Afstembare lasers bereiken blackboxstatus!

Geavanceerde commerciële producten vinden vaak hun oorsprong in het veld van academisch onderzoek. In veel gevallen starten professoren zelf bedrijven of trekken ze investeerders aan voor de technologie die in academische laboratoria is geboren voor licenties, zodat deze wordt omgezet in producten die op de markt kunnen worden gebracht.
Wanneer academische onderzoekers nieuwe producten bouwen, ontwerpen en produceren ze deze vaak met behulp van een aantal verschillende componenten. Wanneer de omstandigheden het toelaten, integreren ze kant-en-klare componenten in het eindproduct. Naarmate de toepassingsvereisten toenemen, worden deze componentonderdelen steeds complexer en unieker.
Op pulsen gebaseerde afstembare lasers moeten bijvoorbeeld zeer flexibel zijn, in staat zijn om een ​​breed scala aan golflengtes te genereren van zichtbaar tot diep ultraviolet, en pulsen met hoge intensiteit in nanoseconde-stappen uit te voeren. Ze hebben een breed scala aan toepassingen, waaronder, maar niet beperkt tot, glasvezelinformatieoverdracht, ionendesorptie, warmtegeneratie, ultrasone generatie, elektronische excitatie en meer. Het is vanwege hun uitstekende flexibiliteit dat deze lasers een cruciale rol spelen op het gebied van tijdsopgeloste fysische chemie, massaspectrometrie, fotoakoestische beeldvorming, spectroscopie, spectrofotometrie, diagnostiek en hyperspectrale beeldvorming.
Onder deze gepulste lasers vallen de Optical Parametric Oscillator (OPO) lasers op door hun uitstekende flexibiliteit en zuinigheid, met de mogelijkheid om te worden 'afgestemd' op een breed spectraal bereik van specifieke golflengtes.
OPO-lasers zijn al meer dan 35 jaar commercieel verkrijgbaar, omdat de technologie zich heeft ontwikkeld. De eerste OPO-systemen waren zo groot en foutgevoelig dat ze in garages werden ontwikkeld en verkocht. De huidige OPO's zijn getransformeerd tot volledig geïntegreerde, plug-and-play-apparaten die geen complexe installatie en kalibratie door gespecialiseerde lasertechnici vereisen. Moderne OPO's kunnen eenvoudig worden geïntegreerd in OEM-systemen met effectieve controle.
Deze vooruitgang is ongetwijfeld een zegen voor biologen, chemici, natuurkundigen, wetenschappers en andere academische onderzoekers. Hoewel ze zeer bedreven zijn in hun vakgebied, hebben ze mogelijk geen gespecialiseerde kennis van laserontwerp of -afstemming.
"Kant-en-klare OPO's zijn precies ontworpen voor mensen die niet veel weten over optica of hoe ze lasers moeten afstellen," zegt Dr. Mark Little. Hij is een technisch en wetenschappelijk marketingconsultant voor OPOTEK, LLC in Carlsbad, Californië, 's werelds toonaangevende fabrikant van afstembare lasers. "In principe is het een 'black box' die eenvoudig kan worden geïntegreerd in een ander systeem dat in ontwikkeling is."
De evolutie van OPO-lasers
Hoewel OPO-lasers tegenwoordig als plug-and-play-apparaten bestaan, is de ontwikkeling ervan niet soepel verlopen.
Optische parametrische oscillatoren (OPO's) werken door een kristal te gebruiken om een ​​gepulste Nd:YAG-laser en zijn harmonischen om te zetten naar een specifieke frequentie. Om "afstemming" te bereiken, moeten zowel de pomplaser als de OPO nauwkeurig worden gepositioneerd. Onderzoekers moeten de kristallen vervolgens handmatig afstemmen op het micronniveau totdat de gewenste golflengte is bereikt.
Bij dagelijkse laboratoriumwerkzaamheden moeten onderzoekers voortdurend op hun hoede zijn voor mogelijke verkeerde uitlijning van de twee componenten. Om het nog ingewikkelder te maken, worden golflengtes op bepaalde frequenties uitgezonden vanuit verschillende poorten, wat vaak een heraanpassing van de externe experimentele opstelling vereist.
De geboorte van OPOTEK
Tegen deze achtergrond vonden academische onderzoekers het een enorme uitdaging om OPO's te optimaliseren en te integreren in commerciële toepassingen.
Ongeveer 45 jaar geleden, na vele jaren in de lucht- en ruimtevaart te hebben gewerkt, hoorde Dr. Margalith dat een universiteit in China breed instelbare kristallen ontwikkelde, wat zijn ogen opende voor het enorme potentieel van OPO-lasers. In die tijd waren instelbare lasers grotendeels gebaseerd op chemie of kleurstoffen, die continu waren in plaats van gepulst en vaak lekproblemen hadden. Bovendien hebben kleurstoflasers, vanwege hun hoge complexiteit, omvangrijke formaat en dure onderhoudskosten, nooit brede acceptatie gekregen in commerciële toepassingen.
Het duurde niet lang voordat de ondernemende geest van Dr. Margalith de eerste afstembare OPO-laser ontwierp en de technologie succesvol patenteerde. Sindsdien is OPOTEK geboren in zijn garage.
In juli 1993 werd OPOTEK het eerste bedrijf in de Verenigde Staten dat breedband zichtbare OPO aanbood. Veel van de huidige producten van het bedrijf zijn gebaseerd op dit baanbrekende ontwerp. Sindsdien hebben verschillende technologische ontwikkelingen de prestaties van OPO's voortdurend verbeterd en aangepast.
Tegenwoordig zegt Dr. Margalith dat de geaccepteerde methode voor het bouwen van een OPO is om de pomplaser en de OPO-optiek in dezelfde behuizing te integreren en ervoor te zorgen dat de twee niet gescheiden kunnen worden. Dit ontwerp zorgt ervoor dat de hele afstembare laser eenvoudig en veilig kan worden verplaatst indien nodig. Geïntegreerde software detecteert de uitlijning van het systeem en voert indien nodig aanpassingen door. Deze stabiliteit is vooral van cruciaal belang in commerciële omgevingen, zoals bij het verplaatsen van beeldvormingsapparatuur van het laboratorium naar de operatiekamer van het ziekenhuis.
"Sommige OPO's uit het verleden waren zo kwetsbaar dat als het systeem werd verplaatst, technici het opnieuw moesten uitlijnen," legt Dr. Margalith uit. "Dit is niet nodig voor de stabiele OPO's van vandaag. Voor installatie en training is geen externe expertise meer nodig. U kunt een kant-en-klaar product kopen en het de volgende dag laten verzenden, net als de meeste consumentenproducten."
Automatisering bestuurt nu alle systeemelementen zoals pomplaserharmonischen, optische afstemming van kristalrotatie, golfvormscheidingsoptica en verzwakkers. Productontwikkelaars kunnen ook softwareontwikkelingskits gebruiken om de softwarefunctionaliteitsfuncties van OPO te integreren in hun eigen software.
"Voor onderzoekers of bedrijven die dergelijke lasers in hun producten gebruiken, is het verkrijgen van aparte besturingssoftware van fabrikanten van afstembare lasers mogelijk niet ideaal. Ze integreren liever alle besturingen in hun eigen software. In een academische opstelling is het opslaan van alle gegevens over laserparameters cruciaal voor een naadloze werking. Integratie is de sleutel tot alle functionaliteit." Dr. Little van OPOTEK legt uit.
Het integreren van automatisering en besturing is belangrijk omdat lasers doorgaans in een grotere behuizing zitten, waardoor ze lastiger te herprogrammeren of repareren zijn.
De software development kit kan ook worden gebruikt om programmeerbare scans met vooraf bepaalde golflengtes in elke volgorde in te stellen. Dit heeft toepassingen in geavanceerde, hoge resolutie beeldvorming. De inherente focusbaarheid van lasers stelt hen in staat om ongelooflijk kleine gebieden te bemonsteren, meten in tientallen microns. Door de lasers vooraf te programmeren, kan het systeem de lasers rasteren en verplaatsen naar verschillende gebieden om hoge resolutie scans te produceren.
Volgens Dr. Little: "Omdat dit een gepulseerde laser is die meerdere keren per seconde uitzendt, kunt u het aantal keren invoeren dat u wilt dat de laser bij elke golflengte uitzendt en besluiten om het aantal golflengtes te verhogen of te verlagen." "Alle hoogenergetische stralen komen nu uit één poort, waardoor de operator het interessegebied direct kan targeten voor analyse."
Grootte is gerelateerd aan de afstembare OPO-laser. Als de OPO te groot is, zal de integratie van het instrument moeilijker zijn en zal de totale footprint van het eindproduct groot zijn. Dit is erg belangrijk gezien de ruimtevereisten van een onderzoekslab.
Dr. Little leerde voor het eerst over OPO-lasers als afgestudeerde student aan de Louisiana State University. Hij herinnert zich dat de eerste OPO's "erg groot, moeilijk te gebruiken en vaak beschadigd waren. Eén OPO was 12 voet lang."
Tegenwoordig biedt OPOTEK een van de kleinste afstembare lasers op de markt: de "schoenendoos"-formaat Opolette 2940. Hoewel er nog steeds een "aktetas"-formaat voeding met interne waterkoeling nodig is, neemt de 2,94-micron OPO laserkop een kleine footprint in beslag. Hoewel er nog steeds een "aktetas"-formaat voeding met interne waterkoeling nodig is, heeft de 2,94 micron laserkop van de OPO laser een footprint van slechts 9,5 x 4,5 x 7,5 inch.
Volgens Dr. Little verhoogt het kleine formaat de stijfheid van de laser en stabiliseert het de componenten in de geïntegreerde behuizing verder.
Een onderscheidend kenmerk van moderne OPO's is het vermogen om een ​​breed scala aan golflengtes door glasvezel te verzenden. Glasvezel is de primaire methode geworden voor het verzenden van lasers omdat het eenvoudig is in te stellen en los te koppelen. Bovendien beschermt het de eindgebruiker tegen blootstelling aan licht of oogcontact omdat het licht door een gesloten buis wordt verzonden. OPOTEK biedt glasvezellevering voor al haar producten, ongeacht het energieniveau.
Historisch gezien waren OPO-lasers complexe handmatige aanpassingen en nauwkeurige uitlijning. Vooruitgang in technologie heeft deze lasers veranderd in plug-and-play-apparaten die stabiel en eenvoudig te gebruiken zijn. De huidige OPO-lasers, die eenvoudig te gebruiken en betrouwbaar zijn, kunnen worden gebruikt in commerciële en academische labomgevingen voor toepassingen in de ontwikkeling van fixtures.
"Academische onderzoekers zouden zich moeten kunnen concentreren op hun onderzoek in plaats van te proberen hun lasersystemen aan te passen of te repareren", aldus Dr. Margalith. "Met een hoogwaardige OPO-laser is hun apparatuur direct klaar voor gebruik."