टिकाऊ डिज़ाइन: ऑप्टिक्स को लंबे समय तक चलने योग्य क्या बनाता है?

तापीय रूप से स्थिर ऑप्टिकल सामग्री: टिकाऊ डिज़ाइन की आधारशिला

चरम तापमान में उतार-चढ़ाव वाले वातावरण में प्रदर्शन बनाए रखने के लिए तापीय रूप से स्थिर ऑप्टिकल सामग्री आवश्यक हैं, जैसे अंतरिक्ष दूरबीन और उच्च-शक्ति लेजर प्रणाली। ये सामग्री तापीय तनाव के तहत विकृति, गलत संरेखण और क्षय को रोकती हैं, जिससे दीर्घकालिक विश्वसनीयता सुनिश्चित होती है।

तापीय विकृति को न्यूनतम करने में ज़ीरोडूर और अत्यंत कम विस्तार (ULE) ग्लास की भूमिका

ज़ीरोडूर® और ULE कांच के थर्मल प्रसरण दर 0.05 × 10⁻⁶ प्रति केल्विन से कम होती है, जिसका अर्थ है कि तापमान में उतार-चढ़ाव होने पर इनके आकार में लगभग कोई बदलाव नहीं आता। ऑप्टिकल प्रणालियों में ऐसी स्थिरता का बहुत महत्व होता है क्योंकि नैनोमीटर स्तर पर भी छोटी से छोटी गति चीजों के कामकाज को बिगाड़ सकती है। 2023 की एक हालिया उद्योग रिपोर्ट के अनुसार, इन सामग्रियों से बने उपकरणों ने 150 डिग्री सेल्सियस के चरम तापमान परिवर्तन के बाद भी अपनी वेवफ्रंट सटीकता को λ/20 मानकों के भीतर बनाए रखा। इसीलिए हम इन्हें उपग्रह इमेजिंग प्रणालियों और कंप्यूटर चिप्स बनाने वाली उच्च परिशुद्धता वाली मशीनों में इतना अधिक उपयोग में लाते हैं, जहाँ सटीक विनिर्देशों को बनाए रखना पूर्णतः आवश्यक होता है।

अत्यधिक परिस्थितियों के लिए उच्च प्रदर्शन वाले सब्सट्रेट के रूप में सिलिकॉन कार्बाइड (SiC)

सिलिकॉन कार्बाइड में वास्तव में उल्लेखनीय ऊष्मा चालकता के गुण होते हैं, जो वास्तव में एल्युमीनियम की तुलना में लगभग 4 गुना बेहतर है। इसके अलावा, इसका ऊष्मीय प्रसार गुणांक भी काफी अच्छा होता है, लगभग 4.3 प्रति केल्विन प्रति दस की घात ऋणात्मक छह। इसका व्यावहारिक अर्थ यह है कि सिलिकॉन कार्बाइड से बने घटकों से ऊष्मा तेजी से विखेरी जाती है, जिससे चीजों को ठंडा रखने में मदद मिलती है और उन खराब ऊष्मीय ढालों को रोका जा सकता है जो यांत्रिक तनाव की समस्याओं का कारण बनते हैं। यूरोपीय अंतरिक्ष एजेंसी के सोलर ऑर्बिटर को उदाहरण के रूप में लें। उस अंतरिक्ष यान पर लगे दर्पण सिलिकॉन कार्बाइड तकनीक का उपयोग करके बनाए गए थे और वे 10 मेगावाट प्रति वर्ग मीटर तक पहुँचने वाले तीव्र सौर विकिरण के संपर्क में आने पर भी बिल्कुल ठीक काम करते रहे। संचालन के दौरान पहनावे या प्रदर्शन में गिरावट के कोई वास्तविक संकेत नहीं देखे गए, इसलिए हम सुरक्षित रूप से कह सकते हैं कि सिलिकॉन कार्बाइड उन बाह्य अंतरिक्ष मिशनों और विभिन्न औद्योगिक सेटिंग्स में बहुत अच्छा काम करता है जहाँ चरम परिस्थितियाँ आम हैं।

ऑप्टिकल सब्सट्रेट्स में तापीय प्रसार गुणांक का तुलनात्मक विश्लेषण

केस स्टडी: जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप के दर्पण प्रणाली में तापीय स्थिरता

जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप में 6.5 मीटर का एक विशाल मुख्य दर्पण है जो बेरिलियम के टुकड़ों से बना है और जिस पर सिर्फ 48 ग्राम सोने की परत चढ़ी है। यह लेप भी कोई यादृच्छिक चुनाव नहीं था – इंजीनियरों ने विशेष रूप से सोने को इसलिए चुना क्योंकि टेलीस्कोप के संचालन के लिए आवश्यक लगभग -240 डिग्री सेल्सियस के उन बर्फीले तापमान पर यह बहुत अच्छा प्रदर्शन करता है। लेकिन जो वास्तव में ध्यान खींचता है, वह है कि उन्होंने सब कुछ संरेखित कैसे रखा। सहायक फ्रेम में ULE ग्लास के साथ-साथ विशेष तापीय नियंत्रण का उपयोग किया गया है जो चीजों को 25 नैनोमीटर के भीतर संरेखित रखते हैं। वास्तव में, यह वास्तव में Hubble द्वारा उस समय प्राप्त क्षमता से लगभग 150 गुना बेहतर है। और लॉन्च के बाद किए गए वास्तविक दुनिया के परीक्षणों ने एक और बहुत ही प्रभावशाली बात दिखाई। यहां तक कि जब तापमान 80 हजार केल्विन तक बदलता है, तब भी टेलीस्कोप अपनी फोकस को 1% से कम विकृति के साथ बनाए रखता है। यह वास्तव में एक अद्भुत प्रमाण है कि अंततः सभी सावधानीपूर्वक की गई सामग्री के चयन का फल मिला।

दीर्घकालिक स्थायित्व के लिए विकिरण-कठोर और संदूषण-प्रतिरोधी लेप

अकार्बनिक परावैद्युत लेप: विकिरण-प्रधान अनुप्रयोगों में HfO2, Al2O3 और SiO2

हैफ्नियम डाइऑक्साइड (HfO2), एल्युमीनियम ऑक्साइड (Al2O3) और सिलिकॉन डाइऑक्साइड (SiO2) जैसी सामग्री से बने लेप गामा विकिरण, इलेक्ट्रॉन बीम, और यहां तक कि कॉस्मिक किरणों के खिलाफ उल्लेखनीय रूप से स्थिर रहते हैं। फैन और सहयोगियों द्वारा 2024 में प्रकाशित एक अध्ययन में पाया गया कि HfO2 एक मिलियन रेड तक की गामा विकिरण की मात्रा के संपर्क के बाद भी अपने परावर्तक गुणों का लगभग 98% बरकरार रखता है। इन अकार्बनिक परावैद्युत पदार्थों को इतना मजबूत बनाता है उनकी क्रिस्टल संरचना जो दोषों का प्रतिरोध करती है। इस बीच परीक्षणों से पता चला है कि सिलिकॉन डाइऑक्साइड में भी अत्यंत कम क्षरण दर होती है, निम्न पृथ्वी कक्षा की नकल की गई स्थितियों में 100 घंटे तक सतह को कम से कम 0.01% क्षति ही देखी गई। ऐसी स्थायित्व की वजह से अंतरिक्ष एजेंसियां और उपग्रह निर्माता अपने उपकरणों में महत्वपूर्ण घटकों के लिए लगातार इन सामग्रियों की ओर रुख करते हैं।

कम उत्सर्जन वाले एडहेसिव्स और सीलबंद प्रणाली: निर्वात और अंतरिक्ष में धुंध लगने को रोकना

निर्वात परिस्थितियों में सामान्य चिपकने वालों की समस्या यह है कि वे गैसें छोड़ देते हैं, जिससे उन नाजुक ऑप्टिकल घटकों पर संघनन की समस्या और धुंधले धब्बे आ जाते हैं, जिन पर हम इतना अधिक निर्भर रहते हैं। सौभाग्यवश, नए सिलिकॉन-आधारित विकल्पों ने आउटगैसिंग पर नियंत्रण रखने के मामले में बहुत सुधार किया है। ASTM E595 परीक्षण मानकों के अनुसार ये उन्नत सामग्री लगभग 0.05% के कुल द्रव्यमान हानि के कठिन लक्ष्य को प्राप्त करते हैं, जो अधिकांश मानक एपॉक्सी उत्पादों की तुलना में लगभग बीस गुना बेहतर है। फिर भी, इन सुधरे हुए चिपकने वालों को सोने की टिन मिश्र धातुओं से बनी उचित सीलिंग तकनीकों के साथ जोड़ दिया जाए, तो निर्माताओं को वास्तव में अद्भुत कुछ मिलता है। ऐसे तरीके से बनाए गए सिस्टम माइनस 173 डिग्री सेल्सियस से लेकर प्लस 125 डिग्री सेल्सियस तक हजारों तापमान परिवर्तनों के बाद भी प्रति मिलियन भागों से कम दूषण बनाए रखते हैं। इस तरह के प्रदर्शन का अर्थ है चरम परिस्थितियों में काम करने वाले उपकरणों के लिए स्पष्ट ऑप्टिक्स और लंबे समय तक चलने वाली कार्यक्षमता।

आर्द्रता, रसायनों और चरम पराबैंगनी (यूवी) त्वचा के प्रति सामग्री का प्रतिरोध

भूमि पर उपयोग किए जाने वाले ऑप्टिकल तंत्र कुछ कठोर पर्यावरणीय चुनौतियों का सामना करते हैं। इन्हें ASTM B117 मानकों के अनुसार नमक के छिड़काव, अम्लीय स्थितियों से गुजरना और 280 से 320 नैनोमीटर के बीच पराबैंगनी प्रकाश के तहत लंबी अवधि तक जीवित रहना संभालना होता है। Al2O3 कोटिंग्स ऐसी स्थितियों में अत्यधिक अच्छा प्रदर्शन करती हैं। 95% आर्द्रता स्तर पर 1,000 घंटे तक रखे जाने के बाद, इन कोटिंग्स में पारगम्यता में आधे प्रतिशत से भी कम की गिरावट देखी जाती है। वास्तव में, यह पुराने जिंक सल्फाइड विकल्पों की तुलना में लगभग 30% बेहतर है जिनका उपयोग पहले आम था। इन्हें इतना स्थायी बनाने का रहस्य क्या है? इसका रहस्य उनके मजबूत रासायनिक बंधन में है जो पानी या धूप के संपर्क में आने पर आसानी से टूटते नहीं हैं। इसका अर्थ है कि समुद्री हवा, रेतीले तूफानों या औद्योगिक प्रदूषकों से उपकरण को नुकसान पहुंचने वाले स्थानों में ये बहुत अधिक समय तक चलते हैं।

यांत्रिक मजबूती: खरोंच प्रतिरोध, कठोरता और पर्यावरणीय परीक्षण

मांग वाले वातावरण में विश्वसनीय ऑप्टिकल प्रणालियां खरोंच प्रतिरोध, भंगुरता सहिष्णुता और कठोर पर्यावरणीय मान्यकरण पर निर्भर करती हैं। ये कारक एयरोस्पेस, रक्षा और क्षेत्र-तैनात सेंसिंग अनुप्रयोगों में उत्तरजीविता सुनिश्चित करते हैं।

दीर्घायु के लिए सामग्री चयन: कठोरता, सहिष्णुता और सतह परिष्करण

जब ऐसी सामग्री के साथ काम करने की बात आती है जो घर्षण के प्रति प्रतिरोधी हो, हम आमतौर पर उन सामग्रियों पर विचार करते हैं जिनकी विकर्स कठोरता संख्या 300 HV से अधिक होती है। सिलिकॉन कार्बाइड ऐसी ही एक सामग्री है जो इस श्रेणी में अच्छी तरह फिट बैठती है। दूसरा महत्वपूर्ण कारक भंगुरता सहनशीलता (फ्रैक्चर टफनेस) है, जो प्रभाव के कारण क्षति होने के बाद दरारों के फैलाव को रोकने के लिए 3 MPa√m से ऊपर होनी चाहिए। उदाहरण के लिए फ्यूज्ड सिलिका को लीजिए। यह सामग्री कठोरता परीक्षण में लगभग 550 HV तक पहुँचने में सक्षम होती है, और फिर भी लगभग 0.8 MPa√m पर उचित स्तर की कठोरता बनाए रखती है। इससे यह विमान की खिड़कियों जैसे स्थानों पर बहुत अच्छा काम करती है जहाँ शक्ति और स्पष्टता दोनों महत्वपूर्ण होते हैं। और सतह के विनिर्माण (सरफेस फिनिश) के बारे में भी मत भूलिए। जब निर्माता इन सतहों को 1 नैनोमीटर RMS खुरदरापन से नीचे पॉलिश करते हैं, तो वे नियमित विनिर्माण विधियों की तुलना में खरोंच के बनने की संभावना लगभग तीन-चौथाई तक कम कर देते हैं। इसलिए यह समझ में आता है कि इतने सारे उच्च प्रदर्शन वाले अनुप्रयोग इस तरह के उपचार पर निर्भर क्यों हैं।

यांत्रिक और पर्यावरणीय सहनशीलता के लिए मानकीकृत परीक्षण प्रोटोकॉल

तैनाती के लिए योग्यता प्राप्त करने के लिए, ऑप्टिकल घटकों को चरम परिस्थितियों के अनुकरण के लिए मानकीकृत परीक्षणों में सफल होना चाहिए:

• 500+ तापीय चक्र (-173°C से +125°C तक)
• 100 G यांत्रिक झटके
• 200 घंटे तक नमकीन कोहरे के संपर्क में रहना

इन मानकों को पूरा करने वाले घटक अनुकरणित 10 वर्ष के मिशन के बाद भी 99.2% परावर्तकता बनाए रखते हैं। उदाहरण के लिए, मंगल जांचकर्ता रोवर परसेवेरेंस के सुपरकैम लेज़र ने NASA के MSL-ICE-023 कण प्रतिरोध मानक को 40% तक पार कर लिया, जिससे मंगल पर धूल तूफानों के 900 सॉल तक निर्बाध संचालन संभव हुआ।

अगली पीढ़ी के टिकाऊ ऑप्टिक्स: मेटा-ऑप्टिक्स और नैनोफोटोनिक उन्नयन

कॉम्पैक्ट, बहुक्रियाशील और पर्यावरणीय रूप से स्थिर प्रणालियों के लिए मेटा-ऑप्टिक्स

मेटा ऑप्टिक्स उन पुराने बड़े अपवर्तक तत्वों के बजाय नैनोस्ट्रक्चर्ड सतहों का उपयोग करके काम करते हैं, जिन पर हम लंबे समय से निर्भर थे। इससे अत्यंत पतली उपकरण बनाने में सहायता मिलती है जो एक साथ कई कार्य कर सकते हैं। कृत्रिम बुद्धिमत्ता (एआई) के डिज़ाइन की सहायता से, आज की मेटासरफेस प्रकाशिक विपथन को 0.05 ल-lambda RMS से कम रखने में सफल रहती हैं, जो काफी प्रभावशाली है। साथ ही वे तापमान में -200 डिग्री सेल्सियस से लेकर 300 डिग्री सेल्सियस तक के तेज उतार-चढ़ाव के दौरान भी स्थिर रहती हैं। सिलिकॉन नाइट्राइड या टाइटेनियम डाइऑक्साइड जैसी सामग्री में बने इन सूक्ष्म संरचनाओं ने एक मिलीमीटर से भी कम मोटाई की परतों में ध्रुवीकरण नियंत्रण और स्पेक्ट्रल फ़िल्टरिंग को समाहित कर दिया है। और यह सुनिए: जेपीएल के एक हालिया अध्ययन (2023) के अनुसार, इन मेटा ऑप्टिक लेंसों ने हजार थर्मल चक्रों के बाद भी 98% दक्षता बनाए रखी। ऐसी स्थायित्व क्षमता उन्हें अंतरिक्ष अन्वेषण और औद्योगिक क्षेत्रों दोनों में वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों के लिए गंभीर उम्मीदवार बना देती है।

उन्नत यांत्रिक एवं तापीय स्थायित्व वाली नैनोफोटोनिक संरचनाएँ

नैनोफोटोनिक्स के क्षेत्र में हेक्सागोनल बोरॉन नाइट्राइड (h-BN) जैसी सामग्री क berाहर कंपोनेंट्स के आयु को बढ़ाया जा रहा है। यह सामग्री लगभग 18 गीगापास्कल के अविश्वसनीय दबाव को सहन कर सकती है और गर्म होने पर लगभग फैलती भी नहीं है। हाल के विकास में दिखाया गया है कि विशेष फोटोनिक क्रिस्टल गुहिकाएं निर्वात स्थितियों में एक लाख से अधिक यांत्रिक गुणवत्ता गुणांक प्राप्त कर रही हैं, जो सामान्य अनुनादकों से लगभग दस गुना बेहतर है। कुछ शोधकर्ताओं ने सिलिकॉन कार्बाइड नैनोबीम्स पर तनाव के फैलाव को समझने के लिए गहन सीखने (डीप लर्निंग) तकनीकों का भी उपयोग किया है। परिणाम? लगभग तीन-चौथाई तक दरार की समस्याओं में नाटकीय गिरावट। इन सभी उन्नतियों का अर्थ है कि अब ऑप्टिकल उपकरण 500g तक के गंभीर झटकों को सहन कर सकते हैं और लगातार 40 वाट प्रति वर्ग सेंटीमीटर की तीव्र लेजर बीम के तहत काम कर सकते हैं। ऐसे प्रदर्शन MIL-STD-810H मानकों द्वारा आवश्यकता के बराबर है, इसलिए यह सैन्य उपकरणों और अन्य कठोर वातावरणों के लिए बहुत अच्छा काम करता है जहां विश्वसनीयता सबसे अधिक महत्वपूर्ण होती है।

चरम वातावरण में टिकाऊ प्रकाशिकी के वास्तविक अनुप्रयोग

मंगल रोवरः धूल, विकिरण और चरम तापमान चक्रों से बचते हुए

नासा के दृढ़ता रोवर को मंगल ग्रह पर जीवित रहने के लिए कठोर ऑप्टिकल उपकरण की आवश्यकता होती है, जो मूल रूप से सौर मंडल में कहीं भी मशीनरी के लिए सबसे खराब स्थानों में से एक है। Mastcam-Z कैमरा सिस्टम में वास्तव में HfO2 से बने ये विशेष कोटिंग्स हैं जो कि विकिरण के लिए खड़े हो सकते हैं, साथ ही नीलमणि लेंस जो पूरी तरह से धूल के अंदर जाने से बंद हैं। वे भी चरम तापमान परिवर्तन से निपटने के लिए लगभग शून्य 130 डिग्री सेल्सियस से 30 डिग्री तक बिना विकृत या टूटने के। इन सभी सुधारों का मतलब है कि कैमरे पिछले मिशनों में देखे गए की तुलना में लगभग चार गुना अधिक समय तक चलते हैं। यह विस्तारित जीवन काल वैज्ञानिकों को उपकरण विफल होने से पहले अवलोकनों के माध्यम से भागने के बजाय पूरे मंगल मौसमों में विस्तृत भूवैज्ञानिक अध्ययन करने की अनुमति देता है।

जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप: दीर्घायुता-उन्मुख ऑप्टिकल इंजीनियरिंग में एक मील का पत्थर

जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप का मुख्य दर्पण सोने से ढके बेरिलियम के टुकड़ों का बना है, जिन्हें ULE ग्लास नामक कुछ चीज़ के साथ जोड़ा गया है। अंतरिक्ष में ब्रह्मांडीय विकिरण और ठंडे तापमान के बावजूद, यह अपने सबसे छोटे विवरण तक आकार बनाए रखता है। दो साल से अधिक समय तक कक्षा में तैरने के बाद भी, उस पर टकराने वाले छोटे उल्कापिंडों ने इसे खासतौर पर नुकसान नहीं पहुँचाया है—पूरे दर्पण की सतह पर विकृति 12 नैनोमीटर से भी कम है, जो इतनी संवेदनशील उपकरणों के लिए काफी अच्छा माना जाता है। इस अद्भुत टिकाऊपन के कारण, वैज्ञानिक अब अवरक्त प्रकाश के साथ ब्रह्मांड में पहले से कहीं अधिक गहराई तक देख पा रहे हैं, और ऐसा लगता है कि पृथ्वी पर इसके निर्माण शुरू करने के समय जितनी अवधि की उम्मीद थी, यह टेलीस्कोप उससे भी अधिक समय तक चल सकता है।

भूमि पर उपयोग: परमाणु और रक्षा प्रणालियों में विकिरण-प्रतिरोधी ऑप्टिक्स

परमाणु रिएक्टरों की निगरानी के मामले में, ज़िरकोनियम-डोप की गई सिलिका ऑप्टिक्स तब तक विकिरण के लगभग 1 मिलियन ग्रे तक के खुराक सहन कर सकती हैं जब तक कि उनमें अंधेरापन शुरू न हो जाए, जिससे वे आज उपलब्ध सामान्य कांच के विकल्पों की तुलना में क्षति के प्रति लगभग 80 गुना बेहतर होती हैं। 2024 के दौरान किए गए परीक्षणों में दिखाया गया कि इन सामग्रियों ने CANDU रिएक्टर की स्थितियों के भीतर 5,000 घंटे तक रहने के बाद भी लगभग 92 प्रतिशत प्रकाश संचरण क्षमता बनाए रखी। उद्योग ने तब से नए रिएक्टर डिज़ाइनों में पाए जाने वाले वास्तविक समय में न्यूट्रॉन फ्लक्स मापने के तंत्रों के भीतर इन विशेष ऑप्टिक्स को मुख्य घटक के रूप में अपनाया है। इन मापनों से स्पष्ट संकेत बनाए रखना केवल संचालन को चिकना तरीके से चलाने के लिए ही महत्वपूर्ण नहीं है, बल्कि सभी संचालन पैरामीटर्स के भीतर संयंत्र की समग्र सुरक्षा सुनिश्चित करने में भी एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।

सामान्य प्रश्न

थर्मल रूप से स्थिर ऑप्टिकल सामग्री क्या हैं?

तापीय रूप से स्थिर ऑप्टिकल सामग्री को चरम तापमान में उतार-चढ़ाव के बावजूद अपने प्रदर्शन को बनाए रखने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जो विकृति और क्षरण को रोकता है।

ऑप्टिकल प्रणालियों में ज़ीरोडुर और ULE कांच का क्यों महत्व है?

ज़ीरोडुर और ULE कांच में अत्यधिक कम तापीय प्रसार दर होती है, जिससे उन्हें सैटेलाइट इमेजिंग और चिप निर्माण जैसे उन अनुप्रयोगों के लिए आदर्श बनाता है जहां संरेखण और सटीकता बनाए रखना महत्वपूर्ण होता है।

चरम वातावरण अनुप्रयोगों में सिलिकॉन कार्बाइड के क्या फायदे हैं?

सिलिकॉन कार्बाइड को उच्च तापमान और विकिरण के संपर्क वाले वातावरण में उत्कृष्ट तापीय चालकता और टिकाऊपन के लिए जाना जाता है, जो अंतरिक्ष मिशन और औद्योगिक उपयोगों में इसे प्राथमिक विकल्प बनाता है।

ऑप्टिकल प्रणालियों की टिकाऊपन में लेप की क्या भूमिका होती है?

HfO2, Al2O3 और SiO2 जैसे अकार्बनिक परावैद्युत लेप ऑप्टिकल प्रणालियों को विकिरण और पर्यावरणीय क्षरण से बचाते हैं, जिससे उनका जीवनकाल और प्रदर्शन बढ़ जाता है।