Effect of irradiation geometry and pulse duration on laser damage thresholds of films on transparent substrates
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि पारदर्शी सबस्ट्रेट्स पर पेंट की लेजर-प्रेरित क्षति सीमा (लेजर-इंड्यूस्ड डैमेज थ्रेशोल्ड) विकिरण ज्यामिति और पल्स अवधि से दृढ़तापूर्वक प्रभावित होती है, जो यह प्रकट करता है कि फ्रंट-साइड थर्मल एब्लेशन की तुलना में बैक-साइड इरेडिएशन के साथ फेमटोसेकंड पल्स, फोटोमैकेनिकल स्पैलेशन के माध्यम से कोटिंग हटाने के लिए एक निम्न-फ्लुएंस तंत्र प्रदान करता है।
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एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ किसी ऐतिहासिक खिड़की पर लगे पेंट की नाजुक परतों या सोलर पैनल पर लगी सटीक कोटिंग को प्रकाश की एक किरण से हटाया जा सकता है, जिससे नीचे का कांच बिना किसी नुकसान के बिल्कुल सुरक्षित रहता है। यह लेजर क्लीनिंग और प्रोसेसिंग का वादा है, एक ऐसी तकनीक जिसका उपयोग प्राचीन कलाकृतियों के संरक्षण से लेकर आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स के निर्माण तक में किया जाता है। हालाँकि, इसे करने के लिए प्रकाश ऊर्जा की सही मात्रा खोजना एक बहुत ही नाजुक संतुलन है। यदि बीम बहुत कमजोर है, तो कुछ नहीं होता; यदि यह बहुत अधिक शक्तिशाली है, तो कांच स्वयं टूट या बिखर सकता है। दशकों से, वैज्ञानिक जानते हैं कि लेजर किसी सतह से कैसे टकराता है, यह अत्यंत महत्वपूर्ण है। वे यह भी जानते हैं कि लेजर पल्स की लंबाई—प्रकाश के विस्फोट की एक सेकंड के बहुत छोटे हिस्से की अवधि—इस बात को बदल देती है कि सामग्री कैसे प्रतिक्रिया करती है। लेकिन इन कारकों के बीच कैसे परस्पर क्रिया होती, विशेष रूप से जब प्रकाश को सामने से पेंट पर मारने के बजाय पीछे से कांच के माध्यम से भेजा जाता है, इसके सटीक नियम कुछ हद तक अस्पष्ट रहे हैं।
अर्जेंटीना के 'सेंट्रो डी इन्वेस्टिगेशन्स ऑप्टिक्स' के शोधकर्ताओं ने इन नियमों को सटीकता के साथ मैप करने का लक्ष्य रखा। उन्होंने दो बहुत अलग प्रकार के पेंट पर ध्यान केंद्रित किया: एक काला, प्रकाश-अवशोषक पेंट और एक चमकदार, प्रकाश-परावर्तक एल्युमीनियम पेंट। दोनों को कांच की शीटों पर लगाया गया था। टीम ने इन नमूनों का परीक्षण दो प्रकार के लेजर पल्स का उपयोग करके किया: एक जो एक अरबवें सेकंड (नैनोसेकंड) तक रहता है और दूसरा जो इससे सौ लाख गुना छोटा, केवल एक क्वाड्रिलियनवें सेकंड (फेमटोसेकंड) तक रहता है। उन्होंने लेजर को निशाना बनाने के दो तरीके भी आजमाए: सीधे पेंट की ओर (फ्रंट-साइड) और कांच के माध्यम से पेंट की पिछली परत की ओर (बैक-साइड)। यह मापने के लिए कि पेंट ठीक कब टूटना या उखड़ना शुरू हुआ, उन्होंने दो चतुर पहचान विधियों का उपयोग किया। फ्रंट-साइड शॉट्स के लिए, उन्होंने पेंट की प्रतिक्रिया की आवाज़ सुनी, एक ऐसी तकनीक जो उन सूक्ष्म ध्वनिक शॉकवेव्स (acoustic shockwaves) को पकड़ती है जो सामग्री के नष्ट होने पर उत्पन्न होती हैं। बैक-साइड शॉट्स के लिए, जहाँ कांच द्वारा आवाज़ दब जाती है, उन्होंने क्षतिग्रस्त स्थानों की उच्च-रिज़ॉल्यूशन तस्वीरें लेने की एक नई विधि विकसित की ताकि सटीक रूप से मापा जा सके कि कितना पेंट प्रभावित हुआ है।
परिणामों ने पेंट को हटाने की सुगमता के संबंध में एक स्पष्ट और आश्चर्यजनक पदानुक्रम का खुलासा किया। हर मामले में, कांच के पीछे से लेजर को भेजने के लिए पेंट को नुकसान पहुँचाने के लिए सामने से सीधे मारने की तुलना में काफी कम ऊर्जा की आवश्यकता थी। यह तब भी हुआ जब पेंट काला था या चांदी जैसा चमकदार, और यह भी हुआ कि लेजर पल्स कितनी तेज़ थी। शोधकर्ताओं ने पाया कि जब प्रकाश पीछे से आता है, तो कांच एक कठोर दीवार की तरह कार्य करता है। जैसे ही पेंट उस इंटरफेस पर तेजी से गर्म होता है जहाँ वह कांच से मिलता है, वह फैलने की कोशिश करता है लेकिन एक ठोस आधार द्वारा रोका जाता है। यह घेराबंदी अत्यधिक दबाव पैदा करती है, जिससे पेंट छिलने या उखड़ने लगता है, जिसे 'स्पैलेशन' (spallation) कहा जाता है। यह यांत्रिक उत्थान उस ऊर्जा स्तर से कहीं नीचे होता है जो केवल सामने से पेंट को वाष्पित करने के लिए आवश्यक होता है। वास्तव में, इस बैक-साइड छिलने की सीमा (threshold) फ्रंट-साइड हटाने की सीमा से कम से कम दोगुनी कम थी।
लेजर पल्स की लंबाई ने भी एक निर्णायक भूमिका निभाई, लेकिन इसका प्रभाव इस बात पर निर्भर था कि प्रकाश सतह से कैसे टकराता है। अल्ट्रा-शॉर्ट फेमटोसेकंड पल्स का उपयोग करते समय, शोधकर्ताओं ने पाया कि पेंट के ऑप्टिकल गुण बिल्कुल मायने नहीं रखते थे। काले और चमकदार एल्युमीनियम पेंट दोनों को हटाने के लिए बिल्कुल समान ऊर्जा की आवश्यकता थी। ऐसा इसलिए है क्योंकि पल्स इतनी तेज़ है कि यह तुरंत सामग्री की सतह को आयनित (ionize) कर देती है, जिससे वह प्लाज्मा में बदल जाती है जो प्रकाश को समान रूप से अवशोषित करता है, चाहे पेंट मूल रूप से काला हो या चांदी जैसा। हालाँकि, लंबे नैनोसेकंड पल्स के साथ स्थिति बदल गई। काले पेंट को एल्युमीनियम पेंट की तुलना में हटाने के लिए लगभग तीस प्रतिशत कम ऊर्जा की आवश्यकता थी। इस धीमी प्रक्रिया में, प्रकाश को सामग्री के प्राकृतिक रंग के साथ अंतःक्रिया करने का समय मिल जाता है; काला पेंट ऊर्जा को कुशलतापूर्वक अवशोषित करता है, जबकि चमकदार एल्युमीनियम इसका अधिकांश हिस्सा परावर्तित कर देता है, जिससे समान परिणाम प्राप्त करने के लिए एक शक्तिशाली बीम की आवश्यकता होती है।
व्याविक अनुप्रयोगों के लिए शायद सबसे महत्वपूर्ण खोज बैक-साइड इरेडिएशन (irradiation) के साथ फेमटोसेकंड पल्स का संयोजन है। यह विशिष्ट सेटअप सभी में सबसे कम ऊर्जा सीमा प्रदान करता है, जो कांच को नुकसान पहुँचाए बिना कोटिंग्स को हटाने का एक अत्यधिक कुशल मार्ग प्रदान करता है। अध्ययन इस बात की पुष्टि करता है कि कांच के पीछे से अल्ट्रा-फास्ट पल्स के साथ प्रकाश भेजकर, एक कोटिंग की परतों को न्यूनतम ऊर्जा के साथ हटाया जा सकता है, जिससे उस थर्मल क्षति से बचा जा सकता है जो अक्सर धीमी या सामने से आने वाली विधियों में होती है। यह दृष्टिकोण उन उद्योगों के लिए एक सुरक्षित, अधिक सटीक उपकरण प्रदान करता है जिन्हें पारदर्शी सतहों को साफ करने या संशोधित करने की आवश्यकता होती है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि नाजुक आधार सुरक्षित रहे जबकि अवांछित फिल्म को साफ तरीके से हटा दिया जाए।
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