Συντονίσιμα λέιζερ επιτυγχάνουν κατάσταση μαύρου κουτιού!

Τα εμπορικά προϊόντα αιχμής προέρχονται συχνά από τον τομέα της ακαδημαϊκής έρευνας. Σε πολλές περιπτώσεις, οι καθηγητές θα ξεκινήσουν προσωπικά εταιρείες ή θα προσελκύσουν επενδυτές στην τεχνολογία που γεννήθηκε σε ακαδημαϊκά εργαστήρια για αδειοδότηση, έτσι ώστε να μετατραπεί σε προϊόντα που μπορούν να διατεθούν στην αγορά.
Όταν οι ακαδημαϊκοί ερευνητές κατασκευάζουν νέα προϊόντα, συχνά τα σχεδιάζουν και τα κατασκευάζουν χρησιμοποιώντας έναν αριθμό διαφορετικών εξαρτημάτων. Όταν το επιτρέπουν οι συνθήκες, ενσωματώνουν εξαρτήματα εκτός ραφιού στο τελικό προϊόν. Καθώς οι απαιτήσεις εφαρμογών κλιμακώνονται, αυτά τα εξαρτήματα γίνονται όλο και πιο περίπλοκα και μοναδικά.
Τα συντονιζόμενα λέιζερ που βασίζονται σε παλμούς, για παράδειγμα, πρέπει να είναι εξαιρετικά ευέλικτα, ικανά να παράγουν ένα ευρύ φάσμα μηκών κύματος από ορατό έως βαθύ υπεριώδες και να εκπέμπουν παλμούς υψηλής έντασης σε βήματα νανοδευτερόλεπτο. Έχουν ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών που περιλαμβάνουν, αλλά δεν περιορίζονται σε, μετάδοση πληροφοριών οπτικών ινών, εκρόφηση ιόντων, παραγωγή θερμότητας, παραγωγή υπερήχων, ηλεκτρονική διέγερση και άλλα. Λόγω της εξαιρετικής ευελιξίας τους, αυτά τα λέιζερ διαδραματίζουν ζωτικό ρόλο στα πεδία της χρονικά αναλυόμενης φυσικής χημείας, της φασματομετρίας μάζας, της φωτοακουστικής απεικόνισης, της φασματοσκοπίας, της φασματοφωτομετρίας, της διάγνωσης και της υπερφασματικής απεικόνισης.
Μεταξύ αυτών των παλμικών λέιζερ, τα λέιζερ Optical Parametric Oscillator (OPO) ξεχωρίζουν για την εξαιρετική ευελιξία και την οικονομία τους, με την ικανότητα να «συντονίζονται» σε ένα ευρύ φάσμα φασμάτων συγκεκριμένων μηκών κύματος.
Τα λέιζερ OPO είναι εμπορικά διαθέσιμα για περισσότερα από 35 χρόνια καθώς η τεχνολογία έχει εξελιχθεί. Τα πρώιμα συστήματα OPO ήταν τόσο μεγάλα και επιρρεπή σε σφάλματα που αναπτύχθηκαν και πωλήθηκαν σε γκαράζ. Τα σημερινά OPO έχουν μετατραπεί σε πλήρως ενσωματωμένες συσκευές plug-and-play που δεν απαιτούν περίπλοκη ρύθμιση και βαθμονόμηση από εξειδικευμένους μηχανικούς λέιζερ. Τα σύγχρονα OPO μπορούν εύκολα να ενσωματωθούν σε συστήματα OEM με αποτελεσματικό έλεγχο.
Αυτή η πρόοδος είναι αναμφίβολα ένα όφελος για τους βιολόγους, τους χημικούς, τους φυσικούς, τους επιστήμονες και άλλους ακαδημαϊκούς ερευνητές. Ενώ είναι εξαιρετικά επιτυχημένοι στους τομείς τους, μπορεί να μην έχουν εξειδικευμένες γνώσεις σχεδιασμού ή συντονισμού λέιζερ.
"Οι OPO εκτός ραφιού έχουν σχεδιαστεί ακριβώς για άτομα που δεν γνωρίζουν πολλά για την οπτική ή πώς να συντονίζουν τα λέιζερ", λέει ο Δρ Mark Little. Είναι τεχνικός και επιστημονικός σύμβουλος μάρκετινγκ για την OPOTEK, LLC στο Carlsbad της Καλιφόρνια, τον κορυφαίο κατασκευαστή συντονίσιμα λέιζερ στον κόσμο. «Βασικά, είναι ένα «μαύρο κουτί» που μπορεί εύκολα να ενσωματωθεί σε ένα άλλο υπό ανάπτυξη σύστημα».
Η εξέλιξη των λέιζερ OPO
Ενώ τα λέιζερ OPO μπορεί να υπάρχουν σήμερα ως συσκευές plug-and-play, η εξέλιξή τους δεν ήταν ομαλή.
Οι οπτικοί παραμετρικοί ταλαντωτές (OPOs) λειτουργούν χρησιμοποιώντας έναν κρύσταλλο για να μετατρέψουν ένα λέιζερ παλμικής λειτουργίας Nd:YAG και τις αρμονικές του σε μια συγκεκριμένη συχνότητα. Για να επιτευχθεί «συντονισμός», τόσο το λέιζερ της αντλίας όσο και το OPO πρέπει να τοποθετηθούν με ακρίβεια. Στη συνέχεια, οι ερευνητές πρέπει να ρυθμίσουν χειροκίνητα τους κρυστάλλους στο επίπεδο micron έως ότου επιτευχθεί το επιθυμητό μήκος κύματος.
Στις καθημερινές εργαστηριακές λειτουργίες, οι ερευνητές πρέπει να είναι συνεχώς σε επιφυλακή για πιθανή εσφαλμένη ευθυγράμμιση των δύο συστατικών. Για να περιπλέξουν περαιτέρω τα πράγματα, μήκη κύματος σε ορισμένες συχνότητες εκπέμπονται από διαφορετικές θύρες, κάτι που συχνά απαιτεί αναπροσαρμογή της εξωτερικής πειραματικής εγκατάστασης.
Η γέννηση της ΟΠΟΤΕΚ
Σε αυτό το πλαίσιο, οι ακαδημαϊκοί ερευνητές βρήκαν ότι ήταν εξαιρετικά δύσκολο να βελτιστοποιήσουν και να ενσωματώσουν OPO σε εμπορικές εφαρμογές.
Πριν από περίπου 45 χρόνια, αφού εργάστηκε για πολλά χρόνια στον αεροδιαστημικό τομέα, ο Δρ Margalith έμαθε ότι ένα πανεπιστήμιο στην Κίνα αναπτύσσει ευρέως συντονιζόμενους κρυστάλλους, οι οποίοι άνοιξαν τα μάτια του στις τεράστιες δυνατότητες των λέιζερ OPO. Εκείνη την εποχή, τα συντονίσιμα λέιζερ βασίζονταν σε μεγάλο βαθμό στη χημεία ή τις βαφές, οι οποίες ήταν συνεχείς και όχι παλμικές και συχνά υπέφεραν από προβλήματα διαρροής. Επιπλέον, λόγω της υψηλής πολυπλοκότητάς τους, του ογκώδους μεγέθους και του ακριβού κόστους συντήρησης, τα λέιζερ βαφής δεν κέρδισαν ποτέ ευρεία αποδοχή στις εμπορικές εφαρμογές.
Δεν πέρασε πολύς καιρός πριν το επιχειρηματικό πνεύμα του Dr. Margalith σχεδίασε το πρώτο ρυθμιζόμενο λέιζερ OPO και κατοχύρωσε με επιτυχία την τεχνολογία. Έκτοτε ο ΟΠΟΤΕΚ γεννήθηκε στο γκαράζ του.
Τον Ιούλιο του 1993, η OPOTEK έγινε η πρώτη εταιρεία στις Ηνωμένες Πολιτείες που προσέφερε ευρυζωνικό ορατό OPO. Πολλά από τα τρέχοντα προϊόντα της εταιρείας προέρχονται από αυτόν τον πρωτοποριακό σχεδιασμό. Έκτοτε, διάφορες τεχνολογικές εξελίξεις ενισχύουν και προσαρμόζουν συνεχώς την απόδοση των OPO.
Σήμερα, ο Δρ Margalith λέει ότι η αποδεκτή μέθοδος κατασκευής ενός OPO είναι να ενσωματώσει το λέιζερ της αντλίας και τα οπτικά OPO στο ίδιο περίβλημα και να διασφαλίσει ότι τα δύο δεν μπορούν να διαχωριστούν. Αυτός ο σχεδιασμός επιτρέπει σε ολόκληρο το ρυθμιζόμενο λέιζερ να μετακινείται εύκολα και με ασφάλεια όπως απαιτείται. Το ενσωματωμένο λογισμικό ανιχνεύει την ευθυγράμμιση του συστήματος και κάνει προσαρμογές όπου χρειάζεται. Αυτή η σταθερότητα είναι ιδιαίτερα κρίσιμη σε εμπορικά περιβάλλοντα, όπως όταν μετακινείτε εξοπλισμό απεικόνισης από το εργαστήριο στο χειρουργείο του νοσοκομείου.
"Μερικά OPO του παρελθόντος ήταν τόσο εύθραυστα που αν το σύστημα μετακινούνταν, οι μηχανικοί θα έπρεπε να το ευθυγραμμίσουν εκ νέου", εξηγεί ο Δρ Margalith, "Αυτό δεν είναι απαραίτητο για τα σημερινά σταθερά OPO. Η εγκατάσταση και η εκπαίδευση δεν απαιτούν πλέον εξωτερική τεχνογνωσία. Μπορείτε αγοράστε ένα προϊόν εκτός ραφιού και στείλτε το μια νύχτα όπως τα περισσότερα καταναλωτικά προϊόντα."
Ο αυτοματισμός ελέγχει πλέον όλα τα στοιχεία του συστήματος, όπως αρμονικές λέιζερ αντλίας, οπτικό συντονισμό περιστροφής κρυστάλλου, οπτικά διαχωρισμού κυματομορφής και εξασθενητές. Οι προγραμματιστές προϊόντων μπορούν επίσης να χρησιμοποιήσουν κιτ ανάπτυξης λογισμικού για να ενσωματώσουν τις λειτουργίες λειτουργικότητας λογισμικού του OPO στο δικό τους λογισμικό.
"Για ερευνητές ή εταιρείες που χρησιμοποιούν τέτοια λέιζερ στα προϊόντα τους, η απόκτηση ξεχωριστού λογισμικού ελέγχου από κατασκευαστές ρυθμιζόμενων λέιζερ μπορεί να μην είναι ιδανική. Προτιμούν να ενσωματώνουν όλα τα στοιχεία ελέγχου στο δικό τους λογισμικό. Σε μια ακαδημαϊκή εγκατάσταση, η αποθήκευση όλων των δεδομένων στις παραμέτρους λέιζερ είναι κρίσιμης σημασίας για απρόσκοπτη λειτουργία Η ενσωμάτωση είναι το κλειδί για όλες τις λειτουργίες." Ο Dr. Little της OPOTEK εξηγεί.
Η ενσωμάτωση του αυτοματισμού και του ελέγχου είναι σημαντική επειδή συνήθως τα λέιζερ περικλείονται σε ένα μεγαλύτερο περίβλημα, γεγονός που καθιστά δύσκολο τον επαναπρογραμματισμό ή την επισκευή τους.
Το κιτ ανάπτυξης λογισμικού μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για τη ρύθμιση προγραμματιζόμενων σαρώσεων με προκαθορισμένα μήκη κύματος με οποιαδήποτε σειρά. Αυτό έχει εφαρμογές σε προηγμένη απεικόνιση υψηλής ανάλυσης. Η εγγενής δυνατότητα εστίασης των λέιζερ τους επιτρέπει να δειγματίζουν απίστευτα μικρές περιοχές, με μέτρηση σε δεκάδες μικρά. Προγραμματίζοντας εκ των προτέρων τα λέιζερ, το σύστημα μπορεί να ραστεροποιήσει και να μετακινήσει τα λέιζερ σε διαφορετικές περιοχές για να παράγει σαρώσεις υψηλής ανάλυσης.
Σύμφωνα με τον Δρ Λιτλ, «Δεδομένου ότι πρόκειται για ένα παλμικό λέιζερ που εκπέμπει πολλές φορές το δευτερόλεπτο, μπορείτε να εισαγάγετε τον αριθμό των φορών που θέλετε να εκπέμπει σε κάθε μήκος κύματος και να αποφασίσετε να αυξήσετε ή να μειώσετε τον αριθμό των μηκών κύματος». «Όλες οι δέσμες υψηλής ενέργειας προέρχονται τώρα από μια ενιαία θύρα, επιτρέποντας στον χειριστή να στοχεύει απευθείας την περιοχή ενδιαφέροντος για ανάλυση».
Το μέγεθος σχετίζεται με το ρυθμιζόμενο λέιζερ OPO. Εάν το OPO είναι πολύ μεγάλο, η ενσωμάτωση του οργάνου θα είναι πιο δύσκολη και το συνολικό αποτύπωμα του τελικού προϊόντος θα είναι μεγάλο. Αυτό είναι πολύ σημαντικό λαμβάνοντας υπόψη τις απαιτήσεις χώρου ενός ερευνητικού εργαστηρίου.
Ο Dr. Little έμαθε για πρώτη φορά για τα λέιζερ OPO ως μεταπτυχιακός φοιτητής στο State University της Λουιζιάνα. Υπενθυμίζει ότι τα πρώτα OPO ήταν "πολύ μεγάλα, δύσκολα στη χρήση και συχνά κατεστραμμένα. Ένα OPO είχε μήκος 12 πόδια".
Σήμερα, η OPOTEK προσφέρει ένα από τα μικρότερα συντονίσιμα λέιζερ στην αγορά: το Opolette 2940 σε μέγεθος "κουτιού παπουτσιών". Ενώ εξακολουθεί να απαιτείται τροφοδοτικό μεγέθους "χαρτοφύλακα" με εσωτερική ψύξη νερού, τα λέιζερ 2.{4}}μικρών OPO OPO το κεφάλι καταλαμβάνει ένα μικρό αποτύπωμα. Ενώ εξακολουθεί να απαιτείται τροφοδοτικό μεγέθους "χαρτοφύλακα" με εσωτερική ψύξη νερού, η κεφαλή λέιζερ 2,94 micron του λέιζερ OPO έχει αποτύπωμα μόνο 9,5 x 4,5 x 7,5 ίντσες.
Σύμφωνα με τον Dr. Little, το μικρό μέγεθος αυξάνει την ακαμψία του λέιζερ και σταθεροποιεί περαιτέρω τα εξαρτήματα μέσα στο ενσωματωμένο περίβλημα.
Ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα των σύγχρονων OPO είναι η ικανότητα μετάδοσης μεγάλου εύρους μηκών κύματος μέσω οπτικών ινών. Οι οπτικές ίνες έχουν γίνει η κύρια μέθοδος μετάδοσης λέιζερ επειδή είναι εύκολο να εγκατασταθούν και να αποσυνδεθούν. Επιπλέον, προστατεύει τον τελικό χρήστη από την έκθεση στο φως ή την επαφή με τα μάτια γιατί το φως μεταδίδεται μέσω κλειστού σωλήνα. Η OPOTEK προσφέρει παράδοση ινών για όλα τα προϊόντα της, ανεξάρτητα από το επίπεδο ενέργειας.
Ιστορικά, τα λέιζερ OPO περιλάμβαναν πολύπλοκες χειροκίνητες ρυθμίσεις και ακριβή ευθυγράμμιση. Η πρόοδος της τεχνολογίας έχει μετατρέψει αυτά τα λέιζερ σε συσκευές plug-and-play που είναι σταθερές και εύχρηστες. Τα σημερινά λέιζερ OPO, τα οποία είναι εύχρηστα και αξιόπιστα, μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε εμπορικές και ακαδημαϊκές εργαστηριακές ρυθμίσεις για εφαρμογές ανάπτυξης εξαρτημάτων.
«Οι ακαδημαϊκοί ερευνητές θα πρέπει να είναι σε θέση να επικεντρωθούν στην έρευνά τους αντί να προσπαθούν να τροποποιήσουν ή να διορθώσουν τα συστήματα λέιζερ τους», δηλώνει ο Δρ Margalith, «Με ένα υψηλής ποιότητας λέιζερ OPO, ο εξοπλισμός τους είναι έτοιμος να λειτουργήσει εκτός συσκευασίας».