Lasers ajustáveis ​​alcançam status de caixa preta!

Produtos comerciais de ponta geralmente se originam no campo da pesquisa acadêmica. Em muitos casos, os professores pessoalmente iniciam empresas ou atraem investidores para a tecnologia nascida em laboratórios acadêmicos para licenciamento, para que ela seja transformada em produtos que podem ser levados ao mercado.
Quando pesquisadores acadêmicos constroem novos produtos, eles frequentemente os projetam e fabricam usando uma série de componentes diferentes. Quando as condições permitem, eles integram componentes prontos para uso no produto final. À medida que os requisitos de aplicação aumentam, essas partes componentes se tornam cada vez mais complexas e únicas.
Lasers ajustáveis ​​baseados em pulso, por exemplo, precisam ser altamente flexíveis, capazes de gerar uma ampla gama de comprimentos de onda do visível ao ultravioleta profundo, e emitir pulsos de alta intensidade em incrementos de nanossegundos. Eles têm uma ampla gama de aplicações, incluindo, mas não se limitando a, transmissão de informações por fibra óptica, dessorção de íons, geração de calor, geração ultrassônica, excitação eletrônica e muito mais. É em virtude de sua excelente flexibilidade que esses lasers desempenham um papel vital nos campos da química física resolvida no tempo, espectrometria de massa, imagem fotoacústica, espectroscopia, espectrofotometria, diagnósticos e imagem hiperespectral.
Dentre esses lasers pulsados, os lasers osciladores paramétricos ópticos (OPO) se destacam por sua excelente flexibilidade e economia, com a capacidade de serem "sintonizados" para uma ampla faixa espectral de comprimentos de onda específicos.
Os lasers OPO estão disponíveis comercialmente há mais de 35 anos, à medida que a tecnologia evoluiu. Os primeiros sistemas OPO eram tão grandes e propensos a erros que eram desenvolvidos e vendidos em garagens. Os OPOs de hoje foram transformados em dispositivos plug-and-play totalmente integrados que não exigem configuração e calibração complexas por engenheiros de laser especializados. Os OPOs modernos podem ser facilmente integrados em sistemas OEM com controle eficaz.
Este avanço é, sem dúvida, uma bênção para biólogos, químicos, físicos, cientistas e outros pesquisadores acadêmicos. Embora sejam altamente qualificados em suas áreas, eles podem não ter conhecimento especializado em design ou ajuste de laser.
"OPOs prontos para uso são projetados precisamente para pessoas que não sabem muito sobre óptica ou como ajustar lasers", diz o Dr. Mark Little. Ele é um consultor de marketing técnico e científico da OPOTEK, LLC em Carlsbad, Califórnia, a fabricante líder mundial de lasers ajustáveis. "Basicamente, é uma 'caixa preta' que pode ser facilmente integrada a outro sistema em desenvolvimento."
A evolução dos lasers OPO
Embora os lasers OPO possam existir hoje como dispositivos plug-and-play, sua evolução não foi tranquila.
Os osciladores paramétricos ópticos (OPOs) funcionam utilizando um cristal para converter um laser Nd:YAG de modo pulsado e seus harmônicos para uma frequência específica. Para atingir o "ajuste", tanto o laser de bomba quanto o OPO precisam ser posicionados com precisão. Os pesquisadores então precisam ajustar manualmente os cristais para o nível de mícron até que o comprimento de onda desejado seja alcançado.
Nas operações diárias de laboratório, os pesquisadores devem estar constantemente atentos a possíveis desalinhamentos dos dois componentes. Para complicar ainda mais as coisas, comprimentos de onda em certas frequências são emitidos de portas diferentes, o que frequentemente requer reajuste da configuração experimental externa.
O nascimento da OPOTEK
Foi nesse contexto que pesquisadores acadêmicos acharam extremamente desafiador otimizar e incorporar OPOs em aplicações comerciais.
Cerca de 45 anos atrás, depois de trabalhar por muitos anos na área aeroespacial, o Dr. Margalith soube que uma universidade na China estava desenvolvendo cristais amplamente ajustáveis, o que abriu seus olhos para o enorme potencial dos lasers OPO. Na época, os lasers ajustáveis ​​eram amplamente baseados em química ou corantes, que eram contínuos em vez de pulsados ​​e frequentemente sofriam de problemas de vazamento. Além disso, devido à sua alta complexidade, tamanho volumoso e altos custos de manutenção, os lasers de corante nunca ganharam ampla aceitação em aplicações comerciais.
Não demorou muito para que o espírito empreendedor do Dr. Margalith projetasse o primeiro laser OPO sintonizável e patenteasse a tecnologia com sucesso. Desde então, a OPOTEK nasceu em sua garagem.
Em julho de 1993, a OPOTEK se tornou a primeira empresa nos Estados Unidos a oferecer OPO visível de banda larga. Muitos dos produtos atuais da empresa derivam desse design inovador. Desde então, vários avanços na tecnologia têm continuamente aprimorado e adaptado o desempenho dos OPOs.
Hoje, o Dr. Margalith diz que o método aceito de construção de um OPO é integrar o laser de bomba e a óptica do OPO no mesmo alojamento e garantir que os dois não possam ser separados. Este design permite que todo o laser ajustável seja movido com facilidade e segurança conforme necessário. O software integrado detecta o alinhamento do sistema e faz ajustes quando necessário. Esta estabilidade é especialmente crítica em ambientes comerciais, como ao mover equipamentos de imagem do laboratório para a sala de cirurgia do hospital.
"Alguns OPOs do passado eram tão frágeis que, se o sistema fosse movido, os engenheiros teriam que realinhá-lo", explica o Dr. Margalith, "Isso não é necessário para os OPOs estáveis ​​de hoje. A configuração e o treinamento não exigem mais experiência externa. Você pode comprar um produto pronto para uso e enviá-lo durante a noite, como a maioria dos produtos de consumo."
A automação agora controla todos os elementos do sistema, como harmônicos de laser de bomba, ajuste óptico de rotação de cristal, óptica de separação de forma de onda e atenuadores. Os desenvolvedores de produtos também podem usar kits de desenvolvimento de software para integrar os recursos de funcionalidade de software da OPO em seu próprio software.
"Para cientistas de pesquisa ou empresas que usam esses lasers em seus produtos, obter software de controle separado de fabricantes de laser ajustável pode não ser o ideal. Eles preferem integrar todos os controles em seu próprio software. Em uma configuração acadêmica, salvar todos os dados sobre parâmetros de laser é essencial para uma operação perfeita. A integração é a chave para toda a funcionalidade." O Dr. Little da OPOTEK explica.
Integrar automação e controle é importante porque normalmente os lasers ficam presos em um invólucro maior, o que os torna difíceis de reprogramar ou reparar.
O kit de desenvolvimento de software também pode ser usado para configurar varreduras programáveis ​​com comprimentos de onda pré-determinados em qualquer ordem. Isso tem aplicações em imagens avançadas de alta resolução. A focalização inerente dos lasers permite que eles façam amostragem de áreas incrivelmente pequenas, medindo dezenas de mícrons. Ao pré-programar os lasers, o sistema pode rasterizar e mover os lasers para diferentes áreas para produzir varreduras de alta resolução.
De acordo com o Dr. Little, "Como este é um laser pulsado que emite várias vezes por segundo, você pode inserir o número de vezes que deseja que ele emita em cada comprimento de onda e decidir aumentar ou diminuir o número de comprimentos de onda." "Todos os feixes de alta energia agora vêm de uma única porta, permitindo que o operador mire diretamente na área de interesse para análise."
O tamanho está relacionado ao laser OPO ajustável. Se o OPO for muito grande, a integração do instrumento será mais difícil e a pegada geral do produto final será grande. Isso é muito importante considerando os requisitos de espaço de um laboratório de pesquisa.
O Dr. Little aprendeu sobre lasers OPO pela primeira vez como aluno de pós-graduação na Louisiana State University. Ele lembra que os primeiros OPOs eram "muito grandes, difíceis de usar e frequentemente danificados. Um OPO tinha 12 pés de comprimento."
Hoje, a OPOTEK oferece um dos menores lasers ajustáveis ​​do mercado: o Opolette 2940 do tamanho de uma "caixa de sapatos". Embora ainda exija uma fonte de alimentação do tamanho de uma "pasta" com resfriamento interno a água, a cabeça do laser OPO de 2.94-mícrons ocupa uma pequena área ocupada. Embora ainda exija uma fonte de alimentação do tamanho de uma "pasta" com resfriamento interno a água, a cabeça do laser OPO de 2,94 mícrons tem uma área ocupada de apenas 9,5 x 4,5 x 7,5 polegadas.
De acordo com o Dr. Little, o tamanho pequeno aumenta a rigidez do laser e estabiliza ainda mais os componentes dentro do invólucro integrado.
Uma característica distintiva dos OPOs modernos é a capacidade de transmitir uma ampla gama de comprimentos de onda por meio de fibra óptica. A fibra óptica se tornou o principal método de transmissão de lasers porque é fácil de configurar e desconectar. Além disso, ela protege o usuário final da exposição à luz ou do contato visual porque a luz é transmitida por um tubo fechado. A OPOTEK oferece entrega de fibra para todos os seus produtos, independentemente do nível de energia.
Historicamente, os lasers OPO envolviam ajustes manuais complexos e alinhamento preciso. Os avanços na tecnologia transformaram esses lasers em dispositivos plug-and-play que são estáveis ​​e fáceis de usar. Os lasers OPO de hoje, que são fáceis de usar e confiáveis, podem ser usados ​​em ambientes de laboratórios comerciais e acadêmicos para aplicações de desenvolvimento de acessórios.
"Pesquisadores acadêmicos devem ser capazes de se concentrar em suas pesquisas em vez de tentar ajustar ou consertar seus sistemas de laser", afirma o Dr. Margalith. "Com um laser OPO de alta qualidade, seus equipamentos estão prontos para funcionar imediatamente."