3D Printed Monolithic Optomechanical Chassis for an Unbalanced Field-Widened Interferometer
यह शोध पत्र एक अनबैलेंस्ड फील्ड-वाइडन इंटरफेरोमीटर के लिए पूरी तरह से मोनोलिथिक ऑप्टोमैकेनिकल चेसिस प्रस्तुत करता है, जिसे पारंपरिक सबट्रैक्टिव विधियों की क्षमताओं से परे एम्बेडेड फीचर्स वाले एक कॉम्पैक्ट, हल्के डिज़ाइन को प्राप्त करने के लिए लेजर पाउडर बेड फ्यूजन एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग का उपयोग करके थर्मल रूप से स्थिर इनवार36 (Invar36) से निर्मित किया गया है।
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प्रकाश, जब विभाजित और पुनर्संयोजित होता है, तो ब्रह्मांड के गहरे रहस्यों को प्रकट कर सकता है, एक तारे की दूरी से लेकर एक एकल परमाणु की उपस्थिति तक। प्रकाश तरंगों का यह नाजुक नृत्य इंटरफेरोमीटर नामक उपकरणों पर निर्भर करता है, जो प्रकाश द्वारा तय की गई दूरी के सूक्ष्म अंतर को मापते हैं। काम करने के लिए, इन मशीनों को एक ऐसे फ्रेम की आवश्यकता होती है जो दर्पणों और लेंसों को पूर्ण स्थिरता के साथ थामे रखे। यदि कमरा गर्म होने के कारण फ्रेम एक बाल की चौड़ाई के अंश के बराबर भी फैलता है, या यदि किसी गुजरते हुए कदम से उसमें कंपन होता है, तो माप विफल हो जाता है। दशकों से, वैज्ञानिकों ने इन फ्रेम्स को भारी धातु के पुर्जों को आपस में जोड़कर बनाया है, जो एक विश्वसनीय लेकिन भारी और कठोर विधि है। जैसे-जैसे छोटे, अधिक संवेदनशील उपकरणों की आवश्यकता बढ़ रही है—विशेष रूप से क्वांटम तकनीक के लिए जो कंप्यूटिंग और सेंसिंग में क्रांति ला सकती है—इंजीनियर इन नाजुक फ्रेम्स को अलग तरह से बनाने का तरीका खोज रहे हैं, शायद उन्हें एक ही, ठोस टुकड़े के रूप में प्रिंट करके।
वाटरलू विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक जटिल ऑप्टिकल उपकरण के लिए पूरी तरह से प्रिंटेड चेसिस बनाकर इस लक्ष्य की ओर एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। कई अलग-अलग धातु के हिस्सों को जोड़ने के बजाय, उन्होंने एक उच्च-शक्ति वाले लेजर का उपयोग करके Invar36 नामक एक विशेष धातु मिश्र धातु की परतों को पिघलाया और जोड़ा, जिससे पूरी सहायक संरचना को एक बार में बनाया गया। इस मिश्र धातु को तापमान बदलने पर फैलने या सिकुड़ने का विरोध करने की इसकी अनूठी क्षमता के लिए चुना गया है, जो प्रकाश तरंगों को तालमेल में रखने के लिए आवश्यक गुण है। परिणामी वस्तु एक मोनोलिथिक, या एकल-टुकड़े का फ्रेम है जो दर्पणों को थामे रखता है और इसमें अंतर्निहित लचीले जोड़ (फ्लेक्सर्स) शामिल हैं, जो पेंचों या अलग माउंटों की आवश्यकता के बिना सटीक समायोजन की अनुमति देते हैं। यह दृष्टिकोण प्रदर्शित करता है कि एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग, जिसे अक्सर 3D प्रिंटिंग कहा जाता है, जटिल, उच्च-परिशुद्धता वाले ऑप्टिकल सिस्टम बना सकती है जो पारंपरिक तरीकों से बने उपकरणों की तुलना में हल्के और अधिक कॉम्पैक्ट होते हैं।
शोधकर्ताओं ने अपने उपकरण को एक विशिष्ट प्रकार के इंटरफेरोमीटर को रखने के लिए डिज़ाइन किया जिसे 'फील्ड-वाइडन्ड ऑफनर रिले' (field-widened Offner relay) कहा जाता है, जो कई अलग-अलग मोड वाली जटिल प्रकाश किरणों को संभालने में सक्षम है। एक पारंपरिक सेटअप में, इस उपकरण को अलग-अलग ब्रैकेट, पेंच और एडजस्टमेंट नॉब के एक बड़े संग्रह की आवश्यकता होगी, जो एक भारी और स्थान घेरने वाला संयोजन बनाता है। टीम का डिज़ाइन प्रकाश के पथ को एक तंग, कॉम्पैक्ट आकार में मोड़ देता है और माउंटिंग पॉइंट्स को सीधे धातु की संरचना में एकीकृत करता है। इसे संभव बनाने के लिए, उन्हें प्रिंटिंग प्रक्रिया की सीमाओं से जूझना पड़ा। धातु 3D प्रिंटिंग परतों के निर्माण द्वारा काम करती है, जिसका अर्थ है कि डिज़ाइन के कुछ हिस्से बिना सहारे के हवा में नहीं लटक सकते। टीम ने आंतरिक स्तंभों की एक श्रृंखला इंजीनियर की, जिन्हें उन्होंने "लोफ्ट आइलैंड्स" (Loft Islands) कहा, जो दर्पणों और लचीले जोड़ों को सहारा देने के लिए आधार से ऊपर बढ़ते हैं। ये स्तंभ वजन बचाने के लिए खोखले हैं और इन्हें ढलानों के साथ आकार दिया गया है ताकि प्रिंटिंग प्रक्रिया के दौरान धातु अपने वजन के नीचे ढह न जाए।
इस प्रयोग के लिए चुना गया पदार्थ, Invar36, एक निकल-आयरन मिश्र धातु है जो अपने अविश्वसनीय रूप से कम तापीय विस्तार के लिए जाना जाता है। सटीक ऑप्टिक्स की दुनिया में, तापमान में मामूली बदलाव भी धातु के फ्रेम को बढ़ा या सिकोड़ सकता है, जिससे प्रकाश का संरेखण बिगड़ जाता है। इस मिश्र धातु का उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने यह सुनिश्चित किया कि वातावरण के बदलने पर भी फ्रेम आयामी रूप से स्थिर रहे। उन्होंने पूरे चेसिस को, जिसमें नाजुक फ्लेक्सर जॉइंट्स भी शामिल थे, एक रेनिशв AM 400 मशीन पर एक लेजर का उपयोग करके प्रिंट किया जो परत दर परत धातु पाउडर को पिघलाता था। इस प्रक्रिया में लेजर की गति और पाउडर की परतों की मोटाई को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करना शामिल था ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि धातु कमजोर बिंदुओं या छिद्रों के बिना सही ढंग से जुड़ जाए। अंतिम प्रिंट धातु का एक एकल, ठोस ब्लॉक था जिसमें ऑप्टिकल माउंट और एडजस्टमेंट मैकेनिज्म को इसकी ज्यामिति में सीधे बनाया गया था, जिसके लिए केवल अस्थायी सपोर्ट संरचनाओं को हटाने और दर्पणों को सुरक्षित करने के लिए कुछ पेंचों को लगाने की आवश्यकता थी।
प्रिंटिंग पूरी होने के बाद, टीम ने परीक्षण किया कि नया चेसिस मानक, व्यावसायिक रूप से उपलब्ध ऑप्टिकल माउंट की तुलना में कैसा प्रदर्शन करता है। उन्होंने मापा कि उपकरण कितना कंपन करता है और समय के साथ इसमें कितना विचलन आता है। परिणामों ने दिखाया कि प्रिंटेड फ्लेक्सर्स आश्चर्यजनक रूप से लचीले थे, जो टूटने के बिना उम्मीद से अधिक हिलते थे, जिससे पता चला कि प्रिंटेड धातु के गुण आमतौर पर इंजीनियरिंग में उपयोग की जाने वाली ठोस धातु से थोड़े भिन्न थे। हालांकि, इस अतिरिक्त लचीलेपन के साथ एक समझौता भी आया: प्रिंटेड माउंट कम-आवृत्ति वाले कंपनों के प्रति अधिक संवेदनशील थे, जिससे प्रकाश थोड़ा अधिक डगमगाता था। इसे ठीक करने के लिए, शोधकर्ताओं ने लचीले हिस्सों के बीच छोटे, संपीड़ित डैम्पर्स (dampers) जोड़े, जिसने डगमगाहट को काफी कम कर दिया और स्थिरता को मानक उपकरणों के करीब ला दिया। बारह घंटों की अवधि में, प्रिंटेड डिवाइस क्षैतिज दिशा में लगभग पारंपरिक मानक जितना ही अपनी स्थिति बनाए रखने में सफल रहा, हालांकि कम सख्त संरचना पर गुरुत्वाकर्षण के खिंचाव के कारण इसने ऊर्ध्वाधर दिशा में थोड़ा अधिक विचलन दिखाया।
टीम ने यह देखने के लिए भी सिमुलेशन किया कि विभिन्न तापमान परिवर्तनों के तहत उपकरण कैसा व्यवहार करेगा और क्या आधार सामग्री का चुनाव मायने रखता है। उन्होंने उसी इनवार मिश्र धातु से बने बेस की तुलना स्टेनलेस स्टील और एल्युमीनियम से बने बेस से की। सिमुलेशन ने खुलासा किया कि बेस के लिए अलग धातु का उपयोग करने से गर्म या ठंडा होने पर पूरी संरचना मुड़ जाएगी और विस्थापित हो जाएगी, जिससे उपकरण की परिशुद्धता नष्ट हो जाएगी। केवल तभी जब बेस और बाकी संरचना एक ही कम-विस्तार वाले मिश्र धातु से बनी थी, सिस्टम स्थिर रहा। इसने पुष्टि की कि ऐसे नाजुक उपकरणों के लिए, पूरा फ्रेम उसी सामग्री का होना चाहिए जो गर्मी के प्रति एक ही तरह से प्रतिक्रिया करती है, अन्यथा उपकरण विफल हो जाएगा।
अंत में, शोधकर्ताओं ने एक लेजर को इसके माध्यम से प्रवाहित करके पूर्ण सिस्टम के ऑप्टिकल प्रदर्शन का परीक्षण किया। उन्होंने मापा कि प्रकाश तरंगें एक-दूसरे के साथ कितनी अच्छी तरह हस्तक्षेप (interfere) करती हैं, जो इस बात का प्रमुख संकेतक है कि दर्पण कितने संरेखित हैं। हालांकि प्रिंटेड डिवाइस ने लैब-निर्मित उपकरण जैसी पूर्ण स्पष्टता प्राप्त नहीं की, फिर भी इसने सरल और जटिल दोनों प्रकाश किरणों के साथ स्पष्ट इंटरफेरेंस पैटर्न सफलतापूर्वक उत्पन्न किए। इंटरफेरेंस की दृश्यता इतनी उच्च थी कि यह सिद्ध हो सके कि अवधारणा काम करती है, भले ही प्रिंट दोषपूर्ण था; प्रक्रिया के अंत में एक प्रिंटिंग त्रुटि ने एक सपोर्ट स्ट्रक्चर के ऊपरी हिस्से को अधूरा छोड़ दिया था, जिससे उसकी कठोरता और संरेखण परिशुद्धता थोड़ी कम हो गई। इस खामी के बावजूद, प्रयोग ने सिद्ध किया कि पूरी तरह से 3D प्रिंटेड, मोनोलिथिक ऑप्टिकल चेसिस एक व्यवहार्य मार्ग है। यह कस्टम, हल्के वजन के उपकरण बनाने का एक तरीका प्रदान करता है जो पारंपरिक मशीनिंग से बनाना कठिन या असंभव है, जिससे नए पीढ़ी के क्वांटम सेंसर और पोर्टेबल ऑप्टिकल उपकरणों के लिए दरवाजे खुलते हैं। यह कार्य सुझाव देता है कि प्रिंटिंग प्रक्रिया और लचीले जोड़ों के डिजाइन में और सुधार के साथ, ये 3D प्रिंटेड ऑप्टिकल सिस्टम भविष्य के सटीक विज्ञान के लिए एक मानक उपकरण बन सकते हैं।
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