Podesivi laseri postigli status crne kutije!

Vrhunski komercijalni proizvodi često potječu iz područja akademskog istraživanja. U mnogim slučajevima, profesori će osobno pokrenuti tvrtke ili privući investitore u tehnologiju rođenu u akademskim laboratorijima za licenciranje, kako bi se ona transformirala u proizvode koji se mogu plasirati na tržište.
Kada akademski istraživači stvaraju nove proizvode, oni ih često dizajniraju i proizvode koristeći brojne različite komponente. Kada to uvjeti dopuštaju, gotove komponente integriraju u konačni proizvod. Kako zahtjevi aplikacije eskaliraju, ovi sastavni dijelovi postaju sve složeniji i jedinstveniji.
Podesivi laseri koji se temelje na pulsu, na primjer, moraju biti vrlo fleksibilni, sposobni generirati širok raspon valnih duljina od vidljivog do dubokog ultraljubičastog, i emitirati impulse visokog intenziteta u nanosekundnim koracima. Imaju širok raspon primjena uključujući, ali ne ograničavajući se na prijenos informacija optičkim vlaknima, desorpciju iona, stvaranje topline, stvaranje ultrazvuka, elektronsku pobudu i još mnogo toga. Zahvaljujući svojoj izvanrednoj fleksibilnosti, ovi laseri igraju vitalnu ulogu u područjima fizikalne kemije s vremenskom razlučivošću, spektrometrije mase, fotoakustičke slike, spektroskopije, spektrofotometrije, dijagnostike i hiperspektralne slike.
Među ovim pulsirajućim laserima, laseri s optičkim parametarskim oscilatorom (OPO) ističu se svojom izvanrednom fleksibilnošću i ekonomičnošću, s mogućnošću "podešavanja" na široki spektralni raspon specifičnih valnih duljina.
OPO laseri komercijalno su dostupni više od 35 godina kako se tehnologija razvijala. Rani OPO sustavi bili su toliko veliki i skloni greškama da su razvijani i prodavani u garažama. Današnji OPO-i transformirani su u potpuno integrirane, plug-and-play uređaje koji ne zahtijevaju složeno postavljanje i kalibraciju od strane specijaliziranih laserskih inženjera. Moderni OPO-i mogu se jednostavno integrirati u OEM sustave uz učinkovitu kontrolu.
Ovaj napredak nedvojbeno je blagodat za biologe, kemičare, fizičare, znanstvenike i druge akademske istraživače. Iako su vrlo uspješni u svojim područjima, možda nemaju specijalizirano znanje o laserskom dizajnu ili ugađanju.
"Optifikatori gotovih proizvoda dizajnirani su upravo za ljude koji ne znaju mnogo o optici ili kako ugoditi lasere", kaže dr. Mark Little. On je tehnički i znanstveni marketinški savjetnik za OPOTEK, LLC u Carlsbadu, Kalifornija, vodećeg svjetskog proizvođača podesivih lasera. "U osnovi, to je 'crna kutija' koja se lako može integrirati u neki drugi sustav u razvoju."
Evolucija OPO lasera
Iako OPO laseri danas mogu postojati kao plug-and-play uređaji, njihova evolucija nije bila glatka.
Optički parametarski oscilatori (OPO) rade korištenjem kristala za pretvaranje pulsirajućeg Nd:YAG lasera i njegovih harmonika u određenu frekvenciju. Kako bi se postiglo "podešavanje", i laser pumpe i OPO moraju biti precizno postavljeni. Istraživači zatim moraju ručno fino podesiti kristale na mikronsku razinu dok se ne postigne željena valna duljina.
U svakodnevnim laboratorijskim operacijama, istraživači moraju stalno paziti na moguću neusklađenost dviju komponenti. Da bi se stvari dodatno zakomplicirale, valne duljine na određenim frekvencijama emitiraju se iz različitih priključaka, što često zahtijeva ponovno podešavanje eksternih eksperimentalnih postavki.
Rođenje OPOTEK-a
U tom su kontekstu akademski istraživači smatrali iznimno izazovnim optimizirati i uključiti OPO u komercijalne aplikacije.
Prije otprilike 45 godina, nakon mnogo godina rada u području zrakoplovstva, dr. Margalith je saznao da jedno sveučilište u Kini razvija široko podesive kristale, što mu je otvorilo oči u pogledu golemog potencijala OPO lasera. U to su se vrijeme podesivi laseri uglavnom temeljili na kemiji ili bojama, koji su bili kontinuirani, a ne pulsirajući i često su imali problema s curenjem. Osim toga, zbog svoje visoke složenosti, glomazne veličine i skupih troškova održavanja, laseri s bojom nikad nisu bili široko prihvaćeni u komercijalnim primjenama.
Nije prošlo dugo prije nego što je poduzetnički duh dr. Margalita dizajnirao prvi podesivi OPO laser i uspješno patentirao tehnologiju. Od tada se u njegovoj garaži rađa OPOTEK.
U srpnju 1993. OPOTEK je postao prva tvrtka u Sjedinjenim Državama koja je ponudila širokopojasni vidljivi OPO. Mnogi trenutni proizvodi tvrtke proizlaze iz ovog revolucionarnog dizajna. Od tada, različita dostignuća u tehnologiji kontinuirano su poboljšavala i prilagođavala performanse OPO-a.
Danas dr. Margalith kaže da je prihvaćena metoda izgradnje OPO-a integracija lasera s pumpom i OPO-optike u isto kućište i osiguranje da se to dvoje ne može odvojiti. Ovaj dizajn omogućuje jednostavno i sigurno pomicanje cijelog podesivog lasera prema potrebi. Integrirani softver detektira usklađivanje sustava i vrši prilagodbe gdje je to potrebno. Ova stabilnost je posebno kritična u komercijalnim okruženjima, kao što je prilikom premještanja opreme za snimanje iz laboratorija u bolničku operacijsku salu.
"Neki OPO-i iz prošlosti bili su toliko krhki da bi ga inženjeri, ako bi se sustav premjestio, morali ponovno namjestiti," objašnjava dr. Margalith, "To nije potrebno za današnje stabilne OPO-e. Postavljanje i obuka više ne zahtijevaju vanjsku ekspertizu. Možete kupite proizvod koji nema na policama i pošaljite ga preko noći kao i većinu potrošačkih proizvoda."
Automatizacija sada kontrolira sve elemente sustava kao što su harmonici lasera pumpe, optičko ugađanje rotacije kristala, optika za odvajanje valnog oblika i prigušivači. Razvojni programeri proizvoda također mogu koristiti komplete za razvoj softvera kako bi integrirali OPO-ove softverske funkcije u svoj vlastiti softver.
"Za znanstvenike istraživače ili tvrtke koje koriste takve lasere u svojim proizvodima, nabava zasebnog upravljačkog softvera od proizvođača podesivih lasera možda nije idealna. Oni više vole integrirati sve kontrole u vlastiti softver. U akademskom okruženju, spremanje svih podataka o laserskim parametrima je kritično za besprijekoran rad. Integracija je ključ svih funkcionalnosti." Dr. Little iz OPOTEK-a objašnjava.
Integracija automatizacije i kontrole je važna jer su obično laseri zatvoreni u većem kućištu, što ih čini teškim za reprogramiranje ili popravak.
Komplet za razvoj softvera također se može koristiti za postavljanje programabilnih skeniranja s unaprijed određenim valnim duljinama bilo kojim redoslijedom. Ovo ima primjenu u naprednim slikama visoke razlučivosti. Svojstvena mogućnost fokusiranja lasera omogućuje im uzorkovanje nevjerojatno malih područja, mjereći desetke mikrona. Prethodnim programiranjem lasera, sustav može rasterizirati i premjestiti lasere na različita područja kako bi proizveo skeniranje visoke rezolucije.
Prema dr. Littleu, "Budući da je ovo pulsirajući laser koji emitira više puta u sekundi, možete unijeti koliko puta želite da emitira na svakoj valnoj duljini i odlučiti povećati ili smanjiti broj valnih duljina." "Sve visokoenergetske zrake sada dolaze iz jednog priključka, omogućujući operateru da cilja područje od interesa izravno za analizu."
Veličina je povezana s podesivim OPO laserom. Ako je OPO prevelik, integracija instrumenata bit će teža i ukupni otisak konačnog proizvoda bit će velik. Ovo je vrlo važno s obzirom na prostorne zahtjeve istraživačkog laboratorija.
Dr. Little je prvi put saznao za OPO lasere kao postdiplomski student na Sveučilištu Louisiana State. On se prisjeća da su rani OPO bili "vrlo veliki, teški za korištenje i često oštećeni. Jedan OPO bio je dugačak 12 stopa."
Danas OPOTEK nudi jedan od najmanjih podesivih lasera na tržištu: Opolette 2940 veličine "kutije za cipele". Iako i dalje zahtijeva napajanje veličine "aktovke" s unutarnjim vodenim hlađenjem, 294-mikronski OPO laser glava zauzima mali otisak. Iako i dalje zahtijeva napajanje veličine "aktovke" s unutarnjim vodenim hlađenjem, laserska glava OPO lasera od 2,94 mikrona ima otisak od samo 9,5 x 4,5 x 7,5 inča.
Prema dr. Littleu, mala veličina povećava krutost lasera i dodatno stabilizira komponente unutar integriranog kućišta.
Posebnost modernih OPO-a je mogućnost prijenosa širokog raspona valnih duljina kroz optička vlakna. Svjetlovodna vlakna postala su primarna metoda prijenosa lasera jer ih je lako postaviti i odspojiti. Osim toga, štiti krajnjeg korisnika od izlaganja svjetlosti ili kontakta s očima jer se svjetlost prenosi kroz zatvorenu cijev. OPOTEK nudi isporuku vlakana za sve svoje proizvode, bez obzira na razinu energije.
Povijesno gledano, OPO laseri su uključivali složena ručna podešavanja i precizno poravnanje. Napredak tehnologije pretvorio je ove lasere u plug-and-play uređaje koji su stabilni i jednostavni za korištenje. Današnji OPO laseri, koji su jednostavni za korištenje i pouzdani, mogu se koristiti u komercijalnim i akademskim laboratorijskim postavkama za aplikacije razvoja učvršćenja.
"Akademski istraživači trebali bi se moći usredotočiti na svoje istraživanje umjesto da pokušavaju prilagoditi ili popraviti svoje laserske sustave," navodi dr. Margalith, "S visokokvalitetnim OPO laserom, njihova je oprema spremna za rad odmah nakon postavljanja."