उन्नत फोटोनिक्स और सटीक सामग्री विज्ञान के क्षेत्र में, एकल-क्रिस्टल एल्यूमीनियम ऑक्साइड (Al₂O₃) - जिसे आमतौर पर कोरंडम के रूप में जाना जाता है - एक आधार सामग्री के रूप में कार्य करता है। हालाँकि सिंथेटिक रूबी और औद्योगिक नीलम रासायनिक रूप से होस्ट जाली स्तर पर समान हैं, लेकिन ट्रेस डोपेंट्स की जानबूझकर शुरूआत (या अनुपस्थिति) इन दोनों के बीच एक निर्णायक कार्यात्मक अलगाव बनाती है “बहन क्रिस्टल।”
लेजर इंजीनियरों, ऑप्टिकल डिजाइनरों और सामग्री वैज्ञानिकों के लिए, रूबी और नीलम के बीच भौतिक, ऑप्टिकल और थर्मोडायनामिक सीमाओं को समझना सिस्टम के प्रदर्शन, विश्वसनीयता और जीवनकाल को अनुकूलित करने के लिए आवश्यक है।
रूबी और नीलम दोनों त्रिकोणीय क्रिस्टल प्रणाली में रोम्बोहेड्रल समरूपता (स्पेस ग्रुप R-3c) के साथ क्रिस्टलीकृत होते हैं। उनकी साझा कोरंडम जाली उन्हें “सुपर-मटेरियल” गुणों का एक दुर्लभ संयोजन प्रदान करती है:
अत्यधिक कठोरता
9.0 की मोह कठोरता, जो केवल हीरे और मोइसानाइट से अधिक है।
उच्च तापीय चालकता
लगभग 30–35 W·m⁻¹·K⁻¹ कमरे के तापमान पर (ओरिएंटेशन-निर्भर), अधिकांश ऑप्टिकल ग्लास और कई लेजर सिरेमिक से काफी अधिक।
रासायनिक और पर्यावरणीय निष्क्रियता
अम्ल, क्षार, विकिरण और उच्च तापमान ऑक्सीकरण के लिए असाधारण प्रतिरोध।
कार्यात्मक विचलन आयनिक प्रतिस्थापन स्तर पर होता है:
सिंथेटिक रूबी
क्रोमियम आयन (Cr³⁺) Al₂O₃ जाली में एल्यूमीनियम आयनों (Al³⁺) के एक छोटे से अंश के लिए प्रतिस्थापित होते हैं, आमतौर पर 0.03–0.5 at.% की सांद्रता पर।
औद्योगिक नीलम
अनडोप्ड या अल्ट्रा-हाई-प्योरिटी Al₂O₃ रहता है, जो ऑप्टिकल पारदर्शिता, यांत्रिक शक्ति और तापीय स्थिरता के लिए अनुकूलित है।
महत्वपूर्ण रूप से, दोनों सामग्रियां समान होस्ट जाली (Al₂O₃) को बरकरार रखती हैं; केवल डोपेंट्स के कारण इलेक्ट्रॉनिक ऊर्जा अवस्थाएँ भिन्न होती हैं।
सिंथेटिक रूबी लेजर इतिहास में एक अद्वितीय स्थान रखता है, जो 1960 में थियोडोर एच. मैमन द्वारा प्रदर्शित एक कामकाजी लेजर में उपयोग किया जाने वाला पहला सक्रिय लाभ माध्यम है।
रूबी एक तीन-स्तरीय लेजर प्रणाली के रूप में संचालित होता है, जो इसे आधुनिक चार-स्तरीय ठोस-अवस्था लेजर से मौलिक रूप से अलग करता है।
पंप अवशोषण
Cr³⁺ आयन ब्रॉडबैंड हरे और नीले प्रकाश (≈400–560 nm) को अवशोषित करते हैं, आमतौर पर एक ज़ेनॉन फ्लैशलैंप से।
मेटास्टेबल स्टेट पॉपुलेशन
गैर-विकिरण विश्राम मेटास्टेबल 2E^2E2E अवस्था को आबाद करता है।
उत्तेजित उत्सर्जन
लेजर उत्सर्जन 694.3 nm (गहरा लाल) पर होता है, जो 2E→4A2^2E → ^4A_2 संक्रमण के अनुरूप है।
चूंकि निचला लेजर स्तर ग्राउंड स्टेट है, इसलिए जनसंख्या व्युत्क्रम प्राप्त करने के लिए उच्च पंप ऊर्जा घनत्व की आवश्यकता होती है।
उच्च पल्स ऊर्जा क्षमता
रूबी लेजर उच्च-ऊर्जा, कम-अवधि के दालों के उत्पादन में उत्कृष्ट हैं, हालांकि कम पुनरावृत्ति दरों पर।
यांत्रिक और तापीय मजबूती
एकल-क्रिस्टल रूबी रॉड गहन ऑप्टिकल पंपिंग और यांत्रिक झटके को कांच-आधारित लाभ मीडिया की तुलना में कहीं बेहतर सहन करते हैं।
असाधारण वर्णक्रमीय स्थिरता
निश्चित उत्सर्जन तरंग दैर्ध्य न्यूनतम तापीय बहाव के साथ।
औद्योगिक लेजर कटिंग में बड़े पैमाने पर प्रतिस्थापित किए जाने के बावजूद, रूबी लेजर अभी भी अपरिहार्य हैं:
त्वचा विज्ञान (टैटू और रंजित घाव हटाने)
होलोग्राफिक इंटरफेरोमेट्री और होलोग्राफिक रिकॉर्डिंग
उच्च-तनाव-दर भौतिकी और प्लाज्मा निदान
सटीक मेट्रोलॉजी संदर्भ स्रोत
रूबी की प्रकाश जनरेटर के रूप में भूमिका के विपरीत, अनडोप्ड नीलम मुख्य रूप से एक निष्क्रिय ऑप्टिकल और संरचनात्मक सामग्री के रूप में कार्य करता है।
औद्योगिक नीलम ऑप्टिकल क्रिस्टल के बीच सबसे व्यापक संचरण खिड़कियों में से एक प्रदर्शित करता है:
संचरण रेंज:
~200 nm (डीप यूवी) से 5.0–5.5 μm (मिड-आईआर), शुद्धता और क्रिस्टल अभिविन्यास पर निर्भर करता है।
लेजर-प्रेरित क्षति सीमा (LIDT):
सभी ऑप्टिकल सामग्रियों में सबसे अधिक में से एक, जो नीलम को उच्च-शक्ति और उच्च-प्रवाह लेजर सिस्टम के लिए आदर्श बनाता है।
लेजर बीम डिलीवरी और होमोजेनाइजेशन
नीलम रॉड प्रकाश गाइड या होमोजेनाइज़र के रूप में कार्य करते हैं जहां फ्यूज्ड सिलिका या ग्लास तापीय फ्रैक्चर या सतह क्षति से पीड़ित होगा।
थर्मल प्रबंधन घटक
नीलम खिड़कियां और रॉड डायोड-पंप ठोस-अवस्था लेजर और उच्च-शक्ति एलईडी सिस्टम में ऑप्टिकल हीट स्प्रेडर के रूप में काम करते हैं।
कठोर पर्यावरण प्रकाशिकी
अर्धचालक CVD कक्षों, वैक्यूम सिस्टम और उच्च-दबाव वाले ऑप्टिकल पोर्ट में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।
जब टाइटेनियम आयनों (Ti³⁺) के साथ डोप किया जाता है, तो नीलम Ti:नीलम बन जाता है, जो इसके लिए सबसे महत्वपूर्ण ट्यून करने योग्य लेजर क्रिस्टल है:
अति-लघु फेमटोसेकंड पल्स पीढ़ी
~650–1100 nm से तरंग दैर्ध्य ट्यूनिंग
सामग्री वर्गीकरण के दृष्टिकोण से, Ti:नीलम न तो रूबी है और न ही औद्योगिक नीलम, बल्कि एक विशिष्ट सक्रिय लेजर क्रिस्टल है।
| संपत्ति | सिंथेटिक रूबी रॉड (Cr³⁺:Al₂O₃) | औद्योगिक नीलम रॉड (Al₂O₃) |
|---|---|---|
| प्राथमिक कार्य | सक्रिय लाभ माध्यम | निष्क्रिय ऑप्टिकल घटक |
| लेजर गतिविधि | हाँ | नहीं |
| उत्सर्जन / संचरण | 694.3 nm (निश्चित) | 0.2–5.5 μm (ब्रॉडबैंड) |
| तापीय चालकता | उच्च | उत्कृष्ट (बेहतर तापीय झटके का प्रतिरोध) |
| ऑप्टिकल उपस्थिति | गहरा लाल (Cr³⁺ अवशोषण) | रंगहीन / क्रिस्टल स्पष्ट |
| विशिष्ट उपयोग के मामले | पल्स रूबी लेजर, मेट्रोलॉजी | लेजर खिड़कियां, वेवगाइड, सेमीकंडक्टर उपकरण |
आप 694.3 nm पल्स लेजर सिस्टम को डिजाइन या बनाए रख रहे हैं
आपका अनुप्रयोग विशिष्ट Cr³⁺ इलेक्ट्रॉनिक संक्रमणों पर निर्भर करता है
आपको एक उच्च-दृश्यता संदर्भ तत्व (जैसे, CMM जांच युक्तियाँ, संरेखण मानक) की आवश्यकता है
आपको ब्रॉडबैंड यूवी–विजिबल–आईआर ट्रांसमिशन की आवश्यकता है
आपका सिस्टम उच्च लेजर प्रवाह या शक्ति घनत्व के तहत संचालित होता है
पर्यावरण में अत्यधिक तापमान, रासायनिक जोखिम या वैक्यूम शामिल है
फोटोनिक सामग्रियों के पदानुक्रम के भीतर, सिंथेटिक रूबी एक ऑप्टिकल “इंजन” के रूप में कार्य करता है, जो सक्रिय रूप से सुसंगत लाल लेजर प्रकाश उत्पन्न करता है, जबकि औद्योगिक नीलम एक “सुपर-हाईवे” के रूप में कार्य करता है, जो अत्यधिक वातावरण में उच्च-ऊर्जा फोटॉन का सुरक्षित रूप से मार्गदर्शन और प्रबंधन करता है।
आधुनिक अर्धचालक, एयरोस्पेस और उच्च-शक्ति फोटोनिक्स सिस्टम के लिए, चयन गुणवत्ता का मामला नहीं है - बल्कि कार्य का:
क्या क्रिस्टल सक्रिय रूप से प्रकाश उत्पादन में भाग लेगा, या ऑप्टिकल अखंडता के एक अटूट संरक्षक के रूप में कार्य करेगा?
उन्नत फोटोनिक्स और सटीक सामग्री विज्ञान के क्षेत्र में, एकल-क्रिस्टल एल्यूमीनियम ऑक्साइड (Al₂O₃) - जिसे आमतौर पर कोरंडम के रूप में जाना जाता है - एक आधार सामग्री के रूप में कार्य करता है। हालाँकि सिंथेटिक रूबी और औद्योगिक नीलम रासायनिक रूप से होस्ट जाली स्तर पर समान हैं, लेकिन ट्रेस डोपेंट्स की जानबूझकर शुरूआत (या अनुपस्थिति) इन दोनों के बीच एक निर्णायक कार्यात्मक अलगाव बनाती है “बहन क्रिस्टल।”
लेजर इंजीनियरों, ऑप्टिकल डिजाइनरों और सामग्री वैज्ञानिकों के लिए, रूबी और नीलम के बीच भौतिक, ऑप्टिकल और थर्मोडायनामिक सीमाओं को समझना सिस्टम के प्रदर्शन, विश्वसनीयता और जीवनकाल को अनुकूलित करने के लिए आवश्यक है।
रूबी और नीलम दोनों त्रिकोणीय क्रिस्टल प्रणाली में रोम्बोहेड्रल समरूपता (स्पेस ग्रुप R-3c) के साथ क्रिस्टलीकृत होते हैं। उनकी साझा कोरंडम जाली उन्हें “सुपर-मटेरियल” गुणों का एक दुर्लभ संयोजन प्रदान करती है:
अत्यधिक कठोरता
9.0 की मोह कठोरता, जो केवल हीरे और मोइसानाइट से अधिक है।
उच्च तापीय चालकता
लगभग 30–35 W·m⁻¹·K⁻¹ कमरे के तापमान पर (ओरिएंटेशन-निर्भर), अधिकांश ऑप्टिकल ग्लास और कई लेजर सिरेमिक से काफी अधिक।
रासायनिक और पर्यावरणीय निष्क्रियता
अम्ल, क्षार, विकिरण और उच्च तापमान ऑक्सीकरण के लिए असाधारण प्रतिरोध।
कार्यात्मक विचलन आयनिक प्रतिस्थापन स्तर पर होता है:
सिंथेटिक रूबी
क्रोमियम आयन (Cr³⁺) Al₂O₃ जाली में एल्यूमीनियम आयनों (Al³⁺) के एक छोटे से अंश के लिए प्रतिस्थापित होते हैं, आमतौर पर 0.03–0.5 at.% की सांद्रता पर।
औद्योगिक नीलम
अनडोप्ड या अल्ट्रा-हाई-प्योरिटी Al₂O₃ रहता है, जो ऑप्टिकल पारदर्शिता, यांत्रिक शक्ति और तापीय स्थिरता के लिए अनुकूलित है।
महत्वपूर्ण रूप से, दोनों सामग्रियां समान होस्ट जाली (Al₂O₃) को बरकरार रखती हैं; केवल डोपेंट्स के कारण इलेक्ट्रॉनिक ऊर्जा अवस्थाएँ भिन्न होती हैं।
सिंथेटिक रूबी लेजर इतिहास में एक अद्वितीय स्थान रखता है, जो 1960 में थियोडोर एच. मैमन द्वारा प्रदर्शित एक कामकाजी लेजर में उपयोग किया जाने वाला पहला सक्रिय लाभ माध्यम है।
रूबी एक तीन-स्तरीय लेजर प्रणाली के रूप में संचालित होता है, जो इसे आधुनिक चार-स्तरीय ठोस-अवस्था लेजर से मौलिक रूप से अलग करता है।
पंप अवशोषण
Cr³⁺ आयन ब्रॉडबैंड हरे और नीले प्रकाश (≈400–560 nm) को अवशोषित करते हैं, आमतौर पर एक ज़ेनॉन फ्लैशलैंप से।
मेटास्टेबल स्टेट पॉपुलेशन
गैर-विकिरण विश्राम मेटास्टेबल 2E^2E2E अवस्था को आबाद करता है।
उत्तेजित उत्सर्जन
लेजर उत्सर्जन 694.3 nm (गहरा लाल) पर होता है, जो 2E→4A2^2E → ^4A_2 संक्रमण के अनुरूप है।
चूंकि निचला लेजर स्तर ग्राउंड स्टेट है, इसलिए जनसंख्या व्युत्क्रम प्राप्त करने के लिए उच्च पंप ऊर्जा घनत्व की आवश्यकता होती है।
उच्च पल्स ऊर्जा क्षमता
रूबी लेजर उच्च-ऊर्जा, कम-अवधि के दालों के उत्पादन में उत्कृष्ट हैं, हालांकि कम पुनरावृत्ति दरों पर।
यांत्रिक और तापीय मजबूती
एकल-क्रिस्टल रूबी रॉड गहन ऑप्टिकल पंपिंग और यांत्रिक झटके को कांच-आधारित लाभ मीडिया की तुलना में कहीं बेहतर सहन करते हैं।
असाधारण वर्णक्रमीय स्थिरता
निश्चित उत्सर्जन तरंग दैर्ध्य न्यूनतम तापीय बहाव के साथ।
औद्योगिक लेजर कटिंग में बड़े पैमाने पर प्रतिस्थापित किए जाने के बावजूद, रूबी लेजर अभी भी अपरिहार्य हैं:
त्वचा विज्ञान (टैटू और रंजित घाव हटाने)
होलोग्राफिक इंटरफेरोमेट्री और होलोग्राफिक रिकॉर्डिंग
उच्च-तनाव-दर भौतिकी और प्लाज्मा निदान
सटीक मेट्रोलॉजी संदर्भ स्रोत
रूबी की प्रकाश जनरेटर के रूप में भूमिका के विपरीत, अनडोप्ड नीलम मुख्य रूप से एक निष्क्रिय ऑप्टिकल और संरचनात्मक सामग्री के रूप में कार्य करता है।
औद्योगिक नीलम ऑप्टिकल क्रिस्टल के बीच सबसे व्यापक संचरण खिड़कियों में से एक प्रदर्शित करता है:
संचरण रेंज:
~200 nm (डीप यूवी) से 5.0–5.5 μm (मिड-आईआर), शुद्धता और क्रिस्टल अभिविन्यास पर निर्भर करता है।
लेजर-प्रेरित क्षति सीमा (LIDT):
सभी ऑप्टिकल सामग्रियों में सबसे अधिक में से एक, जो नीलम को उच्च-शक्ति और उच्च-प्रवाह लेजर सिस्टम के लिए आदर्श बनाता है।
लेजर बीम डिलीवरी और होमोजेनाइजेशन
नीलम रॉड प्रकाश गाइड या होमोजेनाइज़र के रूप में कार्य करते हैं जहां फ्यूज्ड सिलिका या ग्लास तापीय फ्रैक्चर या सतह क्षति से पीड़ित होगा।
थर्मल प्रबंधन घटक
नीलम खिड़कियां और रॉड डायोड-पंप ठोस-अवस्था लेजर और उच्च-शक्ति एलईडी सिस्टम में ऑप्टिकल हीट स्प्रेडर के रूप में काम करते हैं।
कठोर पर्यावरण प्रकाशिकी
अर्धचालक CVD कक्षों, वैक्यूम सिस्टम और उच्च-दबाव वाले ऑप्टिकल पोर्ट में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।
जब टाइटेनियम आयनों (Ti³⁺) के साथ डोप किया जाता है, तो नीलम Ti:नीलम बन जाता है, जो इसके लिए सबसे महत्वपूर्ण ट्यून करने योग्य लेजर क्रिस्टल है:
अति-लघु फेमटोसेकंड पल्स पीढ़ी
~650–1100 nm से तरंग दैर्ध्य ट्यूनिंग
सामग्री वर्गीकरण के दृष्टिकोण से, Ti:नीलम न तो रूबी है और न ही औद्योगिक नीलम, बल्कि एक विशिष्ट सक्रिय लेजर क्रिस्टल है।
| संपत्ति | सिंथेटिक रूबी रॉड (Cr³⁺:Al₂O₃) | औद्योगिक नीलम रॉड (Al₂O₃) |
|---|---|---|
| प्राथमिक कार्य | सक्रिय लाभ माध्यम | निष्क्रिय ऑप्टिकल घटक |
| लेजर गतिविधि | हाँ | नहीं |
| उत्सर्जन / संचरण | 694.3 nm (निश्चित) | 0.2–5.5 μm (ब्रॉडबैंड) |
| तापीय चालकता | उच्च | उत्कृष्ट (बेहतर तापीय झटके का प्रतिरोध) |
| ऑप्टिकल उपस्थिति | गहरा लाल (Cr³⁺ अवशोषण) | रंगहीन / क्रिस्टल स्पष्ट |
| विशिष्ट उपयोग के मामले | पल्स रूबी लेजर, मेट्रोलॉजी | लेजर खिड़कियां, वेवगाइड, सेमीकंडक्टर उपकरण |
आप 694.3 nm पल्स लेजर सिस्टम को डिजाइन या बनाए रख रहे हैं
आपका अनुप्रयोग विशिष्ट Cr³⁺ इलेक्ट्रॉनिक संक्रमणों पर निर्भर करता है
आपको एक उच्च-दृश्यता संदर्भ तत्व (जैसे, CMM जांच युक्तियाँ, संरेखण मानक) की आवश्यकता है
आपको ब्रॉडबैंड यूवी–विजिबल–आईआर ट्रांसमिशन की आवश्यकता है
आपका सिस्टम उच्च लेजर प्रवाह या शक्ति घनत्व के तहत संचालित होता है
पर्यावरण में अत्यधिक तापमान, रासायनिक जोखिम या वैक्यूम शामिल है
फोटोनिक सामग्रियों के पदानुक्रम के भीतर, सिंथेटिक रूबी एक ऑप्टिकल “इंजन” के रूप में कार्य करता है, जो सक्रिय रूप से सुसंगत लाल लेजर प्रकाश उत्पन्न करता है, जबकि औद्योगिक नीलम एक “सुपर-हाईवे” के रूप में कार्य करता है, जो अत्यधिक वातावरण में उच्च-ऊर्जा फोटॉन का सुरक्षित रूप से मार्गदर्शन और प्रबंधन करता है।
आधुनिक अर्धचालक, एयरोस्पेस और उच्च-शक्ति फोटोनिक्स सिस्टम के लिए, चयन गुणवत्ता का मामला नहीं है - बल्कि कार्य का:
क्या क्रिस्टल सक्रिय रूप से प्रकाश उत्पादन में भाग लेगा, या ऑप्टिकल अखंडता के एक अटूट संरक्षक के रूप में कार्य करेगा?
