Nastavljivi laserji dosegli status črne skrinjice!

Najsodobnejši komercialni izdelki pogosto izvirajo iz področja akademskih raziskav. V mnogih primerih bodo profesorji osebno ustanovili podjetja ali privabili vlagatelje v tehnologijo, ki se je rodila v akademskih laboratorijih za licenciranje, tako da se bo preoblikovala v izdelke, ki jih je mogoče dati na trg.
Ko akademski raziskovalci gradijo nove izdelke, jih pogosto oblikujejo in izdelujejo z uporabo številnih različnih komponent. Ko razmere dopuščajo, v končni izdelek integrirajo gotove komponente. Ker se zahteve aplikacij stopnjujejo, postajajo ti sestavni deli vse bolj zapleteni in edinstveni.
Nastavljivi laserji, ki temeljijo na impulzih, morajo biti na primer zelo prilagodljivi, sposobni generirati širok razpon valovnih dolžin od vidnega do globokega ultravijoličnega in oddajati visoko intenzivne impulze v nanosekundnih korakih. Imajo široko paleto aplikacij, vključno z, vendar ne omejeno na, prenos informacij po optičnih vlaknih, desorpcijo ionov, ustvarjanje toplote, ustvarjanje ultrazvoka, elektronsko vzbujanje in več. Zaradi svoje izjemne prilagodljivosti imajo ti laserji ključno vlogo na področjih časovno ločljive fizikalne kemije, masne spektrometrije, fotoakustičnega slikanja, spektroskopije, spektrofotometrije, diagnostike in hiperspektralnega slikanja.
Med temi impulznimi laserji laserji z optičnimi parametričnimi oscilatorji (OPO) izstopajo po svoji izjemni prilagodljivosti in varčnosti, z zmožnostjo "nastavitve" na širok spektralni razpon specifičnih valovnih dolžin.
OPO laserji so komercialno dostopni že več kot 35 let, ko se je tehnologija razvijala. Zgodnji sistemi OPO so bili tako veliki in nagnjeni k napakam, da so jih razvijali in prodajali v garažah. Današnji OPO so bili preoblikovani v popolnoma integrirane naprave plug-and-play, ki ne zahtevajo zapletene nastavitve in kalibracije s strani specializiranih laserskih inženirjev. Sodobne OPO je mogoče enostavno integrirati v sisteme OEM z učinkovitim nadzorom.
Ta napredek je nedvomno koristen za biologe, kemike, fizike, znanstvenike in druge akademske raziskovalce. Čeprav so zelo uspešni na svojih področjih, morda nimajo posebnega znanja o laserskem načrtovanju ali uglaševanju.
"Operatorji OPO, ki niso na voljo, so zasnovani natančno za ljudi, ki ne vedo veliko o optiki ali o tem, kako nastaviti laserje," pravi dr. Mark Little. Je tehnični in znanstveni svetovalec za trženje za OPOTEK, LLC v Carlsbadu v Kaliforniji, vodilnega svetovnega proizvajalca nastavljivih laserjev. "V bistvu gre za 'črno skrinjico', ki jo je mogoče enostavno integrirati v drug sistem v razvoju."
Razvoj OPO laserjev
Čeprav lahko laserji OPO danes obstajajo kot naprave plug-and-play, njihov razvoj ni potekal gladko.
Optični parametrični oscilatorji (OPO) delujejo tako, da uporabljajo kristal za pretvorbo impulznega Nd:YAG laserja in njegovih harmonikov na določeno frekvenco. Da bi dosegli "nastavitev", morata biti laser črpalke in OPO natančno nameščena. Raziskovalci morajo nato ročno natančno nastaviti kristale na mikronsko raven, dokler ne dosežejo želene valovne dolžine.
Pri vsakodnevnih laboratorijskih operacijah morajo biti raziskovalci nenehno pozorni na morebitno neusklajenost obeh komponent. Da bi zadeve še dodatno zapletli, valovne dolžine pri določenih frekvencah oddajajo različna vrata, kar pogosto zahteva ponovno prilagoditev zunanje eksperimentalne nastavitve.
Rojstvo OPOTEK-a
V tem ozadju se je akademskim raziskovalcem zdelo izjemno zahtevno optimizirati in vključiti OPO v komercialne aplikacije.
Pred približno 45 leti je dr. Margalith po dolgih letih dela na vesoljskem področju izvedel, da neka univerza na Kitajskem razvija široko nastavljive kristale, kar mu je odprlo oči za ogromen potencial OPO laserjev. Takrat so nastavljivi laserji v veliki meri temeljili na kemiji ali barvilih, ki so bila neprekinjena in ne pulzna in so pogosto imela težave s puščanjem. Poleg tega laserji za barvanje zaradi svoje visoke kompleksnosti, zajetne velikosti in dragih stroškov vzdrževanja nikoli niso bili široko sprejeti v komercialnih aplikacijah.
Ni minilo dolgo, preden je podjetniški duh dr. Margalitha oblikoval prvi nastavljiv OPO laser in uspešno patentiral tehnologijo. Od takrat se je v njegovi garaži rodil OPOTEK.
Julija 1993 je OPOTEK postal prvo podjetje v ZDA, ki je ponudilo širokopasovni vidni OPO. Številni trenutni izdelki podjetja izhajajo iz te prelomne zasnove. Od takrat je različni napredek v tehnologiji nenehno izboljševal in prilagajal delovanje OPO.
Danes dr. Margalith pravi, da je sprejeta metoda izdelave OPO integracija laserja s črpalko in optike OPO v istem ohišju in zagotovitev, da ju ni mogoče ločiti. Ta zasnova omogoča enostavno in varno premikanje celotnega nastavljivega laserja po potrebi. Integrirana programska oprema zazna poravnavo sistema in po potrebi izvede prilagoditve. Ta stabilnost je še posebej pomembna v komercialnih okoljih, na primer pri premikanju opreme za slikanje iz laboratorija v bolnišnično operacijsko sobo.
"Nekateri OPO iz preteklosti so bili tako krhki, da bi ga morali inženirji, če bi sistem premaknili, ponovno nastaviti," pojasnjuje dr. Margalith, "To ni potrebno za današnje stabilne OPO. Namestitev in usposabljanje ne zahtevata več zunanjega strokovnega znanja. Lahko kupite izdelek, ki je že na polici, in ga pošljete čez noč, kot večino potrošniških izdelkov."
Avtomatizacija zdaj nadzoruje vse sistemske elemente, kot so črpalne laserske harmonike, optična nastavitev rotacije kristalov, optika za ločevanje valovnih oblik in dušilniki. Razvijalci izdelkov lahko uporabijo tudi komplete za razvoj programske opreme za integracijo funkcij programske opreme OPO v svojo programsko opremo.
"Za raziskovalce ali podjetja, ki uporabljajo take laserje v svojih izdelkih, pridobitev ločene nadzorne programske opreme od proizvajalcev nastavljivih laserjev morda ni idealna. Raje integrirajo vse kontrole v svojo lastno programsko opremo. V akademski postavitvi je shranjevanje vseh podatkov o laserskih parametrih ključnega pomena za brezhibno delovanje je ključ do vse funkcionalnosti." Dr. Little iz OPOTEK-a pojasnjuje.
Vključevanje avtomatizacije in nadzora je pomembno, ker so laserji običajno zaprti v večjem ohišju, zaradi česar jih je težko ponovno programirati ali popraviti.
Komplet za razvoj programske opreme se lahko uporablja tudi za nastavitev programabilnih skeniranj z vnaprej določenimi valovnimi dolžinami v poljubnem vrstnem redu. To ima aplikacije pri naprednem slikanju z visoko ločljivostjo. Prirojena možnost fokusiranja laserjev jim omogoča vzorčenje neverjetno majhnih površin, ki merijo v desetine mikronov. S predprogramiranjem laserjev lahko sistem rasterizira in premakne laserje na različna področja, da ustvari skeniranje z visoko ločljivostjo.
Dr. Little pravi: "Ker je to impulzni laser, ki oddaja večkrat na sekundo, lahko vnesete število krat, ki jih želite oddati pri vsaki valovni dolžini, in se odločite za povečanje ali zmanjšanje števila valovnih dolžin." "Vsi visokoenergijski žarki zdaj prihajajo iz enega samega pristanišča, kar omogoča operaterju, da ciljno usmeri območje, ki ga zanima, za analizo."
Velikost je povezana z nastavljivim laserjem OPO. Če je OPO prevelik, bo integracija instrumentov težja in skupni odtis končnega izdelka bo velik. To je zelo pomembno glede na prostorske zahteve raziskovalnega laboratorija.
Dr. Little je za laserje OPO prvič izvedel kot podiplomski študent na državni univerzi Louisiana. Spominja se, da so bili zgodnji OPO "zelo veliki, težki za uporabo in pogosto poškodovani. En OPO je bil dolg 12 čevljev."
Danes OPOTEK ponuja enega najmanjših nastavljivih laserjev na trgu: Opolette 2940 velikosti "škatle za čevlje". Čeprav še vedno potrebuje napajalnik velikosti "aktovke" z notranjim vodnim hlajenjem, 294-mikronski laser OPO glava zavzema majhen odtis. Medtem ko še vedno potrebuje napajalnik velikosti "aktovke" z notranjim vodnim hlajenjem, ima 2,94 mikronska laserska glava laserja OPO velik odtis le 9,5 x 4,5 x 7,5 palcev.
Po mnenju dr. Littlea majhna velikost poveča togost laserja in dodatno stabilizira komponente v integriranem ohišju.
Posebnost sodobnih OPO je sposobnost prenosa širokega razpona valovnih dolžin skozi optična vlakna. Optična vlakna so postala primarna metoda prenosa laserjev, ker jih je enostavno nastaviti in odklopiti. Poleg tega ščiti končnega uporabnika pred izpostavljenostjo svetlobi ali stikom z očmi, ker se svetloba prenaša skozi zaprto cev. OPOTEK ponuja dostavo vlaken za vse svoje izdelke, ne glede na raven energije.
V preteklosti so laserji OPO vključevali zapletene ročne nastavitve in natančno poravnavo. Tehnološki napredek je te laserje spremenil v naprave plug-and-play, ki so stabilne in enostavne za uporabo. Današnje laserje OPO, ki so enostavni za uporabo in zanesljivi, je mogoče uporabiti v komercialnih in akademskih laboratorijih za aplikacije za razvoj vpenjal.
"Akademski raziskovalci bi morali imeti možnost, da se osredotočijo na svoje raziskave, namesto da poskušajo prilagoditi ali popraviti svoje laserske sisteme," pravi dr. Margalith, "z visokokakovostnim laserjem OPO je njihova oprema takoj pripravljena za delovanje."