Monolithic Multifocal Diamond Metalens for High-Power Laser Systems
यह अध्ययन एक मोनोलिथिक मल्टीफोकल डायमंड मेटलेंस प्रस्तुत करता है जिसमें असाधारण तापीय स्थिरता और उच्च-शक्ति सहनशीलता है, जो पारंपरिक प्रणालियों की तुलना में तीव्र लेजर विकिरण के तहत फोकल परिशुद्धता बनाए रखने में श्रेष्ठ प्रदर्शन प्रदर्शित करता है, जिससे उच्च-शक्ति फोटोनिक अनुप्रयोगों के लिए ट्रांसमिसिव मेटा-ऑप्टिक्स की क्षमताओं का विस्तार होता है।
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कल्पना कीजिए कि आप एक पार्टी के लिए एक विशाल पिज्जा पकाने की कोशिश कर रहे हैं। आप एक छोटे से ओवन का उपयोग कर सकते हैं, लेकिन इसमें बहुत समय लगेगा। इसलिए, आप छोटे, सुपर-फास्ट ओवन के एक बेड़े (fleet) का उपयोग करने का निर्णय लेते हैं ताकि पूरे पिज्जा को एक साथ पकाया जा सके। यह उच्च-शक्ति लेजर प्रणालियों (high-power laser systems) का सपना है: एक एकल छेद जलाने के बजाय, वे काम को तेजी से करने के लिए एक साथ कई स्थानों को काटने, ड्रिल करने या वेल्ड करने का लक्ष्य रखते हैं। लेकिन यहाँ एक पेंच है: ये लेजर ओवन अविश्वसनीय रूप से गर्म हो जाते हैं। यदि आप एक मानक कांच के लेंस का उपयोग करके उस सारी ऊर्जा को केंद्रित करने की कोशिश करते हैं, तो कांच एक स्पंज की तरह व्यवहार करता है, गर्मी सोख लेता है, मुड़ जाता है और अंततः पिघल जाता है। यह बर्फ के टुकड़ों के जोड़े से एक ब्लोटॉर्च पकड़ने की कोशिश करने जैसा है; वे तापमान को झेल नहीं पाते। वैज्ञानिक एक ऐसे पदार्थ की तलाश में रहे हैं जो हीरे की तरह कठोर हो और धातु की तरह गर्मी फैलाने में सक्षम हो, ताकि वे ऐसे लेंस बना सकें जो अत्यधिक प्रकाश के दबाव में न पिघलें।
यहीं पर वेस्टलेक यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम और उनके सहयोगियों ने कदम रखा। उन्होंने दुनिया के सबसे कठोर पदार्थ: हीरे के एक सिंगल क्रिस्टल से एक लेंस बनाने का निर्णय लिया। लेकिन उन्होंने केवल एक साधारण आवर्धक कांच नहीं बनाया; उन्होंने एक "मेटालेंस" (metalens) इंजीनियर किया, जो एक सपाट, अत्यंत पतली सतह है और सूक्ष्म स्तंभों (microscopic pillars) से ढकी हुई है जो ट्रैफिक पुलिस की एक छोटी टीम की तरह काम करती है, जो प्रकाश की किरणों को ठीक वहीं निर्देशित करती हैं जहाँ उन्हें आवश्यकता होती है। टीम ने एक "मोनोलिथिक" (यानी एक ही ठोस टुकड़े से बना) हीरा लेंस बनाया जो एक शक्तिशाली लेजर को एक साथ दो बीमों में विभाजित कर सकता है। उन्होंने इसकी तुलना एक मानक वाणिज्यिक लेंस से की और पाया कि जबकि कांच का लेंस गर्म हुआ, मुड़ा और अपना फोकस खो दिया, हीरा लेंस ठंडा, स्थिर और स्पष्ट बना रहा। उन्होंने इसे एक ऐसे लेजर से भी उछाला जो 8.25 किलोवाट (kW) शक्तिशाली था, जिससे कांच का लेंस एक सेकंड में पिघल जाता, लेकिन हीरे ने जरा भी प्रतिक्रिया नहीं दी। यह कार्य बताता है कि हमारे पास अंततः ऐसे लेजर उपकरण बनाने का तरीका हो सकता है जो छोटे, सरल और औद्योगिक विनिर्माण के अत्यधिक ताप को संभालने के लिए पर्याप्त मजबूत हों।
एक न पिघलने वाले लेंस की कहानी
समस्या: पिघलता हुआ कांच
उच्च-शक्ति लेजर को शुद्ध ऊर्जा की एक नदी के रूप में सोचें। जब आप सिलिकॉन कार्बाइड (एक सुपर-हार्ड सिरेमिक जिसका उपयोग इलेक्ट्रॉनिक्स में किया जाता है) जैसी कठिन सामग्रियों को काटने की कोशिश करते हैं, तो आपको बहुत सारे पानी की—यानी ऊर्जा की—आवश्यकता होती है। लेकिन जब वह ऊर्जा एक लेंस से टकराती है, तो उसका कुछ हिस्सा गर्मी के रूप में अवशोषित हो जाता है। एक सामान्य कांच के लेंस में, यह गर्मी एक बंद केतली में भाप की तरह जमा होती जाती है। कांच फैलता है, मुड़ जाता है, और फोकस बिंदु भटक जाता है, जैसे कि पानी के पाइप के नोजल के मुड़ने के दौरान उसे निशाना लगाने की कोशिश करना। इसे ठीक करने के लिए, इंजीनियर आमतौर पर भारी दर्पणों और विशेष कांच के टुकड़ों को एक के ऊपर एक रखते हैं, लेकिन ये भारी होते हैं, इन्हें संरेखित करना कठिन होता है, और जब शक्ति बहुत अधिक हो जाती है तो ये संघर्ष भी करते हैं।
समाधान: डायमंड सुपर-लेंस
शोधकर्ताओं ने पूछा: "क्या होगा यदि हम लेंस को हीरे से बनाएं?" हीरा अपनी कठोरता के लिए प्रसिद्ध है, लेकिन यह थर्मल गुणों में भी एक सुपरस्टार है। यह सिलिकॉन कार्बाइड की तुलना में लगभग पांच गुना बेहतर तरीके से गर्मी का संचालन करता है और इसे इतनी तेजी से फैलाता है कि इसे जमा होने और मुड़ने का मौका ही नहीं मिलता। टीम ने 7.2 मिमी चौड़ा हीरा डिस्क (लगभग एक बड़े सिक्के के आकार का) तराशा और इसकी सतह पर हजारों छोटे, कटे हुए शंकु (truncated-cone) के स्तंभ उकेरे। ये स्तंभ इतने छोटे (500 नैनोमीटर चौड़े) हैं कि उन्हें देखने के लिए आपको सूक्ष्मदर्शी की आवश्यकता होगी, लेकिन वे प्रकाश के लिए एक परिष्कृत स्टीयरिंग व्हील की तरह कार्य करते हैं।
केवल एक बिंदु पर लेजर को केंद्रित करने के बजाय, यह "मल्टीफोकल" मेटालेंस बीम को दो अलग-अलग बिंदुओं में विभाजित करता है, जो 200 माइक्रोमीटर की दूरी पर स्थित हैं। यह लेजर को एक साथ दो रेखाएं काटने की अनुमति देता है, जिससे काम की गति दोगुनी हो जाती है। स्तंभों का आकार टेपर किया गया है (नीचे से चौड़ा, ऊपर से संकरा) ताकि प्रकाश बिना वापस उछले कुशलतापूर्वक गुजर सके, जिससे 90% ट्रांसमिशन दर प्राप्त होती है।
परीक्षण: गर्मी की लड़ाई
यह देखने के लिए कि क्या यह हीरा लेंस वास्तव में मजबूत था, टीम ने एक बीम-स्प्लिटर से लैस एक मानक वाणिज्यिक लेंस के खिलाफ इसे "डेथ मैच" में डाला। उन्होंने दोनों को एक घंटे तक 25-वाट के लेजर से उछाला।
- वाणिज्यिक लेंस: यह गर्म होना शुरू हो गया, जो 34.7°C बढ़ गया। जैसे-जैसे यह गर्म हुआ, इसका फोकस बेतहाशा भटक गया, जो 121.9 माइक्रोमीटर तक विस्थापित हो गया। जब उन्होंने इसका उपयोग सिलिकॉन कार्बाइड के नमूने में एक खांचा काटने के लिए किया, तो कट की गहराई नाटकीय रूप से बदल गई, जो 130.8 माइक्रोमीटर से 449.9 माइक्रोमीटर हो गई। यह एक ऐसे पेन के साथ लिखने की कोशिश करने जैसा था जिसका स्याही प्रवाह बार-बार बदलता रहता है।
- हीरा लेंस: यह मुश्किल से गर्म हुआ, केवल 9.0°C बढ़ा। क्योंकि यह ठंडा रहा, इसका फोकस केवल 25.5 माइक्रोमीटर तक ही विस्थापित हुआ। उसी सामग्री को काटते समय, कट की गहराई अविश्वसनीय रूप से सुसंगत रही, जिसमें केवल 33.2 माइक्रोमीटर का अंतर आया। यह एक लेजर स्कैल्पल की तरह था जिसने कभी अपनी पकड़ नहीं खोई।
अत्यधिक तनाव परीक्षण
लेकिन टीम यहीं नहीं रुकी। वे देखना चाहते थे कि क्या हीरा "न्यूक्लियर" स्तर की गर्मी को झेल सकता है। उन्होंने लेंस को 8.25 किलोवाट की शक्ति वाले निरंतर-तरंग (continuous-wave) लेजर के संपर्क में रखा। तुलना के लिए, उन्होंने टाइटेनियम डाइऑक्साइड से लेपित एक मानक कांच के लेंस का परीक्षण किया। कांच का लेंस एक सेकंड से भी कम समय में पिघल गया और विफल हो गया। हीरा लेंस? इसने बिना किसी दृश्य क्षति, बिना पिघले या बिना संरचनात्मक पतन के पूरे 30 सेकंड तक जीवित रहकर खुद को साबित किया।
उन्होंने यह भी मापा कि सामग्री को नुकसान पहुँचाने के लिए कितनी ऊर्जा की आवश्यकता होती है (लेजर-इंड्यूस्ड डैमेज थ्रेशोल्ड, या LIDT)। हीरा 2.45 जूल प्रति वर्ग सेंटीमीटर को सहन कर गया, जो सिलिकॉन कार्बाइड संदर्भ (0.65 J/cm²) की तुलना में लगभग चार गुना बेहतर है और वाणिज्यिक लेंस (0.2 J/cm²) की तुलना में बहुत श्रेष्ठ है।
इसका क्या अर्थ है
यह शोध पत्र केवल एक शानदार हीरा लेंस नहीं दिखाता है; यह सिद्ध करता है कि हम हीरे से बड़े, सपाट, ट्रांसमिसिव लेंस बना सकते हैं जो औद्योगिक लेजर की अत्यधिक गर्मी को संभाल सकते हैं। हीरे की कठोरता को मेटालेंस के स्मार्ट डिज़ाइन के साथ जोड़कर, शोधकर्ताओं ने एक ऐसा उपकरण बनाया है जो वर्तमान में उपलब्ध किसी भी चीज़ की तुलना में छोटा, सरल और बहुत अधिक स्थिर है। हालांकि अभी भी बहुत कुछ किया जाना बाकी है—जैसे लेंस के पीछे विशेष कोटिंग जोड़ना ताकि दूसरी तरफ से प्रकाश परावर्तित न हो—यह अध्ययन उच्च-शक्ति विनिर्माण के लिए एक नई पीढ़ी के लेजर सिस्टमों के द्वार खोलता है। यह सुझाव देता है कि उच्च-शक्ति विनिर्माण का भविष्य शायद हीरे में लिखा जाएगा।
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