Entwicklung von OPO-Lasern
Obwohl es OPO-Laser heute als Plug-and-Play-Geräte gibt, verlief ihre Entwicklung nicht reibungslos.
Optische parametrische Oszillatoren (OPOs) arbeiten mit einem Kristall, der einen gepulsten Nd:YAG-Laser und seine Harmonischen in eine bestimmte Frequenz umwandelt. Um eine „Abstimmung“ zu erreichen, müssen sowohl der Pumplaser als auch der OPO präzise positioniert werden. Anschließend müssen die Forscher die Kristalle manuell auf Mikrometerebene feinabstimmen, bis die gewünschte Wellenlänge erreicht ist.
Im Laboralltag müssen Forscher ständig auf eine mögliche Fehlausrichtung der beiden Komponenten achten. Erschwerend kommt hinzu, dass Wellenlängen bei bestimmten Frequenzen von unterschiedlichen Anschlüssen ausgestrahlt werden, was häufig eine Neujustierung des externen Versuchsaufbaus erforderlich macht.
Die Geburt von OPOTEK
Vor diesem Hintergrund war es für akademische Forscher äußerst schwierig, OPO zu optimieren und in kommerzielle Anwendungen zu integrieren.
Vor etwa 45 Jahren, nach vielen Jahren in der Luft- und Raumfahrt, erfuhr Dr. Margalith, dass eine chinesische Universität breit abstimmbare Kristalle entwickelte, was ihm die Augen für das enorme Potenzial von OPO-Lasern öffnete. Zu dieser Zeit basierten abstimmbare Laser größtenteils auf Chemie oder Farbstoffen, die kontinuierlich und nicht gepulst waren und häufig unter Leckageproblemen litten. Darüber hinaus konnten Farbstofflaser aufgrund ihrer hohen Komplexität, ihrer sperrigen Größe und der hohen Wartungskosten nie eine breite Akzeptanz in kommerziellen Anwendungen finden.
Es dauerte nicht lange, bis Dr. Margaliths Unternehmergeist den ersten abstimmbaren OPO-Laser entwickelte und die Technologie erfolgreich patentieren ließ. Seitdem ist OPOTEK in seiner Garage entstanden.
Im Juli 1993 war OPOTEK das erste Unternehmen in den USA, das breitbandige sichtbare OPO anbot. Viele der aktuellen Produkte des Unternehmens basieren auf diesem bahnbrechenden Design. Seitdem wurde die Leistung von OPOs durch verschiedene technologische Fortschritte kontinuierlich verbessert und angepasst.
Heute besteht die akzeptierte Methode zum Bau eines OPO laut Dr. Margalith darin, den Pumplaser und die OPO-Optik in einem Gehäuse zu integrieren und sicherzustellen, dass beide nicht getrennt werden können. Durch dieses Design kann der gesamte abstimmbare Laser bei Bedarf einfach und sicher bewegt werden.
Die integrierte Software erkennt die Systemausrichtung und nimmt bei Bedarf Anpassungen vor. Diese Stabilität ist insbesondere in kommerziellen Umgebungen von entscheidender Bedeutung, beispielsweise beim Transport von Bildgebungsgeräten vom Labor in den Operationssaal des Krankenhauses.
"Einige OPOs der Vergangenheit waren so fragil, dass die Ingenieure sie neu ausrichten mussten, wenn das System bewegt wurde", erklärt Dr. Margalith. "Bei den heutigen stabilen OPOs ist das nicht mehr nötig. Einrichtung und Schulung erfordern kein externes Fachwissen mehr. Sie können ein handelsübliches Produkt kaufen und es sich wie die meisten Verbraucherprodukte über Nacht liefern lassen."
Die Automatisierung steuert nun alle Systemelemente wie Pumplaserharmonische, optische Abstimmung der Kristallrotation, optische Wellenformtrennung und Dämpfungsglieder. Produktentwickler können außerdem Software Development Kits verwenden, um die Softwarefunktionalitätsfunktionen von OPO in ihre eigene Software zu integrieren.
„Für einen Wissenschaftler oder ein Unternehmen, das diesen Laser in seinem Produkt verwendet, ist es möglicherweise nicht ideal, eine separate Steuersoftware vom Hersteller des abstimmbaren Lasers zu erhalten. Sie würden es vorziehen, alle Steuerelemente in ihre eigene Software zu integrieren. In einem akademischen Umfeld ist das Speichern aller Daten zu den Laserparametern für einen reibungslosen Betrieb von entscheidender Bedeutung. Die Integration ist der Schlüssel zum Funktionieren aller Dinge“, erklärt Dr. Little von OPOTEK.
Die Integration von Automatisierung und Steuerung ist wichtig, da Laser normalerweise in einem größeren Gehäuse untergebracht sind und ihre Neuprogrammierung oder Wartung dadurch schwierig ist.
Mit dem Software Development Kit können auch programmierbare Scans mit vorgegebenen Wellenlängen in beliebiger Reihenfolge erstellt werden. Dies findet Anwendung in der modernen hochauflösenden Bildgebung. Die inhärente Fokussierbarkeit von Lasern ermöglicht es ihnen, unglaublich kleine Bereiche im Bereich von einigen zehn Mikrometern abzutasten. Durch Vorprogrammierung des Lasers kann das System den Laser rastern und in verschiedene Bereiche bewegen, um hochauflösende Scans zu erzeugen.
„Da es sich um einen gepulsten Laser handelt, der viele Male pro Sekunde feuert, können Sie die Anzahl der Schüsse bei jeder Wellenlänge eingeben und entscheiden, wie oft die Wellenlänge erhöht oder verringert werden soll“, erklärt Dr. Little. „Jetzt kommen alle Hochenergiestrahlen aus einem Anschluss, sodass der Bediener den für die Analyse interessanten Bereich direkt anvisieren kann.“
Die Größe hängt mit dem abstimmbaren OPO-Laser zusammen. Wenn der OPO zu groß ist, wird die Instrumentenintegration schwieriger und der Gesamtplatzbedarf des Endprodukts wird groß. Dies ist angesichts des Platzbedarfs eines Forschungslabors sehr wichtig.
Dr. Little erfuhr zum ersten Mal von OPO-Lasern als Doktorand an der Louisiana State University. Er erinnert sich, dass die ersten OPOs „sehr groß, schwierig zu handhaben und häufig beschädigt waren. Ein OPO war 12 Fuß lang.“
Heute bietet OPOTEK einen der kleinsten abstimmbaren Laser auf dem Markt an: den Opolette 2940 in Schuhkartongröße. Obwohl er immer noch ein Netzteil in Aktenkoffergröße mit interner Wasserkühlung benötigt, nimmt der Kopf des 2,94-Mikron OPO-Lasers nur wenig Platz ein. Obwohl er immer noch ein Netzteil in Aktenkoffergröße mit interner Wasserkühlung benötigt, nimmt der 2,94 Mikron Laserkopf des OPO-Lasers nur eine Stellfläche von 9,5 x 4,5 x 7,5 Zoll ein.
Laut Dr. Little erhöht die geringe Größe die Steifigkeit des Lasers und stabilisiert die Komponenten innerhalb des integrierten Gehäuses zusätzlich.
Ein Unterscheidungsmerkmal moderner OPOs ist die Fähigkeit, ein breites Spektrum an Wellenlängen über Glasfaser zu übertragen. Glasfaser ist zum primären Verfahren für die Übertragung von Lasern geworden, da sie einfach einzurichten und zu trennen ist. Darüber hinaus schützt sie den Endbenutzer vor Lichteinwirkung oder Augenkontakt, da das Licht durch ein geschlossenes Rohr übertragen wird. OPOTEK bietet Glasfaserübertragung für alle seine Produkte an, unabhängig vom Energieniveau.
In der Vergangenheit waren bei OPO-Lasern komplexe manuelle Einstellungen und präzise Ausrichtungen erforderlich. Dank technologischer Fortschritte sind diese Laser nun Plug-and-Play-Geräte, die stabil und einfach zu bedienen sind. Die heutigen OPO-Laser sind einfach zu bedienen und zuverlässig und können in kommerziellen und akademischen Laboren für die Entwicklung von Vorrichtungen verwendet werden.
„Akademische Forscher sollten sich auf ihre Forschung konzentrieren können, anstatt zu versuchen, das Lasersystem zu optimieren oder zu reparieren“, so Dr. Margalith. „Mit einem hochwertigen OPO-Laser können ihre Geräte sofort einsatzbereite Funktionen ausführen.“
