Snížení provozních nákladů laserů v biologických aplikacích
Opticky čerpané polovodičové lasery (OPSL – Optically Pumped Semiconductor Lasers) se staly převratnou technologií v oblasti biologických aplikací, neboť nabízí podstatně lepší výkon, spolehlivost a nižší provozní náklady, než tradičně používané plynové lasery.
Článek stručně vysvětluje funkční princip OPSL laserů, ukazuje jak z toho principu plynou požadované optické vlastnosti a snížené provozní náklady a to zejména v porovnání s ion lasery.
Aplikační požadavky
Kontinuální lasery (CW) ve viditelné a UV oblasti jsou již několik desetiletí široce používány v různých přístrojích pro lékařskou diagnostiku, zobrazovací metody a dalších biologických aplikacích. Typickými příklady jsou průtoková cytometrie, konfokální mikroskopie a analýza léků. Přestože techniky v těchto aplikacích mají zcela různé operační principy, sdílí velmi podobné požadavky na parametry laserového zdroje, a to zejména vysokou kvalitu prostorového módu, nízký šum a vysokou poziční stabilitu. Z praktického hlediska, zejména pro OEM odběratele, je také velmi výhodná dlouhá životnost, vysoká spolehlivost, dobrá konzistence kvality ve výrobě a nízké provozní náklady.
Jako první laserové zdroje pro tyto aplikace byly používány různé typy plynových laserů, zejména ion a HeNe lasery. Hlavní nevýhodou HeNe laseru je omezený výběr vlnových délek a nízký výkon. Ion lasery nabízejí podstatně vyšší výkon a větší výběr vlnových délek, ale mají extrémně nízkou konverzní účinnost elektrické do světelné energie, což představuje výrazný nedostatek. Nevyužitá energie se uvolňuje v podobě tepla a musí být z laseru odvedena pomocí aktivního chlazení (průtokem vody). Velké množství spotřebované el. energie je nevyužito a představuje zbytečné plýtvání penězi. Navíc musíme uvažovat náklady na chladicí vodu, případně náklady na chladicí jednotku s tepelným výměníkem voda - vzduch. Ion lasery dále mohou vyžadovat zdroj vysokého napětí, který není obecně universálně dostupný.
Základní princip OPSL technologie
OPSL technologie byla specificky vyvinuta za účelem překonání výše zmíněných nedostatků ion laserů a dalších laserových technologií pro biologické a jiné příbuzné aplikace. OPSL lasery jsou založeny kompletně na polovodičové technologii, která je mnohem efektivnější než plynové lasery.
V OPSL laseru představuje aktivní prostředí velká plocha polovodiče VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser). To je monolitický III-V polovodičový čip, který obsahuje vrstvy kvantových jam (quantum wells) speciálně navržených tak, aby absorbovaly budicí záření a emitovaly laserové záření. Pod těmito kvantovými jámami jsou další polovodičové struktury, které se chovají jako vysoce odrazná DBR zrcadla (Distributed Bragg Reflector) optimalizovaná pro danou výstupní vlnovou délku OPSL laseru.
Budicí záření do VCSEL je vytvářeno polem laserových diod. VCSEL tak generuje IR laserové záření, které se odráží od dichroické vrstvy na výstupním vazebním členu a pak prochází skrz nelineární krystal, kde nastává frekvenční násobení k zadnímu zrcadlu. Záření ve viditelné oblasti spektra produkované v nelineárním krystalu pak prochází dichroickou vrstvou na výstupním členu a dále ven z celého laseru.
Pokud je požadován výstup v UV oblasti, pak se přidá do rezonátoru další nelineární krystal pro generaci UV záření, který provede mixování základní frekvence OPSL s již násobenou frekvencí. Vysoký výkon uvnitř OPSL rezonátoru vytváří ideální koncept pro generaci vyšších harmonických frekvencí.
Výstupní vlnová délka OPSL laseru je určena charakteristikou kvantových jam ve struktuře VCSEL a může být optimalizovaná pro libovolnou vlnovou délku v blízké infračervené oblasti. Účinné intra-cavity frekvenční násobení pak umožňuje nastavit finální výstupní vlnovou délku kdekoliv ve viditelné resp. UV oblasti spektra. Navíc lze výstupní výkon OPSL laseru jednoduše zvýšit zesílením budicího záření laserových diod. OPSL tak představuje technologii škálovatelnou jak v rámci vlnové délky tak i výkonu a představuje do budoucna vysoce efektivní a ověřenou platformu na bázi polovodičů s vysokým potenciálem.
Výhody OPSL
OPSL nabízí hned několik výhod jak v rámci výstupních parametrů tak v rámci provozních charakteristik a to zejména v porovnání s ion lasery:
• vysoká konverzní účinnost = nízký elektrický odběr = zanedbatelné provozní náklady (např. Genesis 355 - 100S (150mW CW na 355 nm) má příkon pouhých 500W)
• téměř nulové rozměrové nároky
• chlazení vzduchem (odpadají náklady s vodním chlazením, zdrojem vysokého napětí)
• extrémně vysoká spolehlivost
• lepší kvalita výstupního svazku (mód TEM00) – nižší šum, časově stabilní v rámci dlouhé doby (pozn.: u ion laseru se výstupní profil v průběhu času mění = nežádoucí výsledky, kalibrace)
Porovnání nákladů spojených s nákupem a provozem
Úspory a výhody spojené s OPSL laserem jsou tak výrazné, že v mnoha případech se vyplatí vyměnit stávající ion laser v daném systému za OPSL laser, než dále pokračovat s provozem systému s ion laserem a placením nákladů s tím spojených.
Přesná doba návratnosti investice přechodem na OPSL technologii závisí na vytíženosti systému (počtu provozních hodin) a také na ceně elektrické energie a dalšího spotřebního materiálu.
www.lao.cz
742
