I laser sintonizzabili raggiungono lo status di scatola nera!

I prodotti commerciali all'avanguardia spesso hanno origine nel campo della ricerca accademica. In molti casi, i professori avviano personalmente aziende o attraggono investitori nella tecnologia nata nei laboratori accademici per la concessione di licenze, in modo che venga trasformata in prodotti che possono essere immessi sul mercato.
Quando i ricercatori accademici creano nuovi prodotti, spesso li progettano e li producono utilizzando diversi componenti. Quando le condizioni lo consentono, integrano componenti standard nel prodotto finale. Man mano che i requisiti applicativi aumentano, queste parti componenti diventano sempre più complesse e uniche.
I laser sintonizzabili basati su impulsi, ad esempio, devono essere altamente flessibili, in grado di generare un'ampia gamma di lunghezze d'onda dal visibile all'ultravioletto profondo e di emettere impulsi ad alta intensità in incrementi di nanosecondi. Hanno un'ampia gamma di applicazioni tra cui, ma non solo, trasmissione di informazioni in fibra ottica, desorbimento di ioni, generazione di calore, generazione di ultrasuoni, eccitazione elettronica e altro ancora. È in virtù della loro straordinaria flessibilità che questi laser svolgono un ruolo fondamentale nei campi della chimica fisica risolta nel tempo, spettrometria di massa, imaging fotoacustico, spettroscopia, spettrofotometria, diagnostica e imaging iperspettrale.
Tra questi laser pulsati, i laser OPO (Optical Parametric Oscillator) si distinguono per la loro straordinaria flessibilità e convenienza, con la possibilità di essere "sintonizzati" su un'ampia gamma spettrale di lunghezze d'onda specifiche.
I laser OPO sono disponibili in commercio da oltre 35 anni, con l'evoluzione della tecnologia. I primi sistemi OPO erano così grandi e soggetti a errori che venivano sviluppati e venduti in garage. Gli OPO odierni sono stati trasformati in dispositivi completamente integrati e plug-and-play che non richiedono complesse impostazioni e calibrazioni da parte di ingegneri laser specializzati. Gli OPO moderni possono essere facilmente integrati nei sistemi OEM con un controllo efficace.
Questo progresso è senza dubbio una manna per biologi, chimici, fisici, scienziati e altri ricercatori accademici. Sebbene siano altamente qualificati nei loro campi, potrebbero non avere conoscenze specialistiche sulla progettazione o la messa a punto dei laser.
"Gli OPO standard sono progettati proprio per le persone che non sanno molto di ottica o di come sintonizzare i laser", afferma il dott. Mark Little. È un consulente di marketing tecnico e scientifico per OPOTEK, LLC a Carlsbad, California, il principale produttore mondiale di laser sintonizzabili. "In pratica, è una 'scatola nera' che può essere facilmente integrata in un altro sistema in fase di sviluppo".
L'evoluzione dei laser OPO
Sebbene i laser OPO oggi possano essere utilizzati come dispositivi plug-and-play, la loro evoluzione non è stata semplice.
Gli oscillatori parametrici ottici (OPO) funzionano utilizzando un cristallo per convertire un laser Nd:YAG a modalità pulsata e le sue armoniche in una frequenza specifica. Per ottenere la "sintonizzazione", sia il laser a pompa che l'OPO devono essere posizionati con precisione. I ricercatori devono quindi regolare manualmente i cristalli a livello di micron fino a raggiungere la lunghezza d'onda desiderata.
Nelle operazioni di laboratorio quotidiane, i ricercatori devono essere costantemente alla ricerca di possibili disallineamenti dei due componenti. Per complicare ulteriormente le cose, lunghezze d'onda a determinate frequenze vengono emesse da porte diverse, il che spesso richiede una riaggiustamento dell'impostazione sperimentale esterna.
La nascita di OPOTEK
È in questo contesto che i ricercatori accademici hanno trovato estremamente difficile ottimizzare e integrare gli OPO nelle applicazioni commerciali.
Circa 45 anni fa, dopo aver lavorato per molti anni nel campo aerospaziale, il dott. Margalith apprese che un'università in Cina stava sviluppando cristalli ampiamente sintonizzabili, il che gli aprì gli occhi sull'enorme potenziale dei laser OPO. All'epoca, i laser sintonizzabili erano in gran parte basati sulla chimica o sui coloranti, che erano continui piuttosto che pulsati e spesso soffrivano di problemi di perdite. Inoltre, a causa della loro elevata complessità, delle dimensioni ingombranti e dei costosi costi di manutenzione, i laser a coloranti non hanno mai ottenuto un'ampia accettazione nelle applicazioni commerciali.
Non passò molto tempo prima che lo spirito imprenditoriale del Dott. Margalith progettasse il primo laser OPO sintonizzabile e brevettasse con successo la tecnologia. Da allora, OPOTEK è nata nel suo garage.
Nel luglio 1993, OPOTEK è diventata la prima azienda negli Stati Uniti a offrire OPO visibile a banda larga. Molti degli attuali prodotti dell'azienda derivano da questo design rivoluzionario. Da allora, vari progressi nella tecnologia hanno continuamente migliorato e adattato le prestazioni degli OPO.
Oggi, il dott. Margalith afferma che il metodo accettato per costruire un OPO è quello di integrare il laser della pompa e l'ottica OPO nello stesso alloggiamento e garantire che i due non possano essere separati. Questo design consente di spostare facilmente e in sicurezza l'intero laser sintonizzabile in base alle necessità. Il software integrato rileva l'allineamento del sistema e apporta le modifiche necessarie. Questa stabilità è particolarmente critica negli ambienti commerciali, come quando si spostano apparecchiature di imaging dal laboratorio alla sala operatoria dell'ospedale.
"Alcuni OPO del passato erano così fragili che se il sistema veniva spostato, gli ingegneri dovevano riallinearlo", spiega il dott. Margalith, "Questo non è necessario per gli OPO stabili di oggi. L'installazione e la formazione non richiedono più competenze esterne. È possibile acquistare un prodotto standard e riceverlo in giornata come la maggior parte dei prodotti di consumo".
L'automazione ora controlla tutti gli elementi del sistema come armoniche laser di pompaggio, regolazione ottica della rotazione del cristallo, ottica di separazione delle forme d'onda e attenuatori. Gli sviluppatori di prodotti possono anche utilizzare kit di sviluppo software per integrare le funzionalità software di OPO nel proprio software.
"Per i ricercatori scientifici o le aziende che utilizzano tali laser nei loro prodotti, ottenere un software di controllo separato dai produttori di laser sintonizzabili potrebbe non essere l'ideale. Preferiscono integrare tutti i controlli nel loro software. In un ambiente accademico, salvare tutti i dati sui parametri laser è fondamentale per un funzionamento senza interruzioni. L'integrazione è la chiave per tutte le funzionalità." Spiega il dott. Little di OPOTEK.
L'integrazione di automazione e controllo è importante perché solitamente i laser sono racchiusi in un alloggiamento più grande, il che li rende difficili da riprogrammare o riparare.
Il kit di sviluppo software può anche essere utilizzato per impostare scansioni programmabili con lunghezze d'onda predeterminate in qualsiasi ordine. Ciò ha applicazioni nell'imaging avanzato ad alta risoluzione. La focalizzabilità intrinseca dei laser consente loro di campionare aree incredibilmente piccole, con misure in decine di micron. Pre-programmando i laser, il sistema può rasterizzare e spostare i laser in aree diverse per produrre scansioni ad alta risoluzione.
Secondo il dott. Little, "Dato che si tratta di un laser pulsato che emette più volte al secondo, è possibile immettere il numero di volte in cui si desidera che emetta a ciascuna lunghezza d'onda e decidere di aumentare o diminuire il numero di lunghezze d'onda". "Tutti i fasci ad alta energia provengono ora da una singola porta, consentendo all'operatore di indirizzare direttamente l'area di interesse per l'analisi".
Le dimensioni sono correlate al laser OPO sintonizzabile. Se l'OPO è troppo grande, l'integrazione dello strumento sarà più difficile e l'ingombro complessivo del prodotto finale sarà grande. Ciò è molto importante considerando i requisiti di spazio di un laboratorio di ricerca.
Il dott. Little ha scoperto per la prima volta i laser OPO quando era studente laureato alla Louisiana State University. Ricorda che i primi OPO erano "molto grandi, difficili da usare e spesso danneggiati. Un OPO era lungo 12 piedi".
Oggi, OPOTEK offre uno dei più piccoli laser sintonizzabili sul mercato: l'Opolette 2940 delle dimensioni di una "scatola da scarpe". Pur richiedendo ancora un alimentatore delle dimensioni di una "valigetta" con raffreddamento ad acqua interno, la testa del laser OPO da 2,94 micron occupa un ingombro ridotto. Pur richiedendo ancora un alimentatore delle dimensioni di una "valigetta" con raffreddamento ad acqua interno, la testa del laser OPO da 2,94 micron ha un ingombro di soli 9,5 x 4,5 x 7,5 pollici.
Secondo il dott. Little, le dimensioni ridotte aumentano la rigidità del laser e stabilizzano ulteriormente i componenti all'interno dell'alloggiamento integrato.
Una caratteristica distintiva degli OPO moderni è la capacità di trasmettere un'ampia gamma di lunghezze d'onda tramite fibra ottica. La fibra ottica è diventata il metodo principale per trasmettere i laser perché è facile da installare e scollegare. Inoltre, protegge l'utente finale dall'esposizione alla luce o dal contatto visivo perché la luce viene trasmessa tramite un tubo chiuso. OPOTEK offre la consegna in fibra per tutti i suoi prodotti, indipendentemente dal livello di energia.
Storicamente, i laser OPO richiedevano complesse regolazioni manuali e un allineamento preciso. I progressi della tecnologia hanno trasformato questi laser in dispositivi plug-and-play stabili e facili da usare. Gli attuali laser OPO, facili da usare e affidabili, possono essere utilizzati in ambienti di laboratorio commerciali e accademici per applicazioni di sviluppo di dispositivi.
"I ricercatori accademici dovrebbero potersi concentrare sulla loro ricerca anziché cercare di modificare o riparare i loro sistemi laser", afferma il dott. Margalith. "Con un laser OPO di alta qualità, la loro attrezzatura è pronta all'uso fin dal primo momento".