पाठ 13.6माइक्रो और नैनोअध्याय 13 · माइक्रो- और नैनोफ़ैब्रिकेशन

फ़ेम्टोसेकंड लेज़र मशीनिंग

बहुत छोटे लेज़र पल्स से सामग्री हटाती है, बिना पिघलाए

फ़ेम्टोसेकंड लेज़र मशीनिंग एक सेकंड के खरबवें हिस्से से भी कम चलने वाली लेज़र की चमक से सामग्री को काटती, छेदती और टेक्सचर देती है। हर चमक गर्मी फैलने से पहले एक पतली परत को वाष्प बना देती है, इसलिए किनारे पिघले नहीं, साफ़ बनते हैं। हार्ट स्टेंट, फ़ोन के कवर ग्लास और फ़्यूल इंजेक्टर बनाने वाले इसे वहाँ इस्तेमाल करते हैं जहाँ ज़रा-सी गर्मी का नुक़सान भी मायने रखता है।

फ़ोटो: paul_houle, CC BY-SA 2.0, स्रोत: Wikimedia Commons

फ़ेम्टोसेकंड लेज़र मशीनिंग · मशीन और उस जगह का ज़ूमघेरे में लिखे नंबर नीचे दिए चरणों से मेल खाते हैं; फ़्रेम वाले दो पैनल उस जगह को बड़ा करके दिखाते हैं जहाँ रोशनी सामग्री से मिलती है।

यह कैसे काम करती है

बहुत छोटे पल्स बनाएँ। ऑसिलेटर (लेज़र का पल्स बनाने वाला केंद्र) कमज़ोर पल्स की लगातार लड़ी छोड़ता है। हर पल्स दसियों से सैकड़ों फ़ेम्टोसेकंड चलता है (एक फ़ेम्टोसेकंड सेकंड के अरबवें हिस्से का दस लाखवाँ हिस्सा होता है)।
उन्हें प्रवर्धित करें। एम्प्लीफ़ायर हर पल्स को खींचकर लंबा करता है, उसकी ऊर्जा बढ़ाता है, फिर उसे दोबारा छोटा कर देता है। इस तरकीब, चिर्प्ड पल्स एम्प्लीफ़िकेशन, को 2018 का भौतिकी का नोबेल पुरस्कार मिला।
निशाना साधें और फ़ोकस करें। स्कैनर (तेज़ घूमने वाले दो दर्पण) किरण को दिशा देता है। लेंस उसे कुछ माइक्रोन चौड़े बिंदु पर फ़ोकस करता है (एक माइक्रोन, यानी µm, मिलीमीटर का हज़ारवाँ हिस्सा होता है)।
कोल्ड एब्लेशन। पल्स अपनी ऊर्जा परमाणुओं के पड़ोसियों तक गर्मी पहुँचाने से भी तेज़ी से उड़ेल देता है। एक पतली परत एब्लेट हो जाती है, यानी वाष्प और प्लाज़्मा (गर्म, आवेशित गैस) के रूप में उड़ जाती है, लगभग बिना पिघले।
रास्ते पर स्कैन करें। प्रति सेकंड सैकड़ों हज़ार या उससे ज़्यादा पल्स प्रोग्राम किए रास्ते पर, परत-दर-परत चलते हैं और काटते, छेदते या टेक्सचर बनाते हैं। साफ़ काँच के अंदर फ़ोकस करने पर पल्स सतह को छुए बिना उसमें नालियाँ तक लिख सकते हैं।

मुख्य तथ्य

सामग्री: लगभग कुछ भी: स्टील, टाइटेनियम, नाइटिनॉल (आकार-स्मृति वाली मिश्रधातु), काँच, नीलम, सिरेमिक, पॉलिमर, यहाँ तक कि आँख का ऊतक
आम पार्ट: हार्ट स्टेंट, फ़्यूल इंजेक्टर और सर्किट बोर्ड में सूक्ष्म छेद, फ़ोन के कवर ग्लास में कटाव, टेक्सचर वाली सतहें
पार्ट का आकार: लगभग 1 µm से मिलीमीटर तक के फ़ीचर; पार्ट आम तौर पर छोटे या पतले (ट्यूब, शीट, फ़ॉइल)
सटीकता: आम तौर पर कुछ माइक्रोन; फ़ीचर लगभग 1 µm तक
सतह की फ़िनिश: साफ़, बर के बिना किनारे और लगभग कोई ऊष्मा-प्रभावित क्षेत्र नहीं (सामग्री की वह पट्टी जो गर्मी से बदल जाती है)
किस बैच साइज़ के लिए उपयुक्त: प्रोटोटाइप से लेकर ऊँची क़ीमत वाले पार्टों (स्टेंट, फ़ोन का काँच, बैटरी फ़ॉइल) की बड़ी सीरीज़ तक
टूलिंग और मशीन की लागत: कोई टूलिंग नहीं; लेज़र वर्कस्टेशन की क़ीमत आम तौर पर कई लाख डॉलर
गति: प्रति सेकंड सैकड़ों हज़ार पल्स, फिर भी थोक में सामग्री धीमी हटती है: आम तौर पर घन मिलीमीटर प्रति मिनट

ताक़तें और सीमाएँ

खूबियाँ

गर्मी का लगभग कोई नुक़सान नहीं: न बर, न पिघले किनारे, न दरारें
काँच, नीलम, सिरेमिक और गर्मी के प्रति संवेदनशील प्लास्टिक पर काम करती है
माइक्रोन स्तर का ब्योरा, बिना टूल के संपर्क और बिना टूल के घिसाव के
सतह को छुए बिना काँच के भीतर बदलाव कर सकती है

सीमाएँ

पारंपरिक लेज़रों की तुलना में सामग्री धीमी हटती है
लेज़र स्रोत महँगे और जटिल होते हैं
पल्स की ऊर्जा, दर और ओवरलैप को ठीक बिठाना नाज़ुक काम है
छोटे पार्ट और पतले हिस्सों के लिए ठीक; धुएँ को निकालना पड़ता है

कहाँ इस्तेमाल होती है

मेडिकल उपकरणकोरोनरी स्टेंट, कैथेटर, माइक्रो-नीडल
कंज़्यूमर इलेक्ट्रॉनिक्सफ़ोन का कवर ग्लास, नीलम के कैमरा कवर, डिस्प्ले कटआउट
इलेक्ट्रॉनिक्समाइक्रो-वाया (सर्किट बोर्ड की परतों को जोड़ने वाले सूक्ष्म छेद), वेफ़र डाइसिंग
बैटरीइलेक्ट्रोड फ़ॉइल की कटाई और संरचना बनाना
आँख की सर्जरीLASIK के लिए कॉर्निया फ़्लैप, मोतियाबिंद सर्जरी के चरण
ऑटोमोटिव और एयरोस्पेसफ़्यूल-इंजेक्टर के छेद, कूलिंग छेद, घर्षण घटाने वाले सतही टेक्सचर

इसे कैसे पहचानें

आम तौर पर नहीं देख सकते: फ़ीचर माइक्रोन चौड़े होते हैं और स्टेंट, फ़ोन, सर्किट बोर्ड और इंजनों के अंदर छिपे रहते हैं।
काँच या धातु पर कटे किनारे जो एकदम साफ़ दिखते हैं: न जलने का रंग, न बर, न दोबारा जमी धातु की बूँदें।
आवर्धक के नीचे साफ़-सुथरे गोल सूक्ष्म छेद, अक्सर थोड़े शंकु-आकार के (उस तरफ़ चौड़े जिधर से लेज़र घुसा)।
लेज़र से टेक्सचर की गई धातु जो इंद्रधनुषी रंगों में झिलमिलाती है: पल्स इतनी बारीक लहरें छोड़ते हैं जो रोशनी को रंगों में बाँट देती हैं।

तुलना करें

लेज़र कटिंग6.2लगातार चलने वाली या लंबे पल्स की किरण सामग्री को पिघलाकर उड़ा देती है; कहीं तेज़, पर किनारा ऊष्मा से प्रभावित रह जाता है।फ़ोकस्ड आयन बीम13.5निर्वात में आयनों (आवेशित परमाणुओं) की किरण से सामग्री हटाती है; ज़्यादा बारीक, नैनोमीटर तक, पर कहीं धीमी।टू-फ़ोटॉन पॉलिमराइज़ेशन13.8उसी तरह के लेज़र से सामग्री हटाने की जगह बनाती है, और रेज़िन को सिर्फ़ फ़ोकस पर कठोर करती है।

देखें

SME Media · बहुत छोटे पल्स क्या कर सकते हैं, इसका सरल परिचय

CMS Laser · पतली धातु की ट्यूबों से स्टेंट जैसे पैटर्न काटना

Spectra-Physics an MKS Brand · साफ़ सूक्ष्म कटों और छेदों के क्लोज़-अप

TRUMPFtube · उत्पादन की गति से सर्किट बोर्डों में छेद करना

असली तस्वीरें देखें

Wikipedia: Laser ablation — पल्स वाले लेज़र सामग्री कैसे हटाते हैं; तस्वीरें कम
Wikipedia: Ultrashort pulse — फ़ेम्टोसेकंड पल्स क्या हैं और कैसे बनते हैं
Wikimedia Commons फ़ोटो खोज

याद रखें

गर्मी फैलने में जितना समय लगता है उससे छोटे पल्स सामग्री को पिघलाए बिना हटा देते हैं।
यह लगभग हर सामग्री को, काँच और ऊतक समेत, माइक्रोन के ब्योरे के साथ मशीन करती है।
क़ीमत है महँगे लेज़र और धीमी कटाई, इसलिए यह छोटे, ऊँची क़ीमत वाले पार्टों के लिए ठीक है।