हाई पावर ब्लू सेमीकंडक्टर लेजर क्या है?

चमक और उच्च शक्ति वाले नीले सेमीकंडक्टर लेजरनई सीमाओं तक लगातार सुधार हो रहा है, जिससे अधिक और व्यापक अनुप्रयोग भी होंगे। कुशल धातु सामग्री प्रसंस्करण के अलावा, नीले अर्धचालक लेजर क्रॉस-सेक्टर अनुप्रयोगों की अपेक्षा करते हैं, विशेष रूप से मैकेनिकल इंजीनियरिंग क्षेत्र पानी के नीचे नीली रोशनी के साथ लेजर सामग्री प्रसंस्करण को सक्षम करेगा। विनिर्माण के लिए, यह निस्संदेह एक बड़ा लाभ है। इसके अलावा, प्रकाश उद्योग नीले अर्धचालक लेजर पर आधारित उच्च गुणवत्ता वाली प्रकाश तकनीक का भी उपयोग कर सकता है।

1. निकट-अवरक्त तरंग दैर्ध्य पर उच्च-शक्ति लेज़रों की सीमाएँ

पिछले कुछ दशकों में, उच्च-शक्ति सीडब्ल्यू लेजर आधुनिक विनिर्माण में एक आम उपकरण बन गए हैं, जो वेल्डिंग, क्लैडिंग, सतह उपचार, सख्त, ब्रेजिंग, कटिंग, 3 डी प्रिंटिंग और एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग जैसे अनुप्रयोगों को कवर करते हैं। उच्च-शक्ति निरंतर लेजर तकनीक का पहला विकास शिखर 2000 से पहले दिखाई दिया, जब एक उच्च-शक्ति 10.6μm तरंग दैर्ध्य कार्बन डाइऑक्साइड (CO2) लेजर और एक निकट-अवरक्त 1064 एनएम तरंग दैर्ध्य अर्धचालक-पंप एनडी: YAG ठोस-अवस्था लेजर विकसित किया गया था। हालाँकि, इसकी तरंग दैर्ध्य के कारण, कार्बन डाइऑक्साइड लेजर को ऑप्टिकल फाइबर के माध्यम से संचारित करना मुश्किल होता है, जो औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए कुछ कठिनाइयाँ पैदा करता है; जबकि सॉलिड-स्टेट लेज़र चमक और शक्ति प्रवर्धन क्षमताओं द्वारा सीमित होते हैं। 2000 के बाद, उच्च-शक्ति औद्योगिक फाइबर लेजर उच्च-चमक, उच्च-शक्ति लेजर के समाधान के रूप में उभरने लगे जिन्हें ऑप्टिकल फाइबर के माध्यम से वितरित किया जा सकता था। आज, फाइबर लेजर ने अधिकांश अनुप्रयोगों में CO2 लेजर का स्थान ले लिया है और कई औद्योगिक प्रसंस्करण अनुप्रयोगों में इसका प्रभावी ढंग से उपयोग किया गया है। विशेष रूप से हाल के वर्षों में, यह लेजर वेल्डिंग और कटिंग जैसे औद्योगिक लेजर की मुख्य शक्ति बन गया है, जिसमें कार्बन डाइऑक्साइड लेजर की तुलना में अधिक गति, दक्षता और विश्वसनीयता है।

हालाँकि, ये सीडब्ल्यू उच्च-शक्ति फाइबर लेजर आमतौर पर 1 माइक्रोमीटर के भीतर, निकट-अवरक्त (एनआईआर) तरंग दैर्ध्य पर काम करते हैं, जो कई अनुप्रयोगों के लिए ठीक है। उदाहरण के लिए, यह 50 प्रतिशत से अधिक अवशोषण दर वाले स्टील के प्रसंस्करण के लिए उपयुक्त है, लेकिन यह सीमित है क्योंकि कुछ धातुएँ अपनी सतहों पर 90 प्रतिशत या अधिक निकट-अवरक्त लेजर विकिरण को प्रतिबिंबित करती हैं। विशेष रूप से तांबे और सोने जैसी पीली धातुओं को निकट-अवरक्त लेजर के साथ वेल्डिंग करना, कम अवशोषण दर के कारण, इसका मतलब है कि वेल्डिंग प्रक्रिया शुरू करने के लिए बहुत अधिक लेजर शक्ति की आवश्यकता होती है। आम तौर पर दो लेजर वेल्डिंग प्रक्रियाएं होती हैं: चालन मोड वेल्डिंग (जहां सामग्री को आसानी से पिघलाया जाता है और फिर से प्रवाहित किया जाता है) और गहरी प्रवेश मोड वेल्डिंग (जहां लेजर धातु को वाष्पीकृत करता है और वाष्प दबाव एक गुहा या कीहोल बनाता है)। डीप पेनेट्रेशन मोड वेल्डिंग के परिणामस्वरूप धातु और धातु वाष्प के साथ लेजर बीम की कई अंतःक्रियाओं के कारण अत्यधिक अवशोषित लेजर बीम उत्पन्न होती है, क्योंकि यह सामग्री के माध्यम से यात्रा करती है। हालाँकि, निकट-अवरक्त लेजर के साथ कीहोल को सक्रिय करने के लिए काफी घटना लेजर तीव्रता की आवश्यकता होती है, खासकर अगर वेल्ड की जा रही सामग्री अत्यधिक परावर्तक हो। और एक बार कीहोल बनने के बाद, अवशोषण दर तेजी से बढ़ जाएगी, और पिघले हुए पूल में उच्च-शक्ति निकट-अवरक्त लेजर द्वारा उत्पन्न उच्च धातु वाष्प दबाव छींटे और सरंध्रता का कारण बनेगा, इसलिए लेजर शक्ति या वेल्डिंग गति की आवश्यकता होती है अत्यधिक स्पैटर को वेल्ड से बाहर निकलने से रोकने के लिए सावधानीपूर्वक नियंत्रित किया जाता है। प्रक्रिया गैस में धातु वाष्प और "बुलबुले" भी फंस सकते हैं क्योंकि पिघला हुआ पूल जम जाता है, जिससे वेल्ड जोड़ में सरंध्रता पैदा हो जाती है। इस तरह की सरंध्रता वेल्ड की ताकत को कमजोर कर देती है और संयुक्त प्रतिरोधकता को बढ़ा देती है, जिसके परिणामस्वरूप वेल्डेड जोड़ की गुणवत्ता कम हो जाती है। इसलिए, तांबे जैसी सामग्री को संसाधित करना एनआईआर लेजर बहुत चुनौतीपूर्ण है<5% absorption at 1 µm. In order to process these high-reflectivity materials better, methods such as increasing the laser absorption rate of the material by generating plasma on the processed material have been adopted. However, because these methods limit material processing to deep penetration processes, conduction mode welding cannot be used for thin materials, and there are inherent risks of sputtering and controlled energy deposition. Therefore, existing 1 µm laser systems have their limitations when processing highly reflective materials such as non-ferrous metals, as well as in underwater applications.

इन निकट-अवरक्त लेजर-नियंत्रित अनुप्रयोगों को विकसित करने के लिए, लोगों को नए लेजर प्रकाश स्रोतों पर शोध करना चाहिए। इसके अलावा, ग्रीनहाउस गैसों को कम करने के लिए, नई ऊर्जा वाहन गैसोलीन इंजन और आंतरिक दहन इंजन को इलेक्ट्रिक इंजन से बदल रहे हैं। इलेक्ट्रिक मोटरों, विशेष रूप से पावर बैटरियों के निर्माण में उपयोग किए जाने वाले तांबे की बड़ी मात्रा ने विश्वसनीय तांबा प्रसंस्करण समाधानों की भारी मांग पैदा की है, जबकि पवन टरबाइन जैसी अन्य नवीकरणीय ऊर्जा प्रणालियों में, अनुप्रयोगों की समान रूप से विस्तृत श्रृंखला है।

2. उच्च शक्ति वाले नीले लेज़र का जन्म

औद्योगिक लेजर प्रौद्योगिकी का विकास हमेशा उत्पादन प्रौद्योगिकी और नई सामाजिक आवश्यकताओं के रोडमैप के साथ विकसित किया गया है। पिछले 60 वर्षों में, डिजिटल अर्थव्यवस्था और समाज से लेकर टिकाऊ ऊर्जा, स्वस्थ जीवन तक, लेजर तकनीक ने मानव जाति के भविष्य में महत्वपूर्ण कार्यों को हल करने में महान योगदान दिया है। आज, लेज़र तकनीक हमारी अर्थव्यवस्था के कई मुख्य क्षेत्रों का एक अभिन्न अंग है, उत्पादन तकनीक से लेकर ऑटोमोटिव इंजीनियरिंग, चिकित्सा प्रौद्योगिकी, माप और पर्यावरण प्रौद्योगिकी और सूचना और संचार प्रौद्योगिकी तक। जैसे-जैसे धातु प्रसंस्करण प्रौद्योगिकी आगे बढ़ रही है और उपयोगकर्ता की आवश्यकताएं बढ़ती जा रही हैं, लेजर को लागत और ऊर्जा दक्षता के साथ-साथ लेजर सिस्टम प्रदर्शन के मामले में नवाचार की आवश्यकता होती है। अत्यधिक परावर्तक धातुओं के कुशल प्रसंस्करण के लिए बाजार की मांग ने नीली उच्च-शक्ति लेजर तकनीक के विकास को प्रेरित किया है, जो निश्चित रूप से धातु प्रसंस्करण में नई प्रौद्योगिकियों के द्वार खोलेगा।

अलौह धातुओं के लिए, प्रकाश की तरंग दैर्ध्य कम होने पर प्रकाश ऊर्जा का अवशोषण बढ़ जाता है। उदाहरण के लिए, 500 एनएम से कम तरंग दैर्ध्य पर तांबे का प्रकाश अवशोषण अवरक्त प्रकाश की तुलना में कम से कम 50 प्रतिशत बढ़ जाएगा, इसलिए छोटी प्रकाश तरंग दैर्ध्य तांबे के प्रसंस्करण के लिए अधिक उपयुक्त हैं। समस्या यह है कि इन औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए लघु-तरंग दैर्ध्य, उच्च-शक्ति लेजर विकसित करना मुश्किल है; कुछ उच्च-शक्ति विकल्प उपलब्ध हैं, और जो मौजूद भी हैं वे महंगे और अप्रभावी हैं। उदाहरण के लिए, बाजार में आवृत्ति दोहरीकरण पर आधारित कुछ ठोस-अवस्था वाले लेजर स्रोत हैं जिनका उपयोग इस तरंग दैर्ध्य रेंज में किया जा सकता है, जो 515nm और 532nm (हरा स्पेक्ट्रम) की तरंग दैर्ध्य पर लेजर प्रकाश का उत्पादन करते हैं। हालाँकि, ये लेज़र स्रोत पंप लेज़र ऊर्जा को लक्ष्य तरंग दैर्ध्य की ऊर्जा में परिवर्तित करने के लिए अपने नॉनलाइनियर ऑप्टिकल क्रिस्टल पर निर्भर करते हैं। रूपांतरण प्रक्रिया के परिणामस्वरूप उच्च शक्ति हानि होती है, और लेजर को जटिल शीतलन प्रणाली और जटिल ऑप्टिकल सेटअप की आवश्यकता होती है।

इस चुनौती का सामना करने के लिए लोगों ने अपना ध्यान नीले सेमीकंडक्टर लेज़रों पर लगाया। एक तो यह है कि ब्लू-रे के अपने विशिष्ट गुण हैं। उच्च-परावर्तन धातु सामग्री में नीली रोशनी की उच्च अवशोषण दर होती है, जिसका अर्थ है कि उच्च परावर्तक सामग्री (जैसे तांबा, आदि) के धातु प्रसंस्करण में नीली रोशनी का बहुत बड़ा लाभ होता है। जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है, तांबे द्वारा नीली रोशनी का अवशोषण अवरक्त प्रकाश की तुलना में 13× (13 गुना) अधिक है। इसके अलावा, तांबे के पिघलने पर अवशोषण दर में ज्यादा बदलाव नहीं होता है। एक बार जब नीला लेजर वेल्डिंग शुरू कर देता है, तो वही ऊर्जा घनत्व वेल्डिंग को चालू रखेगा। ब्लू-रे लेजर वेल्डिंग स्वाभाविक रूप से अच्छी तरह से नियंत्रित और कम दोषपूर्ण है, और इसका परिणाम तेज और उच्च गुणवत्ता वाले ब्रेज़्ड वेल्ड है। साथ ही, समुद्री जल में नीली रोशनी कम अवशोषित होती है, इसलिए इसकी संचरण दूरी लंबी होती है, जिससे पानी के नीचे लेजर सामग्री प्रसंस्करण के क्षेत्र को विकसित करना संभव हो जाता है। इसके अलावा, नीली रोशनी को सफेद रोशनी में परिवर्तित करना अपेक्षाकृत आसान है, इसलिए नीले लेजर का उपयोग करके फ्लडलाइट और अन्य प्रकाश अनुप्रयोगों को बहुत कॉम्पैक्ट रूप से कार्यान्वित किया जा सकता है। दूसरा यह है कि गैलियम नाइट्राइड सामग्री पर आधारित अर्धचालक लेजर आवृत्ति को दोगुना किए बिना सीधे 450nm की तरंग दैर्ध्य के साथ लेजर प्रकाश उत्पन्न कर सकते हैं, इसलिए उनमें उच्च ऊर्जा रूपांतरण दक्षता होती है।

450 एनएम की तरंग दैर्ध्य वाले लेजर से 1μm की तरंग दैर्ध्य की तुलना में तांबे की सामग्री की प्रसंस्करण दक्षता लगभग 20 गुना बढ़ने की उम्मीद है। पारंपरिक निकट-अवरक्त लेजर वेल्डिंग प्रक्रियाओं की तुलना में, उच्च शक्ति वाले नीले लेजर के मात्रात्मक और गुणात्मक फायदे हैं। मात्रात्मक लाभ: बढ़ी हुई वेल्डिंग गति और एक व्यापक प्रक्रिया विंडो सीधे तेज उत्पादकता और कम से कम उत्पादन डाउनटाइम में तब्दील हो जाती है। गुणात्मक लाभ: अधिक प्रक्रिया अक्षांश, छींटे-मुक्त और सरंध्रता-मुक्त उच्च-गुणवत्ता वाले वेल्ड, साथ ही उच्च यांत्रिक शक्ति और कम विद्युत प्रतिरोधकता। वेल्डिंग गुणवत्ता की स्थिरता से उत्पादन उपज में काफी सुधार हो सकता है। इसके अलावा, नीला लेजर ताप चालन वेल्डिंग मोड का भी संचालन कर सकता है, जो निकट-अवरक्त लेजर के साथ संभव नहीं है।

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