チューナブルレーザーがブラックボックスの地位を獲得！ - 業界ニュース

最先端の商用製品は、多くの場合、学術研究の分野から生まれます。多くの場合、教授が個人的に会社を設立したり、大学の研究室で生まれた技術に投資家を誘致してライセンス供与したりして、市場に投入できる製品に変えていきます。
学術研究者が新しい製品を開発する場合、多くの場合、さまざまなコンポーネントを使用して設計および製造します。条件が許せば、既製のコンポーネントを最終製品に組み込みます。アプリケーションの要件が厳しくなるにつれて、これらのコンポーネント部品はますます複雑で独自性のあるものになります。
たとえば、パルスベースのチューナブルレーザーは、非常に柔軟で、可視から深紫外線までの幅広い波長を生成し、ナノ秒単位で高強度のパルスを出力できる必要があります。これらのレーザーは、光ファイバー情報伝送、イオン脱離、熱発生、超音波発生、電子励起など、幅広い用途に使用できます。これらのレーザーは、その優れた柔軟性により、時間分解物理化学、質量分析、光音響イメージング、分光法、分光測光法、診断、ハイパースペクトルイメージングの分野で重要な役割を果たしています。
これらのパルスレーザーの中でも、光パラメトリック発振器 (OPO) レーザーは、優れた柔軟性と経済性を備え、特定の波長の広いスペクトル範囲に「調整」できるという点で際立っています。
OPO レーザーは、技術の進化に伴い、35 年以上にわたって市販されてきました。初期の OPO システムは非常に大きく、エラーが発生しやすいため、ガレージで開発され、販売されていました。今日の OPO は、専門のレーザーエンジニアによる複雑なセットアップや調整を必要としない、完全に統合されたプラグアンドプレイデバイスに変わりました。最新の OPO は、効果的な制御により、OEM システムに簡単に統合できます。
この進歩は、生物学者、化学者、物理学者、科学者、その他の学術研究者にとって間違いなく恩恵となるでしょう。彼らはそれぞれの分野で高い業績を上げていますが、レーザーの設計や調整に関する専門知識を持っていないかもしれません。
「市販の OPO は、光学やレーザーの調整方法についてあまり知らない人のために設計されています」と、カリフォルニア州カールスバッドにある世界有数の調整可能レーザー製造会社 OPOTEK, LLC の技術および科学マーケティングコンサルタントであるマークリトル博士は述べています。「基本的に、これは開発中の別のシステムに簡単に統合できる「ブラックボックス」です。」
OPOレーザーの進化
OPO レーザーは現在、プラグアンドプレイデバイスとして存在していますが、その進化は順調ではありませんでした。
光パラメトリック発振器 (OPO) は、結晶を利用してパルスモード Nd:YAG レーザーとその高調波を特定の周波数に変換することで機能します。「チューニング」を実現するには、ポンプレーザーと OPO の両方を正確に配置する必要があります。その後、研究者は、目的の波長に達するまで、結晶をミクロンレベルまで手動で微調整する必要があります。
日々の研究室での作業では、研究者は 2 つのコンポーネントの位置ずれがないか常に注意する必要があります。さらに問題を複雑にしているのは、特定の周波数の波長が異なるポートから放射されるため、外部の実験セットアップを再調整しなければならないことが多々あることです。
OPOTEKの誕生
このような背景から、学術研究者は OPO を最適化し、商用アプリケーションに組み込むことが非常に難しいことに気づきました。
約 45 年前、航空宇宙分野で長年働いた後、マーガリス博士は中国の大学が広範囲に調整可能な結晶を開発していることを知り、OPO レーザーの大きな可能性に目を向けました。当時、調整可能なレーザーは主に化学反応や色素に基づいていましたが、パルスではなく連続的であり、漏れの問題に悩まされることがよくありました。さらに、非常に複雑で、サイズが大きく、メンテナンス費用が高額なため、色素レーザーは商業用途で広く受け入れられることはありませんでした。
マーガリス博士の起業家精神により、すぐに最初のチューナブル OPO レーザーが設計され、その技術の特許を取得しました。それ以来、OPOTEK は彼のガレージで誕生しました。
1993 年 7 月、OPOTEK は米国で初めてブロードバンド可視 OPO を提供する企業となりました。同社の現在の製品の多くは、この画期的な設計から生まれたものです。それ以来、さまざまな技術の進歩により、OPO のパフォーマンスは継続的に強化され、適応されてきました。
現在、マーガリス博士は、OPO を構築する一般的な方法は、ポンプレーザーと OPO 光学系を同じハウジングに統合し、両者を分離できないようにすることだと述べています。この設計により、必要に応じて、調整可能なレーザー全体を簡単かつ安全に移動できます。統合されたソフトウェアがシステムの配置を検出し、必要に応じて調整を行います。この安定性は、画像機器を研究室から病院の手術室に移動する場合など、商業環境では特に重要です。
「過去の OPO の中には非常に脆弱なものもあり、システムを移動させるとエンジニアが再調整しなければなりませんでした」と Margalith 博士は説明します。「今日の安定した OPO では、これは必要ありません。セットアップとトレーニングに外部の専門知識は不要です。既製品を購入して、ほとんどの消費者向け製品と同様に翌日配送してもらえます。」
自動化により、ポンプレーザーの高調波、結晶回転光学チューニング、波形分離光学系、減衰器などのすべてのシステム要素が制御されるようになりました。製品開発者は、ソフトウェア開発キットを使用して、OPO のソフトウェア機能を独自のソフトウェアに統合することもできます。
「研究科学者や自社製品にこのようなレーザーを使用している企業にとって、チューナブルレーザーメーカーから個別の制御ソフトウェアを入手することは理想的ではないかもしれません。彼らはすべての制御を自社のソフトウェアに統合することを好みます。学術的な設定では、レーザーパラメータに関するすべてのデータを保存することがシームレスな操作に不可欠です。統合はすべての機能の鍵です」と OPOTEK のリトル博士は説明します。
通常、レーザーは大きなハウジングに収納されており、再プログラムや修理が困難であるため、自動化と制御を統合することが重要です。
ソフトウェア開発キットは、任意の順序で事前に決められた波長でプログラム可能なスキャンを設定するためにも使用できます。これは、高度な高解像度イメージングに応用できます。レーザーは本来、焦点を合わせることができるため、数十ミクロン単位の非常に小さな領域をサンプリングできます。レーザーを事前にプログラムしておくことで、システムはレーザーをラスタライズしてさまざまな領域に移動し、高解像度のスキャンを作成できます。
リトル博士によると、「これは 1 秒間に複数回放射するパルスレーザーなので、各波長で放射する回数を入力し、波長の数を増やすか減らすかを決めることができます。」「高エネルギービームはすべて 1 つのポートから送信されるため、オペレーターは分析対象領域を直接ターゲットにすることができます。」
サイズは、チューナブル OPO レーザーに関係します。OPO が大きすぎると、機器の統合が難しくなり、最終製品の全体的な設置面積が大きくなります。これは、研究室のスペース要件を考慮すると非常に重要です。
リトル博士は、ルイジアナ州立大学の大学院生として初めて OPO レーザーについて学びました。博士は、初期の OPO は「非常に大きく、使いにくく、壊れることが多かった。1 つの OPO は 12 フィートの長さもあった」と回想しています。
現在、OPOTEK は市場で最も小型のチューナブルレーザーの 1 つである「シューボックス」サイズの Opolette 2940 を提供しています。内部水冷を備えた「ブリーフケース」サイズの電源を必要としますが、2.94- ミクロン OPO レーザーのヘッドは占有面積が小さくなっています。内部水冷を備えた「ブリーフケース」サイズの電源を必要としますが、OPO レーザーの 2.94 ミクロンレーザーヘッドの占有面積はわずか 9.5 x 4.5 x 7.5 インチです。
リトル博士によると、サイズが小さいためレーザーの剛性が増し、一体型ハウジング内のコンポーネントがさらに安定します。
最新の OPO の際立った特徴は、光ファイバーを介して幅広い波長を伝送できることです。光ファイバーは、セットアップと切断が簡単なため、レーザー伝送の主な方法となっています。さらに、光は密閉されたチューブを介して伝送されるため、エンドユーザーが光にさらされたり目に入ったりするのを防ぎます。OPOTEK は、エネルギーレベルに関係なく、すべての製品に光ファイバー伝送を提供しています。
歴史的に、OPO レーザーには複雑な手動調整と正確な位置合わせが必要でした。技術の進歩により、これらのレーザーは安定していて使いやすいプラグアンドプレイデバイスになりました。使いやすく信頼性の高い今日の OPO レーザーは、商業および学術研究室の設備開発アプリケーションで使用できます。
「学術研究者は、レーザーシステムの調整や修理に手間取るのではなく、研究に集中できる必要があります」と Margalith 博士は述べています。「高品質の OPO レーザーがあれば、装置はすぐに使用できます。」