Tia laser có thể điều chỉnh đạt trạng thái hộp đen!

Các sản phẩm thương mại tiên tiến thường bắt nguồn từ lĩnh vực nghiên cứu học thuật. Trong nhiều trường hợp, các giáo sư sẽ đích thân thành lập công ty hoặc thu hút các nhà đầu tư vào công nghệ được sinh ra trong các phòng thí nghiệm học thuật để cấp phép, để công nghệ đó được chuyển đổi thành các sản phẩm có thể đưa ra thị trường.
Khi các nhà nghiên cứu hàn lâm xây dựng sản phẩm mới, họ thường thiết kế và sản xuất chúng bằng một số thành phần khác nhau. Khi điều kiện cho phép, họ tích hợp các thành phần có sẵn vào sản phẩm cuối cùng. Khi các yêu cầu ứng dụng tăng lên, các thành phần này ngày càng trở nên phức tạp và độc đáo.
Ví dụ, laser điều chỉnh dựa trên xung cần phải có tính linh hoạt cao, có khả năng tạo ra một phạm vi rộng các bước sóng từ khả kiến ​​đến cực tím sâu và tạo ra các xung cường độ cao theo gia số nano giây. Chúng có nhiều ứng dụng bao gồm nhưng không giới hạn ở truyền thông tin sợi quang, giải hấp ion, tạo nhiệt, tạo siêu âm, kích thích điện tử, v.v. Nhờ tính linh hoạt vượt trội của mình mà các laser này đóng vai trò quan trọng trong các lĩnh vực hóa học vật lý phân giải theo thời gian, phép đo phổ khối, hình ảnh quang âm, quang phổ học, phép đo quang phổ, chẩn đoán và hình ảnh siêu phổ.
Trong số các loại laser xung này, laser Bộ dao động tham số quang học (OPO) nổi bật nhờ tính linh hoạt và tính kinh tế vượt trội, với khả năng được "điều chỉnh" theo dải quang phổ rộng của các bước sóng cụ thể.
Laser OPO đã có mặt trên thị trường trong hơn 35 năm khi công nghệ phát triển. Các hệ thống OPO ban đầu rất lớn và dễ bị lỗi đến mức chúng được phát triển và bán trong các gara. Các OPO ngày nay đã được chuyển đổi thành các thiết bị tích hợp hoàn toàn, cắm và chạy mà không cần thiết lập và hiệu chuẩn phức tạp của các kỹ sư laser chuyên ngành. Các OPO hiện đại có thể dễ dàng tích hợp vào các hệ thống OEM với khả năng kiểm soát hiệu quả.
Sự tiến bộ này chắc chắn là một lợi ích cho các nhà sinh học, hóa học, vật lý, nhà khoa học và các nhà nghiên cứu học thuật khác. Mặc dù họ rất thành đạt trong lĩnh vực của mình, nhưng họ có thể không có kiến ​​thức chuyên môn về thiết kế hoặc điều chỉnh laser.
"Các OPO bán sẵn được thiết kế dành riêng cho những người không biết nhiều về quang học hoặc cách điều chỉnh tia laser", Tiến sĩ Mark Little cho biết. Ông là cố vấn tiếp thị khoa học và kỹ thuật cho OPOTEK, LLC tại Carlsbad, California, nhà sản xuất laser điều chỉnh hàng đầu thế giới. "Về cơ bản, đó là một 'hộp đen' có thể dễ dàng tích hợp vào một hệ thống khác đang được phát triển".
Sự phát triển của laser OPO
Mặc dù laser OPO hiện nay có thể tồn tại dưới dạng thiết bị cắm và chạy, nhưng quá trình phát triển của chúng không hề dễ dàng.
Bộ dao động tham số quang học (OPO) hoạt động bằng cách sử dụng tinh thể để chuyển đổi laser Nd:YAG chế độ xung và sóng hài của nó thành tần số cụ thể. Để đạt được "điều chỉnh", cả laser bơm và OPO đều cần được định vị chính xác. Sau đó, các nhà nghiên cứu cần tinh chỉnh thủ công các tinh thể đến mức micron cho đến khi đạt được bước sóng mong muốn.
Trong các hoạt động phòng thí nghiệm hàng ngày, các nhà nghiên cứu phải liên tục để ý đến khả năng không thẳng hàng của hai thành phần. Để làm vấn đề phức tạp hơn, các bước sóng ở một số tần số nhất định được phát ra từ các cổng khác nhau, điều này thường đòi hỏi phải điều chỉnh lại thiết lập thử nghiệm bên ngoài.
Sự ra đời của OPOTEK
Trong bối cảnh này, các nhà nghiên cứu học thuật thấy rằng việc tối ưu hóa và kết hợp OPO vào các ứng dụng thương mại là vô cùng khó khăn.
Khoảng 45 năm trước, sau nhiều năm làm việc trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, Tiến sĩ Margalith biết rằng một trường đại học ở Trung Quốc đang phát triển các tinh thể có thể điều chỉnh rộng rãi, điều này đã mở mắt ông ra với tiềm năng to lớn của laser OPO. Vào thời điểm đó, laser có thể điều chỉnh chủ yếu dựa trên hóa học hoặc thuốc nhuộm, liên tục thay vì xung và thường gặp phải các vấn đề rò rỉ. Ngoài ra, do độ phức tạp cao, kích thước cồng kềnh và chi phí bảo trì đắt đỏ, laser thuốc nhuộm không bao giờ được chấp nhận rộng rãi trong các ứng dụng thương mại.
Không lâu sau đó, tinh thần kinh doanh của Tiến sĩ Margalith đã thiết kế ra tia laser OPO có thể điều chỉnh đầu tiên và đã được cấp bằng sáng chế thành công cho công nghệ này. Kể từ đó, OPOTEK đã ra đời trong gara của ông.
Vào tháng 7 năm 1993, OPOTEK trở thành công ty đầu tiên tại Hoa Kỳ cung cấp OPO băng thông rộng có thể nhìn thấy. Nhiều sản phẩm hiện tại của công ty bắt nguồn từ thiết kế đột phá này. Kể từ đó, nhiều tiến bộ khác nhau trong công nghệ đã liên tục cải thiện và điều chỉnh hiệu suất của OPO.
Ngày nay, Tiến sĩ Margalith cho biết phương pháp được chấp nhận để xây dựng OPO là tích hợp laser bơm và quang học OPO trong cùng một vỏ và đảm bảo rằng hai thứ này không thể tách rời. Thiết kế này cho phép toàn bộ laser có thể điều chỉnh được dễ dàng và an toàn khi cần thiết. Phần mềm tích hợp phát hiện sự căn chỉnh của hệ thống và thực hiện các điều chỉnh khi cần thiết. Sự ổn định này đặc biệt quan trọng trong môi trường thương mại, chẳng hạn như khi di chuyển thiết bị hình ảnh từ phòng xét nghiệm đến phòng phẫu thuật của bệnh viện.
"Một số OPO trước đây rất dễ hỏng đến mức nếu hệ thống bị di chuyển, các kỹ sư sẽ phải căn chỉnh lại", Tiến sĩ Margalith giải thích, "Điều này không cần thiết đối với các OPO ổn định ngày nay. Việc thiết lập và đào tạo không còn yêu cầu chuyên môn bên ngoài nữa. Bạn có thể mua một sản phẩm có sẵn và giao hàng qua đêm giống như hầu hết các sản phẩm tiêu dùng khác".
Tự động hóa hiện kiểm soát tất cả các thành phần hệ thống như sóng hài laser bơm, điều chỉnh quang học quay tinh thể, quang học tách dạng sóng và bộ suy giảm. Các nhà phát triển sản phẩm cũng có thể sử dụng bộ phát triển phần mềm để tích hợp các tính năng chức năng phần mềm của OPO vào phần mềm của riêng họ.
"Đối với các nhà khoa học nghiên cứu hoặc các công ty sử dụng các loại laser như vậy trong sản phẩm của họ, việc có được phần mềm điều khiển riêng biệt từ các nhà sản xuất laser có thể điều chỉnh có thể không lý tưởng. Họ thích tích hợp tất cả các điều khiển vào phần mềm của riêng họ. Trong một thiết lập học thuật, việc lưu tất cả dữ liệu về các thông số laser là rất quan trọng để vận hành liền mạch. Tích hợp là chìa khóa cho mọi chức năng." Tiến sĩ Little của OPOTEK giải thích.
Việc tích hợp tự động hóa và điều khiển rất quan trọng vì tia laser thường được đặt trong một vỏ lớn hơn, khiến việc lập trình lại hoặc sửa chữa trở nên khó khăn.
Bộ công cụ phát triển phần mềm cũng có thể được sử dụng để thiết lập các lần quét có thể lập trình với các bước sóng được xác định trước theo bất kỳ thứ tự nào. Điều này có ứng dụng trong hình ảnh độ phân giải cao, tiên tiến. Khả năng hội tụ vốn có của tia laser cho phép chúng lấy mẫu các khu vực cực kỳ nhỏ, đo bằng hàng chục micron. Bằng cách lập trình trước các tia laser, hệ thống có thể quét và di chuyển các tia laser đến các khu vực khác nhau để tạo ra các lần quét độ phân giải cao.
Theo Tiến sĩ Little, "Vì đây là tia laser xung phát ra nhiều lần mỗi giây nên bạn có thể nhập số lần bạn muốn nó phát ra ở mỗi bước sóng và quyết định tăng hoặc giảm số bước sóng". "Tất cả các chùm tia năng lượng cao hiện đều đến từ một cổng duy nhất, cho phép người vận hành nhắm trực tiếp vào khu vực quan tâm để phân tích".
Kích thước liên quan đến laser OPO có thể điều chỉnh. Nếu OPO quá lớn, việc tích hợp thiết bị sẽ khó khăn hơn và diện tích tổng thể của sản phẩm cuối cùng sẽ lớn. Điều này rất quan trọng khi xem xét đến yêu cầu về không gian của phòng thí nghiệm nghiên cứu.
Tiến sĩ Little lần đầu tiên biết về laser OPO khi còn là sinh viên sau đại học tại Đại học bang Louisiana. Ông nhớ lại rằng những chiếc OPO đầu tiên "rất lớn, khó sử dụng và thường bị hỏng. Một chiếc OPO dài 12 feet".
Ngày nay, OPOTEK cung cấp một trong những laser có thể điều chỉnh nhỏ nhất trên thị trường: Opolette 2940 có kích thước "hộp đựng giày". Mặc dù vẫn cần nguồn điện có kích thước "cặp" với hệ thống làm mát bằng nước bên trong, đầu laser OPO 2.94- micron chiếm một diện tích nhỏ. Mặc dù vẫn cần nguồn điện có kích thước "cặp" với hệ thống làm mát bằng nước bên trong, đầu laser 2,94 micron của laser OPO chỉ chiếm một diện tích 9,5 x 4,5 x 7,5 inch.
Theo Tiến sĩ Little, kích thước nhỏ làm tăng độ cứng của tia laser và ổn định hơn các thành phần bên trong vỏ tích hợp.
Một đặc điểm nổi bật của OPO hiện đại là khả năng truyền nhiều bước sóng qua sợi quang. Sợi quang đã trở thành phương pháp chính để truyền laser vì dễ thiết lập và ngắt kết nối. Ngoài ra, nó bảo vệ người dùng cuối khỏi tiếp xúc với ánh sáng hoặc tiếp xúc bằng mắt vì ánh sáng được truyền qua một ống kín. OPOTEK cung cấp dịch vụ truyền sợi cho tất cả các sản phẩm của mình, bất kể mức năng lượng.
Theo truyền thống, laser OPO liên quan đến việc điều chỉnh thủ công phức tạp và căn chỉnh chính xác. Những tiến bộ trong công nghệ đã biến những laser này thành các thiết bị cắm và chạy ổn định và dễ sử dụng. Laser OPO ngày nay, dễ sử dụng và đáng tin cậy, có thể được sử dụng trong các phòng thí nghiệm thương mại và học thuật cho các ứng dụng phát triển đồ gá.
Tiến sĩ Margalith cho biết: "Các nhà nghiên cứu học thuật nên có thể tập trung vào nghiên cứu của họ thay vì cố gắng điều chỉnh hoặc sửa chữa hệ thống laser của họ. Với laser OPO chất lượng cao, thiết bị của họ đã sẵn sàng hoạt động ngay khi xuất xưởng".