण में सरल और सस्ते थे। इस प्रकार वायुमंडलीय दबाव पर कार्य करके, समष्टि वैक्यूम और गैस-हैंडलिंग प्रणालियों से बचा जा सकता है। यदि उन्हें छोटे फोकल-लेंथ लेंस के साथ फोकस पर लाया जाता है तब वह कुछ 100 नैनोसेकंड अवधि की मेगावाट की चरम शक्ति का उत्पादन कर सकते हैं, जो ढांकता हुआ वायु को तोड़ने में सक्षम है। इस प्रकार खराब लाभ समरूपता, प्रतिरोधों और आकार में अपव्यय हानि थे।
पियर्सन और लैम्बर्टन
पहला सच्चा (गैर पिन-बार) टीईए लेजर बाल्डॉक में यूके एमओडी सर्विसेज इलेक्ट्रॉनिक रिसर्च लेबोरेटरी में कार्य करने वाले पियर्सन और लैम्बर्टन द्वारा साकार किया गया था। उन्होंने एक या दो सेंटीमीटर से भिन्न किए गए रोगोस्की-प्रोफाइल इलेक्ट्रोड की जोड़ी का उपयोग किया था। उनका दोहरा-निर्वहन किया गया जाइन ने डिस्चार्ज ऊर्जा के भाग को इलेक्ट्रोड के तरफ से समानांतर चलने और ऑफसेट करने वाले पतले तार से जोड़ा था। इसने गैस को पूर्व-आयनित करने का कार्य किया था जिसके परिणामस्वरूप समान वॉल्यूमेट्रिक चमक-निर्वहन हुआ। पूर्व-आयनीकरण के लिए समान महत्व की बात यह थी कि निर्वहन बहुत तेज होता था। ऊर्जा को तेजी से गैस में डालने से, उच्च-धारा वाले चापों को बनने का समय नहीं मिला था।
पियर्सन और लैम्बर्टन ने घटनाओं के अनुक्रम को सत्यापित करने के लिए स्ट्रीक कैमरा का उपयोग किया। जैसे ही वोल्टेज को इलेक्ट्रोडों पर खड़ा किया गया, पतले तार से क्षेत्र उत्सर्जन के परिणामस्वरूप उसके और एनोड के मध्य शीट डिस्चार्ज हो गया। चूंकि पश्चात् का मुख्य निर्वहन कैथोड से प्रारंभ हुआ, इसलिए यह सुझाव दिया गया कि फोटो उत्सर्जन आरंभिक तंत्र था। इसके पश्चात्, अन्य श्रमिकों ने पूर्व-आयनीकरण प्राप्त करने के लिए वैकल्पिक तरीकों का प्रदर्शन किया था। इनमें ढांकता हुआ पृथक तार और इलेक्ट्रोड, स्लाइडिंग स्पार्क एरे, इलेक्ट्रॉन बीम और संधारित्र से भरे पिन प्रतिबाधा सम्मिलित थे।
मूल पियर्सन-लैम्बरटन टीईए लेजर को डीसी बिजली आपूर्ति से प्रतिरोधक रूप से चार्ज किए गए संधारित्र को डिस्चार्ज करने वाले स्पार्क गैप के साथ स्विच करने पर प्रति सेकंड लगभग पल्स पर संचालित किया जा सकता है। इलेक्ट्रोड के मध्य गैस को प्रसारित करके, जो दोषरहित संधारित्र चार्जिंग का उपयोग कर रहा था और स्पार्क-गैप को थायरट्रॉन के साथ बदल रहा था, पश्चात् में टीईए लेजर के विभिन्न डिजाइनों के साथ प्रति सेकंड हजार पल्स से अधिक की पुनरावृत्ति दर प्राप्त की गई।
डबल-डिस्चार्ज विधि
स्थिर उच्च दबाव वाले गैस डिस्चार्ज को प्रारंभ करने के लिए आवश्यक डबल-डिस्चार्ज विधि का उपयोग वायुमंडलीय दबाव के नीचे और ऊपर दोनों स्थान किया जा सकता है, और इन उपकरणों को टीईए लेजर के रूप में भी संदर्भित किया जा सकता है। पराबैंगनी में कार्य करने वाले वाणिज्यिक एक्साइमर लेजर CO2 टीईए लेजर के समान ही डबल-डिस्चार्ज शासन का उपयोग करते हैं । क्रीप्टोण, आर्गन या क्सीनन क्लोराइड या हीलियम के साथ 2-3 दबाव वाले वायुमंडल में बफर्ड फ्लोराइड गैस का उपयोग करके, एक्साइमर लेजर पराबैंगनी लेजर प्रकाश के मेगावाट पल्स का उत्पादन कर सकते हैं।
सूक्ष्म निर्वहन विवरण
अधिकांश ओवर-वोल्टेज स्पार्क गैप में इलेक्ट्रॉनों का हिमस्खलन एनोड की ओर बढ़ता है। जैसे-जैसे इलेक्ट्रॉनों की संख्या बढ़ती है कूलम्ब का नियम कहता है कि क्षेत्र की ताकत भी बढ़ती है। शक्तिशाली क्षेत्र हिमस्खलन को तेज करता है। वोल्टेज का धीमा वृद्धि समय हिमस्खलन उत्पन्न करने से पहले इलेक्ट्रॉनों को एनोड की ओर बहने देता है। इलेक्ट्रोफिलिक अणु हिमस्खलन उत्पन्न करने से पहले इलेक्ट्रॉनों को पकड़ लेते हैं। थर्मल प्रभाव सजातीय डिस्चार्ज इलेक्ट्रॉन को अस्थिर कर देता है और आयन प्रसार इसे स्थिर कर देता है।
अनुप्रयोग
उत्पाद अंकन के लिए टीईए CO2 लेजर का बड़े पैमाने पर उपयोग किया जाता है। इस प्रकार जानकारी वाले मास्क के माध्यम से लेजर लाइट को पास करके और इसे उस तीव्रता पर केंद्रित करके विभिन्न पैकेजिंग सामग्रियों पर लोगो, सीरियल नंबर या सर्वोत्तम-पहले दिनांक को चिह्नित किया जाता है जो चिह्नित की जाने वाली सामग्री को भिन्न कर देता है। इसके अतिरिक्त सन्न 1990 के दशक के मध्य से औद्योगिक वातावरण में सतह की तैयारी के लिए टीईए CO2 लेजर का उपयोग किया जाता है। अनुप्रयोगों में सम्मिलित हैं:
- चयनात्मक या पूर्ण पेंट स्ट्रिपिंग, जिसे विमान रखरखाव या मरम्मत के क्षेत्र में चयनात्मक लेजर कोटिंग निष्कासन (एसएलसीआर) के रूप में जाना जाता है; इस चयनात्मक स्ट्रिपिंग प्रक्रिया को 2001 में ओईएम और विमान रखरखाव केंद्रों द्वारा पहली लेजर स्ट्रिपिंग प्रक्रिया के रूप में अनुमोदित किया गया था।
- पेंटिंग और चिपकाने के लिए सतहों की सक्रियता या सफाई।
- बॉन्डिंग या वेल्डिंग की तैयारी के रूप में संदूषण या कोटिंग परतों को हटाना।
- सांचों और औजारों की नि:शुल्क सफाई करें, जैसे। ऑटोमोटिव आंतरिक भागों के लिए खाल बनाने के लिए टायर मोल्ड या मोल्ड।
इस विशिष्ट लेज़र का लाभ CO2 विशिष्ट तरंग दैर्ध्य का संयोजन है, मुख्य रूप से 10.6 µm, लघु दालों के उच्च ऊर्जा स्तर (~2 μs) के साथ।
यह भी देखें
- नाइट्रोजन लेजर
संदर्भ
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