가변형 레이저가 블랙박스 지위를 달성하다!

최첨단 상업 제품은 종종 학술 연구 분야에서 시작됩니다. 많은 경우 교수는 개인적으로 회사를 시작하거나 학술 연구실에서 탄생한 기술에 투자자를 유치하여 라이선스를 받아 시장에 출시할 수 있는 제품으로 전환합니다.
학술 연구자들이 새로운 제품을 만들 때, 그들은 종종 여러 가지 다른 구성 요소를 사용하여 제품을 설계하고 제조합니다. 조건이 허락하면, 그들은 기성품 구성 요소를 최종 제품에 통합합니다. 애플리케이션 요구 사항이 증가함에 따라, 이러한 구성 요소는 점점 더 복잡하고 독특해집니다.
예를 들어 펄스 기반 조정 레이저는 매우 유연해야 하며, 가시광선에서 깊은 자외선까지 광범위한 파장을 생성하고 나노초 단위로 고강도 펄스를 출력할 수 있어야 합니다. 광섬유 정보 전송, 이온 탈착, 열 생성, 초음파 생성, 전자 여기 등을 포함하되 이에 국한되지 않는 광범위한 응용 분야가 있습니다. 이러한 레이저는 뛰어난 유연성 덕분에 시간 분해 물리 화학, 질량 분석법, 광음향 이미징, 분광법, 분광 광도법, 진단 및 초분광 이미징 분야에서 중요한 역할을 합니다.
펄스 레이저 중에서도 광 매개변수 발진기(OPO) 레이저는 뛰어난 유연성과 경제성을 갖추고 있으며, 특정 파장의 광범위한 스펙트럼 범위에 "조정"될 수 있습니다.
OPO 레이저는 기술이 발전함에 따라 35년 이상 상업적으로 출시되었습니다. 초기 OPO 시스템은 너무 크고 오류가 발생하기 쉬워 차고에서 개발 및 판매되었습니다. 오늘날의 OPO는 전문 레이저 엔지니어의 복잡한 설정 및 교정이 필요 없는 완전히 통합된 플러그 앤 플레이 장치로 전환되었습니다. 최신 OPO는 효과적인 제어를 통해 OEM 시스템에 쉽게 통합할 수 있습니다.
이러한 발전은 의심할 여지 없이 생물학자, 화학자, 물리학자, 과학자 및 기타 학술 연구자들에게 큰 도움이 됩니다. 그들은 각자의 분야에서 매우 뛰어난 성과를 거두었지만 레이저 설계나 튜닝에 대한 전문 지식이 없을 수도 있습니다.
"기성품 OPO는 광학이나 레이저 튜닝 방법에 대해 잘 모르는 사람들을 위해 정확히 설계되었습니다."라고 Mark Little 박사는 말합니다. 그는 캘리포니아 칼스배드에 있는 튜닝 가능 레이저의 세계적 제조업체인 OPOTEK, LLC의 기술 및 과학 마케팅 컨설턴트입니다. "기본적으로, 그것은 개발 중인 다른 시스템에 쉽게 통합될 수 있는 '블랙박스'입니다."
OPO 레이저의 진화
OPO 레이저는 오늘날 플러그 앤 플레이 장치로 존재하지만, 그 발전은 순조롭게 진행되지 않았습니다.
광 파라메트릭 발진기(OPO)는 펄스 모드 Nd:YAG 레이저와 그 고조파를 특정 주파수로 변환하기 위해 수정을 활용하여 작동합니다. "튜닝"을 달성하려면 펌프 레이저와 OPO를 모두 정밀하게 배치해야 합니다. 그런 다음 연구자는 원하는 파장에 도달할 때까지 수정을 마이크론 수준으로 수동으로 미세 조정해야 합니다.
일상적인 실험실 작업에서 연구자는 두 구성 요소의 가능한 정렬 오류를 끊임없이 살펴야 합니다. 문제를 더 복잡하게 만드는 것은 특정 주파수의 파장이 다른 포트에서 방출되어 종종 외부 실험 설정을 재조정해야 한다는 것입니다.
OPOTEK의 탄생
이러한 배경에서 학계 연구자들은 OPO를 상업적 애플리케이션에 최적화하고 통합하는 것이 매우 어렵다는 것을 발견했습니다.
약 45년 전, 항공우주 분야에서 수년간 일한 후, Margalith 박사는 중국의 한 대학에서 광범위하게 조정 가능한 결정을 개발하고 있다는 사실을 알게 되었고, 이를 통해 OPO 레이저의 엄청난 잠재력에 눈을 뜨게 되었습니다. 당시 조정 가능한 레이저는 주로 화학이나 염료에 기반을 두었고, 펄스가 아닌 연속적이었고 종종 누출 문제가 있었습니다. 또한, 높은 복잡성, 부피가 큰 크기, 비싼 유지 관리 비용으로 인해 염료 레이저는 상업적 응용 분야에서 널리 받아들여지지 않았습니다.
얼마 지나지 않아 Margalith 박사의 기업가 정신이 최초의 조정 가능한 OPO 레이저를 설계하고 이 기술에 대한 특허를 성공적으로 취득했습니다. 그 후로 OPOTEK이 그의 차고에서 탄생했습니다.
1993년 7월, OPOTEK은 미국에서 최초로 광대역 가시광 OPO를 제공하는 회사가 되었습니다. 이 회사의 현재 제품 중 다수는 이 획기적인 디자인에서 비롯되었습니다. 그 이후로 다양한 기술 발전으로 OPO의 성능이 지속적으로 향상되고 적응되었습니다.
오늘날, Margalith 박사는 OPO를 만드는 데 받아들여지는 방법은 펌프 레이저와 OPO 광학 장치를 동일한 하우징에 통합하고 두 가지가 분리될 수 없도록 하는 것이라고 말합니다. 이 설계를 통해 필요에 따라 전체 조정 가능 레이저를 쉽고 안전하게 이동할 수 있습니다. 통합 소프트웨어는 시스템 정렬을 감지하고 필요한 경우 조정합니다. 이러한 안정성은 특히 실험실에서 병원 수술실로 영상 장비를 옮길 때와 같이 상업적 환경에서 매우 중요합니다.
"과거의 일부 OPO는 너무 취약해서 시스템을 옮기면 엔지니어가 다시 정렬해야 했습니다."라고 Margalith 박사는 설명합니다. "오늘날의 안정적인 OPO에는 이것이 필요하지 않습니다. 설정 및 교육에 더 이상 외부 전문 지식이 필요하지 않습니다. 기성품 제품을 구매하여 대부분의 소비자 제품처럼 익일 배송받을 수 있습니다."
자동화는 이제 펌프 레이저 고조파, 크리스털 회전 광학 튜닝, 파형 분리 광학 및 감쇠기와 같은 모든 시스템 요소를 제어합니다. 제품 개발자는 소프트웨어 개발 키트를 사용하여 OPO의 소프트웨어 기능 기능을 자체 소프트웨어에 통합할 수도 있습니다.
"제품에 이러한 레이저를 사용하는 연구 과학자나 회사의 경우, 튜닝 가능한 레이저 제조업체에서 별도의 제어 소프트웨어를 얻는 것은 이상적이지 않을 수 있습니다. 그들은 모든 제어를 자체 소프트웨어에 통합하는 것을 선호합니다. 학술적 설정에서 레이저 매개변수에 대한 모든 데이터를 저장하는 것은 원활한 작동에 중요합니다. 통합은 모든 기능의 핵심입니다." OPOTEK의 Dr. Little이 설명합니다.
자동화와 제어를 통합하는 것이 중요한 이유는 일반적으로 레이저가 더 큰 하우징에 둘러싸여 있어 재프로그래밍이나 수리가 어렵기 때문입니다.
소프트웨어 개발 키트는 또한 사전 결정된 파장을 어떤 순서로든 프로그래밍 가능한 스캔을 설정하는 데 사용할 수 있습니다. 이는 고급 고해상도 이미징에 응용됩니다. 레이저의 고유한 초점성 덕분에 수십 마이크론 단위로 측정되는 매우 작은 영역을 샘플링할 수 있습니다. 레이저를 사전 프로그래밍함으로써 시스템은 레이저를 래스터화하고 다른 영역으로 이동하여 고해상도 스캔을 생성할 수 있습니다.
리틀 박사에 따르면, "이것은 초당 여러 번 방출하는 펄스 레이저이므로 각 파장에서 방출할 횟수를 입력하고 파장 수를 늘리거나 줄일 수 있습니다." "모든 고에너지 빔은 이제 단일 포트에서 나오므로 작업자는 분석을 위해 관심 영역을 직접 타겟팅할 수 있습니다."
크기는 조정 가능한 OPO 레이저와 관련이 있습니다. OPO가 너무 크면 기기 통합이 더 어려워지고 최종 제품의 전체 면적이 커집니다. 이는 연구실의 공간 요구 사항을 고려할 때 매우 중요합니다.
리틀 박사는 루이지애나 주립 대학의 대학원생으로서 OPO 레이저에 대해 처음 알게 되었습니다. 그는 초기 OPO가 "매우 크고 사용하기 어렵고 종종 손상되었습니다. 한 OPO는 길이가 12피트였습니다."라고 회상합니다.
오늘날 OPOTEK은 시중에서 가장 작은 튜닝 레이저 중 하나인 "슈박스" 크기의 Opolette 2940을 제공합니다. 여전히 내부 수냉 기능이 있는 "서류가방" 크기의 전원 공급 장치가 필요하지만 2.94-미크론 OPO 레이저 헤드는 작은 면적을 차지합니다. 여전히 내부 수냉 기능이 있는 "서류가방" 크기의 전원 공급 장치가 필요하지만 OPO 레이저의 2.94미크론 레이저 헤드는 면적이 9.5 x 4.5 x 7.5인치에 불과합니다.
리틀 박사에 따르면, 작은 크기는 레이저의 강성을 높이고 통합 하우징 내부의 구성 요소를 더욱 안정화합니다.
현대 OPO의 두드러진 특징은 광섬유를 통해 광범위한 파장을 전송할 수 있다는 것입니다. 광섬유는 설치 및 분리가 쉽기 때문에 레이저를 전송하는 주요 방법이 되었습니다. 또한 빛이 폐쇄된 튜브를 통해 전송되기 때문에 최종 사용자를 빛 노출이나 눈 접촉으로부터 보호합니다. OPOTEK은 에너지 수준에 관계없이 모든 제품에 광섬유를 제공합니다.
역사적으로 OPO 레이저는 복잡한 수동 조정과 정밀한 정렬을 수반했습니다. 기술의 발전으로 이러한 레이저는 안정적이고 사용하기 쉬운 플러그 앤 플레이 장치로 바뀌었습니다. 사용하기 쉽고 신뢰할 수 있는 오늘날의 OPO 레이저는 고정물 개발 애플리케이션을 위한 상업 및 학술 실험실 환경에서 사용할 수 있습니다.
"학술 연구자들은 레이저 시스템을 조정하거나 고치려고 노력하는 대신 연구에 집중할 수 있어야 합니다." Margalith 박사가 말했습니다. "고품질 OPO 레이저를 사용하면 장비가 상자에서 꺼내자마자 바로 작동할 준비가 됩니다."