ऑप्टिकल नीलम का परिचय

ऑप्टिकल नीलम का परिचय

ऑप्टिकल नीलम एक कृत्रिम, बहुत शुद्ध प्रकार का एल्युमिनियम ऑक्साइड (AL2O3) है, जिसे विशेष रूप से ऑप्टिकल, मैकेनिकल और थर्मल अनुप्रयोगों की मांग के लिए तैयार किया जाता है। यह एक क्रिस्टलीय पदार्थ है, जो मूल रूप से अनाकार ऑप्टिकल ग्लास से अलग है, जिसमें क्रिस्टल की विशेषता वाली लंबी दूरी की परमाणु व्यवस्था का अभाव है। जबकि सभी प्राकृतिक नीलम मौजूद हैं और रत्न के रूप में मूल्यवान हैं, सिंथेटिक ऑप्टिकल नीलम को तकनीकी उपयोगों के लिए आवश्यक उच्च शुद्धता और वास्तुशिल्प उत्कृष्टता प्राप्त करने के लिए नियंत्रित परिस्थितियों में विस्तारित किया जाता है। "मोती कांच" शब्द, इस कारण से, एक मिथ्या नाम है, क्योंकि नीलम में क्रिस्टलीय जालीदार ढांचा होता है, जो कांच में पाए जाने वाले अव्यवस्थित परमाणु योजना के विपरीत होता है।

नीलम जैसे क्रिस्टलीय ठोस और कांच जैसे अनाकार ठोस के बीच महत्वपूर्ण अंतर उनकी परमाणु योजना पर टिका है। क्रिस्टलीय उत्पाद एक अत्यधिक व्यवस्थित, दोहरावदार जालीदार ढांचा दिखाते हैं जो पूरे उत्पाद में फैला हुआ है। यह अभिन्न क्रम नीलम के अधिकांश असाधारण गुणों को निर्धारित करता है, जिसमें इसकी उत्कृष्ट दृढ़ता, उच्च गलनांक और विशिष्ट ऑप्टिकल विशेषताएँ शामिल हैं। क्रिस्टलीय उत्पाद एक विशिष्ट, तेज गलनांक स्तर तक पहुँचने तक एक कठोर संरचना को बनाए रखते हैं। इसके विपरीत, ऑप्टिकल ग्लास जैसे अनाकार पदार्थों में लंबी दूरी के क्रम के बिना एक यादृच्छिक परमाणु स्थिति होती है। ग्लास को आम तौर पर एक सुपरकूल्ड लिक्विड माना जाता है, जिसकी मोटाई एक निश्चित गलनांक के बजाय तापमान स्तर के साथ क्रमिक रूप से बदलती रहती है। इस अंतर को दर्शाने वाला एक विशिष्ट उदाहरण सिलिकॉन डाइऑक्साइड (SiO2) है, जो अनाकार फ्यूज्ड क्वार्ट्ज ग्लास या क्रिस्टलीय क्वार्ट्ज के रूप में मौजूद हो सकता है।

नीलम की क्रिस्टलीय संरचना षट्कोणीय/रंबोहेड्रल होती है। इस अनिसोट्रोपिक ढांचे का तात्पर्य है कि इसके कई आवासीय गुण, जिनमें ऑप्टिकल और यांत्रिक विशेषताएं शामिल हैं, क्रिस्टलोग्राफिक अभिविन्यास पर निर्भर करते हैं। विभिन्न अभिविन्यास, जैसे कि सी-प्लेन, ए-प्लेन, आर-प्लेन और एम-प्लेन, का उपयोग कुछ निश्चित अनुप्रयोग आवश्यकताओं के आधार पर किया जाता है। सी-प्लेन नीलम, जहां क्रिस्टल की ऑप्टिकल अक्ष सतह के लंबवत होती है, आमतौर पर द्विअपवर्तन के परिणामों को कम करने के लिए ऑप्टिकल अनुप्रयोगों में पसंद की जाती है। कम महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों के लिए यादृच्छिक स्थिति का उपयोग किया जा सकता है। ऑप्टिकल अक्ष और भाग के सतह क्षेत्र के बीच कोणीय संबंध को इसके संरेखण के रूप में संदर्भित किया जाता है।

कृत्रिम नीलम निर्माण का इतिहास एक सदी से भी ज़्यादा पुराना है। 1902 में ऑगस्टे वर्न्यूइल द्वारा बनाई गई वर्न्यूइल प्रक्रिया, ज्वाला संलयन के साथ सिंथेटिक रत्नों के बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए पहली तकनीक थी। पारंपरिक रूप से उल्लेखनीय होने के बावजूद, वर्न्यूइल प्रक्रिया द्वारा प्राप्त गुणवत्ता आम तौर पर आधुनिक उच्च-सटीक ऑप्टिकल और डिजिटल अनुप्रयोगों के लिए अपर्याप्त थी। उन्नत तकनीकें, जैसे कि ज़ोक्रल्स्की दृष्टिकोण और एज-डिफ़ाइंड फ़िल्म-फ़ेड ग्रोथ (EFG), कम समस्याओं के साथ बड़े, अधिक सजातीय क्रिस्टल उत्पन्न करने के लिए बनाई गई थीं, जो सेमीकंडक्टर वेफ़र्स और उच्च-ग्रेड ऑप्टिकल घटकों के लिए उपयुक्त थीं। द्वितीय विश्व युद्ध के दौरान, जब यूरोपीय आपूर्ति लाइनें बाधित हुई थीं, तो सटीकता उपकरणों के लिए ज्वेल बियरिंग बनाने के लिए वर्न्यूइल प्रक्रिया को विशेष रूप से संयुक्त राज्य में निष्पादित किया गया था।

शुद्ध नीलम रंगहीन होता है। अशुद्धियों की दृश्यता नीलम को रंग दे सकती है और इसके यांत्रिक, तापीय और प्रकाशीय गुणों को महत्वपूर्ण रूप से बदल सकती है। उदाहरण के लिए, क्रिस्टल विकास प्रक्रिया के दौरान प्रस्तुत ऑक्सीजन दोष प्रकाश अवशोषण का कारण बन सकते हैं, विशेष रूप से 200 एनएम के आसपास यूवी रेंज में (जिसे एफ-सेंटर कहा जाता है)। कम ऑक्सीजन मुद्दों वाला नीलम लगभग 150 एनएम तक प्रकाश भेज सकता है। सिंथेटिक नीलम को उसके इच्छित अनुप्रयोग के आधार पर रेट किया जाता है, जिसमें उच्च गुणवत्ता वाले ऑप्टिकल उपयोगों के लिए बहुत कम प्रकाश बिखराव और जालीदार विरूपण दिखाते हैं, जबकि कम गुणवत्ता वाले और भी अधिक खामियों वाले यांत्रिक अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त होते हैं। यूवी ग्रेड नीलम को विशेष रूप से यूवी प्रकाश जोखिम के तहत सौरकरण से बचने के लिए संसाधित किया जाता है। गुणों के उदाहरणों में गुणवत्ता 1 (उल्लेखनीय ऑप्टिकल ट्रांसमिशन), ग्रेड 2 (उच्च ऑप्टिकल स्पष्टता), और यांत्रिक गुणवत्ता (उच्च कठोरता और उपयोग प्रतिरोध) शामिल हैं।

तुलनात्मक ऑप्टिकल और भौतिक विशेषताएँ

ऑप्टिकल नीलम में ऑप्टिकल और भौतिक गुणों का एक अनूठा संयोजन होता है जो इसे मानक दृश्य चश्मे से अलग करता है और इसे कुछ उच्च प्रदर्शन उपचारों के लिए आवश्यक बनाता है।

ऑप्टिकल निवास:

• गियर बॉक्स भिन्नता: नीलम के सबसे महत्वपूर्ण दृश्य लाभों में से एक इसकी अविश्वसनीय रूप से व्यापक संचरण सीमा है। यह गहरे नीले समुद्री पराबैंगनी (UV) क्षेत्र से आने वाले प्रकाश को प्रसारित करता है, जो लगभग 150-170 nm (स्तर और शुद्धता पर निर्भर करता है) से शुरू होता है, स्पष्ट क्षेत्र के साथ, और मध्य-अवरक्त (MWIR) क्षेत्र में, आमतौर पर लगभग 5.5 μm (5500 nm) होता है। कुछ स्रोत 4.5 μm की ऊपरी सीमा का सुझाव देते हैं। यह बड़ी खुली खिड़की नीलम को विभिन्न स्पूकी बैंड में गियर बॉक्स की मांग करने वाले अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त बनाती है, कई दृश्य चश्मे के विपरीत जो वास्तव में दृश्यमान या निकट-आईआर के लिए बनाए जाते हैं। उदाहरण के लिए, BK7 जैसा सामान्य बोरोसिलिकेट क्राउन ग्लास लगभग 350 nm से 2000 nm तक स्थानांतरित होता है, जिससे यह गहरे UV उपचारों के लिए अनुपयुक्त हो जाता है। मर्ज किए गए सिलिका से व्यापक चयन (लगभग 210-4000 एनएम) मिलता है, फिर भी यह नीलम के गहरे बैठे यूवी और विस्तारित एमडब्ल्यूआईआर गियर बॉक्स से कम है। जर्मेनियम, जबकि आईआर में उपयोग किया जाता है, वास्तव में स्पष्ट और यूवी में अपारदर्शी है। नीलम के उच्च संचरण को एंटी-रिफ्लेक्शन (एआर) कोटिंग्स के साथ और बढ़ाया जा सकता है, जो विवरण तरंगदैर्ध्य चयनों में 99% तक संप्रेषण प्राप्त करता है। नीलम वास्तव में यूवी ब्लैकिंग के प्रति भी असंवेदनशील है, जो लंबे समय तक यूवी दृश्यता पर कुछ दृश्य उत्पादों में देखी जाने वाली एक विनाश संवेदना है।
• अपवर्तक चिह्न: नीलम में अपेक्षाकृत उच्च अपवर्तनांक होता है जो कई सामान्य ऑप्टिकल ग्लास से मेल खाता है। दृश्यमान स्पेक्ट्रम में, इसका अपना अपवर्तनांक आम तौर पर 1.76 के आसपास होता है। 1.06 μm जैसी एक निश्चित तरंगदैर्ध्य पर, अपवर्तनांक वास्तव में लगभग 1.7545 होता है। यह BK7 (587.6 nm पर लगभग 1.5168) और एकीकृत सिलिका (587.6 nm पर 1.3900) से अधिक है। नीलम का अपवर्तनांक, अन्य घटकों की तरह, तापमान और दबाव (dn/dT और dn/dP) पर निर्भर करता है, हालाँकि विस्तृत बाजार मूल्यों के लिए अधिक विशिष्ट रिकॉर्ड की आवश्यकता होती है।
• द्विअपवर्तन: एक अक्षीय क्रिस्टल के रूप में, नीलम द्विअपवर्तन प्रदर्शित करता है, जो दर्शाता है कि इसका अपवर्तनांक इसके दृश्य (सी-) अक्ष के बारे में प्रकाश के ध्रुवीकरण और प्रसार निर्देशों के साथ बदलता रहता है। इससे दोहरा अपवर्तन हो सकता है। पारंपरिक अपवर्तन चिह्न (नहीं), सी-अक्ष के लंबवत सूर्य ध्रुवीकृत के लिए, लगभग 1.768 है, जबकि सूर्य ध्रुवीकृत सी-अक्ष के समानांतर के लिए अद्भुत अपवर्तनांक (Ne), वास्तव में लगभग 1.760 है। द्विअपवर्तन (Ne - बिल्कुल नहीं) का आकार लगभग 0.008 है। जबकि द्विअपवर्तन का उपयोग वेवप्लेट जैसे उपचारों में किया जा सकता है, यह अक्सर ऑप्टिकल होम विंडो के साथ-साथ लेंस में प्रतिकूल होता है क्योंकि यह वेवफ्रंट को विकृत कर सकता है और ध्रुवीकरण-निर्भर प्रभाव पेश कर सकता है। पत्थर के संरेखण का सावधानीपूर्वक संग्रह, विशेष रूप से सी-प्लेन कट का उपयोग करते हुए जहां प्रकाश सी-अक्ष के साथ फैलता है, दृश्य भागों में द्विअपवर्तन परिणामों को आसानी से कम कर सकता है।
• प्रसार: नीलम का प्रकीर्णन, जो यह बताता है कि तरंगदैर्घ्य के साथ-साथ इसका अपवर्तनांक कैसे बदलता है, सेलमीयर सूत्रों का उपयोग करके वर्णित किया जा सकता है। जबकि विशिष्ट वितरण बाजार मूल्यों को निश्चित रूप से सीधे आपूर्ति नहीं की गई थी, सेलमीयर सूत्र गियर बॉक्स क्षेत्र में अपवर्तनांक का अनुमान लगाने में सक्षम बनाता है। एब्बे किस्म, ऑप्टिकल ग्लास में प्रसार के लिए एक सामान्य मीट्रिक, उच्च बाजार मूल्य के साथ कम प्रकीर्णन और कम बाजार मूल्य के साथ महत्वपूर्ण वितरण भी दिखाती है।

शारीरिक गुण:

• दृढ़ता के साथ-साथ शक्ति भी: नीलम वास्तव में अविश्वसनीय रूप से कठिन है, मोहस स्केल पर 9वें स्थान पर है, रत्न के बाद दूसरे स्थान पर है। संरेखण के आधार पर इसकी नॉप दृढ़ता 1370 से 2200 किलोग्राम/मिमी दो तक भिन्न होती है। यह कठोर दृढ़ता इसे खरोंच, घर्षण, साथ ही पहनने के लिए अत्यधिक असंवेदनशील बनाती है, जो गंभीर परिस्थितियों में एक महत्वपूर्ण लाभ है। नीलम में उच्च संपीड़न कठोरता और लचीलेपन का उच्च मापांक भी होता है, जो इसके प्रीमियम तकनीकी लचीलेपन और प्रभाव के प्रतिरोध को भी लाता है।
• थर्मिक विशेषताएँ: नीलम असाधारण तापीय विश्वसनीयता प्रदर्शित करता है, जो अपने यांत्रिक और ऑप्टिकल गुणों को बड़े तापमान भिन्नता पर बनाए रखता है, लगभग 1800 ° C से अधिक क्रायोजेनिक मात्रा से, साथ ही 2053 ° C (3727 ° F) के आसपास पिघलने वाला पहलू। इसकी अपनी तापीय ऊर्जा वास्तव में अधिकांश अन्य दृश्य घटकों और ढांकता हुआ पदार्थों से अधिक है, जो उच्च तापमान या उच्च शक्ति अनुरोधों में महत्वपूर्ण ऊष्मा ऊर्जा को नष्ट करने में सहायता करता है। नीलम थर्मल शॉक से सुरक्षा भी प्रदर्शित करता है, जो त्वरित तापमान परिवर्तन के दौरान क्षेत्र की क्षति या विवर्तन से दूर रहता है। इसका तापीय वृद्धि गुणांक वास्तव में अपेक्षाकृत कम है, लगभग 8.8 x 10 ⁻⁶/ ° C। * रासायनिक जड़ता: नीलम वास्तव में रासायनिक रूप से बहुत निष्क्रिय है और अंतरिक्ष तापमान पर अधिकांश सॉल्वैंट्स, एसिड और क्षार के प्रति प्रतिरोधी है। जबकि कुछ नक़्क़ाशी आसानी से 600-800 डिग्री सेल्सियस से ऊपर गर्म फॉस्फोरिक एसिड और कठोर कास्टिक के साथ हो सकती है, इसका अपना मानक प्रतिरोध इसे तीखे रासायनिक वातावरण के लिए दृढ़ता से उपयुक्त बनाता है जहाँ कई दृश्य ग्लास निश्चित रूप से कमजोर हो सकते हैं।
• इलेक्ट्रिकल रियल एस्टेट: नीलम वास्तव में एक असाधारण विद्युत इन्सुलेटर है जिसमें उच्च बहुमत प्रतिरोधकता के साथ-साथ उच्च परावैद्युत स्थिरांक भी होता है। ये गुण बिजली अलगाव की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों में फायदेमंद होते हैं।

मूल्यांकन डेस्क: नीलम बनाम सामान्य ऑप्टिकल चश्मा

यह तुलना नीलम के ठोसपन, ऊष्मीय और रासायनिक सुरक्षा, तथा व्यापक वर्णक्रमीय गियर बॉक्स, विशेष रूप से गहरे UV और विस्तारित MWIR में, जहाँ कई ऑप्टिकल ग्लास सीमित हैं, के संबंध में नीलम के लाभों पर प्रकाश डालती है। हालाँकि, इसकी द्विअपवर्तनता और उच्च कीमत इकाई शैली में देखने योग्य कारक हैं।

अनुप्रयोग और प्रदर्शन संदर्भ

ऑप्टिकल और भौतिक आवासीय या व्यावसायिक गुणों का अभूतपूर्व संयोजन नीलम को कई तरह के मांग वाले अनुप्रयोगों के लिए विकल्प की सामग्री बनाता है जहाँ सामान्य ऑप्टिकल ग्लास काम करना बंद कर देते हैं। गंभीर वातावरण को सहने की इसकी क्षमता विशेष ऑप्टिकल प्रणालियों में इसके उपयोग के लिए एक प्रमुख चालक है।

• कठोर वातावरण वाली खिड़कियाँ और गुम्बद: नीलम की अद्भुत दृढ़ता (मोहस रेंज पर 9) और खरोंच प्रतिरोध अप्रिय टुकड़ों वाले वातावरण में महत्वपूर्ण हैं, जैसे कि रेत और गंदगी में चलने वाले उच्च गति वाले एयरोस्पेस अनुप्रयोग, या गहरे समुद्र और तलछट के संपर्क में आने वाले अंडरसी सिस्टम। इसकी उच्च संपीड़न शक्ति और तनाव प्रतिरोध इसे गहरे समुद्र में पनडुब्बियों और पानी के नीचे की सुरक्षा ऑटोमोबाइल में उपयोग करने में सक्षम बनाता है, जिसमें ऑप्टिकल गुंबद लगभग 10,000 psi के तनाव को झेलने में सक्षम हैं। उत्पाद की रासायनिक निष्क्रियता विनाशकारी वातावरण में प्रदर्शन की गारंटी देती है, जबकि इसकी उच्च तापमान सुरक्षा (-200 ° C से +1000 ° C तक ऑपरेटिंग सरणियाँ, और 2030 ° C के बराबर) इसे हीटिंग सिस्टम विंडो, वैक्यूम क्लीनर कक्षों में व्यूपोर्ट और उच्च तापमान वाले प्लाज्मा वातावरण के लिए एकदम सही बनाती है। थर्मल शॉक के लिए नीलम का प्रतिरोध तेजी से तापमान स्तर के परिवर्तनों के साथ अनुप्रयोगों में इसकी निर्भरता को और बढ़ाता है।
• एयरोस्पेस और रक्षा: एयरोस्पेस में, मोती की खिड़कियों और गुंबदों का उपयोग उच्च गति वाली मिसाइल मार्गदर्शन प्रणालियों, दर्शनीय चित्र पोल और जिम्बल सिस्टम में किया जाता है क्योंकि वे उच्च गति और पर्यावरणीय कारकों के जोखिम की कठिन परिस्थितियों का सामना करने की क्षमता रखते हैं। इसका विकिरण प्रतिरोध, उच्च विकिरण प्रणालियों में सौरकरण को रोकता है, इसे क्षेत्र और परमाणु अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त बनाता है।
• लेज़र प्रणालियाँ: नीलम की खिड़कियां कई प्रकार के लेज़रों में सुरक्षा तत्वों के रूप में कार्य करती हैं, जो बिना किसी नुकसान के उच्च लेज़र शक्ति घनत्व को झेलने में सक्षम हैं। सतह की उच्च गुणवत्ता लेज़र अनुप्रयोगों में विशेष रूप से महत्वपूर्ण है, क्योंकि दोष लेज़र-प्रेरित क्षति को लॉन्च कर सकते हैं। बढ़े हुए बिखराव के परिणामस्वरूप यूवी लेज़रों के लिए सख्त सतह क्षेत्र गुणवत्ता सहिष्णुता की अक्सर आवश्यकता होती है।
• औद्योगिक व्यूपोर्ट्स: नीलम की खिड़कियों का उपयोग अक्सर वैक्यूम क्लीनर कक्षों और उच्च तापमान प्लाज्मा जैसे स्थानों में व्यूपोर्ट के रूप में किया जाता है, क्योंकि वे अत्यधिक तापमान अंतर और दबाव अंतर के प्रति प्रतिरोधी होती हैं।
• चिकित्सा अनुप्रयोग: सफायर की ऑप्टिकल स्पष्टता, रासायनिक निष्क्रियता, खरोंच प्रतिरोध और जैव-संगतता इसे विभिन्न चिकित्सा अनुप्रयोगों के लिए आदर्श बनाती है, जिसमें मेडिकल इमेजिंग, लेजर, जैव-रासायनिक विश्लेषण और सर्जिकल रोबोटिक्स शामिल हैं।
• सेमीकंडक्टर उद्योग: यद्यपि सभी स्थितियों में नीलम का उपयोग केवल प्रकाशीय अनुप्रयोग के लिए नहीं किया जाता है, फिर भी इसका उपयोग उच्च चमक वाले एल.ई.डी. और लेजर डायोड के उत्पादन में गैलियम नाइट्राइड (GaN) की वृद्धि के लिए सब्सट्रेट के रूप में बड़े पैमाने पर किया जाता है।
• उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स: नीलम के खरोंच प्रतिरोध ने इसे घड़ी के क्रिस्टल में और, कुछ हद तक, स्मार्टफोन इलेक्ट्रॉनिक कैमरों और डिस्प्ले स्क्रीन के लिए आवरण सामग्री के रूप में उपयोग किया है, हालांकि लागत इस उद्योग में बड़े पैमाने पर अपनाने को प्रतिबंधित करने वाला एक महत्वपूर्ण कारक बनी हुई है।
• विभिन्न अन्य अनुप्रयोग: इसके अतिरिक्त, नीलम को इसके लचीले, खरोंच-प्रतिरोधी सतह के कारण यूपीसी कोड स्कैनर में, तथा एफटीआईआर स्पेक्ट्रोस्कोपी और एफएलआईआर इमेजिंग प्रणालियों में भी पाया जाता है।

ऑप्टिकल ग्लास के विपरीत, नीलम अत्यधिक कठोरता, उच्च तापमान प्रतिरोध, विस्तृत वर्णक्रमीय संचरण (विशेष रूप से UV और MWIR में) और रासायनिक जड़ता की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों में असाधारण प्रदर्शन का उपयोग करता है। जबकि BK7 और फ्यूज्ड सिलिका जैसे ऑप्टिकल ग्लास कई दृश्यमान और निकट-आईआर अनुप्रयोगों के लिए किफायती और उपयुक्त हैं, उनमें नीलम की कठोरता और लंबी वर्णक्रमीय सीमा का अभाव है। मर्ज किए गए सिलिका को आमतौर पर कुछ मांग वाले अनुप्रयोगों में एक व्यावहारिक विकल्प माना जाता है, हालांकि नीलम आमतौर पर उल्लेखनीय दक्षता प्रदान करता है, हालांकि इसकी कीमत अधिक होती है। नीलम और ऑप्टिकल ग्लास के बीच चयन प्रदर्शन आवश्यकताओं, पर्यावरणीय परिस्थितियों और मूल्य कारकों के बीच एक समझौता है।

विनिर्माण प्रक्रियाएँ, रिटर्न और व्यय प्रभाव

बड़े, उच्च-ग्रेड ऑप्टिकल नीलम बौल्स और सटीकता ऑप्टिकल भागों का निर्माण एक जटिल और ऊर्जा-गहन प्रक्रिया है, जो बड़े पैमाने पर उत्पादित ऑप्टिकल ग्लास की तुलना में उत्पाद के अधिक खर्च में नाटकीय रूप से योगदान देता है। कई क्रिस्टल विकास दृष्टिकोणों का उपयोग किया जाता है, जिनमें से प्रत्येक के अपने फायदे, चुनौतियां और रिटर्न और कीमत पर प्रभाव होता है।

कृत्रिम नीलम बाजार एक विस्तारित उद्योग है, जिसके 2023 में 5.2 बिलियन अमरीकी डॉलर से 2033 तक 10.1 बिलियन अमरीकी डॉलर तक पहुंचने का अनुमान है, जिसमें 6.8% की CAGR है। इस वृद्धि को आगे बढ़ाने वाले प्रमुख अनुप्रयोगों में उच्च चमक वाले एलईडी, अर्धचालक सबस्ट्रेट्स, ऑप्टिकल पार्ट्स और उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक उपकरण शामिल हैं। जबकि नीलम वर्तमान में उच्च चमक वाले एलईडी सब्सट्रेट बाजार पर हावी है, सिलिकॉन (Si), सिलिकॉन कार्बाइड (SiC), और गैलियम नाइट्राइड-ऑन-सिलिकॉन (GaN-on-Si) जैसे विभिन्न उत्पाद बाजार में हिस्सेदारी हासिल कर रहे हैं। उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों, ऑटोमोटिव बाजार (विशेष रूप से ईवी अपनाने से प्रेरित ऑटोमोबाइल एलईडी बाजार का विकास) और एलईडी लाइट्स में व्यापक बदलाव से जरूरत प्रभावित होती है। ग्राहक इलेक्ट्रॉनिक्स बाजार में अधिशेष दर भिन्नता ला सकता है। एशिया-प्रशांत नीलम वेफर निर्माण के लिए एक महत्वपूर्ण केंद्र है, जिसमें ताइवान का एक महत्वपूर्ण बाजार हिस्सा है, और चीन स्थानीय उत्पादन बढ़ा रहा है।

नीलम बाजार में विनिर्माण की उच्च कीमतें एक प्राथमिक बाधा हैं, जो विशेष विकास उपकरणों में काफी पूंजीगत व्यय, प्रक्रियाओं की ऊर्जा-गहन प्रकृति और अत्यधिक कुशल कर्मियों की मांग से उत्पन्न होती हैं। अविश्वसनीय रूप से कठोर नीलम उत्पाद की मशीनिंग और पॉलिशिंग भी अंतिम तत्व व्यय में महत्वपूर्ण योगदान देती है। कच्चा माल, उच्च शुद्धता वाला एल्यूमिना (HPA या AL2O3), एल्यूमिना का एक क्रिस्टलीय रूप है। जबकि HPA पूरे बाउल विनिर्माण मूल्य का केवल लगभग 10% प्रतिनिधित्व करता है, इसकी शुद्धता ऑप्टिकल अनुप्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण है। आपूर्ति श्रृंखलाओं को जोखिम मुक्त करने और संधारणीय उत्पादन विधियों पर जोर देने की दिशा में एक विस्तारित प्रवृत्ति है, जिसमें कुछ कंपनियां नवीकरणीय संसाधन स्रोतों का उपयोग करके विस्तारित "पर्यावरण के अनुकूल" नीलम पर ध्यान केंद्रित कर रही हैं। अज्ञात और सामग्री व्यय को कम करने के लिए विनिर्माण श्रृंखला में स्वचालित गुणवत्ता आश्वासन प्रणाली को जल्दी से लागू किया जा रहा है। आयातित नीलम सब्सट्रेट पर हाल ही में संयुक्त राज्य शुल्क वैश्विक आपूर्ति श्रृंखलाओं और लागत संरचनाओं को प्रभावित करने की उम्मीद है।

क्रिस्टल विकास विधियाँ:

• काइरोपोलोस (केवाई) विधि: इस तकनीक में एक बीज क्रिस्टल को क्रूसिबल के भीतर तरलीकृत एल्यूमिना के स्नान में डुबोना शामिल है। घूमते समय क्रूसिबल को धीरे-धीरे ऊपर की ओर खींचा जाता है, जिससे एल्यूमिना मजबूत होता है और एक बड़ा बाउल विकसित होता है। KY तकनीक को काफी कम समस्याओं के साथ बड़े, प्रीमियम नीलम बाउल बनाने के लिए जाना जाता है और इसे सस्ती और प्रभावी माना जाता है। फिर भी, एक बड़ी बाधा गर्मी विनिमय में संशोधनों के कारण होने वाली अस्थिर विकास दर है, जिसके लिए आंतरिक समस्याओं से बचने के लिए धीमी विकास दरों की आवश्यकता होती है। 2017 तक, KY ने वास्तव में 350 किलोग्राम तक के बाउल बनाए थे, जिसमें 300 मिमी आकार के सबस्ट्रेट्स बनाने की क्षमता थी। 2009 में, एक उन्नत KY तकनीक का उपयोग करके 200 किलोग्राम के बाउल को प्रभावी ढंग से बढ़ाया गया था। KY-उगाए गए क्रिस्टल के लिए एक बिखराव की समस्या हो सकती है, लेकिन इंटरफ़ेस उत्तलता को अनुकूलित करके इससे बचा जा सकता है। केवाई बौल्स की गोल धुरी आम तौर पर एलईडी सब्सट्रेट पर GaN जमाव के लिए आवश्यक स्थिति के लंबवत होती है। केवाई दृष्टिकोण ने 2023 में बाजार में आय का नेतृत्व किया क्योंकि इसकी क्षमता बड़े, उच्च-ग्रेड बौल्स को कुशलतापूर्वक बनाने की है। विकास प्रक्रिया में अद्वितीय चरण शामिल हैं: सीडिंग, टेकिंग, समतुल्य आकार का विकास, एनीलिंग और कूलिंग। एक आवश्यक लाभ यह है कि क्रिस्टल विकास के दौरान दीवार की सतह के साथ संपर्क के बिना क्रूसिबल में रहता है, जिससे थर्मल तनाव कम होता है।
• हीट एक्सचेंजर दृष्टिकोण (एचईएम): HEM एक क्रिस्टल विकास रणनीति है जो एक क्रूसिबल के भीतर सटीक तापमान नियंत्रण का उपयोग करती है, अक्सर ठंडा होने से पहले क्रिस्टल को उसी स्थान पर एनीलिंग करने की क्षमता के साथ। HEM का उपयोग बड़े क्रिस्टल विकसित करने के लिए किया गया है, जिसमें 34 सेंटीमीटर व्यास और 65 किलोग्राम तक के क्रिस्टल के रिकॉर्ड हैं, और 50 सेमी आकार तक स्केलिंग की योजना है। 30 किलोग्राम, 25 सेंटीमीटर आकार के बौल्स को उत्पादन में लिया गया है। HEM ने वास्तव में (0001) पोजिशनिंग बौल्स के विस्तार की उपयोगिता का प्रदर्शन किया है, जो बिना द्विध्रुवीय ऑप्टिकल अनुप्रयोगों के लिए बड़े नीलम भागों के उत्पादन के लिए बहुत महत्वपूर्ण है। विधि को वास्तव में जटिल नीलम भागों को सीधे पिघलने से विस्तारित करने के लिए "निवेश प्रसार" तकनीक के रूप में भी अनुकूलित किया गया है। इनकॉर्पोरेटेड वार्मथ एक्सट्रैक्शन सिस्टम (CHES) नामक एक भिन्नता ब्रिजमैन विधि के समान ऊर्ध्वाधर क्रूसिबल ट्रांसलेशन के माध्यम से विकास दर को प्रबंधित करने के अधिक परिष्कृत दृष्टिकोण का उपयोग करती है, और इसने लगभग 250 मिमी व्यास वाले क्रिस्टल बनाए हैं। हेम-उगाए गए क्रिस्टल में एक संभावित दोष एक स्पष्ट बैंड है जिसे "दूधिया दोष" कहा जाता है। हेम का एक महत्वपूर्ण व्यय लाभ कई विकास रन के लिए क्रूसिबल का उपयोग करने की क्षमता है, जिसके परिणामस्वरूप अन्य रणनीतियों की तुलना में कम परिचालन व्यय होता है। CHES तकनीक के माध्यम से उगाए गए बाउल्स 80% तक उत्पाद उपयोग दर प्राप्त कर सकते हैं।
• एज-डिफ़ाइंड फ़िल्म-फ़ेड ग्रोथ (EFG): EFG में मोलिब्डेनम डाई से नीलम उगाना शामिल है। यह विधि प्लेट, ट्यूब और धनुष सहित विभिन्न रूपों में नीलम का उत्पादन करने में सक्षम है। EFG नीलम बड़ी प्लेट आयामों में आसानी से उपलब्ध है, जैसे कि 304 मिमी x 508 मिमी। यह स्वाभाविक रूप से बड़ी खिड़कियों के विकास को सक्षम बनाता है। EFG एक त्वरित विकास दर, सस्ती और एक साथ कई वस्तुओं का विस्तार करने की क्षमता प्रदान करता है। EFG द्वारा विकसित सबसे लंबा स्थिर ऑप्टिकल फिलामेंट लगभग 16 फीट था। EFG नीलम फिलामेंट मानक ऑप्टिकल फाइबर के पिघलने वाले कारक से अधिक तापमान का सामना कर सकता है, जंग का प्रतिरोध करता है, और अवरक्त सीमा में संचारित होता है। फिर भी, EFG-उगाए गए क्रिस्टल बुलबुले, अनाज की सीमाओं और अव्यवस्था जैसी समस्याओं से ग्रस्त हो सकते हैं। जबकि कुछ अनुकूलित EFG तकनीकों में विस्थापन घनत्व पारंपरिक EFG की तुलना में कम है, लगभग बड़े आयामों (जैसे, 1 मीटर x 1 मीटर खिड़कियां) को मापना EFG और बाउल विकास विधियों दोनों के लिए एक चुनौती बनी हुई है।

मूल्य चालक और तकनीकी कठिनाइयाँ: .

ऑप्टिकल नीलम की उच्च लागत में कई तत्व शामिल होते हैं। क्रूसिबल सामग्री का चुनाव महत्वपूर्ण है; टंगस्टन क्रूसिबल KY तकनीक में आम हैं, जबकि मोलिब्डेनम का उपयोग आम तौर पर HEM के लिए किया जाता है। मोलिब्डेनम क्रूसिबल आमतौर पर HEM प्रक्रिया में केवल एक विकास चक्र से गुजरते हैं, जिसमें कीमत भी शामिल है। घरेलू हीटिंग तकनीक भी अलग-अलग होती है, KY में आमतौर पर वैक्यूम में रिफ्रैक्टरी मेटल (टंगस्टन) बर्नर का उपयोग किया जाता है, और HEM में आर्गन वातावरण में ग्रेफाइट हीटर का उपयोग किया जाता है।

विकास के दौरान क्रिस्टल अभिविन्यास उत्पाद उपयोग और कीमत को काफी हद तक प्रभावित करता है। सी-अक्ष नीलम क्रिस्टल उगाने से बाउल का 60% से अधिक उपयोग हो सकता है, जबकि क्षेत्र मानक ए-अक्ष क्रिस्टल के लिए 35-40% होता है, और प्रति किलो विस्तारित क्रिस्टल पर लगभग 50% बिजली की बचत होती है।

गलत जगह पर जगह बनाना, बुलबुले बनाना और "दूधिया दोष" जैसी समस्याएँ पैदा करना एक महत्वपूर्ण तकनीकी चुनौती है जो अंतिम क्रिस्टल के ऑप्टिकल और यांत्रिक आवासीय गुणों को प्रभावित करती है। प्रीमियम क्रिस्टल बनाने के लिए विकास दर का सटीक नियंत्रण आवश्यक है, एक ऐसा कारक जहाँ Czochralski प्रक्रिया (हालाँकि बड़े ऑप्टिकल बाउल के लिए रेखांकित नहीं) अपनी क्षमता के लिए जानी जाती है। विकास और शीतलन के दौरान विश्वसनीय थर्मल निगरानी भी चिंता और दोष गठन को कम करने के लिए महत्वपूर्ण है।

संक्षेप में, ऑप्टिकल नीलम के निर्माण में परिष्कृत और महंगी क्रिस्टल विकास विधियाँ शामिल हैं। जबकि KY और HEM जैसी तकनीकें बड़े बाउल्स के लिए और EFG विशिष्ट आकृतियों के लिए पसंद की जाती हैं, प्रत्येक में दोष नियंत्रण, विकास मूल्य सुरक्षा और सामग्री अनुप्रयोग से जुड़ी कठिनाइयाँ होती हैं। उच्च पूंजी निवेश, बिजली का उपयोग, और कच्चे माल और प्रसंस्करण का खर्च ऑप्टिकल ग्लास की तुलना में नीलम की प्रीमियम कीमत को बढ़ाता है। निरंतर शोध अध्ययन विकास तकनीकों में सुधार, दोषों को कम करने, सामग्री अनुप्रयोग को अनुकूलित करने और अधिक लागत-कुशल और टिकाऊ उत्पादन तकनीकों की जाँच करने पर केंद्रित है।

उन्नत तकनीकी विनिर्देश और सिस्टम आत्मसात।

जटिल ऑप्टिकल प्रणालियों में नीलम तत्वों को एकीकृत करने के लिए उनकी उन्नत तकनीकी आवश्यकताओं की गहन समझ और तनाव और द्विअपवर्तन निगरानी जैसे कारकों पर सावधानीपूर्वक विचार करने की आवश्यकता होती है।

विस्तृत तकनीकी विनिर्देश:

• संचरण वक्र: जबकि कुछ वक्रों की पेशकश नहीं की गई थी, लगभग 150 एनएम से 5.5 माइक्रोन तक की व्यापक संचरण विविधता एक आवश्यक विशिष्टता है। विशिष्ट संचरण भाग तरंगदैर्ध्य, उत्पाद की मोटाई और सतह क्षेत्र परिष्करण के साथ भिन्न होता है। गहरे यूवी संचरण के लिए उच्च शुद्धता ग्रेड आवश्यक हैं। एंटी-रिफ्लेक्शन (एआर) फिनिशिंग आमतौर पर विशिष्ट तरंगदैर्ध्य बैंड, जैसे 400-1100 एनएम या 2000-5000 एनएम में संचरण को बढ़ाने के लिए लगाई जाती है।

• अपवर्तक सूचकांक प्रकार: नीलम का अपवर्तनांक तरंगदैर्घ्य, तापमान स्तर (dn/dT) और तनाव (dn/dP) का एक कार्य है। जबकि dn/dT और dn/dP के लिए विशिष्ट मान नहीं दिए गए थे, ये निर्भरताएँ विभिन्न पर्यावरणीय समस्याओं पर काम करने वाले उच्च-सटीक ऑप्टिकल सिस्टम बनाने के लिए आवश्यक हैं। तरंगदैर्घ्य की एक विशेषता के रूप में अपवर्तनांक को डिज़ाइन करने के लिए सेलमेयर समीकरणों का उपयोग किया जाता है।

• सतह की सर्वोच्च गुणवत्ता की आवश्यकताएं: ऑप्टिकल दक्षता के लिए सतह क्षेत्र की गुणवत्ता अत्यंत महत्वपूर्ण है, विशेष रूप से उच्च-शक्ति लेजर या इमेजिंग सिस्टम जैसे अनुप्रयोगों के लिए। मुख्य आवश्यकताओं में स्क्रैच-डिग, एकरसता और समानांतरता शामिल हैं।
• स्क्रैच-डिग: यह आवश्यकता स्वीकार्य सतह दोषों का मूल्यांकन करती है। MIL-PRF-13830B, MIL-F-48616 और MIL-C-48497 जैसे मानदंड आम तौर पर उपयोग किए जाते हैं। MIL-PRF-13830B दो-संख्या प्रणाली (जैसे, 60-40) का उपयोग करता है, जहाँ पहली संख्या माइक्रोन में अधिकतम खरोंच आकार से संबंधित होती है, और दूसरी मिलीमीटर के सौवें हिस्से में इष्टतम खुदाई व्यास को इंगित करती है। कम संख्या उच्च गुणवत्ता को दर्शाती है, जिसमें "0-0" बहुत खरोंच-खुदाई पूरक सतहों के लिए खड़ा है। एक खरोंच को इसकी चौड़ाई से काफी अधिक आकार वाले दोष के रूप में परिभाषित किया जाता है, जबकि एक खुदाई लगभग बराबर लंबाई और आकार के साथ एक गड्ढे जैसा दोष है। ISO 10110 विशिष्ट रूप से एक अलग प्रतीक का उपयोग करता है, जैसे "5/2 × 0.004", जो अधिकतम खुरचने की चौड़ाई, खरोंचों की विविधता और मिलीमीटर में इष्टतम खुदाई आकार को निर्दिष्ट करता है। सामान्य स्क्रैच/डिग मान बेसिक ऑप्टिक्स के लिए 80/50 से लेकर उच्च परिशुद्धता तत्वों के लिए 20/10 या उससे कम तक होते हैं। यदि अधिकतम आकार का स्क्रैच मौजूद है, तो इसका आकार आमतौर पर ऑप्टिक के व्यास के 1/4 तक सीमित होता है। 10 विनिर्देश वाले डिग को कम से कम 1 मिमी से अलग किया जाना चाहिए, और बहुत छोटे डिग (2.5 µm से छोटे आकार के) को अनदेखा किया जा सकता है।
• समतलता: सतह क्षेत्र समतलता, या अनियमितता, एक आदर्श विमान से सतह के विचलन को निर्धारित करती है, जिसे आमतौर पर तरंगदैर्ध्य (λ) के भागों में निर्दिष्ट किया जाता है। उदाहरण के लिए, 633 एनएम पर λ/20 31.65 एनएम की अधिकतम विसंगति दर्शाता है। मानक गुणवत्ता के लिए एकरसता गुण 1 λ से लेकर उच्च सटीकता के लिए λ/8 या उससे कम तक होते हैं। गड़बड़ी पैटर्न का मूल्यांकन करके सतह की एकरसता का परीक्षण करने के लिए इंटरफेरोमेट्री एक सामान्य विधि है।
• समानता: समानता यह निर्दिष्ट करती है कि ऑप्टिकल पहलू की दोनों सतहें कितनी समान हैं। परावर्तित तरंगाग्र में विकृति को कम करने के लिए उच्च समांतरता महत्वपूर्ण है।
• सतह खुरदरापन: सतह क्षेत्र खुरदरापन सतह की उच्च गुणवत्ता का एक और आवश्यक पहलू है, विशेष रूप से बिखराव को कम करने और लेजर-प्रेरित क्षति को रोकने के लिए। इसे औसत खुरदरापन आयाम और अंतिम शिखर-से-घाटी आयाम जैसे मेट्रिक्स का उपयोग करके मापा जा सकता है।

सिस्टम एकीकरण पर विचार करने योग्य कारक:

• तनाव और चिंता को दूर रखना: नीलम की उच्च दृढ़ता और नाजुक प्रकृति के परिणामस्वरूप, तनाव और चिंता पैदा करने से बचने के लिए रणनीतियों को स्थापित करने पर सावधानीपूर्वक विचार किया जाना चाहिए जो दरार या ऑप्टिकल दक्षता को प्रभावित कर सकता है। माउंटिंग तकनीकों को ऑपरेटिंग तापमान स्तर सरणी पर नीलम और आवास उत्पाद के बीच थर्मल विस्तार में अंतर को समायोजित करना चाहिए।
• द्विअपवर्तन भुगतान: नीलम का द्विअपवर्तन उन प्रणालियों में एक महत्वपूर्ण कारक हो सकता है जहाँ ध्रुवीकरण नियंत्रण या तरंगाग्र स्थिरता महत्वपूर्ण है। सी-प्लेन उन्मुख नीलम का उपयोग करते समय प्रकाशीय अक्ष के साथ प्रसारित होने वाले प्रकाश के लिए द्विअपवर्तन कम हो जाता है, ऑफ-एक्सिस किरणों में अभी भी द्विअपवर्तन का अनुभव होगा। सभी किरणों के लिए उच्च ध्रुवीकरण शुद्धता या सीमांत तरंगाग्र विरूपण की आवश्यकता वाली प्रणालियों में, ऑप्टिकल तत्वों को बनाने जैसे तरीकों (जैसे, विपरीत द्विअपवर्तन विशेषताओं वाले उत्पाद से बने वेवप्लेट) या नीलम सतह क्षेत्र पर घटना के कोण को कम करने के लिए सिस्टम बनाने की आवश्यकता हो सकती है। उन अनुप्रयोगों के लिए जहां द्विअपवर्तन को हेरफेर किया जाता है, जैसे कि वेवप्लेट में, क्रिस्टल अभिविन्यास का सटीक नियंत्रण आवश्यक है।
• उत्पाद संबंधी समस्याएं: आंतरिक सामग्री संबंधी समस्याएं, जैसे कि जालीदार दोष, अशुद्धियाँ, और अतिरिक्त (जैसे बुलबुले या दूधिया मुद्दे), फैलने, अवशोषण, या लेजर-प्रेरित क्षति को ट्रिगर करके ऑप्टिकल दक्षता को प्रभावित कर सकते हैं, विशेष रूप से उच्च-शक्ति अनुप्रयोगों में। इन समस्याओं के प्रति अनुप्रयोग की संवेदनशीलता के आधार पर आदर्श सामग्री ग्रेड और उच्च गुणवत्ता के स्तर को निर्दिष्ट करना महत्वपूर्ण है।
• वैक्यूम क्लीनर ऑप्टिक्स: वैक्यूम क्लीनर सिस्टम में नीलम की खिड़कियों को शामिल करते समय, ऑप्टिकल दक्षता से परे अतिरिक्त चर पर विचार किया जाना चाहिए। इनमें फ्लैंज का प्रकार और आयाम, परिभाषित दबाव और तापमान सीमाओं के तहत वैक्यूम क्लीनर की ईमानदारी बनाए रखने के लिए होम विंडो सेटिंग की क्षमता, वैक्यूम सेटिंग के भीतर विकिरण और जंग के लिए प्रतिरोध, विद्युत और चुंबकीय आवासीय या वाणिज्यिक गुण, और नीलम और प्लेसमेंट सामग्री से बहुत कम आउटगैसिंग शामिल हैं।
• लागत-प्रदर्शन समझौता: सतह की गुणवत्ता या विभिन्न अन्य तकनीकी विशिष्टताओं को अनुप्रयोग के आवश्यक प्रदर्शन के लिए आवश्यक से अधिक निर्दिष्ट करने से लागत में नाटकीय रूप से वृद्धि हो सकती है। प्रत्येक विनिर्देशन सिस्टम दक्षता को कैसे प्रभावित करता है, इसकी व्यापक समझ किफायती डिज़ाइन विकल्प बनाने के लिए महत्वपूर्ण है।

अंत में, ऑप्टिकल नीलम को जटिल प्रणालियों में एकीकृत करने के लिए इसके विशेष गुणों और व्यापक आवश्यकताओं पर ध्यान देने की आवश्यकता होती है। बुनियादी ऑप्टिकल और भौतिक विशेषताओं से परे, क्रिस्टल अभिविन्यास, सतह की उच्च गुणवत्ता की आवश्यकताओं, माउंटिंग विचारों और द्विअपवर्तन और उत्पाद दोषों के संभावित प्रभाव जैसे कारकों की पूरी तरह से जांच की जानी चाहिए ताकि इष्टतम सिस्टम प्रदर्शन और विश्वसनीयता सुनिश्चित की जा सके, विशेष रूप से कठिन ऑपरेटिंग सेटिंग्स में।