Stämbara lasrar uppnår Black Box-status!

Banbrytande kommersiella produkter har ofta sitt ursprung inom akademisk forskning. I många fall kommer professorer personligen att starta företag, eller locka investerare till tekniken som föds i akademiska laboratorier för licensiering, så att den kommer att omvandlas till produkter som kan släppas ut på marknaden.
När akademiska forskare bygger nya produkter designar och tillverkar de ofta dem med ett antal olika komponenter. När förhållandena tillåter, integrerar de färdiga komponenter i slutprodukten. När applikationskraven eskalerar blir dessa komponenter allt mer komplexa och unika.
Pulsbaserade avstämbara lasrar måste till exempel vara mycket flexibla, kunna generera ett brett spektrum av våglängder från synligt till djupt ultraviolett, och mata ut högintensiva pulser i nanosekunderssteg. De har ett brett utbud av applikationer inklusive, men inte begränsat till, fiberoptisk informationsöverföring, jondesorption, värmealstring, ultraljudsgenerering, elektronisk excitation och mer. Det är på grund av sin enastående flexibilitet som dessa lasrar spelar en viktig roll inom områdena tidsupplöst fysikalisk kemi, masspektrometri, fotoakustisk avbildning, spektroskopi, spektrofotometri, diagnostik och hyperspektral avbildning.
Bland dessa pulsade lasrar utmärker sig Optical Parametric Oscillator (OPO) lasrar för sin enastående flexibilitet och ekonomi, med förmågan att "justeras" till ett brett spektralområde av specifika våglängder.
OPO-lasrar har varit kommersiellt tillgängliga i mer än 35 år i takt med att tekniken har utvecklats. Tidiga OPO-system var så stora och felbenägna att de utvecklades och såldes i garage. Dagens OPO har förvandlats till helt integrerade plug-and-play-enheter som inte kräver komplex installation och kalibrering av specialiserade laseringenjörer. Moderna OPO:er kan enkelt integreras i OEM-system med effektiv kontroll.
Detta framsteg är utan tvekan en välsignelse för biologer, kemister, fysiker, vetenskapsmän och andra akademiska forskare. Även om de är mycket duktiga inom sina områden, kanske de inte har specialiserad kunskap om laserdesign eller inställning.
"Off-the-shelf OPOs är designade just för människor som inte kan mycket om optik eller hur man ställer in lasrar", säger Dr Mark Little. Han är en teknisk och vetenskaplig marknadsföringskonsult för OPOTEK, LLC i Carlsbad, Kalifornien, världens ledande tillverkare av avstämbara lasrar. "I grund och botten är det en "svart låda" som enkelt kan integreras i ett annat system under utveckling."
Utvecklingen av OPO-lasrar
Även om OPO-lasrar kan existera idag som plug-and-play-enheter, har deras utveckling inte varit smidig.
Optiska parametriska oscillatorer (OPO) fungerar genom att använda en kristall för att omvandla en pulsad Nd:YAG-laser och dess övertoner till en specifik frekvens. För att uppnå "inställning" måste både pumplasern och OPO vara exakt positionerade. Forskare måste sedan manuellt finjustera kristallerna till mikronnivån tills önskad våglängd uppnås.
I den dagliga labbverksamheten måste forskarna ständigt vara uppmärksamma på eventuell felinriktning av de två komponenterna. För att ytterligare komplicera saken, sänds våglängder vid vissa frekvenser ut från olika portar, vilket ofta kräver omjustering av den externa experimentuppställningen.
OPOTEKs födelse
Det var mot denna bakgrund som akademiska forskare fann det extremt utmanande att optimera och införliva OPO i kommersiella tillämpningar.
För cirka 45 år sedan, efter att ha arbetat i många år inom flyg- och rymdområdet, fick Dr Margalith veta att ett universitet i Kina utvecklade brett avstämbara kristaller, vilket öppnade hans ögon för OPO-lasrars enorma potential. På den tiden var avstämbara lasrar till stor del baserade på kemi eller färgämnen, som var kontinuerliga snarare än pulsade och ofta led av läckageproblem. Dessutom, på grund av deras höga komplexitet, skrymmande storlek och dyra underhållskostnader, fick färglasrar aldrig allmän acceptans i kommersiella tillämpningar.
Det dröjde inte länge innan Dr. Margaliths entreprenörsanda designade den första avstämbara OPO-lasern och framgångsrikt patenterade tekniken. Sedan dess föddes OPOTEK i hans garage.
I juli 1993 blev OPOTEK det första företaget i USA som erbjuder bredbandssynlig OPO. Många av företagets nuvarande produkter härrör från denna banbrytande design. Sedan dess har olika tekniska framsteg kontinuerligt förbättrat och anpassat prestanda för OPO.
Idag säger Dr Margalith att den accepterade metoden för att bygga en OPO är att integrera pumplasern och OPO-optiken i samma hölje och säkerställa att de två inte kan separeras. Denna design gör att hela den avstämbara lasern enkelt och säkert kan flyttas efter behov. Integrerad programvara upptäcker systemjustering och gör justeringar där det behövs. Denna stabilitet är särskilt kritisk i kommersiella miljöer, som när man flyttar bildutrustning från labbet till sjukhusets operationssal.
"Vissa OPO från det förflutna var så ömtåliga att om systemet flyttades, skulle ingenjörer behöva anpassa det," förklarar Dr Margalith, "Detta är inte nödvändigt för dagens stabila OPOs. Installation och utbildning kräver inte längre extern expertis. Du kan köp en produkt från hyllan och få den skickad över natten som de flesta konsumentprodukter."
Automation kontrollerar nu alla systemelement som pumplaserövertoner, optisk avstämning av kristallrotation, optik för vågformseparation och dämpare. Produktutvecklare kan också använda mjukvaruutvecklingskit för att integrera OPO:s mjukvarufunktioner i sin egen mjukvara.
"För forskare eller företag som använder sådana lasrar i sina produkter kanske det inte är idealiskt att skaffa separat styrmjukvara från tillverkare av avstämbara laser. De föredrar att integrera alla kontroller i sin egen programvara. I en akademisk uppställning är det viktigt att spara all data på laserparametrar. för sömlös drift. Integration är nyckeln till all funktionalitet." OPOTEKs Dr. Little förklarar.
Att integrera automation och kontroll är viktigt eftersom lasrar vanligtvis är inneslutna i ett större hölje, vilket gör dem svåra att programmera om eller reparera.
Mjukvaruutvecklingssatsen kan också användas för att ställa in programmerbara skanningar med förutbestämda våglängder i valfri ordning. Detta har applikationer inom avancerad, högupplöst bildbehandling. Den inneboende fokuseringsförmågan hos lasrar gör att de kan ta prov på otroligt små ytor, som mäter i tiotals mikron. Genom att förprogrammera lasrarna kan systemet rastrera och flytta lasrarna till olika områden för att producera högupplösta skanningar.
Enligt Dr Little, "Eftersom det här är en pulsad laser som sänder ut flera gånger per sekund, kan du ange hur många gånger du vill att den ska sända ut vid varje våglängd och besluta dig för att öka eller minska antalet våglängder." "Alla högenergistrålarna kommer nu från en enda port, vilket gör att operatören kan rikta in sig på det intressanta området direkt för analys."
Storleken är relaterad till den avstämbara OPO-lasern. Om OPO är för stort kommer instrumentintegreringen att bli svårare och slutproduktens totala fotavtryck blir stort. Detta är mycket viktigt med tanke på utrymmeskraven i ett forskningslabb.
Dr. Little lärde sig först om OPO-lasrar som doktorand vid Louisiana State University. Han minns att tidiga OPO var "mycket stora, svåra att använda och ofta skadade. En OPO var 12 fot lång."
Idag erbjuder OPOTEK en av de minsta avstämbara lasrarna på marknaden: Opolette 2940 i "skokartong"-storlek. Även om den fortfarande kräver en strömförsörjning i portföljstorlek med intern vattenkylning, är OPO-lasern på 2,94-mikron. huvudet upptar ett litet fotavtryck. Även om den fortfarande kräver en "portfölj" strömförsörjning med intern vattenkylning, har OPO-laserns 2,94 mikron laserhuvud ett fotavtryck på endast 9,5 x 4,5 x 7,5 tum.
Enligt Dr Little ökar den lilla storleken laserns styvhet och stabiliserar komponenterna i det integrerade huset ytterligare.
En utmärkande egenskap hos moderna OPO är förmågan att sända ett brett spektrum av våglängder genom fiberoptik. Fiberoptik har blivit den primära metoden för att överföra lasrar eftersom den är lätt att sätta upp och koppla bort. Dessutom skyddar den slutanvändaren från ljusexponering eller ögonkontakt eftersom ljuset överförs genom ett slutet rör.OPOTEK erbjuder fiberleverans för alla sina produkter, oavsett energinivå.
Historiskt sett involverade OPO-lasrar komplexa manuella justeringar och exakt inriktning. Teknikens framsteg har förvandlat dessa lasrar till plug-and-play-enheter som är stabila och lätta att använda. Dagens OPO-lasrar, som är lätta att använda och pålitliga, kan användas i kommersiella och akademiska labbmiljöer för fixturutvecklingstillämpningar.
"Akademiska forskare borde kunna fokusera på sin forskning snarare än att försöka justera eller fixa sina lasersystem", säger Dr Margalith, "Med en högkvalitativ OPO-laser är deras utrustning redo att fungera direkt ur lådan."