בשנות ה-90 המאוחרות, חב’ קוהירנט הבחינה כי היו מספר יישומים שעדיין עושים שמוש בלייזרי גז שיכולים להפיק תועלת על ידי העברתם למצב-מוצק.טכנולוגיית מצב-מוצק הבטיחה הטבות מבחינת גודל מארז, יעילות תפעולית כולל אמינות גבוהה יותר ועלויות נמוכות יותר בהשוואה ללייזרי גז זמינים. האמנו כי פיתוח הדור-הבא, של לייזרי מצב-מוצק במורשת אורכי גל קיימים, יובילו לעידן חדש של כלים ומערכות מבוססות לייזר.
מטרתינו היתה לפתח מקור CW אשר יציע לפחות את אותם ביצועים כמו לייזרי גז, במובנים של הספק מוצא, איכות קרן ורעש – בעוד היא מכילה דוגמא חדשה של גודל פיזי ,אמינות ויעילות. כמו כן חיפשנו פלטפורמה שתהייה מדרגית במונחים של אורך גל ועוצמה, על מנת לשרת מגוון רחב ביותר של יישומים.
בעוד לייזרי מצב-מוצק ולייזרי מוליכים למחצה כבר החליפו את לייזר הגז, לא נראה לנו כי טכנולוגיות אלו יספקו. במקום, זיהינו שאיבה אופטית של לייזרים מוליכים למחצה (OPSL) כטכנולוגיה הנראית מבטיחה. במקור, ה-OPSL נחקר במהלך גאות הטלקום, כמקור הספק גבוה לשאיבת מגברי אלוח – ארביום.
עקרון העיצוב של OPSL נשען על חלל אנכי של לייזרים מוליכים למחצה (VCSEL). תווך ההגברה של המוליכים למחצה נשאבים אופטית על ידי דיודת לייזר אחת או יותר. מצמד ההספק הוא מראה דיאלקטרית חיצונית, אשר מאפשרת השמה אינטראקטיבית של מגוון אופטיקות, כגון גבישים להכפלת תדר, להמרת ה-IR הבסיסי הקרוב לאורך גל הנראה לעין.
ה-OPSL כבש כמה יתרונות טמונים על פני טכנולוגיות אחרות. ראשית, הטכנולוגיה היא בעלת אורך גל מדרגי; בארות הקוונטים של VCSEL יכולים להיות מובנים כדי לייצר מקורות החל מ-700 ננומטר עד 1200 ננומטר. הרחבת הרמוניות התדר, מותאמת לפעילות כמעט לכל אורך הספקטרום הנראה לעין (350 ננומטר עד 600 ננומטר).
בהמשך, ניתן להגדיל את ההספק של ה-OPSL על ידי הגדלת מספר שואבים או מס’ דיודות הליזר. כמו כן, ה-OPSL אינם סובלים “מטרמל לנסינג”, אשר הינו גורם מגביל משמעותית בהעלאת הספק הדיודה השואבת של לייזרי מצב-מוצק. בנוסף, ה-OPSL הינו בעל טווח בליעה רחב מאוד ולכן אורך הגל של הלייזר השואב אינו צריך להיבחר בהתאמה הדוקה למקור ואף אין צורך לייצב את אורך הגל במהלך הפעולה. פעולה זו מפחיתה את העלות והמורכבות. לרמת החיים הבולעת העליונה של ה-OPSL יש אורך חיים קצר מאוד, אשר מספק שתי יתרונות חשובים
ראשית, היא מפחיתה את התנודתיות בין המודים האורכיים השונים הגורמים להפחתת רעש האמפליטודה;
הרעש הזה יכול להפוך לבעייתי מאד ביישום הכפלת תדר בסוגי לייזרים אחרים.
שנית, היא מאפשרת ללייזר להתאים את עצמו ישירות לקצב אפנון של עד 100kHz.
בעוד טכנולוגיית ה-OPSL נראית מבטיחה, עדיין ישנה דרך ארוכה בין תיאוריה למוצר מסחרי.
התגברנו על מכשולים טכנולוגיים שונים בתהליך הפיכת ה-OPSLs לרמת הטכנולוגיה תעשייתית.
בתחילה היה זה התווך הפעיל של ה-OPSL המתנהג כמו פס רחב הומוגני.
משמעות הדבר היא כי מצב ההגברה הגבוהה ביותר יתחרה בכל רמות האנרגיה, תוך דיכוי מודים אחרים.
אז אם מנגנון הפסד כגון גביש לא ליניארי מוחדר למהוד, הלייזר רוצה לזנק למצב אנרגטי אחר שהוא נעדר הפסד. פסלנו זאת על ידי שימוש באלמנט אורך גל אינטראקטיבי השולט, בצורה של מסנן birefringent) BRF). לכן נדרשו גם בדיקות מחמירות וגם חישובים תיאורטיים, על מנת לייצב בצורה אופטימלית את שיקלול התמורות שבין ייצוב אורך הגל ובין תהליכי המרת תדר במהוד. הדחיפה שלנו לכוון הספקי מוצא גבוהים יותר, גרמה לבעיה משמעותית בסילוק חום מהתווך המוגבר. בדרך כלל, מבנהו הדק של ה-VCSEL (בעובי של μm10 >) הגדל על מצע סביב עובי של כ-100 עד 300μm ואשר מוליכותו התרמית נמוכה מהווה גורם מגביל בסילוק חום.
יצרנו עיצוב אריזות ייחודי בו מבנה VCSEL גדל הפוך. הוא מודבק לצלעות קירור מיהלום וכל המבנה משוחרר מן המצע המקורי כך שהחלק העליון עכשיו הופך להיות החלק התחתון.
התוצאה הינה מבנה היכול להיתיר יותר מ-50 וואט של הספק שאיבה.
קוהירנט הציגה לראשונה את ה-OPSLs שלה בשנת 2001, ואלה נהנו מהצלחה בשוק ה-Cytometry וביישומים אחרים: למעשה, יש כיום יותר מ- -20,000 OPSLs בתחום.
עבור בוני מערכות ה-Cytometry, הספק לייזר גבוה זמין הגדיל את מהירות מיון התאים והפחית את רעש המערכת הכולל.
יתר על כן, הצגתם של OPSLs באורכי גל מעבר ל-488nm המקוריים של לייזרי יון, אפשרה ליצור מכשירים בהם ניתן, בו זמנית, לספור או למיין על בסיס של מספר גדול יותר של פרמטרים, אשר מפחית את זמן המדידה והעלות הכוללת למכשיר.
לייזרים באורכי גל חדשים תומכים גם בהרחבה מתמדת של יישומים כגון: פרוטאינים פלואורינים וכן צבעים, בשימוש ביישומיי מדעי החיים כגון רצפי DNA, מיקרוסקופיה תלת מימדית וגילוי תרופות.
ברמות הספקים גבוהה, OPSLs משמש גם כלהיט גדול במופעי אור לייזר.
כאן, הם מציעים את היתרונות המעשיים של מזעור, צריכת הספק נמוכה, אמינות גבוהה ויכולת אפנון ישיר ובה בעת מהווה פלטפורמה רחבה יותר של מגוון צבעים למעצב, מאי פעם.
יישומיי לייזר CW נראים אחרים הנהנים מטכנולוגיית OPSL כוללים רפוי טרפי, פיקוח ואפילו שאיבה ללייזר Ti-Sapphire.
רוב טכנולוגיות לייזר CW אשר בשימוש מסחרי, הציעו, תצורה של רק כמה אורכי גל, אשר לא תמיד תאמו את הצרכים של יישומים ספציפיים.
עתה, אורך הגל והעוצמה להרחבת טכנולוגיית ה-OPSL מתגבר על מגבלות אלו, ובמקביל מעניק גם מאפייני רייטינג של עלות מעשיים.
ככל שהשוקים מגיבים בחיוב יתר לטכנולוגית ה-OPSLs, תצפו לראות מוצרים רבים נוספים המבוססים על טכנולוגיה זו.
Dr. Matthias Schulze, Coherent
שמואל רייף, אמו הנדסה בע”מ
באדיבות חב’ אמו הנדסה א.א.(1995) בע”מ
