लेझर स्वच्छता तंत्रज्ञानाचे तत्त्व, प्रकार आणि उपयोग

लेझर स्वच्छता तंत्रज्ञानअभियांत्रिकी क्षेत्रात लेझर तंत्रज्ञानाचा हा एक यशस्वी उपयोग आहे. याचे मूळ तत्त्व म्हणजे लेझरच्या उच्च ऊर्जा घनतेचा उपयोग करून, लेझर किरणांचा वर्कपीसच्या पृष्ठभागावर चिकटलेल्या अशुद्ध घटकांशी संवाद साधणे. तात्काळ औष्णिक प्रसरण, वितळणे, वायूचे बाष्पीभवन आणि इतर यंत्रणांद्वारे अशुद्ध घटक पृष्ठभागापासून वेगळे केले जातात. उच्च कार्यक्षमता, पर्यावरणपूरकता आणि ऊर्जा बचत यांमुळे लेझर स्वच्छता तंत्रज्ञानाचा उपयोग टायर मोल्डची स्वच्छता, विमानांच्या बॉडीवरील रंग काढणे, सांस्कृतिक अवशेषांचे पुनरुज्जीवन आणि इतर क्षेत्रांमध्ये यशस्वीरित्या केला गेला आहे.
 
पारंपारिक स्वच्छता तंत्रज्ञानामध्ये यांत्रिक घर्षण स्वच्छता (सँडब्लास्टिंग, उच्च-दाब वॉटर जेट क्लीनिंग, इत्यादी), रासायनिक क्षरण स्वच्छता, अल्ट्रासोनिक स्वच्छता, ड्राय आईस स्वच्छता आणि इतर अनेक तंत्रज्ञानाचा समावेश होतो. ही तंत्रज्ञानं विविध उद्योगांमध्ये मोठ्या प्रमाणावर वापरली जातात. उदाहरणार्थ, सँडब्लास्टिंगद्वारे वेगवेगळ्या कठीणतेचे अपघर्षक निवडून सर्किट बोर्डवरील धातूंचे गंजलेले डाग, पृष्ठभागावरील खरखरेपणा आणि कॉन्फॉर्मल कोटिंग्ज काढता येतात. उपकरणांच्या पृष्ठभागावरील तेलाचा थर काढण्यासाठी, बॉयलरमधील क्षार साफ करण्यासाठी आणि तेल पाइपलाइनमधील अडथळे दूर करण्यासाठी रासायनिक क्षरण स्वच्छतेचा मोठ्या प्रमाणावर अवलंब केला जातो. पारंपारिक पद्धती जरी परिपक्व असल्या तरी, त्यांचे काही उल्लेखनीय तोटे आहेत: सँडब्लास्टिंगमुळे प्रक्रिया केलेल्या पृष्ठभागांना सहज नुकसान पोहोचते, आणि रासायनिक क्षरण स्वच्छतेमुळे पर्यावरणाचे प्रदूषण होते व अयोग्यरित्या वापरल्यास सब्सट्रेट्सना गंज लागू शकतो. लेझर स्वच्छतेच्या उदयाने स्वच्छता तंत्रज्ञानामध्ये एक क्रांती घडवली आहे. लेझरची उच्च ऊर्जा घनता, अचूकता आणि कार्यक्षम प्रसारण यांचा उपयोग करून, लेझर स्वच्छता ही स्वच्छता कार्यक्षमता, अचूकता आणि स्थिती निश्चिती या बाबतीत पारंपारिक पद्धतींपेक्षा सरस ठरते. यामुळे रासायनिक स्वच्छतेमुळे होणारे पर्यावरणाचे प्रदूषण टाळले जाते आणि सब्सट्रेट्सना कोणतेही नुकसान होत नाही.
 

लेझर क्लीनिंगची तत्त्वे

 
लेझर क्लीनिंग म्हणजे नक्की काय? लेझर किरणांच्या प्रक्षेपणाद्वारे घन (किंवा क्वचित द्रव) पृष्ठभागांवरून पदार्थ काढून टाकण्याच्या प्रक्रियेला लेझर क्लीनिंग म्हणतात. कमी लेझर फ्लुएन्सवर, शोषलेली लेझर ऊर्जा पदार्थांना उष्णता देते, ज्यामुळे बाष्पीभवन किंवा ऊर्ध्वपातन होते. उच्च लेझर फ्लुएन्सवर, पदार्थ सामान्यतः प्लाझ्मामध्ये रूपांतरित होतात. लेझर क्लीनिंगमध्ये पदार्थ काढण्यासाठी सहसा पल्स्ड लेझर्सचा वापर केला जातो, तरीही पुरेशा तीव्रतेने कंटिन्युअस-वेव्ह लेझर बीमद्वारेही पदार्थांचे विघटन (ablation) करता येते. सुमारे २०० नॅनोमीटर तरंगलांबी असलेले डीप अल्ट्राव्हायोलेट एक्सायमर लेझर्स प्रामुख्याने फोटोएब्लेशनसाठी वापरले जातात.
 
खोलीलेझर ऊर्जाशोषण आणि प्रत्येक स्पंदातून काढल्या जाणाऱ्या पदार्थाचे प्रमाण हे पदार्थाच्या प्रकाशीय गुणधर्मांवर, तसेच लेझरची तरंगलांबी आणि स्पंदाच्या कालावधीवर अवलंबून असते. प्रत्येक स्पंदात लक्ष्यावरून काढून टाकलेल्या एकूण वस्तुमानाला विलगन दर असे म्हणतात. स्कॅनिंगचा वेग आणि रेषेचे आच्छादन यांसारखी लेझर प्रारणाची वैशिष्ट्ये विलगन प्रक्रियेवर लक्षणीय प्रभाव टाकतात.
 

लेझर स्वच्छता तंत्रज्ञानाचे प्रकार

 

१) लेझर ड्राय क्लीनिंग

 
लेझर ड्राय क्लीनिंगमध्ये खालील गोष्टींचा समावेश होतोकार्यवस्तूंवर थेट स्पंदित लेझर किरणांचा मारा. अशुद्धी किंवा आधारद्रव्ये लेझर ऊर्जा शोषून घेतात, ज्यामुळे त्यांचे तापमान वाढते आणि औष्णिक प्रसरण किंवा आधारद्रव्याचे औष्णिक कंपन होते, जे अशुद्धींना आधारद्रव्यांपासून वेगळे करते. हे दोन परिस्थितींमध्ये घडते: एकतर पृष्ठभागावरील अशुद्धी लेझर ऊर्जा शोषून घेऊन प्रसरण पावतात, किंवा आधारद्रव्ये ऊर्जा शोषून घेऊन औष्णिक कंपन करतात.
 
१९६९ मध्ये, एस. एम. बेडेअर आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी शोधून काढले की पारंपरिक पृष्ठभाग उपचारांना (उष्णता उपचार, रासायनिक क्षरण, सँडब्लास्टिंग) मर्यादा होत्या. त्यांनी असे निरीक्षण केले की केंद्रित लेझरची उच्च ऊर्जा घनता सब्सट्रेटला नुकसान न पोहोचवता पृष्ठभागावरील पदार्थांचे बाष्पीभवन करू शकते. प्रयोगांनी याची पुष्टी केली की ३० मेगावॅट/सेमी² शक्ती घनतेचा क्यू-स्विच्ड रूबी लेझर सब्सट्रेटला नुकसान न पोहोचवता सिलिकॉनच्या पृष्ठभागावरील दूषित घटक स्वच्छ करू शकतो, ज्यामुळे लेझर ड्राय क्लीनिंगची पहिली अंमलबजावणी झाली.
 
खाली दर्शवल्याप्रमाणे, फिल्मच्या अवशेषांच्या सुटण्याच्या दराद्वारे एकूण स्वच्छतेचा दर व्यक्त केला जाऊ शकतो:
 
(सूत्र: ε—लेझर पल्स ऊर्जा निर्देशांक; h—दूषित फिल्मच्या जाडीचा निर्देशांक; E—फिल्मच्या लवचिक मापांकाचा निर्देशांक)
 

२) लेझर वेट क्लीनिंग

 
स्पंदित लेझर किरणोत्सर्गापूर्वी, वर्कपीसच्या पृष्ठभागावर द्रवरूप पातळ थराचा लेप दिला जातो. लेझर ऊर्जा या थराला वेगाने गरम करून त्याचे बाष्पीभवन करते, ज्यामुळे एक तात्काळ शॉकवेव्ह निर्माण होते आणि ती सब्सट्रेटपासून दूषित कणांना वेगळे करते. या पद्धतीमध्ये सब्सट्रेट आणि द्रवरूप पातळ थर यांच्यात कोणत्याही रासायनिक अभिक्रियेची आवश्यकता नसते, ज्यामुळे या पद्धतीत वापरल्या जाणाऱ्या सामग्रीवर मर्यादा येतात.
 
१९९१ मध्ये, के. इमेन आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी पारंपरिक स्वच्छतेनंतर सेमीकंडक्टर वेफर्स आणि धातूंवर शिल्लक राहिलेल्या सूक्ष्म-अतिसूक्ष्म दूषित कणांवर संशोधन केले. त्यांनी सब्सट्रेट्सवर लेझर-शोषक फिल्मचा थर दिला आणि त्यावर CO₂ लेझरने किरणोत्सर्ग केला. त्या फिल्मने ऊर्जा शोषली, ती वेगाने तापली, उकळली आणि तिचे स्फोटक बाष्पीभवन झाले, ज्यामुळे पृष्ठभागावरील दूषित कण काढून टाकले गेले—यालाच लेझर वेट क्लीनिंग म्हणतात.
 

३) लेझर प्लाझ्मा शॉकवेव्ह क्लीनिंग

 
जेव्हा लेझर किरणोत्सर्गादरम्यान हवेचे आयनीकरण करून गोलाकार प्लाझ्मा शॉकवेव्ह तयार करतात, तेव्हा लेझर प्लाझ्मा शॉकवेव्ह तयार होतात. या शॉकवेव्ह सब्सट्रेटवर आदळतात आणि सब्सट्रेटला नुकसान न पोहोचवता त्यावरील अशुद्ध घटक काढून टाकण्यासाठी ऊर्जा मुक्त करतात (लेझर सब्सट्रेटशी थेट संवाद साधत नाहीत). हे तंत्रज्ञान काही दहा नॅनोमीटर इतके लहान कण स्वच्छ करते आणि लेझरच्या तरंगलांबीवर कोणतेही बंधन घालत नाही.
 
प्लाझ्मा क्लीनिंगची भौतिक तत्त्वे खालीलप्रमाणे आहेत:

 

अ) लक्ष्याच्या पृष्ठभागावरील अशुद्ध थराद्वारे लेझर किरणे शोषली जातात.

 

ब) उच्च ऊर्जेच्या शोषणामुळे वेगाने विस्तारणारा प्लाझ्मा (अत्यधिक आयनीकृत अस्थिर वायू) तयार होतो, ज्यामुळे शॉकवेव्ह निर्माण होतात.

 

c) शॉकवेव्ह्स दूषित घटकांचे तुकडे करून त्यांना काढून टाकतात.

 

ड) उष्णता साचून सबस्ट्रेटचे नुकसान होऊ नये म्हणून लेझर पल्स पुरेसे लहान असले पाहिजेत.

 

इ) प्रयोगांवरून असे दिसून येते की, ऑक्साईड उपस्थित असताना धातूच्या पृष्ठभागावर प्लाझ्मा तयार होतो.

 
प्लाझ्मा निर्मिती केवळ एका विशिष्ट ऊर्जा घनतेच्या मर्यादेच्या वरच होते, जी काढायच्या असलेल्या अशुद्ध पदार्थावर किंवा ऑक्साईडच्या थरावर अवलंबून असते. एक दुसरी, अधिक उच्च मर्यादा देखील असते, ज्याच्या पलीकडे सब्सट्रेटला नुकसान पोहोचते. सब्सट्रेटला इजा न होता प्रभावी स्वच्छता सुनिश्चित करण्यासाठी, पल्स ऊर्जा घनता या दोन मर्यादांच्या दरम्यान ठेवण्याकरिता लेझर पॅरामीटर्स समायोजित करणे आवश्यक आहे.
 
२००१ मध्ये, जे. एम. ली आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी उच्च-शक्तीच्या केंद्रित लेझर्समधून निर्माण होणाऱ्या प्लाझ्मा शॉकवेव्ह्सचा उपयोग केला. २.० जूल/सेमी² ऊर्जा घनतेच्या (जी सिलिकॉनच्या नुकसान मर्यादेपेक्षा खूप जास्त आहे) एका स्पंदित लेझरने सिलिकॉन वेफर्सवर समांतरपणे किरणोत्सर्ग करून १ मायक्रॉन आकाराचे टंगस्टनचे कण यशस्वीरित्या काढून टाकले. खरे तर, लेझर प्लाझ्मा शॉकवेव्ह क्लीनिंग हे ड्राय क्लीनिंगचाच एक भाग आहे.
 
सुरुवातीला सेमीकंडक्टर वेफर्समधून सूक्ष्म कण काढण्यासाठी विकसित केलेली ही तीन लेझर क्लीनिंग तंत्रज्ञानं आता टायर मोल्ड क्लीनिंग, विमानांच्या बाह्य आवरणावरील रंग काढणे, सांस्कृतिक अवशेषांचे पुनरुज्जीवन आणि इतर अनेक कामांसाठी विस्तारली आहेत. लेझर किरणांच्या प्रक्रियेदरम्यान सब्सट्रेट्सवर निष्क्रिय वायू सोडला जाऊ शकतो, ज्यामुळे वेगळे झालेले दूषित घटक त्वरित काढून टाकले जातात आणि पुनर्दूषितीकरण व ऑक्सिडेशन टाळले जाते.
 

लेझर स्वच्छता तंत्रज्ञानाचे उपयोग

 

१) सेमीकंडक्टर उद्योग: सेमीकंडक्टर वेफर्स आणि ऑप्टिकल सबस्ट्रेट्सची स्वच्छता

 
सेमीकंडक्टर वेफर्स आणि ऑप्टिकल सबस्ट्रेट्सना इच्छित आकार देण्यासाठी समान प्रक्रिया (कापण्याची, घासण्याची) केल्या जातात, ज्यामुळे असे कणरूपी दूषित घटक त्यात येतात, जे काढण्यास कठीण असतात आणि पुन्हा दूषित होण्याची शक्यता असते. वेफर्सवरील दूषित घटकांमुळे सर्किट प्रिंटिंगच्या गुणवत्तेत घट होते आणि चिप्सचे आयुष्यमान कमी होते. ऑप्टिकल सबस्ट्रेट्सवर, ते ऑप्टिकल डिव्हाइस आणि कोटिंगच्या कार्यक्षमतेत घट करतात, ज्यामुळे ऊर्जेचे असमान वितरण होते आणि सेवा आयुष्य कमी होते.
 
सब्सट्रेटला नुकसान होण्याच्या धोक्यामुळे येथे लेझर ड्राय क्लीनिंगचा वापर क्वचितच केला जातो, तर वेट क्लीनिंग आणि प्लाझ्मा शॉकवेव्ह क्लीनिंगचे अनेक यशस्वी उपयोग आहेत. शू चुआनयी आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी अति-गुळगुळीत ऑप्टिकल सब्सट्रेटवर डायलेक्ट्रिक फिल्म म्हणून मायक्रॉन-स्केल मॅग्नेटिक पेंट जमा करून प्रभावी पल्स्ड लेझर क्लीनिंग साध्य केले. जरी एकूण अशुद्ध कणांची संख्या वाढली असली तरी, त्यांचा आकार आणि व्याप्ती लक्षणीयरीत्या कमी झाली. झांग पिंग यांनी विविध आकारांच्या कणांसाठी वर्किंग डिस्टन्स आणि लेझर एनर्जीचा क्लीनिंग कार्यक्षमतेवर होणाऱ्या परिणामांचा अभ्यास केला. प्रयोगांनी दाखवले की, १.९० मिमी वर्किंग डिस्टन्सवर २४० mJ लेझरने प्रवाहकीय काचेवरील पॉलिस्टीरिन कणांचे सर्वोत्तम क्लीनिंग साध्य केले. लेझर एनर्जी वाढल्याने क्लीनिंग कार्यक्षमता सुधारली आणि मोठे कण काढणे अधिक सोपे झाले.
 

२) धातू उद्योग: धातूच्या पृष्ठभागाची स्वच्छता

 
धातूच्या पृष्ठभागाच्या स्वच्छतेचा उद्देश स्थूल दूषित घटकांना लक्ष्य करणे आहे: ऑक्साईड/गंजाचे थर, रंग, लेप आणि इतर चिकटलेले पदार्थ, ज्यांचे वर्गीकरण सेंद्रिय (रंग, लेप) किंवा असेंद्रिय (गंज) दूषित घटक म्हणून केले जाते. ही स्वच्छता पुढील प्रक्रिया/वापराच्या आवश्यकतांची पूर्तता करते: उदा. वेल्डिंग करण्यापूर्वी टायटॅनियम मिश्रधातूवरील १० μm जाडीचे ऑक्साईडचे थर काढून टाकणे, विमानांच्या बाह्य आवरणाला पुन्हा रंग देण्यासाठी त्यावरील रंग काढणे, आणि उत्पादनाची गुणवत्ता व साच्याचे आयुष्यमान सुनिश्चित करण्यासाठी टायरच्या साच्यांमधून रबराचे अवशेष स्वच्छ करणे.
 
धातूंची हानी सहन करण्याची क्षमता त्यांच्यातील दूषित घटक स्वच्छ करण्याच्या क्षमतेपेक्षा जास्त असते, ज्यामुळे योग्य शक्तीच्या लेझरने प्रभावी स्वच्छता करणे शक्य होते. प्रगत उपयोगांमध्ये यांचा समावेश आहे: वांग लिहुआ आणि इतरांनी दाखवून दिले की, ५.१ जूल/सेमी² क्षमतेच्या लेझरने सब्सट्रेटची गुणवत्ता कायम ठेवत A5083-111H ॲल्युमिनियम मिश्रधातूवरील ऑक्साईडचे थर काढून टाकले, आणि १०० वॅटच्या पल्स्ड लेझरने टायटॅनियम मिश्रधातूवरील ऑक्साईडचे थर प्रभावीपणे स्वच्छ करून पृष्ठभागाची कठीणता वाढवली. देशांतर्गत उत्पादक (रेकस लेझर, हान्स लेझर, शेन्झेन चुआंगझिन) रबर मोल्ड, धातूवरील गंज आणि भागांवरील तेल काढण्यासाठी लेझर क्लीनिंग उपकरणांचा मोठ्या प्रमाणावर पुरवठा करतात.
 

३) सांस्कृतिक अवशेषांचे संवर्धन: सांस्कृतिक अवशेष आणि कागदी वस्तूंची स्वच्छता

 
धातू आणि दगडाच्या सांस्कृतिक अवशेषांवर कालांतराने धूळ, शाईचे डाग आणि इतर अशुद्ध घटक जमा होतात, ज्यामुळे त्यांचे मूळ स्वरूप परत मिळवण्यासाठी ते काढून टाकणे आवश्यक असते. कागदी कलाकृतींवर (उदा. चित्रे, सुलेखन) अयोग्य साठवणुकीमुळे बुरशी आणि पापुद्रे येतात, ज्यामुळे त्यांची स्थिती आणि सांस्कृतिक/ऐतिहासिक मूल्य गंभीरपणे खालावते.
 
झाओ यिंग आणि इतरांनी तांदळाच्या कागदावरील बुरशीच्या पट्टिकांच्या यूव्ही लेझर स्वच्छतेची पडताळणी केली: ३.२ जूल/मिमी² ऊर्जेच्या एकाच स्कॅनने पातळ पट्टिका काढल्या, तर दोन स्कॅनमध्ये त्या पूर्णपणे काढल्या गेल्या; अतिरिक्त लेझर ऊर्जेमुळे कागदाचे नुकसान झाले. झांग शियाओतोंग यांनी लेझर वेट पद्धतीचा वापर करून एका सोन्याचा मुलामा दिलेल्या कांस्य कलाकृतीचे यशस्वीपणे पुनरुज्जीवन केले. झांग लिचेंग यांनी हान राजवंशातील एका रंगवलेल्या स्त्रीच्या मातीच्या मूर्तीवर लेझर स्वच्छता लागू केली. युआन शियाओदोंग आणि इतरांनी दगडी अवशेषांसाठी लेझर स्वच्छतेच्या परिणामकारकतेचे मूल्यांकन केले, ज्यामध्ये वाळूच्या दगडावरील शाई, धूर आणि रंगाचे डाग काढण्याच्या कार्यक्षमतेची आणि मूळ पृष्ठभागाचे नुकसान यांची तुलना केली.
 

निष्कर्ष

 
लेझर क्लीनिंग हे एक प्रगत तंत्रज्ञान असून, त्याला एरोस्पेस, लष्करी उपकरणे, इलेक्ट्रॉनिक्स आणि इतर उच्च-सुस्पष्टता क्षेत्रांमध्ये व्यापक संशोधन आणि उपयोजनाच्या संधी आहेत. त्याच्या कार्यक्षमतेमुळे, पर्यावरणपूरकतेमुळे आणि उत्कृष्ट स्वच्छतेच्या परिणामांमुळे अनेक उद्योगांमध्ये हे तंत्रज्ञान परिपक्व झाले असून, त्याचे उपयोजन सतत विस्तारत आहे. रंग आणि गंज काढण्याच्या प्रस्थापित पद्धतीपलीकडे, अलीकडील प्रगतीमध्ये धातूच्या तारांवरील ऑक्साईडच्या थरांच्या लेझर क्लीनिंगचा समावेश आहे. भविष्यातील विकास हा विद्यमान उपयोजनांचा विस्तार करणे, नवीन क्षेत्रांमध्ये प्रवेश करणे आणि उपकरणांमध्ये नावीन्य आणण्यावर अवलंबून आहे.
 
  1. व्यावहारिक उपयोगांना मार्गदर्शन करण्यासाठी सैद्धांतिक संशोधन अधिक बळकट करा. सध्याचे संशोधन मोठ्या प्रमाणावर प्रयोगांवर अवलंबून आहे आणि त्यात एका परिपक्व सैद्धांतिक चौकटीचा अभाव आहे. तांत्रिक परिपक्वतेसाठी अशी चौकट प्रस्थापित करणे अत्यंत महत्त्वाचे आहे.
  2. विद्यमान आणि नवीन क्षेत्रांमध्ये अनुप्रयोगांचा विस्तार करा. रंग/गंज काढण्याच्या क्षेत्रात प्रस्थापित असून, धातूच्या तारांवरील ऑक्साईड साफ करणे यासारखे नवीन उपयोग उदयास येत आहेत, ज्यामुळे विकासासाठी सुपीक जमीन तयार होत आहे.
  3. नवीन लेझर स्वच्छता उपकरणे विकसित करणे, ज्यामध्ये बहुउद्देशीय सार्वत्रिक उपकरणे (उदा., रंग आणि गंज दोन्ही काढणारी) आणि विशेष साधने (उदा., मर्यादित जागांसाठी सानुकूलित फिक्स्चर/फायबर) यांचा समावेश असेल. औद्योगिक रोबोट्ससोबत एकत्रीकरणाद्वारे पूर्ण स्वयंचलीकरण ही एक आशादायक दिशा आहे.

पोस्ट करण्याची वेळ: १४ मे २०२६