TWI693400B - 脈衝雷射及生物分析系統 - Google Patents

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Abstract

本發明闡述用於產生超短光脈衝之設備及方法。一高功率固態被動鎖模雷射可被製造成一緊湊模組，該緊湊模組可併入至一可攜式儀器中以用於生物或化學分析。脈衝雷射可以與電子資料獲取速率相稱之一重複率產生亞100皮秒(ps)光脈衝。該等光脈衝可激發該儀器之反應室中之樣本，且用於產生用於操作該儀器之信號獲取及信號處理電子器件之一參考時脈。

Description

脈衝雷射及生物分析系統 相關申請案之交叉參考
本申請案主張以下申請案之優先權：2015年5月20日提出申請之標題為「Pulsed Laser」之美國臨時申請案第62/164,485號，2016年3月18日提出申請之標題為「Pulsed Laser and System」之美國臨時申請案第62/310,398號，2015年8月7日提出申請之標題為「Integrated Device for Temporal Binning of Received Photons」之美國申請案第14/821,656號，2015年8月7日提出申請之標題為「Integrated Device for Probing,Detecting and Analyzing Molecules」之美國申請案第14/821,688號，2015年5月20日提出申請之標題為「Methods for Nucleic Acid Sequencing」之美國臨時申請案第62/164,482號，及2016年1月29日提出申請之標題為「Friction-Drive Electromechanical Motor」之美國臨時申請案第62/289,019號。此等申請案中之每一者皆特此以其全文引用方式併入。
本申請案係針對於用於產生光脈衝之設備及方法以及用於使用該等光脈衝來分析化學及生物樣品之儀器。
超短光脈衝(亦即，小於約100皮秒之光脈衝)在各種研究及開發領域中以及涉及時域分析之商業應用中係有用的。舉例而言，超短光脈衝對於以下各項可係有用的：時域光譜法、光學測距、時域成像 (TDI)、光學同調斷層掃描(OCT)、螢光生命期成像(FLI)及用於基因定序之生命期解析螢光偵測。超短脈衝亦可用於商業應用(包含光學通信系統)、醫學應用及光電子裝置之測試。
習用鎖模雷射已被開發以產生超短光脈衝，且目前可自商業獲得多種此等雷射。舉例而言，某些固態雷射及光纖雷射已被開發以遞送具有遠低於200飛秒之持續時間之脈衝。然而，對於某些應用，此等脈衝持續時間可比所需要的短且此等雷射產生系統之成本對於特定應用可係價格高昂的。另外，此等雷射產生系統可係獨立系統，其具有一可定大小佔用面積(例如，大約1ft2或更大)且並非易於可攜式或作為一模組併入至其他可攜式系統中。
本文中所闡述之技術係關於用於產生超短光脈衝之設備及方法。闡述一鎖模雷射系統，該鎖模雷射系統可實施為能夠以~100MHz脈衝重複率產生亞100皮秒脈衝之一緊湊、低成本雷射。該等光脈衝可經遞送至一化學或生物分析系統之反應室。可以電子方式偵測來自該雷射之該等光脈衝且信號可經處理以產生與系統之資料獲取電子器件同步且驅動該等資料獲取電子器件之一電子時脈信號。發明者已認識並瞭解到，一緊湊、低成本脈衝雷射系統可併入至儀器(例如，時差測距成像儀器、利用生命期解析螢光偵測之生物分析儀器、基因定序儀器、光學同調斷層掃描儀器等)中，且可允許此儀器變為易於可攜式的且以明顯低於針對需要一超短脈衝雷射之習用儀器之情形的成本產生。高可攜性可使此等儀器對研究、開發、臨床使用、現場部署及商業應用係更有用的。
某些實施例係關於一種鎖模雷射，其包括：一基底板，其具有不大於350mm之一最大邊緣長度；一增益介質，其安裝於該基底板上；一第一端鏡，其安裝於該基底板上，位於一雷射腔之一第一端 處；及一可飽和吸收器鏡，其安裝於該基底板上且形成該雷射腔之一第二端鏡，其中該鎖模雷射經組態以藉由被動鎖模而以介於50MHz與200MHz之間的一重複率產生光脈衝。
某些實施例係關於一種用於將DNA定序之方法。該方法可包括以下動作：產生處於一單一特性波長之脈衝激發能量；將該脈衝激發能量朝向一生物光電子晶片引導，其中該生物光電子晶片支援核苷酸或核苷酸類似物循序併入至與一目標核酸互補之一生長鏈中；接收表示由處於該單一特性波長之該脈衝激發能量誘發之螢光發射之信號，其中該等信號對應於核苷酸或核苷酸類似物至該生長鏈中之該循序併入；及處理該等所接收信號以判定併入至該生長鏈中之四種不同核苷酸或核苷酸類似物之身份。
某些實施例係關於一種生物分析儀器，其包括：一脈衝雷射系統，其經組態以產生處於一單一特性波長之光激發脈衝；一容座，其用於接納一生物光電子晶片且與該生物光電子晶片形成電連接及一光學耦合，其中該生物光電子晶片支援核苷酸或核苷酸類似物循序併入至與一目標核酸互補之一生長鏈中；射束轉向光學器件，其經配置以將該等激發脈衝朝向該容座引導；及一信號處理器，其經組態以接收表示由處於該單一特性波長之該等激發脈衝誘發之螢光發射之信號且處理該等所接收信號以判定併入至該生長鏈中之四種不同核苷酸或核苷酸類似物之身份，其中該等所接收信號對應於核苷酸或核苷酸類似物至該生長鏈中之該循序併入。
某些實施例係關於生物分析儀器，其包括：一雷射，其經組態以產生處於一單一特性波長之脈衝激發能量；及一時脈產生電路，其經組態以使來自一電子或機電振盪器之一第一時脈信號與因偵測該雷射之光脈衝而產生之一第二時脈信號同步，且提供該經同步第一時脈信號以對藉由該生物分析儀器進行之資料獲取進行定時。
某些實施例係關於一種系統，其包括：一脈衝雷射；一連續波雷射；一第一非線性光學元件；及一第二非線性光學元件，其中該系統經組態以產生自該第一非線性光學元件產生之處於一第一特性波長之一第一脈衝串及來自該第二非線性光學元件之處於一第二特性波長之一第二脈衝串。
某些實施例係關於一種提供經同步光脈衝之方法。該方法可包含以下動作：操作處於一第一特性波長之一脈衝雷射；操作處於一第二特性波長之一連續波雷射；將來自該脈衝雷射之一第一脈衝串耦合至該連續波雷射之一雷射腔中；及在該連續波雷射之該雷射腔中產生處於一第三特性波長之一第二脈衝串。
某些實施例係關於一種系統，其包括：一第一脈衝雷射；一第二脈衝雷射；一第一非線性光學元件；及一第二非線性光學元件，其中該系統經組態以產生自該第一非線性光學元件產生之處於一第一特性波長之一第一脈衝串及自該第二非線性光學元件藉由和頻產生得到之處於一第二特性波長之一第二脈衝串。
某些實施例係關於一種提供經同步光脈衝之方法。該方法可包含以下動作：操作處於一第一特性波長之一第一脈衝雷射；操作處於一第二特性波長之一第二脈衝雷射；使該第一脈衝雷射與該第二脈衝雷射同步；使來自該第一脈衝雷射之脈衝頻率加倍以產生處於一第三特性波長之一第一脈衝串；將來自該第一脈衝雷射及該第二脈衝雷射之脈衝耦合至一非線性光學元件中；及藉由和頻產生而產生處於一第四特性波長之一第二脈衝串。
某些實施例係關於一種系統，其包括：一第一脈衝雷射；及一第二脈衝雷射，其包含一腔內可飽和吸收器鏡，其中該系統經組態以將來自該第一脈衝雷射之脈衝引導至該第二脈衝雷射之該可飽和吸收器鏡上。
某些實施例係關於一種用於將兩個雷射鎖模之方法。該方法可包含以下動作：操作處於一第一特性波長之一第一脈衝雷射；及將來自該第一脈衝雷射之一脈衝串耦合至一第二脈衝雷射之一雷射腔中之一可飽和吸收器鏡上。
某些實施例係關於一種脈衝雷射系統，其包括：一第一鎖模雷射，其具有一第一雷射腔，該第一鎖模雷射經組態而以一第一重複率產生具有一第一特性波長之脈衝；一第二雷射，其具有一第二雷射腔，該第二雷射經組態以產生連續波輻射；一非線性光學元件，其處於該第二雷射腔內；及光學元件，其將來自該第一鎖模雷射之一輸出引導至該非線性光學元件中。
某些實施例係關於一種產生處於多個特性波長之光脈衝之方法。該方法可包含以下動作：在具有一第一雷射腔之一第一鎖模雷射中產生處於一第一特性波長之光脈衝；以連續波模式操作具有一第二雷射腔之處於一第二特性波長之一第二雷射；將來自該第一鎖模雷射之脈衝注入至該第二雷射腔中之一非線性光學元件中；及在該非線性光學元件中藉由和頻產生而產生處於一第三特性波長之光脈衝。
某些實施例係關於一種脈衝雷射，其包括：一基底結構；一個二極體泵源，其安裝於該基底結構內；及一雷射腔，其處於該基底結構內，該雷射腔包含一增益介質且經組態以產生光脈衝，其中該二極體泵源及增益介質各自安裝於與該基底結構部分地熱隔離且機械隔離之一平台上。
可依據連同附圖一起進行之以下闡述更完全地理解本發明教示之前述及其他態樣、實施方案、動作、功能性、特徵及實施例。
1-100‧‧‧分析儀器/儀器/可攜式分析儀器/經部分裝配可攜式儀器/系統/可攜式儀器
1-102‧‧‧儀器底盤/框架/底盤
1-105‧‧‧增益介質
1-110‧‧‧脈衝雷射/超短脈衝雷射/雷射/脈衝雷射系統/脈衝光源/光源/脈衝源/鎖模雷射
1-110a‧‧‧第一雷射/第一鎖模雷射/脈衝光源/主動脈沖源/光脈衝源/第一源/第一脈衝光源/雷射
1-110b‧‧‧脈衝光源/光脈衝源/第二源/第二脈衝光源/第二被動鎖模雷射/雷射/第二雷射
1-111‧‧‧輸出耦合器
1-115‧‧‧光學系統
1-119‧‧‧雷射腔端鏡/端鏡/腔端鏡/可飽和吸收器鏡
1-120‧‧‧腔內脈衝/激發脈衝/光脈衝
1-122‧‧‧光脈衝/輸出脈衝/一串輸出脈衝
1-125‧‧‧光學軸/入射光學軸
1-130‧‧‧電子電路板/印刷電路板
1-140‧‧‧生物光電子晶片/晶片
1-142‧‧‧脈衝到達信號
1-150‧‧‧射束轉向模組
1-160‧‧‧分析系統/儀器
1-305‧‧‧半導體基板
1-310‧‧‧光柵耦合器/耦合器
1-312‧‧‧光學波導/波導
1-315‧‧‧漸縮部分/波導
1-317‧‧‧第二光柵耦合器
1-320‧‧‧四象限偵測器
1-322‧‧‧光偵測器/時間組格化光偵測器
1-324‧‧‧經整合光電二極體/光電二極體/波導光電二極體/大波導光電二極體
1-330‧‧‧反應室
1-340‧‧‧槽
1-350‧‧‧金屬塗層/多層塗層
1-410‧‧‧周圍介質
1-420‧‧‧漸消光場
1-510‧‧‧目標核酸
1-512‧‧‧DNA鏈/生長鏈
1-520‧‧‧聚合酶
1-540‧‧‧金屬化層
1-610‧‧‧經標記核苷酸或核苷酸類似物/核苷酸或核苷酸類似物
1-620‧‧‧鏈接體
1-630‧‧‧經附接螢光團/螢光團
1-900‧‧‧時間組格化光偵測器/光偵測器
1-902‧‧‧光子吸收/載子產生區域
1-906‧‧‧載子行進區域
1-907‧‧‧載子輸送通道
1-908a‧‧‧載子儲存組格/第一組格/儲存組格
1-908b‧‧‧載子儲存組格/第二儲存組格/儲存組格
1-908c‧‧‧載子儲存組格/第三組格/儲存組格
1-910‧‧‧讀出通道
1-920‧‧‧電極
1-922‧‧‧電極
1-932‧‧‧電極
1-934‧‧‧電極
1-936‧‧‧電極
1-940‧‧‧電極
2-105‧‧‧基底板
2-115‧‧‧雷射腔轉向鏡
2-116‧‧‧射束集堆
2-117‧‧‧曲面鏡
2-118‧‧‧安裝特徵
2-121‧‧‧高反射性光學器件
2-123‧‧‧聚焦透鏡
2-125‧‧‧輸出射束路徑
2-130‧‧‧腔內射束轉向模組
2-140‧‧‧泵模組/二極體泵模組
2-142‧‧‧耦合透鏡
2-145‧‧‧孔
2-154‧‧‧感測器
2-160‧‧‧半波板
2-162‧‧‧致動器
2-164‧‧‧透鏡
2-170‧‧‧頻率加倍晶體/非線性元件
2-180‧‧‧轉向鏡
2-210‧‧‧光學架座/經整合光學架座
2-220‧‧‧軸向溝渠
2-230‧‧‧共面表面
2-240‧‧‧傾斜表面/偏斜表面
2-250‧‧‧光學組件/光學器件
3-100‧‧‧緊湊鎖模雷射/鎖模雷射
3-101‧‧‧雷射射束/雷射腔射束/光射束/腔內雷射射束
3-103‧‧‧熱電冷卻器
3-105‧‧‧二極體泵源/光學泵源/泵源/雷射二極體
3-107‧‧‧增益介質/雷射增益介質
3-109‧‧‧頻率加倍元件/非線性元件/非線性光學元件/加倍元件/波長轉換元件
3-110‧‧‧光學延遲元件/固體區塊延遲元件/延遲元件
3-112‧‧‧第一直角稜鏡/第一稜鏡
3-114‧‧‧第二直角稜鏡/第二稜鏡
3-120‧‧‧可飽和吸收器鏡/端鏡
3-212‧‧‧光學延遲元件/延遲元件/固體區塊延遲元件
3-214‧‧‧光學延遲元件/多組件延遲元件
3-216‧‧‧光學延遲元件/延遲元件/固體區塊延遲元件
3-230‧‧‧垂直邊面
3-232‧‧‧進入埠/未經塗佈或抗反射經塗佈表面
3-234‧‧‧表面/反射性表面
3-300‧‧‧可飽和吸收器鏡鎖模雷射
3-302‧‧‧非線性鏡鎖模雷射
3-304‧‧‧雙波長雷射
3-308‧‧‧增益介質
3-325‧‧‧可飽和吸收器鏡
3-402‧‧‧第一表面
3-405‧‧‧半導體基板/基板
3-407‧‧‧中間半導體層/中間層
3-409‧‧‧額外層
3-410‧‧‧第二多量子井結構/量子井結構
3-412‧‧‧第一多量子井結構/量子井結構
3-430‧‧‧高反射率塗層/高反射率表面/反射性表面
3-441‧‧‧強度波腹
3-442‧‧‧強度波腹
3-500‧‧‧單一路徑長度補償元件/補償元件/輸出耦合器/耦合器
3-502‧‧‧補償元件
3-552‧‧‧第一表面
3-554‧‧‧第二表面
3-556‧‧‧支撐基板
3-562‧‧‧第一高反射率多層塗層
3-564‧‧‧中間層
3-566‧‧‧第二高反射率多層塗層
3-600‧‧‧安裝結構
3-615‧‧‧內部面
3-620‧‧‧第一部分
3-622‧‧‧第二部分
3-630‧‧‧溝渠/開口
3-640‧‧‧通孔
3-705‧‧‧基底板
3-710‧‧‧經部分隔離平台/平台/第一平台
3-720‧‧‧支撐突片
3-730‧‧‧溝渠/溝槽
3-800‧‧‧第二雷射
3-810‧‧‧增益介質
3-820a‧‧‧第一串脈衝/主輸出脈衝串
3-820b‧‧‧漂白脈衝串
3-820c‧‧‧脈衝串/光脈衝
3-830‧‧‧第一非線性光學元件
3-840‧‧‧第二非線性光學元件
3-910‧‧‧第二鎖模雷射/第二雷射
3-920‧‧‧機電控制電路/控制電路
3-930‧‧‧致動器
3-1000‧‧‧機電控制電路
3-1010‧‧‧光偵測器
3-1012‧‧‧光偵測器
3-1020‧‧‧放大器
3-1022‧‧‧放大器
3-1030‧‧‧低通或帶通濾波器/濾波器
3-1032‧‧‧低通或帶通濾波器/濾波器
3-1034‧‧‧可變相位延遲
3-1040‧‧‧混合器
4-100‧‧‧鎖模雷射二極體
4-105‧‧‧雷射二極體/半導體雷射二極體
4-110‧‧‧光學塗層/抗反射塗層
4-112‧‧‧反射性塗層/光學塗層/部分透射性塗層/透射性塗層/塗層
4-200‧‧‧鎖模雷射二極體
4-300‧‧‧鎖模雷射二極體
4-310‧‧‧光學耦合組件/光學耦合元件
4-320‧‧‧光纖
4-330‧‧‧光輸出耦合元件/輸出光學耦合元件/輸出耦合元件
4-332‧‧‧反射性塗層
4-620‧‧‧雷射二極體
4-665‧‧‧可飽和吸收器
5-100‧‧‧鎖模光纖雷射/光纖雷射
5-120‧‧‧光纖
5-200‧‧‧鎖模光纖雷射/光纖雷射
5-210‧‧‧第一光學元件
5-220‧‧‧第二光學元件/輸出耦合元件/輸出光學耦合元件
5-300‧‧‧鎖模光纖雷射
5-310‧‧‧光學稜鏡
5-312‧‧‧第一二向色塗層
5-314‧‧‧第二二向色塗層
6-110‧‧‧泵功率曲線/泵功率脈衝/泵脈衝
6-130‧‧‧輸出脈衝
6-140‧‧‧泵功率曲線
6-161‧‧‧第一脈衝/脈衝
6-162‧‧‧第二脈衝/脈衝/第二光脈衝
6-170‧‧‧經增益切換輸出脈衝
6-172‧‧‧尾部/非所要發射尾部/發射尾部
6-200‧‧‧經增益切換脈衝雷射/脈衝雷射
6-201‧‧‧商業或定製半導體雷射二極體/雷射二極體/二極體
6-202‧‧‧第一層
6-204‧‧‧中間層
6-205‧‧‧光學元件
6-206‧‧‧第二層
6-208‧‧‧基板
6-210‧‧‧脈衝器電路/電流驅動器
6-212‧‧‧外殼
6-220‧‧‧導線/單一導線/單一導線接合/導線接合
6-222‧‧‧一串光脈衝
6-224‧‧‧電連接器/連接器/配接器
6-226‧‧‧連接電纜/電纜
6-230‧‧‧脈衝電壓源
6-250‧‧‧曲線
6-252‧‧‧曲線
6-254‧‧‧曲線
6-300‧‧‧雙極脈衝波形
6-310‧‧‧第一脈衝
6-312‧‧‧第二脈衝/第二驅動脈衝/第二電脈衝
6-400‧‧‧脈衝器電路/脈衝器
6-401‧‧‧驅動器電路/雷射驅動器電路/驅動器電路
6-402‧‧‧電流脈衝驅動電路/驅動器電路
6-403‧‧‧脈衝驅動器/脈衝驅動器電路
6-404‧‧‧射頻脈衝驅動器電路/脈衝驅動器電路/差動脈衝驅動器電路/脈衝驅動器
6-405‧‧‧控制輸入
6-410‧‧‧傳輸線
6-415‧‧‧未經反相脈衝
6-416‧‧‧正脈衝
6-417‧‧‧短經反相脈衝
6-418‧‧‧負脈衝
6-420‧‧‧半導體雷射二極體/雷射二極體
6-423‧‧‧光學半導體二極體/雷射二極體/發光二極體/二極體
6-425‧‧‧光學半導體二極體/雷射二極體/二極體
6-430‧‧‧電流源
6-432‧‧‧電路分支
6-434‧‧‧電路分支
6-435‧‧‧輸入DC區塊
6-436‧‧‧電路分支
6-438‧‧‧電路分支
6-440‧‧‧放大器/第一放大器
6-440a‧‧‧單獨電路路徑/第一電路路徑/電路路徑
6-440b‧‧‧單獨電路路徑/第二電路路徑/電路路徑
6-442‧‧‧配接器
6-445‧‧‧可變移相器/可調整移相器/移相器
6-446‧‧‧端接器
6-450‧‧‧射頻邏輯閘/邏輯閘/邏輯AND閘
6-450a‧‧‧電路路徑
6-450b‧‧‧電路路徑/經反相電路路徑
6-454‧‧‧延遲元件
6-456‧‧‧衰減器
6-460‧‧‧組合器
6-470‧‧‧射頻放大器/脈衝驅動器輸出
6-480‧‧‧脈衝產生器
6-481‧‧‧扇出
6-483‧‧‧延遲/延遲元件/類比或數位延遲元件
6-485‧‧‧高速邏輯閘/接收邏輯閘/邏輯閘/射極耦合邏輯邏輯閘
6-487‧‧‧加偏壓電路/偏壓電路
6-490‧‧‧驅動器電路
6-500‧‧‧經裝配脈衝器電路/脈衝器電路/脈衝器
6-600‧‧‧半導體雷射/板條耦合光學波導雷射/雷射
6-607‧‧‧溝渠
6-610‧‧‧p接觸點
6-615‧‧‧電洞輸送層/p型輸送層
6-617‧‧‧電子輸送層/輸送層
6-620‧‧‧多量子井區域/量子井區域
6-622‧‧‧模式量變曲線
6-625‧‧‧雷射產生區域
6-627‧‧‧n型基板或緩衝層/基板
6-630‧‧‧n接觸點
6-660‧‧‧加偏壓供應器
6-665‧‧‧半導體可飽和吸收器/可飽和吸收器
6-670‧‧‧脈衝源
7-100‧‧‧切換陣列/陣列/切換器陣列
7-101‧‧‧輸入埠
7-102‧‧‧光纖/光學波導
7-103‧‧‧控制輸入
7-105‧‧‧光學切換器/上游光學切換器/第二組光學切換器
7-110‧‧‧射束區塊
7-120‧‧‧衰減切換器/衰減光學切換器
7-131‧‧‧接通狀態
7-132‧‧‧關斷狀態
7-135‧‧‧輸出脈衝
7-140‧‧‧背景雜訊位準
7-150‧‧‧尾部
8-110‧‧‧固體底盤/底盤
8-121‧‧‧第一致動器/致動器
8-122‧‧‧第二致動器/致動器
8-123‧‧‧第三致動器/致動器
8-131‧‧‧第一光學平面
8-132‧‧‧第四光學平面
8-133‧‧‧聚焦透鏡/透鏡
8-134‧‧‧轉向鏡
8-135‧‧‧第二光學平面/光學平面
8-137‧‧‧第三光學平面/光學平面
8-240‧‧‧表面
8-250‧‧‧雷射射束/光射束/射束/傳入雷射射束/入射雷射射束/經聚焦射束
8-310‧‧‧螺旋搜索路徑/螺旋路徑
8-410‧‧‧放大電路
8-430‧‧‧控制電路
9-110‧‧‧時鐘
9-120a‧‧‧脈衝/第一串光脈衝/輸出脈衝串
9-120b‧‧‧第二串光脈衝/輸出脈衝串
9-120c‧‧‧同步脈衝串/第三串光脈衝/第三脈衝串
9-120d‧‧‧同步脈衝串/第四脈衝串
9-220‧‧‧定時器/定時及機電控制電路/控制電路/定時及機電回饋控制電路
9-300‧‧‧時脈產生電路
9-310‧‧‧高速光電二極體/光電二極體
9-320‧‧‧類比放大器/類比增益放大器
9-330‧‧‧類比濾波電路
9-332‧‧‧類比信號
9-340‧‧‧自動增益控制放大器/後續自動增益控制放大器
9-342‧‧‧輸出信號
9-350‧‧‧比較器
9-360‧‧‧電子或機電振盪器
9-370‧‧‧邏輯電路
9-380‧‧‧鎖相迴路電路
9-382‧‧‧相位調整電路
9-384‧‧‧相位調整電路
9-390‧‧‧場可程式化閘陣列
9-600‧‧‧兩雷射系統
9-602‧‧‧兩雷射系統
9-610‧‧‧第一非線性光學元件
9-620‧‧‧第二非線性光學元件
A‧‧‧螢光發射概率曲線/曲線/衰變曲線/核苷酸
B‧‧‧螢光發射概率曲線/曲線/衰變曲線
BG1‧‧‧帶隙
BG2‧‧‧第一能帶隙/較小帶隙/帶隙
BG3‧‧‧帶隙
BG4‧‧‧第二能帶隙/帶隙
BG5‧‧‧帶隙
BS1‧‧‧分束器
C‧‧‧核苷酸
C1‧‧‧電容器/並聯電容器
C2‧‧‧電容器
C3‧‧‧電容器
C4‧‧‧電容器
C5‧‧‧電容器
CK1‧‧‧差動時脈輸出/第一對時脈信號/經延遲時脈信號
Figure 105115896-A0202-12-0148-105
‧‧‧差動時脈輸出/第一對時脈信號
CK2‧‧‧第二複本/第二對時脈信號/經延遲時脈信號
Figure 105115896-A0202-12-0148-106
‧‧‧第二經反相複本/第二對時脈信號
D‧‧‧距離/間隔
d1‧‧‧距離
d2‧‧‧距離/第二距離
DC1‧‧‧二向色鏡/二向色反射器/第一二向色鏡/第一二向色端鏡
DC2‧‧‧二向色鏡/二向色反射器/第一端鏡/第二二向色鏡
DC3‧‧‧第二端鏡/第三二向色鏡
F1‧‧‧光學濾波器/濾波器
f‧‧‧焦距
f1‧‧‧第一切換頻率
f2‧‧‧頻率
f3‧‧‧頻率
fsync‧‧‧同步頻率/頻率
G‧‧‧核苷酸
h‧‧‧電子輸送層之厚度
I‧‧‧泵電流密度
L‧‧‧長度/鏡之長度
L1‧‧‧串聯電感
M1‧‧‧平面鏡/鏡
M1‧‧‧切換器/電晶體/高電流電晶體/高速電晶體/分流切換器
M2‧‧‧平面鏡/鏡
N‧‧‧載子密度
n1‧‧‧第一值/折射率值
n2‧‧‧第二折射率值/折射率值
n4‧‧‧折射率值
OC1‧‧‧輸出耦合器
OS1‧‧‧光學系統/第一光學系統/第一光學透鏡系統
OS2‧‧‧第二光學系統/光學系統/第二光學透鏡系統
OS3‧‧‧第三光學系統
OS4‧‧‧輸出光學系統
P1‧‧‧第一輸出埠/第一埠/輸出埠/後繼輸出埠
P2‧‧‧輸出埠/第二輸出埠/第二埠
P3‧‧‧後繼輸出埠/輸出埠/埠
P4‧‧‧輸出埠
P7‧‧‧輸出埠/輸出
P8‧‧‧輸出埠/後繼輸出埠
PAO‧‧‧初始發射概率
pA(t)‧‧‧第一分子之螢光發射之概率
Q‧‧‧輸出埠/埠
Pout‧‧‧輸出端子
R1‧‧‧串聯電阻/電阻器
R3‧‧‧電阻器
R4‧‧‧電阻器
R6‧‧‧電阻器
R7‧‧‧電阻器
Rch‧‧‧充電電阻器/上拉或充電電阻器
S1‧‧‧第一切換器/光學切換器/切換器/第一光學切換器
S2‧‧‧光學切換器/切換器/第二切換器/第二光學切換器
S4‧‧‧光學切換器/切換器/第三切換器
S8‧‧‧光學切換器/切換器
S9‧‧‧光學切換器/切換器
SM1‧‧‧通信鏈路
SM2‧‧‧通信鏈路
t‧‧‧補償元件之厚度/厚度
te‧‧‧時間
te1‧‧‧時間
te2‧‧‧時間
te3‧‧‧時間
tf1‧‧‧時間
tf2‧‧‧時間
t1‧‧‧時間/時間常數/第一時間
t2‧‧‧時間
t5‧‧‧時間
t7‧‧‧時間
T‧‧‧核苷酸/規則間隔/脈衝分離間隔/所要脈衝分離間隔/脈衝間隔時間/脈衝重複時間/間隔/脈衝重複間隔/脈衝之間的時間/脈衝至脈衝間隔
TC1‧‧‧雷射腔端鏡/三向色鏡/端鏡/輸出耦合器/三向色反射器/三向色分束器
TC2‧‧‧三向色反射器/三向色鏡
TC3‧‧‧第三三向色鏡/三向色鏡
V1‧‧‧電壓
VDD‧‧‧DC電壓源
VLD‧‧‧二極體電壓源
2Vp‧‧‧有效振幅
Vp+‧‧‧正脈衝振幅
Vp-‧‧‧負脈衝量值
+Vp‧‧‧振幅/加偏壓脈衝
-Vp‧‧‧相反振幅
WP‧‧‧通信鏈路
w‧‧‧寬度
x‧‧‧方向/軸/位置
y‧‧‧方向/軸/位置
z‧‧‧方向/軸
Z0‧‧‧阻抗
ZL‧‧‧阻抗
Zterm‧‧‧端接電阻器/端接阻抗
θi‧‧‧入射角
Φi‧‧‧入射角
τ‧‧‧螢光分子之發射生命期
τ1‧‧‧第一值
τ2‧‧‧第二值
λ1‧‧‧雷射產生波長/波長/第一雷射產生波長/基波長
λ1/2‧‧‧所要特性波長
λ2‧‧‧輸出波長/所要輸出波長/經頻率加倍輸出波長/經加倍波長/波長/雷射產生波長/第二雷射產生波長/第二波長/操作波長/第二特性波長/基波長
λ3‧‧‧經頻率加倍輸出波長/第三波長/和頻波長/所要特性波長
λ4‧‧‧經頻率加倍輸出波長/第四特性波長
λp‧‧‧泵波長/波長/泵輻射
δ‧‧‧量
△t‧‧‧延遲
熟習此項技術者將理解本文中所闡述之各圖係僅出於圖解目的。應理解，在某些例項中，本發明之各種態樣可經展示為誇大或放 大以促進對本發明之一理解。在圖式中，相似元件符號一般而言係指相似特徵，貫穿各種圖之功能上類似及/或結構上類似元件。圖式未必按比例繪製，替代地著重圖解說明教示之原理。圖式並不意欲以任何方式限制本發明教示之範疇。
圖1-1A係根據某些實施例之一分析儀器之一方塊圖繪示。
圖1-1B繪示根據某些實施例之併入至一分析儀器中之一脈衝雷射。
圖1-2繪示根據某些實施例之一串光脈衝。
圖1-3繪示根據某些實施例之平行反應室及針對每一室之對應偵測器之一實例，該等平行反應室可經由一或多個波導藉由一脈衝雷射而被光激發。
圖1-4圖解說明根據某些實施例之自一波導進行之一反應室之光激發。
圖1-5繪示根據某些實施例之一經整合反應室、光學波導及時間組格化(time-binning)光偵測器之其他細節。
圖1-6繪示根據某些實施例之可發生於一反應室內之一生物反應之一實例。
圖1-7繪示具有不同衰變特性之兩個不同螢光團之發射概率曲線。
圖1-8繪示根據某些實施例之對螢光發射之時間組格化偵測。
圖1-9繪示根據某些實施例之一時間組格化光偵測器。
圖1-10A繪示根據某些實施例之對來自一樣本之螢光發射之脈衝激發及經時間組格化偵測。
圖1-10B繪示根據某些實施例之在一樣本之重複脈衝激發之後於各種時間組格(bin)中之經累積螢光光子計數之一直方圖。
圖1-11A至圖1-11D繪示根據某些實施例之可對應於四種核苷酸 (T、A、C、G)或核苷酸類似物之不同直方圖。
圖2-1A繪示根據某些實施例之一脈衝雷射系統。
圖2-1B繪示根據某些實施例之併入至一可攜式儀器中之一脈衝雷射系統。
圖2-2A繪示根據某些實施例之一經整合光學架座。
圖2-2B繪示根據某些實施例之安裝於一經整合光學架座中之一光學器件。
圖3-1繪示根據某些實施例之一個二極體泵激固態鎖模雷射。
圖3-2A至圖3-2D繪示根據某些實施方案之可作為一雷射腔之一部分併入之光路徑長度延伸器之各種實施例。
圖3-3A繪示根據某些實施例之一個二極體泵激固態鎖模雷射，其中頻率加倍係在雷射腔外部。
圖3-3B繪示根據某些實施例之一個二極體泵激固態非線性鏡鎖模雷射。
圖3-3C繪示根據某些實施例之一個二極體泵激固態多波長鎖模雷射。
圖3-4A繪示根據某些實施方案之一可飽和吸收器鏡之一部分。
圖3-4B繪示根據某些實施例之針對圖3-4A之可飽和吸收器鏡之一帶隙圖。
圖3-4C圖解說明根據某些實施例之一可飽和吸收器鏡中之量子井吸收器之位置處之強度量變曲線。
圖3-5A繪示根據某些實施例之一多波長鎖模雷射之一輸出耦合器。
圖3-5B繪示根據某些實施例之一多波長鎖模雷射之一輸出耦合器。
圖3-6圖解說明根據某些實施例之用於一增益介質或可用於一緊 湊鎖模雷射中之其他高功率光學組件之一架座。
圖3-7A在平面圖中繪示根據某些實施例之用於安裝一增益介質或可用於一緊湊鎖模雷射中之其他高功率光學系統之一平台。
圖3-7B及圖3-7C繪示根據某些實施例之在圖3-7A中圖解說明之平台之立面圖。
圖3-8A繪示根據某些實施例之用於產生處於兩個波長之經同步脈衝串之一個兩雷射系統，其中一個雷射以一連續波模式操作。
圖3-8B繪示根據某些實施例之用於產生處於兩個波長之經同步脈衝串之一個兩雷射系統，其中一個雷射以一連續波模式操作。
圖3-9繪示根據某些實施例之用於產生處於兩個波長之經同步脈衝串之一個兩雷射系統，其中一個雷射使一第二雷射之一可飽和吸收器部分地漂白。
圖3-10繪示根據某些實施例之用於控制一同步雷射系統中之一雷射腔長度之一機電控制電路。
圖4-1及圖4-2繪示根據某些實施例之鎖模雷射二極體。
圖4-3繪示根據某些實施方案之包含一定長度的光纖作為一光學延遲元件之一鎖模雷射二極體。
圖5-1至圖5-3繪示根據某些實施例之鎖模光纖雷射。
圖6-1A圖解說明根據某些實施例之用於增益切換之光學泵及輸出脈衝。
圖6-1B圖解說明根據某些實施例之鬆弛振盪。
圖6-1C繪示根據某些實施例之展示一尾部之一光輸出脈衝。
圖6-2A繪示根據某些實施例之一脈衝半導體雷射二極體。
圖6-2B繪示根據一項實施例之用於施加脈衝於一雷射二極體或發光二極體之一脈衝器電路示意圖。
圖6-2C圖解說明根據某些實施例之經遞送至一雷射二極體之電 流之改良。
圖6-3繪示根據某些實施例之用於對一雷射二極體進行增益切換之一驅動波形。
圖6-4A繪示在某些實施例中用於驅動一雷射二極體或發光二極體之一脈衝器電路。
圖6-4B繪示根據某些實施例之用於驅動一雷射二極體或發光二極體之一脈衝器電路示意圖。
圖6-4C繪示根據某些實施例之用於驅動一雷射二極體或發光二極體之一脈衝器電路示意圖。
圖6-4D繪示根據某些實施例之用於施加脈衝於一雷射二極體或發光二極體之一RF驅動器。
圖6-4E圖解說明根據某些實施例之由圖6-4D之電路產生之一驅動波形。
圖6-4F繪示根據某些實施例之用於施加脈衝於一雷射二極體或發光二極體之一RF驅動器。
圖6-4G圖解說明根據某些實施例之由圖6-4F之電路產生之驅動波形。
圖6-4H繪示根據某些實施例之用於驅動一雷射二極體或發光二極體之一脈衝器電路示意圖。
圖6-4I圖解說明根據某些實施例之耦合至一雷射二極體之功率之效率。
圖6-4J繪示根據某些實施例之用於施加脈衝於來自一雷射二極體或發光二極體之光發射之一脈衝器及驅動器電路。
圖6-4K繪示根據某些實施例之用於產生一串脈衝之一脈衝器電路。
圖6-4L圖解說明根據某些實施例之至一脈衝器電路中之一邏輯 閘之資料輸入。
圖6-4M繪示根據某些實施例之用於用電脈衝驅動一雷射二極體或發光二極體之一驅動器電路。
圖6-5A繪示根據某些實施例之用於對一雷射二極體進行增益切換之一脈衝器電路。
圖6-5B圖解說明根據某些實施例之來自一脈衝器電路之一驅動電壓。
圖6-5C及圖6-5D圖解說明根據某些實施例之自一經增益切換雷射二極體產生之超快光脈衝之實例性量測。
圖6-6A繪示根據某些實施例之可經增益切換或Q切換之一板條耦合光學波導半導體雷射。
圖6-6B圖解說明根據某些實施例之一板條耦合光學波導雷射中之一光學模式量變曲線。
圖6-6C繪示根據某些實施例之一經整合經增益切換半導體雷射及經耦合可飽和吸收器。
圖7-1A繪示根據某些實施例之經組態以自一連續波雷射產生脈衝之一光學切換器陣列。
圖7-1B圖解說明根據某些實施方案之針對在圖7-1A中所繪示之光學切換器陣列之切換器之驅動波形。
圖7-1C繪示根據某些實施方案之在圖7-1A中所繪示之光學切換器陣列之數個埠中之光強度。
圖7-1D圖解說明根據某些實施方案之針對在圖7-1A中所繪示之光學切換器陣列之切換器之驅動波形。
圖7-1E繪示根據某些實施方案之在圖7-1A中所繪示之光學切換器陣列之數個埠中之光強度。
圖8-1繪示根據某些實施例之一射束轉向模組。
圖8-2繪示根據某些實施例之一射束轉向模組之光學細節。
圖8-3繪示根據某些實施例之一脈衝雷射射束至一晶片上之一光學耦合器之對準。
圖8-4繪示根據某些實施例之用於將光脈衝自一脈衝雷射耦合至一生物光電子晶片之多個波導中之偵測及控制電路。
圖8-5繪示根據某些實施例之與將光脈衝自一脈衝雷射耦合至一生物光電子晶片之多個波導中之方法相關聯之動作。
圖9-1繪示根據某些實施例之用於使光脈衝之時序與儀器電子器件同步之一系統。
圖9-2繪示根據某些實施例之用於使光脈衝之時序與儀器電子器件同步之一系統。
圖9-3繪示根據某些實施例之針對併入有一脈衝光源之一分析儀器之時脈產生電路。
圖9-4繪示根據某些實施例之用於使來自兩個脈衝源之光脈衝之時序與儀器電子器件同步之一系統。
圖9-5A繪示根據某些實施例之用於使來自兩個脈衝源之光脈衝之經交錯時序與儀器電子器件同步之一系統。
圖9-5B繪示根據某些實施例之來自兩個脈衝光源之經交錯及經同步脈衝串。
圖9-6A繪示根據某些實施例之用於產生處於兩個或兩個以上波長之經同步脈衝串之一個兩雷射系統。
圖9-6B繪示根據某些實施例之用於產生處於兩個波長之經同步脈衝串之一個兩雷射系統。
當連同圖式一起時，依據下文所陳述之詳細說明將更明瞭本發明之特徵及優點。當參考圖式闡述實施例時，可使用方向性參考(「上方」、「下方」、「頂部」、「底部」、「左側」、「右 側」、「水平」、「垂直」等)。此等參考僅意欲作為對在一正常定向上觀看圖式之讀者之一協助。此等方向性參考並不意欲闡述一所體現裝置之特徵之一較佳或唯一定向。可使用其他定向來體現一裝置。
I.介紹
發明者已認識並瞭解到，習用超短脈衝雷射通常係大的、昂貴的且不適合用於諸多行動應用及/或併入至可經調適用於成像、測距或生物分析應用之可攜式儀器中。因此，發明者已設想緊湊、超短脈衝雷射產生系統，該等雷射產生系統可提供處於選定波長且處於最高達~400毫瓦特(mW)之平均光功率之亞100皮秒脈衝。雷射產生系統可經組態以提供介於約50MHz與約200MHz之間的光脈衝之一重複率。在某些實施例中，由一脈衝雷射及其光學器件佔據之一面積可係約具有約40mm或更小之一厚度之一A4紙張之大小。在某些實施方案中，一脈衝半導體雷射可實質上小於此大小。
術語「光(optical)」可係指紫外線、可見、近紅外線及短波長紅外線光譜帶。
在某些生物分析應用(諸如基因定序或大規模平行測定)中，一緊湊脈衝雷射產生系統可用於將光激發能量遞送至經整合至一晶片上之複數個反應室。根據某些實施方案，晶片上之反應室之數目可介於約10,000與約10,000,000之間，且該等室可含有樣本，該等樣本可在一時間週期內經歷多個生化反應。在其他實施方案中，可在晶片上存在更少或更多反應室。根據某些實施例，可用發螢光之一或多個螢光團標記樣本或與樣本反應之分子，或該等樣本可在由來自一脈衝雷射之一光脈衝激發之後本身發螢光。對來自反應室之螢光之偵測及分析提供關於該等室內之樣本之資訊。
為製造包含此大量反應室且使用多個不同螢光團之一可攜式儀 器，存在數個技術挑戰。一脈衝雷射產生系統必須係小的且輕量的，且其必須提供足夠光功率來激發所有反應室中之螢光團。另外，必須存在某一方式以用脈衝雷射激發不同螢光團(例如，具有用於DNA定序之不同發射特性之四個螢光團)，且在每一反應室處偵測來自螢光團之不同發射特性，使得每一螢光團可與其他螢光團區分開。
概括而言，一分析儀器1-100可包括一或多個脈衝雷射1-110，該一或多個脈衝雷射安裝於該儀器內或以其他方式耦合至該儀器，如在圖1-1A中所繪示。根據某些實施例，一脈衝雷射1-110可係一鎖模雷射。一鎖模雷射可包含位於雷射腔中或耦合至雷射腔之一元件(例如，可飽和吸收器、聲光調變器、克爾(Kerr)透鏡)，該元件誘發雷射之縱向頻率模式之相位鎖定。在其他實施例中，一脈衝雷射1-110可係一經增益切換雷射。一經增益切換雷射可包括調變雷射之增益介質中之光增益之一外部調變器。
儀器1-100可包含一光學系統1-115及一分析系統1-160。光學系統1-115可包含一或多個光學組件(例如，透鏡、鏡、光學濾波器、衰減器)且經組態以對來自脈衝雷射1-110之光脈衝1-122進行操作及/或將光脈衝1-122遞送至分析系統1-160。分析系統可包含諸多組件，該等組件經配置以將光脈衝引導至待分析之至少一個樣本，自該至少一個樣本接收一或多個光信號(例如，螢光、經反向散射輻射)，且產生表示所接收光信號之一或多個電信號。在某些實施例中，分析系統1-160可包含一或多個光偵測器及經組態以處理來自該等光偵測器之電信號之信號處理電子器件(例如，一或多個微控制器、一或多個場可程式化閘陣列、一或多個微處理器、一或多個數位信號處理器、邏輯閘等)，且亦可包含資料傳輸硬體，該資料傳輸硬體經組態以經由一資料通信鏈路傳輸並接收去往及來自外部裝置之資料。在某些實施例中，分析系統1-160可經組態以接收一生物光電子晶片1-140，該生物 光電子晶片固持待分析之一或多個樣本。
儘管光脈衝1-122經繪示為具有一單一橫向光學模式，但在某些實施例中，來自脈衝雷射1-110之光輸出可係多模態的。舉例而言，一橫向輸出射束量變曲線可由於雷射之多模態操作而具有多個強度峰值及最小值。在某些實施例中，當耦合至分析系統1-160時，一多模態輸出可經均質化(例如，藉由使光學器件漫射)。在某些實施方案中，一多模態輸出可耦合至分析系統1-160中之複數個光纖或波導。舉例而言，一多模態輸出之每一強度峰值皆可耦合至連接至生物光電子晶片1-140之一單獨波導。允許一脈衝雷射以一多模狀態操作可達成自脈衝雷射之較高輸出功率。
圖1-1B繪示一分析儀器1-100之一進一步詳細實例，該分析儀器包含一脈衝雷射1-110，該脈衝雷射可安裝至該儀器之一儀器底盤或框架1-102。分析儀器可經組態以接納一可移除、經封裝生物光電子晶片1-140。該晶片可包含複數個反應室，經配置以將光激發能量遞送至反應室之經整合光學組件，及經配置以偵測來自反應室之螢光發射之經整合光偵測器。在某些實施方案中，晶片1-140可係拋棄式的，然而在其他實施方案中晶片可係可再用的。當晶片由儀器接納時，該晶片可與脈衝雷射電連通及光學連通且與分析系統1-160電連通及光學連通。
在某些實施例中，生物光電子晶片可安裝(例如，經由一插座連接)於可包含額外儀器電子器件之一電子電路板1-130(諸如一印刷電路板(PCB))上。舉例而言，PCB 1-130可包含經組態以提供至生物光電子晶片1-140之電功率、一或多個時脈信號及控制信號的電路，及經配置以接收表示自反應室偵測之螢光發射之信號的信號處理電路。PCB 1-130亦可包含電路，該電路經組態以接收與耦合至生物光電子晶片1-140之波導中之光脈衝1-122之光學耦合及功率位準有關之回饋 信號。自生物光電子晶片傳回之資料可部分地或完全地由儀器處理，但在某些實施方案中，資料亦可經由一網路連接而傳輸至一或多個遠端資料處理器。
根據某些實施例，一超短脈衝雷射1-110可包括一增益介質1-105(在某些實施例中其可係固態材料)、用於激發增益介質之一泵源(例如，一雷射二極體，未展示)、一輸出耦合器1-111及一雷射腔端鏡1-119。雷射之光學腔可受輸出耦合器及端鏡所限制。雷射腔之一光學軸1-125可具有一或多個摺疊(轉彎)以增加雷射腔之長度。在某些實施例中，可在雷射腔中存在額外光學元件(未展示)以用於射束整形、波長選擇及/或脈衝形成。在某些情形中，端鏡1-119可包括一可飽和吸收器鏡(SAM)，該可飽和吸收器鏡誘發縱向腔模式之被動鎖模且引起雷射1-110之脈衝操作。
當經被動鎖模時，一腔內脈衝1-120可在端鏡1-119與輸出耦合器1-111之間循環，且腔內脈衝之一部分可作為一輸出脈衝1-122而透射穿過輸出耦合器1-111。因此，當腔內脈衝1-120在雷射腔中於輸出耦合器1-111與端鏡1-119之間來回反彈時，可在輸出耦合器處偵測到如在圖1-2之圖中所繪示之一串輸出脈衝1-122。
圖1-2繪示輸出脈衝1-122之時間強度量變曲線。在某些實施例中，所發射脈衝之峰值強度值可係大致相等的，且量變曲線可具有一高斯(Gaussian)時間量變曲線，但其他量變曲線(諸如一sech2量變曲線)亦可係可能的。在某些情形中，脈衝可不具有對稱時間量變曲線且可具有其他時間形狀。每一脈衝之持續時間可藉由一半峰全幅(FWHM)值而表徵，如在圖1-2中所指示。根據一脈衝雷射之某些實施例，超短光脈衝可具有小於100皮秒(ps)之FWHM值。在某些情形中，FWHM值可小於30ps。
輸出脈衝1-122可藉由規則間隔T而分離。在某一實施例中(例 如，針對鎖模雷射)，可藉由在輸出耦合器1-111與腔端鏡1-119之間的一往返行進時間而判定T。根據某些實施例，脈衝分離間隔T可介於約1ns與約30ns之間。在某些情形中，脈衝分離間隔T可介於約5ns與約20ns之間，對應於介於約0.7米與約3米之間的一雷射腔長度(位於雷射腔內之光學軸1-125之一近似長度)。
根據某些實施例，可藉由晶片1-140上之反應室之數目、螢光發射特性及用於自生物光電子晶片1-140讀取資料之資料處置電路之速度之一組合而判定一所要脈衝分離間隔T及雷射腔長度。發明者已認識並瞭解到，可藉由螢光團之不同螢光衰變速率而區分不同螢光團。因此，需要存在充分脈衝分離間隔T以收集針對選定螢光團之充足統計資料以便在其不同衰變速率之間加以區分。另外，若脈衝分離間隔T過短，則資料處置電路無法跟上正由大量反應室收集之大量資料。發明者已認識並瞭解到，介於約5ns與約20ns之間的一脈衝分離間隔T適合於具有最高達約2ns之衰變速率之螢光團且適合於處置來自介於約60,000個與600,000個之間的反應室之資料。
根據某些實施方案，一射束轉向模組1-150可自脈衝雷射1-110接收輸出脈衝且經組態以調整至生物光電子晶片1-140之一光學耦合器上之光脈衝之位置及入射角。根據某些實施例，可由一射束轉向模組1-150對來自脈衝雷射之輸出脈衝進行操作，該射束轉向模組經組態以將輸出脈衝之射束對準至生物光電子晶片1-140上之一光學耦合器。射束轉向模組可提供對光學耦合器處之光射束之位置及入射角調整。在某些實施方案中，射束轉向模組可進一步提供輸出脈衝之射束至光學耦合器上之聚焦。
參考圖1-3，輸出脈衝1-122可耦合至生物光電子晶片上之一或多個光學波導1-312中。在某些實施例中，光脈衝可經由一光柵耦合器1-310耦合至一或多個波導，但在某些實施例中亦可使用至生物光電 子晶片上之一光學波導之一端之耦合。根據某些實施例，一個四象限偵測器1-320可位於一半導體基板1-305(例如，一矽基板)上以用於協助光脈衝1-122之射束至一光柵耦合器1-310之對準。一或多個波導1-312及反應室1-330可經整合於一相同半導體基板上，其中介入介電層(例如，二氧化矽層)介於基板、波導、反應室及光偵測器1-322之間。
每一波導1-312可包含位於反應室1-330下方之一漸縮部分1-315以等化沿著波導耦合至反應室之光功率。減少之漸縮部可在波導之芯外部驅迫較多光能量，從而增加至反應室之耦合且補償沿著波導之光損耗，包含針對耦合至反應室中之光之損耗。一第二光柵耦合器1-317可位於每一波導之一端處以將光能量引導至一經整合光電二極體1-324。經整合光電二極體可偵測沿一波導向下耦合之功率之一量且將一經偵測信號提供至(舉例而言)控制射束轉向模組1-150之回饋電路。
反應室1-330可與波導之漸縮部分1-315對準且凹入於一槽1-340中。可針對每一反應室1-330存在位於半導體基板1-305上之時間組格化光偵測器1-322。可圍繞反應室並在波導上方形成一金屬塗層及/或多層塗層1-350以防止不在反應室中(例如，分散於反應室上方之一溶液中)之螢光團之光激發。金屬塗層及/或多層塗層1-350可經提高超過槽1-340之邊緣以在每一波導1-312之輸入端及輸出端處減少波導中之光能量之吸收損耗。
可在生物光電子晶片1-140上存在複數個波導列、反應室及時間組格化光偵測器。舉例而言，在某些實施方案中，可存在128個列，每一列具有512個反應室，達成總共65,536個反應室。其他實施方案可包含更少或更多反應室，且可包含其他佈局組態。來自脈衝雷射1-110之光功率可經由一或多個星形耦合器或多模干擾耦合器，或藉由位於至晶片1-140之一光學耦合器與該複數個波導之間的任何其他構 件而分佈至多個波導。
圖1-4圖解說明自一波導1-315內之一光脈衝1-122至一反應室1-330之光能量耦合。圖式依據對光波之一電磁場模擬而產生，該電磁場模擬考慮到波導尺寸、反應室尺寸、不同材料之光學性質及波導1-315距反應室1-330之距離。舉例而言，波導可由在係二氧化矽之一周圍介質1-410中之氮化矽形成。可藉由微製作程序形成波導、周圍介質及反應室，該等微製作程序在2015年8月7日提出申請之標題為「Integrated Device for Probing,Detecting and Analyzing Molecules」之美國申請案第14/821,688號中進行闡述。根據某些實施例，一漸消光場1-420將由波導輸送之光能量耦合至反應室1-330。
在圖1-5中繪示正在一反應室1-330中發生之一生物反應之一非限制性實例。在此實例中，正在反應室中發生核苷酸或核苷酸類似物循序併入至與一目標核酸互補之一生長鏈中。循序併入可經偵測以將DNA定序。反應室可具有介於約150nm與約250nm之間的一深度及介於約80nm與約160nm之間的一直徑。一金屬化層1-540(例如，針對一電參考電位之一金屬化)可在光偵測器上方經圖案化以提供阻擋來自毗鄰反應室及其他非所要光源之雜散光之一孔隙。根據某些實施例，聚合酶1-520可位於反應室1-330內(例如，附接至該室之一基底)。聚合酶可開始處理一目標核酸1-510(例如，來源於DNA之核酸之一部分)，且將互補核酸之一生長鏈定序以產生DNA之一生長鏈1-512。用不同螢光團標記之核苷酸或核苷酸類似物可分散於反應室上方及反應室內之一溶液中。
當一經標記核苷酸或核苷酸類似物1-610經併入至互補核酸之一生長鏈中時，如在圖1-6中所繪示，可藉由自波導1-315耦合至反應室1-330中之具有光能量之脈衝重複地激發一或多個經附接螢光團1-630。在某些實施例中，一或若干螢光團1-630可用任何適合鏈接體1- 620附接至一或多個核苷酸或核苷酸類似物1-610。一併入事件可持續達最高達約100ms之一時間週期。在此時間期間，可用一時間組格化光偵測器1-322來偵測由螢光團之激發引起之螢光發射之脈衝。藉由將具有不同發射特性(例如，螢光衰變速率、強度、螢光波長)之螢光團附接至不同核苷酸(A、C、G、T)，當DNA鏈1-512併入一核酸且使得能夠判定DNA之生長鏈之基因序列時偵測並區分不同發射特性。
根據某些實施例，經組態以基於螢光發射特性分析樣本之分析儀器1-100可偵測不同螢光分子之間的螢光生命期及/或強度之差別，及/或不同環境中之相同螢光分子之生命期及/或強度之間的差別。以闡釋方式，圖1-7標繪兩個不同螢光發射概率曲線(A及B)，其可表示(舉例而言)來自兩個不同螢光分子之螢光發射。參考曲線A(虛線)，在被一短或超短光脈衝激發之後，來自一第一分子之一螢光發射之一概率p A (t)可隨時間衰變，如所繪示。在某些情形中，可由一指數衰變函數
Figure 105115896-A0202-12-0019-100
來表示一光子被發射之概率隨著時間之降低，其中P Ao 係一初始發射概率且τA係表徵發射衰變概率的與第一螢光分子相關聯之一時間參數。τA可被稱為第一螢光分子之「螢光生命期」、「發射生命期」或「生命期」。在某些情形中，τA之值可由於螢光分子之一局部環境而更改。其他螢光分子可具有不同於在曲線A中所展示之發射特性之發射特性。舉例而言，另一螢光分子可具有不同於一單一指數衰變之一衰變量變曲線，且其生命期可藉由一半衰期值或某些其他度量而表徵。
一第二螢光分子可具有一衰變量變曲線，該衰變量變曲線係指數的但具有一可量測的不同生命期τB，如在圖1-7中之曲線B所繪示。在所展示之實例中，曲線B之針對第二螢光分子之生命期比針對曲線A之生命期短，且發射之概率在第二分子之激發之後不久即高於曲線A。在某些實施例中，不同螢光分子可具有介於自約0.1ns至約20ns 之範圍內之生命期或半衰期值。
發明者已認識並瞭解到，螢光發射生命期之差別可用於在不同螢光分子之存在或不存在之間進行辨別及/或在一螢光分子經受之不同環境或狀況之間進行辨別。在某些情形中，基於生命期(而非(舉例而言)發射波長)辨別螢光分子可簡化一分析儀器1-100之態樣。作為一實例，當基於生命期辨別螢光分子時，波長區別光學器件(諸如波長濾波器、針對每一波長之專用偵測器、處於不同波長之專用脈衝光源及/或繞射光學器件)之數目可減少或可被消除。在某些情形中，在一單一特性波長下操作之一單一脈衝光源可用於激發不同螢光分子，該等不同螢光分子在光學光譜之一相同波長區域內發射但具有可量測的不同生命期。使用一單一脈衝光源而非處於不同波長之多個源來激發並辨別在一相同波長區域中發射之不同螢光分子的一分析系統操作及維護起來可係較不複雜的、係較緊湊的且可以較低成本製造。
儘管基於螢光生命期分析之分析系統可具有特定益處，但可藉由允許額外偵測技術來增加由一分析系統獲得之資訊之量及/或偵測準確性。舉例而言，某些分析系統1-160可另外經組態以基於螢光波長及/或螢光強度來辨別一樣本之一或多個性質。
再次參考圖1-7，根據某些實施例，可用一光偵測器區分不同螢光生命期，該光偵測器經組態以在一螢光分子之激發之後對螢光發射事件進行時間組格化。時間組格化可在光偵測器之一單一電荷累積循環期間發生。一電荷累積循環係讀出事件之間的一間隔，在該間隔期間光生載子經累積於時間組格化光偵測器之組格中。藉由發射事件之時間組格化來判定螢光生命期之概念在圖1-8中以圖形方式引入。在時間te處(就在t1之前)，藉由一短或超短光脈衝激發一螢光分子或一相同類型(例如，對應於圖1-7之曲線B之類型)之螢光分子之總體。針對一大分子總體，發射之強度可具有類似於曲線B之一時間量變曲線， 如在圖1-8中所繪示。
然而，針對一單一分子或少量分子，螢光光子之發射根據圖1-7中之曲線B之統計資料發生(針對此實例)。一時間組格化光偵測器1-322可將自發射事件產生之載子累積至離散時間組格中(在圖1-8中指示為三個)，該等離散時間組格相對於螢光分子之激發時間而經時間解析。當大量發射事件經加總時，所得時間組格可近似在圖1-8中所展示之衰變強度曲線，且經組格化信號可用於在不同螢光分子之間或一螢光分子所定位之不同環境之間加以區分。
一時間組格化光偵測器1-322之實例闡述於2015年8月7日提出申請之標題為「Integrated Device for Temporal Binning of Received Photons」之美國專利申請案第14/821,656號中，該美國專利申請案以引用方式併入本文中。出於闡釋目的，在圖1-9中繪示一時間組格化光偵測器之一非限制性實施例。一單一時間組格化光偵測器1-900可包括一光子吸收/載子產生區域1-902、一載子行進區域1-906及全部形成於一半導體基板上之複數個載子儲存組格1-908a、1-908b、1-908c。載子行進區域可藉由載子輸送通道1-907連接至該複數個載子儲存組格。僅展示三個載子儲存組格，但可存在更多。可存在連接至載子儲存組格之一讀出通道1-910。可藉由局部地摻雜半導體及/或形成毗鄰絕緣區域而形成光子吸收/載子產生區域1-902，載子行進區域1-906，載子儲存組格1-908a、1-908b、1-908c及讀出通道1-910以提供光偵測能力且侷限載子。一時間組格化光偵測器1-900亦可包含形成於基板上之複數個電極1-920、1-922、1-932、1-934、1-936、1-940，該複數個電極經組態以在裝置中產生電場以用於穿過裝置輸送載子。
在操作中，螢光光子可在不同時間處於光子吸收/載子產生區域1-902處被接收並產生載子。舉例而言，在大約時間t1處，三個螢光光 子可在光子吸收/載子產生區域1-902之一空乏區域中產生三個載子電子。裝置中之一電場(由於摻雜及/或在外部施加至電極1-920及1-922以及視情況或替代地施加至1-932、1-934、1-936之一偏壓)可將載子移動至載子行進區域1-906。在載子行進區域中，行進之距離在螢光分子之激發之後表現為一時間。在一稍後時間t5處，另一螢光光子可在光子吸收/載子產生區域1-902中被接收並產生一額外載子。在此時間處，前三個載子已行進至毗鄰於第二儲存組格1-908b之載子行進區域1-906中之一位置。在一稍後時間t7處，可在電極1-932、1-934、1-936與電極1-940之間施加一電偏壓以將載子自載子行進區域1-906橫向地輸送至儲存組格。前三個載子可然後經輸送至第一組格1-908a並保持於第一組格1-908a中，且稍後產生之載子可經輸送至第三組格1-908c並保持於第三組格1-908c中。在某些實施方案中，對應於每一儲存組格之時間間隔皆處於亞奈秒時間尺度下，但在某些實施例中亦可使用更長時間尺度(例如，在其中螢光團具有更長衰變時間之實施例中)。
在一激發事件(例如，來自一脈衝光源之激發脈衝)之後產生載子且對其進行時間組格化之程序可在一單一激發脈衝之後發生一次或在光偵測器1-900之一單一電荷累積循環期間於多個激發脈衝之後被重複多次。在電荷累積完成之後，可經由讀出通道1-910自儲存組格讀出載子。舉例而言，可將一適當加偏壓序列施加至至少電極1-940及一下游電極(未展示)以自儲存組格1-908a、1-908b、1-908c移除載子。
在若干個激發事件之後，每一電子儲存組格中之經累積信號可經讀出以提供具有(舉例而言)表示螢光發射衰變速率之對應組格之一直方圖。此一程序經圖解說明於圖1-10A及圖1-10B中。直方圖之組格可指示在於一反應室中之螢光團之激發之後，在每一時間間隔期間偵 測之若干光子。在某些實施例中，將在大量激發脈衝之後累積用於組格之信號，如在圖1-10A中所繪示。激發脈衝可在由脈衝間隔時間T分離之時間te1、te2、te3、...teN處發生。可存在在於電子儲存組格中之信號之一累積期間施加至反應室之介於105個與107個之間的激發脈衝。在某些實施例中，一個組格(組格0)可經組態以偵測隨每一光脈衝遞送之激發能量之一振幅且可用作一參考信號(例如，以使資料正規化)。
在某些實施方案中，可在一激發事件之後自一螢光團發射平均僅一單一光子，如在圖1-10A中所繪示。在於時間te1處之一第一激發事件之後，在時間tf1處之經發射光子可發生於一第一時間間隔內，使得所得電子信號經累積於第一電子儲存組格中(促成組格1)。在於時間te2處之一後續激發事件中，在時間tf2處之經發射光子可發生於一第二時間間隔內，使得所得電子信號促成組格2。
在大量激發事件及信號累積之後，時間組格化光偵測器1-322之電子儲存組格可經讀出以提供針對一反應室之一多值信號(例如，兩個或兩個以上值之一直方圖、一N維向量等)。針對每一組格之信號值可取決於螢光團之衰變速率。舉例而言且再次參考圖1-8，具有一衰變曲線B之一螢光團將比具有一衰變曲線A之一螢光團具有一更高組格1對組格2之信號比率。來自組格之值可經分析且與校準值比較及/或彼此比較以判定特定螢光團，此又識別當在反應室中時鏈接至螢光團之核苷酸或核苷酸類似物(或所關注之任何其他分子或樣品)。
為進一步協助理解信號分析，經累積多組格值可經標繪為如舉例而言在圖1-10B中所繪示之一直方圖，或可經記錄為N維空間中之一向量或位置。可單獨地執行校準運行以獲取針對鏈接至四種核苷酸或核苷酸類似物之四個不同螢光團之多值信號之校準值(例如，校準直方圖)。作為一實例，校準直方圖可如在圖1-11A中(與T核苷酸相關 聯之螢光標記)、在圖1-11B中(與A核苷酸相關聯之螢光標記)、在圖1-11C中(與C核苷酸相關聯之螢光標記)及在圖1-11D中(與G核苷酸相關聯之螢光標記)所繪示地顯現。經量測多值信號(對應於圖1-10B之直方圖)與校準多值信號之一比較可判定身份為「T」(圖1-11A)的核苷酸或核苷酸類似物正併入至DNA之生長鏈中。
在某些實施方案中，可另外或替代地使用螢光強度以在不同螢光團之間加以區分。舉例而言，即使某些螢光團之衰變速率可係類似的，該等螢光團亦可在顯著不同強度下發射或其激發之概率具有一顯著差別(例如，至少約35%之一差別)。藉由使經組格化信號(組格1至組格3)參考經量測激發能量組格0，基於強度位準區分不同螢光團可係可能的。
在某些實施例中，同一類型之不同數目個螢光團可鏈接至不同核苷酸或核苷酸類似物，使得可基於螢光團強度來識別核苷酸。舉例而言，兩個螢光團可鏈接至一第一核苷酸(例如，「C」)或核苷酸類似物且四個或四個以上螢光團可鏈接至一第二核苷酸(例如，「T」)或核苷酸類似物。由於不同數目個螢光團，因此可存在與不同核苷酸相關聯之不同激發及螢光團發射概率。舉例而言，可在一信號累積間隔期間針對「T」核苷酸或核苷酸類似物存在更多發射事件，使得組格之視在強度顯著高於針對「C」核苷酸或核苷酸類似物。
發明者已認識並瞭解到，基於螢光團衰變速率及/或螢光團強度來區分核苷酸或任何其他生物或化學樣品達成一分析儀器1-100中之光激發及偵測系統之一簡化。舉例而言，可用一單波長源執行光激發(例如，產生一個特性波長之一源而非多個源或在多個不同特性波長下操作之一源)。另外，在偵測系統中可不需要波長區別光學器件及濾波器。此外，一單一光偵測器可用於每一反應室以偵測來自不同螢光團之發射。
片語「特性波長」或「波長」用於指代一有限輻射頻寬內之一中心或主導波長(例如，由一脈衝光源輸出之一20nm頻寬內之一中心或峰值波長)。在某些情形中，「特性波長」或「波長」可用於指代由一源輸出之一總輻射頻寬內之一峰值波長。
發明者已認識並瞭解到，具有介於約560nm與約900nm之間的一範圍內之發射波長之螢光團可提供待由一時間組格化光偵測器(其可使用CMOS程序而製作於一矽晶圓上)偵測之充足量之螢光。此等螢光團可鏈接至所關注之生物分子(諸如核苷酸或核苷酸類似物)。此波長範圍內之螢光發射可在一矽基光偵測器中以比處於較長波長之螢光高之回應性來偵測。另外，此波長範圍內之螢光團及相關聯鏈接體可不干擾至DNA之生長鏈中之核苷酸或核苷酸類似物之併入。發明者亦已認識並瞭解到，可用一單波長源光學地激發具有介於約560nm與約660nm之間的一範圍內之發射波長之螢光團。處於此範圍內之一實例性螢光團係可自馬薩諸塞州沃爾瑟姆市(Waltham)的Thermo Fisher Scientific公司購得的Alexa Fluor 647。發明者亦已認識並瞭解到，可自一脈衝雷射需要較短波長(例如，介於約500nm與約650nm之間)處之激發能量以激發發射介於約560nm與約900nm之間的一波長之螢光團。在某些實施例中，時間組格化光偵測器可(例如)藉由將其他材料(諸如Ge)併入至光偵測器作用區域中而高效地偵測來自樣本之較長波長發射。
發明者亦已認識並瞭解到，來自一脈衝雷射之光脈衝應針對上文所闡述之偵測方案而快速消退，使得激發能量不會壓製或干擾隨後偵測之螢光信號。在某些實施例中且再次參考圖1-5，在波導1-315與時間組格化光偵測器1-322之間可不存在波長濾波器。為避免激發能量干擾後續信號收集，激發脈衝之強度可需要在約100ps內自激發脈衝之峰值減少至少50dB。在某些實施方案中，激發脈衝之強度可需 要在約100ps內自激發脈衝之峰值減少至少80dB。發明者已認識並瞭解到，鎖模雷射可提供此快速關斷特性。在其中發射波長顯著長於激發波長之某些情形中，可在光偵測器上邊併入簡單光學濾波器以進一步減少激發脈衝對時間組格化光偵測器之影響。根據某些實施例，若激發能量經引導遠離用於螢光信號之偵測設備，則脈衝之間的激發能量之強度之一減小可另外減少20dB或更多。舉例而言，激發能量可如在圖1-3中所繪示地在一波導中遞送，沿不同於螢光偵測路徑之一方向傳播(例如，兩個路徑之方向可大致正交，如在圖式中所繪示)。脈衝之間的激發能量之減少亦可透過波導材料開發及裝置製作(例如，展現出減少之散射損耗及減少之螢光之波導材料以及產生平滑波導側壁之一蝕刻程序)而達成。此外，自反應室散射掉之激發能量可基於來自電磁模擬之結果，藉由挑選室之幾何形狀、材料及周圍結構之幾何形狀而減少。
發明者亦已認識並瞭解到，一脈衝雷射應提供每脈衝足夠能量以針對每一激發脈衝激發生物光電子晶片上之反應室中之每一者中之至少一個螢光團。針對包含約65,000個反應室且考慮到貫穿系統之光損耗之一晶片，發明者已判定一脈衝雷射應提供處於激發波長之約300mW或更多之平均光功率。
發明者已進一步認識並瞭解到，脈衝雷射之一射束品質應係高的(例如，小於1.5之一M2值)，使得可達成至一生物光電子晶片1-140之一光學耦合器及波導之高效耦合。
具有前述特性且可以一緊湊封裝(例如，佔據小於約0.5ft3之一體積)操作之一脈衝雷射系統將對於可攜式分析儀器1-100(諸如如上文所闡述之經組態以將DNA定序之一儀器)係有用的。
Ⅱ.脈衝雷射實施例 Ⅱ.A.鎖模雷射
發明者已設想並建立一脈衝雷射系統1-110，該脈衝雷射系統就平均功率、緊湊性、射束品質、脈衝重複率、操作波長及光脈衝之關斷速度而言達成上述效能規範。根據某些實施例，一脈衝雷射包括如在圖2-1A中所繪示之一固態鎖模雷射。雷射產生系統之光學組件可安裝於一基底板2-105上，該基底板量測有介於約20cm與約40cm之間的長度，介於約10cm與約30cm之間的高度，且具有介於約10mm與約18mm之間的一厚度。在某些實施方案中，基底板之尺寸之長度可係約30cm，高度係約18cm，且厚度係約12mm。在某些實施例中，12mm直徑光學組件(或更小)可用於雷射系統中且部分地凹入至基底板中(如稍後與圖2-2A一起闡述)，使得包含光學組件及相關聯光學架座之雷射產生系統之一總體厚度可介於4cm與約6cm之間。根據某些實施例，由雷射產生系統佔據之一體積可係約30cm×18cm×5cm或約0.1ft3。
一脈衝雷射可包括處於雷射腔之一輸出端之一輸出耦合器1-111、一增益介質1-105及處於雷射腔之一相對端之一可飽和吸收器鏡(SAM)1-119。可在雷射腔內存在多個鏡以摺疊光學軸1-125且使雷射腔之長度延伸來達成一所要脈衝重複率。亦可在雷射腔內存在射束整形光學器件(例如透鏡及/或曲面鏡)以更改腔內雷射射束之一大小及/或形狀。
根據某些實施例，輸出耦合器1-111可係具有10-5(刮痕與刺孔)之一表面品質及至多λ/10之一波前誤差之一高品質雷射光學器件。輸出耦合器之一個表面可塗佈有一多層介電質以提供針對雷射產生波長λ1之介於約75%與約90%之間的一反射率。輸出耦合器之一第二表面可塗佈有一抗反射塗層，且可以相對於反射性表面之一角度定向。輸出耦合器上之塗層可係二向色的，以便以可忽略反射而透射來自一個二極體泵雷射之一泵波長λp，該二極體泵雷射可用於激發增益介質1- 105。輸出耦合器可安裝於一個兩軸可調整架座中，該兩軸可調整架座提供圍繞兩個正交軸、相對於入射光學軸1-125之角度調整。在某些實施例中，輸出耦合器可安裝於一不可調整架座上。
增益介質1-105可包括安裝於一導熱架座(例如，一銅區塊)中之一釹摻雜材料，該導熱架座將熱耗散至基底板2-105中。為改良自增益介質至銅區塊之熱轉移，可將增益介質包裹在改良至導熱架座之熱轉移之銦箔或任何其他適合材料中。在某些情形中，增益介質及導熱架座可安裝於一熱電冷卻器(TEC)上，該熱電冷卻器可將熱散至基底板2-105中。TEC可提供對增益介質之溫度控制。在某些實施方案中，增益介質可包括具有介於約3mm與約10mm之間的一長度之釩酸釹(例如，Nd3+：YVO4)。釹摻雜劑位準可介於約0.10%與約1%之間。晶體之端小面可針對雷射產生波長λ1(其對於釩酸釹可係約1064nm)而經抗反射塗佈。增益介質1-105可在其中增益介質之端小面具有以至雷射腔之光學軸1-125之介於約1度與約3度之間的一角度定向之法向向量的一定向中而安裝於一不可調整架座(不提供精細角度或位置調整之一架座)中。
可飽和吸收器鏡1-119可包括一多層半導體結構(例如，一多量子井)及一高反射器。半導體結構可展現出非線性光學吸收。舉例而言，SAM可在低光強度下展現較高吸收，且在高光強度下可漂白或展現極少吸收。半導體結構可與SAM中之高反射器間隔開，使得半導體結構位於由光場形成的入射於高反射器上且自高反射器反射之一光駐波之大約一峰值強度下。一SAM之一實例係可自德國耶拿市(Jena)之BATOP Optoelectronics GmbH購得之部件號SAM-1064-5-10ps-x。由於SAM之非線性光學吸收，因此雷射優先地以一脈衝操作模式(經被動鎖模)操作。在某些實施方案中，一SAM可安裝於一旋轉及/或橫向定位之架座中，使得SAM之表面可沿橫向於光學軸1-125之一方向移 動。萬一SAM受到損壞，則可將該SAM移動及/或旋轉，使得腔內射束經聚焦至SAM之一未經損壞區域上。在其他實施例中，SAM可安裝於一不可調整架座上。
為激發增益介質1-105，來自一泵模組2-140中之一雷射二極體之一連續波輸出(藉由圖2-1A中之黑色點線指示)可使用一耦合透鏡2-142而聚焦至增益介質中。在某些實施例中，來自雷射二極體之一射束可具有一矩形或方形剖面且可稍微發散(例如，介於約5度與約10度之間)。在某些實施方案中，耦合透鏡2-142之一焦距可介於約20mm與約30mm之間。未經吸收泵輻射可通過一雷射腔轉向鏡2-115且在一射束集堆2-116中被吸收。
在其他實施例中，其他激發源可用於泵激增益介質1-105，且本發明並不限於雷射二極體。在某些實施例中，一光纖或光纖耦合雷射可用於泵激脈衝雷射1-110之增益介質1-105。一光纖雷射可包括作為由一或多個雷射二極體泵激之光纖雷射腔之一部分的一主動光纖。一光纖耦合雷射可包括一或多個雷射二極體，該一或多個雷射二極體使其輸出耦合至一光纖中。來自一光纖(其攜載來自光纖雷射或光纖耦合雷射之光能量)之一輸出射束可使用用於一雷射二極體之相同或類似光學器件而經引導至增益介質且經聚焦至增益介質中。來自一光纖之一光射束可比直接來自一高功率雷射二極體泵源之一射束具有一更加圓形、均質及/或高斯(或頂帽形)空間量變曲線。在某些實施例中，泵源可或可不安裝於除基底板2-105之外的一夾具上，且攜載泵能量之光纖之一端可附接至脈衝雷射上之一架座(該架座位於與增益介質1-105相同或相對之基底板之側上)，或可自雷射腔結構遠端安裝。
耦合透鏡2-142之焦距、泵射束之大小及距增益介質1-105之透鏡之距離判定增益介質中之泵射束之大小(剖面尺寸)。在實施例中，增益介質中之泵射束之大小大致匹配(例如，在15%以內)至增益介質中 之雷射射束之一模式場大小。可主要藉由雷射腔內之一曲面鏡2-117之一焦距、增益介質中之泵射束之腰寬及增益介質距曲面鏡之一距離來判定增益介質中之雷射射束之模式場大小。在某些實施例中，一曲面鏡2-117之一焦距可介於約200mm與約300mm之間。
根據某些實施例，增益介質1-105中之泵射束之位置係藉由泵模組2-140中之可調整架座而在兩個自由度中(沿橫向於雷射腔之光學軸1-125之方向)調整。此等可調整架座係在脈衝雷射腔外側。用於泵射束之可調整架座可用於使泵射束轉向以使增益介質1-105中之雷射射束重疊且改良雷射之泵激效率。
為利用SAM 1-119中之非線性光學吸收，一聚焦透鏡2-123接近SAM而併入至雷射腔中。根據某些實施例，聚焦透鏡2-123之一焦距介於約70mm與約130mm之間，且SAM大約位於聚焦透鏡2-123之焦距處。聚焦透鏡減小SAM上之腔內雷射射束之光點大小，從而提升其強度。
發明者有些令人驚訝地發現，針對某些雷射腔組態，SAM上之雷射射束之光點大小對曲面鏡2-117與雷射之輸出耦合器1-111之間的距離之改變比對聚焦透鏡2-123與SAM 1-119之間的距離之改變更敏感。此結果與曲面鏡2-117與聚焦透鏡2-123之間的延伸之腔長度有關。延伸之腔長度包括多個高反射性光學器件2-121(例如，具有介於約99.9%與約99.999%之間的反射性)，該等高反射性光學器件使光脈衝在基底板2-105上來回反彈，從而增加曲面鏡2-117與聚焦透鏡2-123之間的行進距離。沿著此延伸之腔長度，雷射射束可經大致準直。曲面鏡2-117與輸出耦合器1-111之間的距離之改變可影響在延伸之腔中之準直，且增加之腔長度使聚焦透鏡2-123處之射束大小之改變放大。此放大又比聚焦透鏡2-123與SAM 1-119之間的距離之改變更強烈地影響SAM中之光點大小。
在某些實施例中，可與輸出耦合器1-111及/或曲面鏡2-117一起包含精細位置控制(例如，一微定位載台)以提供輸出耦合器與曲面鏡之間的距離之操作調諧。由於曲面鏡2-117之焦距可具有一規定公差(例如，±2mm)，因此精細位置控制之一範圍可在包含曲面鏡之規定焦距公差之至少一範圍內延伸。在某些實施方案中，可不與輸出耦合器1-111及/或曲面鏡2-117一起包含精細位置控制。替代地，可在安裝之前判定曲面鏡之焦距，且因此曲面鏡位於腔中。在某些情形中，輸出耦合器1-111可安裝於一不可調整架座上，且曲面鏡2-117可安裝於一個兩軸傾斜調整架座上。在某些實施例中，用於曲面鏡之可調整架座可係脈衝雷射腔中之唯一可調整架座，當雷射正在操作且在調整雷射射束時提供兩個自由度時，該可調整架座可被調整。因此，脈衝雷射可僅具有經由位於腔端鏡之間的曲面鏡架座之僅在兩個自由度內之操作調整。在圖2-1中繪示之雷射腔之剩餘光學組件可安裝於不可調整架座上。使用不可調整架座及僅一個可調整架座可使脈衝雷射在操作期間更可靠且更穩健，且減少脈衝雷射中之光學組件之漂移及不對準。
在某些實施例中，可在雷射腔中包含額外元件。舉例而言，可在聚焦透鏡2-123之前及/或在聚焦透鏡2-123之後(在圖2-1A中繪示為在聚焦透鏡之前)包含一腔內射束轉向模組2-130。腔內射束轉向模組可包括經抗反射塗佈光學平面，該等經抗反射塗佈光學平面可圍繞兩個正交軸、相對於雷射射束成角度以沿兩個方向平移雷射射束。當一腔內射束轉向模組2-130之光學平面位於聚焦透鏡2-123之前時，雷射射束之平移將主要引起雷射射束於SAM 1-119上之入射角之一改變。針對位於聚焦透鏡之後的光學平面，雷射射束之平移將主要引起SAM上之雷射射束之位置之一改變。在某些實施方案中，一腔內射束轉向模組2-130可用於提供腔對準之自動化精細調諧(例如，基於來源於雷 射之平均功率或其他脈衝操作特性之回饋信號之自動化調諧及/或對準)。在某些情形中，一腔內射束轉向模組可用於將SAM上之雷射射束重新定位(例如，萬一SAM受到損壞，則將雷射射束移動於一焦點處)。
根據某些實施例，並非使用旋轉光學平面用於雷射射束之腔內重新對準，另一可能性係在增益介質1-105中誘發不對稱熱梯度，此可影響增益介質內之熱透鏡化。增益介質1-105中之不對稱熱梯度可在腔內雷射射束通過增益介質時導致其小的角度偏離。在某些實施方案中，一或多個溫度控制裝置(例如，電阻加熱元件、TEC冷卻器或其之一組合)可耦合至增益介質之一或多個邊。根據某些實施例，增益介質1-105可具有熱耦合至增益介質之四個面(四個縱向邊緣)之四個可獨立操作之加熱元件。熱耦合可包括位於一溫度控制裝置與增益介質之面之間的熱環氧樹脂或銦箔。每一溫度控制裝置亦可包含至處於溫度控制裝置之一相對側上之一散熱器(諸如雷射區塊)之熱耦合。在某些情形中，位於增益介質之第一相對面上之一第一對溫度控制裝置中之一或多者可提供沿法向於兩個第一相對面之方向(例如，±x方向)之射束偏離。位於增益介質之一對正交第二相對面之一第二對溫度控制裝置中之一或多者可提供沿正交方向(例如，±y方向)之射束偏離。藉由選擇性地更改溫度控制裝置處之溫度，腔內雷射射束可經轉向且經重新對準。轉向及重新對準可改變SAM 1-119上之腔內射束之位置。在某些情形中，曲面鏡2-117或一腔端鏡可另外經調整以將腔內雷射射束重新對準。
在某些實施例中，一脈衝雷射1-110可提供用於雷射內之光學組件中之一者或幾者之可調整架座。一可調整架座可允許一操作者在雷射正產生雷射時精細地調整光學組件之位置及/或定向，使得可針對穩定性、射束品質、輸出功率及/或脈衝特性而調諧雷射之操作。可 (舉例而言)藉由對鏡架座之測微計調整及/或精細帶螺紋螺絲調整來達成精細調諧。在某些實施例中，一脈衝雷射1-110可包含僅用於輸出耦合器1-111(角度調整)、曲面鏡2-117(位置及角度調整)及SAM 1-119(角度調整)中之一或多者之可調整架座。在某些實施方案中，耦合透鏡2-142可包含一可調整定位架座。雷射腔之剩餘光學組件可在製造期間在固定不可調整架座中對準。下文與圖2-2A一起闡述一經整合自對準之不可調整架座之一實例。
發明者已認識並瞭解到，雷射1-110之穩定之脈衝操作可針對增益介質1-105中與SAM 1-119上之腔內雷射射束之相對光點大小之一範圍而發生。舉例而言，增益介質中之一最小射束腰寬與SAM上之一經聚焦射束腰寬之一比率可介於約4：1與約1：2之間。根據某些實施例，增益介質中之一射束半徑(1/e2強度值)可介於約20μm與約200μm之間，且SAM上之一射束半徑(1/e2強度值)可介於約50μm與約200μm之間。針對此等範圍外部之比率及射束半徑，脈衝操作可變得不穩定且雷射可Q切換，此可損壞SAM。根據某些實施例，SAM之一規格可係其飽和通量，且SAM上之經聚焦雷射射束之一強度可與飽和通量成比例。舉例而言，經聚焦雷射射束之強度可介於SAM之飽和通量之大約1倍與10倍之間。
發明者已認識並瞭解到，脈衝雷射之平均功率及/或光譜特性可決定穩定之鎖模操作。舉例而言，若在鎖模操作期間雷射之平均功率下降低於一特定值，則在SAM中可不存在用以支持鎖模之足夠非線性光學吸收。然後，雷射可Q切換且損壞SAM。在某些情形中，雷射之平均輸出功率之快速波動可指示雷射除鎖模之外正進行Q切換，此可損壞SAM。在某些實施例中，可包含一感測器2-154(例如，一光電二極體)且該感測器經配置以感測由雷射1-110產生之光功率。若經感測平均雷射功率漂移低於一預設定位準或偵測到功率波動，則可執行一 自動化腔對準常式以恢復功率及/或可關閉雷射以進行修理。
如可瞭解，雷射腔光學器件之對準可由於鏡之高數目而係困難的。在某些實施例中，一脈衝雷射可包含沿著雷射腔之光學軸定位(例如，介於曲面鏡2-117與聚焦透鏡2-123之間)之安裝特徵2-118(例如，螺絲孔及/或配準特徵)。安裝特徵2-118可經組態以接納其中可安裝一第二輸出耦合器之一光學架座。當光學架座及第二輸出耦合器處於適當位置時，雷射可經對準以在一經縮短雷射腔之情況下以連續波模式產生雷射。第二輸出耦合器可傳輸少量功率(例如，2%或任何其他適合值)且提供一雷射射束，該雷射射束可用於將經插入光學架座與SAM 1-119之間的雷射之光學組件對準。一旦此等剩餘組件經對準，經插入光學架座即可經移除，使得雷射1-110可經調諧以在完全腔長度之情況下以脈衝模式操作。
發明者已認識並瞭解到，來自二極體泵模組2-140之熱可不利地影響脈衝雷射1-110之操作。舉例而言，來自二極體泵模組2-140之熱可使基底板2-105之一顯著面積變暖且隨著時間改變雷射腔光學器件之對準。為避免由來自二極體泵雷射之熱引起之有害效果，可透過一孔2-145而將二極體泵模組2-140安裝於基底板2-105中。根據某些實施例，來自雷射二極體之一射束可經引導(沿自頁出來之一方向)至在二極體泵模組2-140內以45°定向之一個二向色鏡且該二向色鏡位於脈衝雷射之輸出射束路徑2-125上。二向色鏡可包含可將雷射二極體之泵射束對準至增益介質1-105及雷射腔之光學軸之調整。
在某些實施例中，二極體泵模組2-140可使用熱絕緣安裝硬體而附接至基底板2-105。舉例而言，耐綸螺絲可用於附接二極體泵模組且耐綸或陶瓷墊圈可經放置於基底板與二極體泵模組之安裝表面之間。在某些實施方案中，小的不銹鋼螺絲(例如，4-40或更小之螺絲大小)可與耐綸或陶瓷墊圈一起使用。另外，二極體泵模組之TEC、 冷卻翼片及/或強制氣冷可實施於基底板2-105之一反向側上，使得熱經傳導離開基底板及雷射腔光學器件。根據某些實施例，二極體泵模組2-140可位於基底板2-105之一邊緣之約2cm內，且經耗散熱(舉例而言)藉由一風扇朝向該邊緣且遠離基底板而引導。基底板2-105可另外充當一風幕，從而在基底板之一側上保護雷射光學器件及雷射腔免受其中熱經移除之該板之反向側上之空氣流或紊流。在某些實施方案中，一TEC可連接至回饋及控制電路且用於將二極體泵雷射維持於一所要操作溫度下。
在圖2-1B中展示包含一脈衝雷射1-110之一經部分裝配可攜式儀器1-100之一實例。在相片中亦可見其上安裝有一生物光電子晶片1-140之一印刷電路板1-130。一射束轉向模組1-150亦可附接至PCB 1-130。在此實施例中，脈衝雷射之光學器件安裝於具有諸多螺孔之一光學試驗電路板上。在某些實施例中，脈衝雷射之某些光學器件可安裝於形成於基底板2-105中之經整合自對準之光學架座中。
在圖2-2A中繪示一經整合自對準之光學架座2-210之一實例。一經整合光學架座2-210可包括經機械加工或以其他方式形成至一脈衝雷射1-110之基底板2-105中之一軸向溝渠2-220。軸向溝渠2-220可沿平行於脈衝雷射腔之一光學軸之一方向延伸。一經整合光學架座可進一步包括大致橫向於軸向溝渠2-220形成之共面表面2-230。可藉由沿大致正交於軸向溝渠2-220之一方向機械加工或碾磨一短溝渠而形成該等共面表面。在某些情形中，共面表面可以一小角定向，使得自一經安裝光學器件之背向反射將自雷射腔之光學軸位移。在軸向溝渠2-220之基底處可存在傾斜表面2-240(在圖2-2A中僅一個傾斜表面可見)。傾斜表面2-240可經機械加工、經碾磨或以其他方式接近軸向溝渠之基底形成且位於軸向溝渠2-220之相對側上。傾斜表面可沿朝向共面表面2-230之一方向偏斜，且為安裝於其上之一光學器件提供支 撐。
一脈衝雷射之(舉例而言)一光學組件2-250可由經整合光學架座2-210支撐，如在圖2-2B中所繪示。光學器件2-250可(舉例而言)包括一腔鏡、雷射腔內之一透鏡或增益介質1-105。在某些情形中，光學器件2-250可單獨地安裝於經整合光學架座2-210中，如在圖式中所繪示。在其他實施例中，一光學器件可安裝於可經放置於經整合光學架座2-210中之一支撐夾具(例如，一環形板、一可調整架座)內。
根據某些實施例，一光學組件2-250或支撐夾具可包含配準至且擱靠經整合光學架座2-210之共面表面2-230之一平坦表面。光學器件或夾具可藉由一柔性保持裝置(例如，安裝於可經緊固至基底板之一棒條、一撓性塑膠棒條或臂等上之一O形環)而保持於經整合架座中。柔性保持裝置可接觸光學器件2-250或支撐夾具之一頂部邊緣，且可沿朝向偏斜表面2-240及共面表面2-230之方向將力施加於光學器件或夾具上。光學器件2-250或支撐夾具之一下部邊緣可接觸偏斜表面2-240上之點。偏斜表面2-240亦可提供抵靠光學器件或夾具之一力，該力具有部分地朝向共面表面2-230引導之一組分。偏斜表面2-240處之接觸點及朝向共面表面2-230引導之力可使光學器件或夾具自對準至雷射腔內之一所要定向及位置。在某些實施方案中，一光學器件或支撐夾具可在一經對準定向中接合於經整合光學架座中(例如，運用一黏合劑)。
根據某些實施例，一或多個經整合光學架座2-210可形成於一脈衝雷射1-110之一基底板中。在某些情形中，一軸向溝渠2-220可延伸穿過數個經整合光學架座，如在圖2-2A中所繪示。在一經整合光學架座之有利特徵當中係脈衝雷射之光學軸之一降低。此可減少可以其他方式耦合至自基底板之一表面延伸之光學架座中且藉由該等光學架座放大之機械振動之影響，並且可減少可以其他方式藉由自基底板之一 表面延伸之光學架座之運動放大的熱膨脹(例如，基底板2-105之稍微翹曲)之影響。
再次參考圖2-1，一脈衝雷射1-110之一輸出可透過一透鏡2-164而聚焦至一頻率加倍晶體2-170中以使輸出脈衝之光波長減半。舉例而言，脈衝雷射1-110可產生具有約1064nm之一特性波長之脈衝，且頻率加倍晶體2-170可將波長轉換至約532nm。經頻率加倍輸出可用於在生物光電子晶片1-140處激發具有不同發射特性之螢光團。
在某些實施例中，一半波板2-160可安裝於其中其旋轉角受一致動器2-162控制之一可旋轉架座中，且可位於頻率加倍晶體2-170之前的脈衝雷射之輸出光路徑中。根據某些實施例，一致動器2-162可包括一步進馬達、一壓電馬達、具有精密軸承且經組態以使一光學組件旋轉之一電流計、一DC馬達或任何其他適合致動機構。使半波板2-160旋轉可更改雷射之輸出脈衝之偏振且改變頻率加倍晶體2-170中之二次諧波轉換效率。對半波板之控制可然後用於控制經遞送至生物光電子晶片1-140之處於經頻率加倍波長之功率之一量。藉由使半波板(或頻率加倍晶體)旋轉，處於經頻率加倍波長之光功率可在不影響處於基波長之雷射之操作之情況下而在一大範圍內(例如，在一數量級或更多內)精確變化小量。亦即，可在不影響鎖模穩定性、熱耗散及脈衝雷射1-110之其他特性之情況下更改處於經頻率加倍波長之功率。在某些實施例中，可在不影響基本雷射操作之情況下另外或替代地使用其他調整以控制經頻率加倍功率。舉例而言，可以一自動化方式控制頻率加倍晶體2-170上之脈衝雷射射束之一入射角及/或透鏡2-164與頻率加倍晶體之間的距離以更改頻率加倍效率及/或使頻率加倍效率最大化。
在某些實施例中，經頻率加倍輸出脈衝可由一轉向鏡2-180引導至一射束轉向模組1-150。轉向鏡2-180可係二向色的，使得其將未由 頻率加倍晶體2-170降頻轉換之光輻射透射至一射束集堆(未展示)。
在操作中，採用Nd3+：YVO4作為增益介質(其具有7mm之一長度及約0.25%之一摻雜位準)之一脈衝雷射1-110可產生具有大約20ps之一FWHM值之處於1064nm之脈衝。該脈衝在100ps內自脈衝之峰值消退大約80dB。脈衝重複率係大約90MHz，且處於基波長之脈衝雷射之平均功率係約900mW。平均經頻率加倍功率係約300mW。用以操作雷射所需要之AC功率小於約20瓦特。雷射係緊湊的，其佔據小於0.1ft3之一體積，重量為大約10磅，且可易於作為一模組併入至一可攜式分析儀器(諸如用於將DNA定序之一桌上型儀器)中。
可在某些實施方案中使用額外鎖模雷射組態及特徵。圖3-1繪示一緊湊鎖模雷射3-100之僅一項實例。概括而言，一緊湊鎖模雷射可包括一個二極體泵源3-105、增益介質3-107、一頻率加倍元件3-109、一光學延遲元件3-110及兩個雷射腔端鏡TC1及可飽和吸收器鏡3-120。增益介質3-107可在一波長λp處被二極體泵源3-105激發以產生一雷射產生波長λ1處之光發射。頻率加倍元件3-109可將雷射產生波長轉換成處於λ2之一經頻率加倍輸出波長，該經頻率加倍輸出波長係雷射產生波長之一半。
根據某些實施例，所繪示光學泵激雷射產生系統中之任一者之一泵波長λp可介於大約450nm與大約1100nm之間。根據某些實施方案，所繪示雷射產生系統中之任一者之一雷射產生波長λ1可介於大約800nm與大約1500nm之間。在某些情形中，所繪示雷射產生系統中之任一者之一輸出波長λ2可介於大約400nm與大約750nm之間。在某些情形中，一輸出波長λ2可介於大約500nm與大約700nm之間。根據某些實施例，一輸出脈衝持續時間可介於約1皮秒與約100皮秒之間。在某些情形中，輸出脈衝持續時間可介於約1皮秒與約30皮秒之間。
在某些實施例中，針對所繪示雷射產生系統中之任一者之一光 學泵源3-105、增益介質3-107及頻率加倍元件3-109可經選擇以產生一所要輸出波長λ2。舉例而言，若一綠色輸出波長係所要的，則增益介質可係Nd：YAG或Nd：YLF(其分別在1064nm及1053nm下產生雷射)。在某些實施方案中，頻率加倍元件3-109可係KTP或BBO，且泵源可包括在大約800nm下產生雷射之一或多個雷射二極體。其他材料可經選擇以達成其他所要輸出波長λ2。舉例而言，Cr：鎂橄欖石可用作一增益介質，其可在1280nm下產生雷射且經頻率加倍至640nm(處於光學光譜之紅色區域中)。在某些實施例中，Pr：LiYF4可用作增益介質3-107以在不需要頻率加倍之情況下直接在640nm下(在紅色中)產生雷射。發明者已認識並瞭解到，Nd：YVO4可用作一增益介質以在一個或兩個波長1064nm及/或1342nm下產生雷射，該(等)波長可經加倍至532nm(綠色)及/或671nm(紅色)。發明者亦已認識並瞭解到，可在一非線性晶體中執行和頻產生以獲得額外波長。舉例而言，可在一非線性晶體中混合來自Nd：YVO4之處於兩個雷射產生波長之脈衝以產生處於大約594nm之輻射。可透過增益介質、光學泵源、一非線性元件3-109之選擇產生且係用於激發螢光團所關注之額外波長包含但不限於：515nm、563nm、612nm、632nm及647nm。不同增益介質包含但不限於：釹摻雜釔鋁石榴石(Nd：YAG)、鐿摻雜YAG(Yb：YAG)、鐿摻雜玻璃(Yb：玻璃)、鉺摻雜YAG(Er：YAG)或鈦摻雜藍寶石(Ti：藍寶石)。
在某些實施方案中，一緊湊、經二極體泵激鎖模雷射可包括一經修改高功率雷射指標。高功率雷射指標可以適中成本購得，且發明者已認識並瞭解到，此一雷射指標可經修改以形成一緊湊鎖模雷射。舉例而言，一個二向色鏡DC1可插入於一個二極體泵源3-105與雷射增益介質3-107之間。該二向色鏡可替換雷射腔之一端鏡，使得腔長度可經增加以併入額外光學組件。二向色鏡DC1可反射實質上所有雷射 產生波長λ1且透射實質上所有泵波長λp。
一個二向色鏡DC1可允許來自雷射腔之一射束經引導至光學延遲元件3-110。來自光學延遲元件之一輸出可經發送至一可飽和吸收器鏡3-120。可飽和吸收器鏡3-120可經添加以在雷射腔中提供一強度相依損耗元件，該強度相依損耗元件將鎖模雷射指標且產生超快光脈衝。
根據某些實施例，一個二極體泵源3-105提供處於一波長λp之一光學泵射束，由一光學系統OS1之一或多個透鏡對該光學泵射束進行操作且該光學泵射束經引導至增益介質3-107。根據某些實施例，泵波長可介於大約700nm與大約900nm之間。一雷射二極體泵源之一實例係可自中國陝西西安市之FocusLight公司購得之雷射二極體模型FL-FM01-10-808。在某些實施例中，二極體泵源3-105可經熱冷卻以耗散由該泵源產生之熱。舉例而言，一熱電冷卻器(TEC)可經熱耦合至二極體泵源以自二極體總成提取熱。在某些實施方案中，增益介質3-107及/或頻率加倍元件3-109亦可(舉例而言)使用一或多個熱電冷卻器3-103而經溫度控制。
在某些實施方案中，可不使用TEC。替代地，可經歷升高熱階之光學組件(例如，二極體泵源、增益介質、非線性光學元件)可安裝於導熱散熱片上，該等導熱散熱片可傳導及/或耗散來自光學組件之熱。在某些實施例中，散熱片可包括固體銅架座，該等固體銅架座與一光學組件且與一導熱及/或熱耗散支撐板熱接觸。在某些情形中，一導熱膜(例如，一展性銦膜)可經放置於一散熱片與光學組件之間以改良自組件至架座之熱傳導。
一鎖模雷射可進一步包括一第一光學系統OS1，該第一光學系統經組態以將來自泵源3-105之射束重新整形及/或改變該射束之發散度。舉例而言，第一光學系統OS1可增加或減小來自泵源之射束之大 小，使得泵源射束腰寬將大致匹配增益介質處之雷射射束之一射束腰寬。另外或替代地，第一光學系統可將射束之剖面形狀(舉例而言)自橢圓形改變至圓形或一方形形狀射束。在某些實施例中，發明者已發現，來自一個二極體泵源3-105之一方形形狀或矩形形狀射束係用於泵激增益介質3-107所要的，且可顯著地改良鎖模雷射之泵激效率。
在某些實施例中，第一光學系統OS1可包括一或多個圓柱形透鏡。舉例而言，第一光學系統可包括一對交叉圓柱形透鏡。第一圓柱形透鏡可具有一短焦距(例如，小於約5mm)且第二圓柱形透鏡可具有一較長焦距。在某些實施方案中，第一圓柱形透鏡可包括具有小於約150微米之一直徑之光纖之一長度。該第一圓柱形透鏡之焦距可小於500微米。第二圓柱形透鏡可具有介於約5mm與約10mm之間的一焦距。
在某些實施例中，一鎖模雷射腔可包括複數個光學組件，如在圖3-1中所繪示。在某些實施例中，雷射腔之一端可包括一三向色鏡TC1。三色鏡可具有一多層塗層，該多層塗層經設計以反射雷射產生波長λ1及泵波長λp，且傳遞經頻率加倍輸出波長λ2。雷射腔可進一步包含一第二光學系統OS2，該第二光學系統經組態以將來自泵源之射束及至增益介質3-107及非線性光學元件3-109中之雷射射束重新整形及/或改變該等射束之發散度。在某些實施例中，可存在位於增益介質與非線性光學元件之間的一第五光學系統(未展示)。雷射腔可包含上文所闡述之二向色反射器DC1，該二向色反射器將腔內雷射射束反射至光學延遲元件3-110。該光學延遲元件可經組態以給呈一緊湊組態之雷射腔添加光路徑長度。舉例而言，光學延遲元件3-110可包括一光學系統，該光學系統在每一側上量測為小於5cm但是提供大於約40cm之長度的元件內之一光路徑長度。在某些實施例中，一光學延遲元件可給一雷射腔添加光路徑長度之一量，該量大於其上或其中安 置有雷射腔之一基底結構或外殼之任何橫向尺寸。雷射腔可進一步包含包括一或多個透鏡之一第三光學系統OS3，該第三光學系統經組態以重新整形及/或聚焦自光學延遲元件至可飽和吸收器鏡3-120上之射束。雷射腔內之一雷射射束3-101可在三向色鏡TC1與可飽和吸收器鏡3-120之間來回反射。
根據某些實施例，鎖模雷射3-100可進一步包含一輸出光學系統OS4及一光學濾波器F1。該輸出光學系統可經組態以將來自雷射腔之輸出射束重新整形及/或改變該輸出射束之發散度。該濾波器可經組態以吸收或阻擋泵波長λp及雷射產生波長λ1中之一者或兩者。
在操作中，可運用光學系統OS1而將來自二極體泵源之泵射束重新整形以高效地激發增益介質3-107。可飽和吸收器鏡3-120(下文進一步詳細地闡述其之一實例)展現出一強度相依損耗，使得在一低損耗下，低強度被鏡吸收且高強度被鏡反射。由於鏡之強度相依損耗，因此雷射優先地以短的高強度脈衝在一鎖模狀態中操作。在此狀態中，高強度脈衝以低損耗自可飽和吸收器鏡3-120反射。在脈衝操作中，脈衝在雷射腔中之兩個端鏡TC1、3-120之間來回循環，且由頻率加倍元件3-109頻率加倍。以此方式，鎖模雷射產生處於一經加倍波長λ2之一串輸出脈衝。
在圖3-2A至圖3-2D中繪示光學延遲元件3-110之實例。根據僅一項實施例，一光學延遲元件可包括一菱格紋(argyle)區塊，如在圖3-2A之平面圖中所繪示。菱格紋區塊可包括一第一直角稜鏡3-112及一第二直角稜鏡3-114。根據某些實施例，稜鏡之垂直側面可係未經塗佈的，但在其他實施例中該等垂直面可包含高反射性塗層。在某些實施方案中，稜鏡中之一者上之一垂直面之一長度可量測為介於約20mm與約60mm之間。每一稜鏡可由任何適合光學品質玻璃(舉例而言BK-7或熔融矽石)形成。為達成高熱穩定性，延遲元件可由一超低脹 玻璃(諸如可自Corning購得之ULE)形成。稜鏡之側面可經拋光以具有高光學品質，舉例而言，具有λ/10或更佳之一平坦度。
第一稜鏡3-112及第二稜鏡3-114可經偏移且黏合在一起，如在圖式中所繪示。可經由光學接合或使用一光學黏合劑來黏合該等稜鏡。在某些實施方案中，光學延遲元件3-110可藉由切割並拋光而由一單件玻璃形成。雷射腔射束3-101可透過延遲元件之一第一埠進入且在離開菱格紋區塊之一第二埠之前沿著一迂回光路徑(繪示為點線)在內部反射。根據某些實施方案，延遲元件係雙程的以使雷射腔內之元件之光路徑長度加倍。
在圖3-2B中繪示一光學延遲元件3-212之另一實施例。根據某些實施例，光學延遲元件可包括以一矩形形狀形成之一單一光學區塊。延遲元件3-212可包括垂直邊緣面3-230，該等垂直邊緣面使一雷射射束在延遲元件內來回反射，如在圖式中藉由點線所繪示。延遲元件可進一步包含兩個經拋光面，該兩個經拋光面提供用於延遲元件之一進入埠3-232及離開埠2-234。在某些實施例中垂直側面可係未經塗佈的，或在其他實施例中可塗佈有一高反射性塗層(例如，多層塗層)。延遲元件3-212可係雙程的以增加雷射腔內之光路徑長度。在某些實施方案中，延遲元件之一邊緣之一最大長度可量測為介於約20mm與約60mm之間。沿進入頁之一方向量測之區塊之厚度可介於約5mm與約20mm之間。延遲元件3-212可由任何適合光學品質玻璃形成，如上文所闡述。反射性邊緣面可經拋光以具有高光學品質，舉例而言，具有λ/10或更佳之一平坦度。
圖3-2C繪示一光學延遲元件3-214之又一實施例。根據某些實施例，延遲元件可包括一對平面鏡M1、M2，該對平面鏡在其中心處間隔開一距離D且以一輕微角度α相對於彼此偏斜。每一鏡可具有一長度L。根據某些實施例，鏡之間隔D可介於約10mm與約50mm之間。 根據某些實施例，鏡之長度L可介於約20mm與約60mm之間。根據某些實施例，角度α可介於約0°與約10°之間。沿著進入頁之一方向量測之鏡M1、M2之高度可介於約5mm與約20mm之間。鏡M1、M2可由任何適合光學品質玻璃形成，如上文所闡述。鏡之反射性表面可經拋光以具有高光學品質，舉例而言，具有λ/10或更佳之一平坦度。在某些實施方案中，該等反射性表面可塗佈有高品質、高反射性多層塗層且具有大於約99.5%之一反射性。在某些實施例中，反射性可大於約99.9%。在某些實施例中，反射性可大於約99.99%。在某些實施方案中，反射性可大於約99.999%。
在圖3-2D中繪示一光學延遲元件3-216之另一實施例。此實施例可包括類似於在圖3-2C中所繪示之實施例之一固體區塊。根據某些實施方案，一光學延遲元件3-216可包括光學材料之一固體區塊，該固體區塊具有五個表面，如在圖式中所繪示。兩個表面3-234可以一輕微角度α相對於彼此偏斜。該等表面可包含高反射性塗層以使一光射束3-101沿著如在圖式中所指示之一點線路徑在該等表面之間來回反射。延遲元件3-216可進一步包含提供至延遲元件之一進入埠及自延遲元件之離開埠的兩個未經塗佈或抗反射經塗佈表面3-232。根據某些實施例，延遲元件可經配置使得腔內雷射射束3-101以布儒斯特(Brewster)角進入並離開延遲元件。延遲元件3-216可由任何適合光學品質玻璃形成，如上文所闡述。反射性表面3-234可經拋光以具有高光學品質，舉例而言，具有λ/10或更佳之一平坦度。在某些實施方案中，該等反射性表面可塗佈有高品質、高反射性多層塗層且具有大於約99.5%之一反射性。在某些實施例中，反射性可大於約99.9%。在某些實施例中，反射性可大於約99.99%。在某些實施方案中，反射性可大於約99.999%。
在圖3-2A、圖3-2B及圖3-2D中繪示之固體區塊延遲元件3-110、 3-212、3-216之一優點係當插入至雷射腔中時此等元件不需要與多組件延遲元件(諸如圖3-2C之兩個鏡)一樣精確之對準。然而，固體區塊組件在一製造程序期間將需要更仔細，此可導致增加之製造成本。在圖3-2C中所繪示之多組件延遲元件3-214在一製造程序期間將不需要一樣仔細，然而其在經添加至一雷射腔時將需要更仔細及鏡相對於彼此之更精確對準。
可在一緊湊、超短脈衝雷射系統中實施併入有光學延遲元件之其他鎖模雷射設計。圖3-3A至圖3-3C繪示緊湊、超快鎖模雷射之額外實施例。圖3-3A繪示其中頻率加倍元件3-109位於雷射腔外側之一可飽和吸收器鏡(SAM)鎖模雷射3-300之一實施例。類似於與圖3-1一起闡述之鎖模雷射3-100之元件之鎖模雷射之元件係運用類似元件符號編號且不重複其闡述。根據某些實施例，一SAM鎖模雷射可包含一輸出耦合器TC1及一可飽和吸收器鏡3-120作為腔端鏡。輸出耦合器可包括一三向色鏡，該三向色鏡經組態以傳遞泵波長λp且對雷射產生波長λ1及經頻率加倍波長λ2係高度反射性的。在某些實施例中，輸出耦合器TC1可透射介於約2%與約15%之間的雷射產生波長λ1。一個二向色鏡DC2可位於雷射腔中以將泵波長λp穿過增益介質3-107向後反射且將雷射產生波長λ1透射至延遲元件3-110。來自雷射腔之輸出射束可經引導至可位於雷射腔外側之頻率加倍元件3-109。可包含一濾波器F1以阻擋雷射產生波長及視情況泵波長。
圖3-3B繪示根據某些實施例之一非線性鏡鎖模(NMM)雷射3-302之一實施例。此實施例可或可不使用一可飽和吸收器。替代地，一頻率加倍元件3-109及二向色鏡DC2可提供導致雷射之鎖模之一強度相依損耗機構。類似於與圖3-1一起闡述之鎖模雷射之元件之鎖模雷射之元件係運用類似元件符號編號且不重複其闡述。
根據某些實施例，一NMM雷射腔可包含充當一輸出耦合器之一 三向色鏡TC1及充當針對一經頻率加倍波長λ2之一高反射器之一個二向色鏡DC2。三向色鏡TC1可經組態以傳遞泵波長λp並且對雷射產生波長λ1係高度反射性的且對經頻率加倍波長λ2係高度反射性的。雷射腔可包含一額外三向色反射器TC2，該額外三向色反射器經組態以將泵波長穿過增益介質向後反射且傳遞雷射產生波長及經頻率加倍波長。雷射產生波長λ1可入射於頻率加倍元件3-109上，在頻率加倍元件3-109處雷射產生波長λ1在雷射腔內經轉換成經頻率加倍波長λ2。二向色反射器DC2可展現對經頻率加倍波長λ2之一高反射性。舉例而言，其可反射介於約95%與約100%之間的經頻率加倍波長，及介於約60%與約75%之間的雷射產生波長λ1。由於雷射產生波長之較高損耗，因此雷射將更趨向於在具有高強度之脈衝之一鎖模狀態中操作，此乃因此等高強度脈衝可藉由頻率加倍元件3-109更高效地轉換成經加倍頻率且更高效地自二向色鏡DC2反射。經頻率加倍波長λ2可然後自鎖模雷射與二向色鏡DC1耦合。
圖3-3C繪示經組態以產生兩個經頻率加倍輸出波長λ3、λ4之一緊湊鎖模雷射之又一實施例。在某些實施方案中，增益介質3-308可包括Nd：YVO4且雷射腔中之光學元件上之塗層可經工程設計有反射值及透射值以提供處於1064nm及1342nm波長之同步雷射產生。可運用(舉例而言)位於雷射腔外部之一加倍元件3-109來將此等波長頻率加倍。
根據某些實施例，一雙波長鎖模雷射可類似於在圖3-3A中所繪示之SAM鎖模雷射而配置。然而，用一三向色鏡TC1替換第一二向色鏡，且用一第三三向色鏡TC3替換第二二向色鏡。另外，已選擇可在兩個波長λ1、λ2下產生雷射之一增益介質。此外，可飽和吸收器鏡3-325已經修改以展現出處於該兩個雷射產生波長之強度相依損耗。
根據某些實施例，三向色鏡TC1可經組態以將一泵波長高效地反 射至增益介質3-308且將兩個雷射產生波長λ1、λ2傳遞至頻率加倍元件3-109。三向色鏡TC3可經組態以將泵波長λp穿過增益介質3-308向後反射，且將兩個雷射產生波長λ1、λ2傳遞至延遲元件3-110且繼續傳遞至可飽和吸收器鏡3-325。SAM 3-325及三向色鏡TC2可係雷射腔之端鏡。當被泵源激發時，雙波長雷射可在兩個雷射產生波長上鎖模。
在圖3-1及圖3-3A至圖3-3C中所繪示之鎖模雷射系統可或可不配置於如在圖式中所繪示之一直線性組態中。在某些實施方案中，可在不脫離本發明之範疇之情況下用處於各種角度且在不同幾何形狀組態中之額外鏡摺疊腔。形成於光學元件上之反射性塗層及透射性塗層將根據針對其設計塗層之對應雷射產生射束、泵射束及經頻率加倍射束之入射角而工程設計。舉例而言，經工程設計達成對以法向射束入射之一特定波長之高反射率的一塗層將針對以45°入射於一鏡上之相同波長之一射束具有一不同設計。在某些實施例中，可針對一特定射束入射角而修整塗層。
現在將闡述一雙波長可飽和吸收器鏡3-325之細節。根據某些實施例，在圖3-4A中繪示可形成於一半導體基板3-405上之一雙波長SAM。基板3-405之一表面可包含一高反射率塗層3-430。在某些實施方案中，該高反射率塗層可包括一多層介電質塗層。在某些情形中，一高反射率塗層可包括一金屬塗層。一第一多量子井結構3-412可形成於基板上，距高反射率塗層一距離d 1 。一第二多量子井結構3-410可經形成距高反射率塗層3-430一第二距離d 2 。根據某些實施例，第一多量子井結構及第二多量子井結構可由一中間半導體層3-407分離。可或可不存在毗鄰第二多量子井結構3-410形成之一或多個額外層3-409。來自雷射腔之光可入射於可飽和吸收器鏡之一第一表面3-402上。
根據某些實施例，基板3-405、中間層3-407及一或若干額外層3- 409中之一或多者可包括矽或其他半導體材料。根據某些實施例，多量子井結構3-412、3-410可藉由磊晶生長或原子層沈積而形成。多量子井結構可由交替具有包括以下元素中之一或多者之組成之材料層而形成：In、Ga、As、Al、P。
圖3-4B繪示根據某些實施例之一能帶隙圖，該能帶隙圖經標繪為隨距在圖3-4A中所繪示之可飽和吸收器鏡3-325之高反射率表面3-430之距離而變。第一多量子井結構3-412可形成一第一能帶隙BG2，且第二多量子井結構3-410可形成一第二能帶隙BG4，如在圖式中所繪示。第一能帶隙及第二能帶隙可小於周圍區域之帶隙BG1、BG3及BG5。第一能帶隙BG2可經工程設計以可飽和地吸收一第一雷射產生波長λ1，且第二能帶隙BG4可經工程設計以可飽和地吸收第二雷射產生波長λ2。第一雷射產生波長及第二雷射產生波長可通過具有更大帶隙之周圍區域，從而具有極少或不具有衰減。
第一多量子井結構3-412及第二多量子井結構3-410之位置可經定位以分別與自反射性表面3-430反射之第一雷射產生波長λ1及第二波長λ2之強度波腹大致對準，如在圖3-4C中所繪示。所圖解說明強度波腹3-442、3-441可經定位距高反射率表面3-430距離d1及d2。所圖解說明強度波腹可並非唯一強度波腹，且可在所圖解說明波腹與高反射率表面之間存在更多強度波腹以及距高反射率表面更遠之額外強度波腹。根據某些實施例，具有一較小帶隙BG2之多量子井結構3-412將較接近於高反射率表面3-430而定位。此可允許較長波長λ1在不被明顯衰減之情況下通過第二多量子井結構3-410。作為僅一項實例，第一多量子井結構3-412可經工程設計以具有大致對應於1342nm之一波長之一帶隙BG2，且第二多量子井結構3-410可經工程設計以具有對應於大約1064nm之一帶隙BG4。以此方式，可提供針對兩個雷射產生波長之強度相依損耗，以便產生處於兩個雷射產生波長之鎖模。
再次參考圖3-3C，當在操作中時，一雙波長雷射3-304可產生同時處於兩個雷射產生波長λ1、λ2之超快脈衝。處於兩個不同波長之脈衝之重複率將取決於雷射腔內之每一波長之光路徑長度。由於在雷射腔中存在雷射產生射束必須通過之光學元件(例如，增益介質3-308、三向色鏡TC3、光學系統OS2、光學延遲元件3-110)且由於每一元件中之折射率可針對兩個波長不同，於是雷射腔內之第一雷射產生波長及第二雷射產生波長之光路徑長度將不同。光路徑長度之一差別可導致兩個不同脈衝重複率，此針對某些應用可係不合意的。
在某些實施例中，兩組多量子井緊密定位在一起，使得來自一個雷射之光輻射可影響兩個量子井中之載子密度。該等量子井可經設計以具有對應於λ1及λ2之吸收狀態。量子井之交叉飽和可有助於使來自兩個雷射源之脈衝之時序同步。
為避免產生處於兩個不同脈衝重複率之脈衝串，發明者已認識並瞭解到，應在雷射腔內包含一補償光學系統以使兩個雷射產生波長之光路徑長度大致相等。參考圖3-5A，發明者已認識並瞭解到，一單一路徑長度補償元件3-500(諸如一端鏡或輸出耦合器)可經工程設計以補償一雷射腔內之兩個雷射產生波長之光路徑長度之差別。根據某些實施例，一輸出耦合器可在輸出耦合器之一第一側上包含針對一第一雷射產生波長的在一第一表面3-552處之一第一二向色高反射率塗層，且在輸出耦合器之一第二側上包含在一第二表面3-554處之一第二二向色高反射率塗層。針對一輸出耦合器，針對各別波長之每一塗層之反射性可介於約70%與約98%之間，且每一塗層可透射98%以上的另一波長。在其中一端鏡用作補償元件之實施例中，每一塗層之反射性可大於98%。
補償元件3-500之材料及厚度t可經選擇以補償針對第一雷射產生波長及第二雷射產生波長之雷射腔之光路徑長度之差別。作為一實例 且在不受限於任何特定理論之情況下，可根據以下關係選擇補償元件之厚度t：
Figure 105115896-A0202-12-0050-2
 其中δ opl (λ 1 ,λ 2)表示針對第一雷射產生波長λ1及第二雷射產生波長λ2處之脈衝之雷射腔中之光路徑之差別，且nλ1及nλ2分別表示針對第一雷射產生波長及第二雷射產生波長之補償元件之基板(介於反射性塗層之間)之群指數之值。最初可藉由至輸出耦合器3-500之第一表面3-552之量測而估計雷射腔之光路徑差別δ opd (λ 1 ,λ 2)。脈衝分離間隔T可用於較準確地判定一腔長度。第一表面可朝向雷射腔而定向。無論哪個雷射產生波長在雷射腔中具有更短光路徑差別，其皆將經選擇以雙程通過補償元件之基板至第二表面3-554。舉例而言，若波長λ2處之脈衝在腔中具有一更短光路徑，則在等式1中使用nλ2之值。自第二表面3-554反射之脈衝在耦合器3-500中採取額外光路徑，而處於另一雷射產生波長之脈衝自第一表面3-552反射。經添加用於處於一個雷射產生波長之脈衝之額外光路徑可補償雷射腔中之其他光路徑差別。
在某些情形中，補償元件3-500之厚度t可小於約1mm。此一薄基板可不適合於一高品質雷射腔鏡。舉例而言，可難以在一薄基板上製造或保持一光學平坦表面(例如，具有λ/10或更佳之一平坦度)。在某些實施例中，補償元件3-502可形成於一支撐基板3-556上或接合至該支撐基板，如在圖3-5B中所繪示。支撐基板可包括毗鄰補償元件之一光學平坦表面(例如，具有λ/10或更佳之一平坦度)。在某些實施方案中，一補償元件可光學接觸至或運用光學黏合劑黏合至支撐基板3-556。
在某些實施例中，一補償元件可形成於一支撐基板3-556上。舉例而言，一第一高反射率多層塗層3-562可形成於支撐基板3-556上。 然後，一中間層3-564可沈積至一厚度t。中間層可在某些實施例中藉由一物理沈積程序，或在某些情形中藉由一汽相沈積程序沈積。在某些實施方案中，中間層3-564可或可不在沈積之後經拋光至一光學平坦表面。隨後，一第二高反射率多層塗層3-566可形成於中間層3-564上。
朝向雷射腔之補償元件之第一反射性塗層可係一個二向色塗層，該二向色塗層高度反射一第一雷射產生波長且高度透射第二雷射產生波長。舉例而言，第一反射性塗層3-566可反射介於約85%與約98%之間的第一雷射產生波長λ1，且可透射約98%以上的第二雷射產生波長λ2。第二反射性塗層3-562可高度反射第二雷射產生波長，且可或可不高度透射第一雷射產生波長。若一補償元件3-500、3-502用作一腔端鏡，則第二反射性塗層(距雷射腔之中心最遠)可對兩個雷射產生波長係高度反射性的。此一塗層可製造起來較容易且較不昂貴的。若一補償元件3-500、3-502用作一輸出耦合器，則第二反射性塗層可對一個雷射產生波長係高度反射性的且對另一波長係高度透射性的。
發明者已認識並瞭解到，熱加熱效應及/或雷射腔內之光學元件上之機械應力可係可影響一緊湊鎖模雷射之效能之一顯著因素。在某些實施方案中，熱加熱可出現於泵源3-105、增益介質3-107及/或頻率加倍元件3-109處。關於增益介質，發明者已認識並瞭解到，必須在安裝增益晶體時格外仔細。一架座應允許熱耗散，且亦避免機械地加應力於晶體。在圖3-6中展示根據某些實施例之用於一增益晶體之一安裝結構3-600之一實例。所繪示架座經設計用於具有一方形剖面之一增益介質，但該架座可經設計用於諸如矩形或多邊形之其他剖面。增益介質可具有沿著進入頁之一方向延伸之一長度L。
根據某些實施例，用於一增益介質之一安裝結構3-600可包括經 組態以在一夾緊配置中接合在一起之一第一部分3-620及一第二部分3-622。舉例而言，第一部分及第二部分可含有用於螺絲之通孔3-640，該等通孔允許該兩個部分緊固至一支撐基底板且經放置成與該支撐基底板熱接觸。第一部分3-620及第二部分3-622可由一高導熱材料(諸如銅或鋁)形成，但在其他實施例中亦可使用其他材料。第一部分及第二部分可具有數個內部面3-615，該等內部面經配置以經放置成與一雷射腔之一增益介質熱接觸。根據某些實施例，可存在位於其中可定位有增益介質之隅角之架座之區域處之溝渠或開口3-630(例如，當增益介質安裝於安裝結構3-600中時)。溝渠或開口3-630可減少將原本在增益介質上誘發之機械應力及/或熱應力。溝渠或開口可在增益介質之一隅角位置之任一側上延伸介於約1mm與約3mm。發明者已發現，增益介質之隅角處之開口可減輕可原本使增益介質破裂及/或不利地影響雷射之光學模式量變曲線之熱應力及機械應力。
在某些實施方案中，安裝結構3-600之第一部分3-620及第二部分3-622可經熱冷卻，例如，接觸至熱電冷卻器。根據某些實施例，第一部分可經可控制地冷卻至不同於第二部分之一溫度或反之亦然，使得可跨越增益介質建立一溫度梯度。此差動控制可用於(例如)出於對準目的或為調諧脈衝操作而在雷射腔內轉向雷射射束。
發明者已進一步認識並瞭解到，耗散熱之安裝結構可不利地影響一雷射腔之光學對準。舉例而言，用於一增益介質或二極體泵源3-105之一安裝結構3-600可緊固至一脈衝雷射之其他光學元件緊固至之一基底板。一安裝結構可將熱耗散至基底板中，且該熱可導致膨脹及/或翹曲或基底板之其他變形。因此，基底板之運動可使雷射腔之光學元件不對準且不利地影響雷射效能。
根據某些實施例，需要顯著熱耗散之一安裝結構或一脈衝雷射之組件可安裝於一經部分隔離平台3-710上，如在圖3-7A中之平面圖 中所繪示。該平台可部分地隔離至一脈衝雷射之一基底板中之熱耗散。在圖3-7B及圖3-7C中繪示平台之立面圖。根據某些實施方案，一經部分隔離平台3-710可藉由一機械加工程序而形成於一基底板3-705中。舉例而言，基底板3-705可係材料之一固體區塊之一部分，其經機械加工以形成用於一緊湊鎖模雷射之一外殼。一或多個溝渠或溝槽3-730可穿過基底板3-705經機械加工以形成經部分隔離平台3-710。此等溝槽可延伸穿過基底板3-705(如在圖3-7C中所繪示)且將平台3-710與基底板3-705部分地分離且熱隔離。舉例而言，熱無法容易地自平台耗散至基底板中。
可在形成溝槽3-730之機械加工程序之後留下複數個支撐突片3-720。該等支撐突片提供對平台3-710之機械支撐，並且提供至基底板3-705之部分熱傳導。根據某些實施方案，平台3-710之一下部表面可熱接觸至一熱電冷卻器(未展示)。在各種實施例中，支撐突片3-720相對於平台之厚度在中心定位於平台3-710之上部表面與下部表面之間，如在圖3-7B中所繪示。舉例而言，支撐突片3-720可位於基底板3-705之一中性機械平面中，如在圖3-7B中所圖解說明。相對於平台及基底板之厚度在中心定位支撐突片3-720可減少在基底板3-705與平台3-710之間賦予之平面外熱-機械應力之量。減少經耗散至基底板中之熱之量且減少平面外應力可減少基底板之翹曲及雷射腔中之其他光學組件之非所要相對運動。在某些實施例中，支撐突片包括撓曲部件，該等撓曲部件允許平台相對於基底板3-705移動(例如)以適應由平台誘發之熱機械應力。某些雷射組件(例如，增益介質3-107)之運動可不如其他組件(例如，腔鏡)一樣多地影響雷射之操作，且因此可被容許。平台3-710之部分熱機械隔離可改良雷射之穩定性，且減少由一熟練操作者進行調整之需要。
根據某些實施例，一或多個平台3-710可用於支撐一脈衝雷射中 之高溫元件。舉例而言，一第一平台3-710可用於支撐一個二極體泵源3-105或泵模組2-140，且一第二平台可用於支撐一雷射增益介質3-107、1-105。在某些實施方案中，一第三平台可用於支撐一非線性元件3-109、2-170。
在某些實施例中，可使用在不同特性波長下操作之多個脈衝雷射。發明者已認識並瞭解到，來自兩個雷射之脈衝串可在不具有機電回饋控制電路之情況下係同步的。在某些實施例中，來自一第一鎖模雷射之一脈衝串可用於自一第二連續波雷射產生脈衝，如在圖3-8A中所繪示。一第一雷射1-110a可產生處於一第一特性波長λ1之一第一串脈衝3-820a。來自脈衝之某些能量可經由一第一非線性光學元件3-830處之二次諧波產生(SHG)轉換成二次諧波。處於基波長之剩餘能量可由一第一二向色鏡DC1引導至一第二雷射3-800中，該第二雷射包括一第一端鏡DC2、用於和頻產生(SFG)之一第二非線性光學元件3-840、一增益介質3-810及第二端鏡DC3。端鏡可係二向色鏡，其對一第二雷射產生波長λ2係高度反射性的且可透射其他波長。舉例而言，端鏡可具有針對第二雷射產生波長之大於99%之反射性值，且可透射第一雷射產生波長λ1。第二雷射3-800亦可包含一三向色反射器TC1，用於增益介質之一泵波長λp可穿過該三向色反射器而引入至腔中。
根據某些實施例，第二雷射3-800可以連續波模式操作。因此，第二雷射單獨地將不產生脈衝。另外，由於第二雷射之腔鏡具有高反射性值，因此腔內功率可由於雷射不需要在其操作波長λ2處在腔外部提供功率而係極高的。高腔內功率可然後用於和頻產生，其中脈衝自第一雷射1-110a注入至腔中以產生處於第三波長λ3之一脈衝串3-820c。由於第二雷射3-800以一連續波模式操作，因此第二雷射之腔長度不與一脈衝重複率相關，因此可不需要腔長度控制。此外，由於經由SFG之脈衝產生係藉由來自第一雷射1-110a之脈衝而判定，因此 處於和頻波長λ3之所產生脈衝自動地與來自第一雷射之脈衝同步，且不需要兩個脈衝串之電子同步。將仍需要與儀器電子器件之同步。
圖3-8B繪示其中一個雷射以連續波模式操作之一個兩雷射系統之一替代實施例。在此系統中，SFG在SHG之前發生。在某些情形中，和頻產生之效率可小於二次諧波產生，使得首先執行SFG可係有利的使得第一雷射脈衝之強度更高。
針對採用經由非線性光學元件之波長轉換以獲得一所要波長之雷射實施例，非線性光學元件可經支撐於架座中，該等架座允許光學元件相對於通過光學元件之一光射束軸之角度調整。角度調整可允許非線性元件旋轉至一相位匹配角度以達成高轉換效率。角度調整可(例如)在製造時藉由調整螺絲手動地進行且然後經由一膠合、樹脂或其他方法固定。在某些實施例中，角度調整可並非係固定的，使得一使用者或技師可在需要時進行進一步調整。
發明者已設想用於有助於使來自兩個雷射(其中至少一個雷射包含一可飽和吸收器)之脈衝串同步之額外方法。圖3-9繪示一個兩雷射系統3-900，其中來自一第一鎖模雷射1-110a之一漂白脈衝串3-820b經引導至一第二鎖模雷射3-910之一可飽和吸收器鏡3-120。該第二鎖模雷射可包括一增益介質3-810及輸出耦合器OC1。第二雷射之增益介質可與第一雷射之增益介質相同。
根據某些實施例，漂白脈衝串3-820b可藉由一分束器BS1自第一雷射之一主輸出脈衝串3-820a而分割。當漂白脈衝串射至可飽和吸收器鏡時，其將在每一脈衝期間輔助可飽和吸收器鏡之漂白(減少可飽和吸收器鏡之光損耗)。此短的損耗減少將影響第二雷射3-910中之光脈衝3-820c之形成及時序。在各種實施例中，漂白脈衝應在空間上對準至用第二雷射射束照射之可飽和吸收器鏡之區域。由於第二雷射3-910之光脈衝一旦形成亦將漂白可飽和吸收器，因此期望當兩個雷射 正在穩態中操作時，該等光脈衝與來自第一雷射之脈衝同時射至可飽和吸收器鏡3-120。因此，一機電控制電路3-920可用於控制第二雷射之腔長度(及脈衝重複率)。
在圖3-10中繪示用於控制一腔長度之一機電控制電路3-1000之一實例。其他實施例可使用不同信號處理電路。在某些實施方案中，可用兩個光偵測器3-1010、3-1012偵測來自兩個雷射之脈衝。光脈衝可係(舉例而言)用分束器分出之雷射射束之部分或者來自雷射腔內之光學組件之雜散反射、散射或殘餘透射。來自光偵測器之信號可用放大器3-1020、3-1022來放大，且用低通或帶通濾波器3-1030、3-1032來波器。一可變相位延遲3-1034可包含於一個信號路徑中以允許兩個信號正交地混合。放大器可包括運算放大器或射頻放大器且可係數位或類比的。濾波器可係數位濾波器或類比濾波器，且可產生實質上對應於兩個雷射之脈衝重複率之基頻或諧波頻率之正弦輸出。來自兩個濾波器之輸出可然後在混合器3-1040處混合以產生和頻及差頻。
根據某些實施例，來自混合器之一輸出可用一低通濾波器(未顯示)來濾波以產生一DC信號，此提供與兩個頻率之間的相移成比例之一誤差信號。DC信號位準可經提供至一機電控制電路3-920且經監測以判定腔長度匹配之程度。當腔長度匹配時，DC信號位準可接近一零值。當腔長度不匹配時，DC信號位準之量值可增加，且控制電路3-920可產生至一致動器3-930之一控制信號，該致動器移動一腔端鏡(舉例而言)以減小DC信號位準之量值。
在某些實施例中，可替代一機電控制電路中之一混合器3-1040而使用一鎖相迴路。舉例而言，來自濾波器3-1030、3-1032之正弦或數位化方形波信號可經施加至一鎖相迴路之一相位偵測器。來自相位偵測器之一輸出可經濾波且經提供至一機電控制電路3-920。
Ⅱ.B.鎖模半導體雷射
在某些實施方案中，半導體雷射二極體可經鎖模以提供一低成本超快脈衝源。根據某些實施例，鎖模雷射二極體可產生處於一所要波長(例如，處於藍色、綠色或紅色波長)之脈衝，該等脈衝將直接用於探測樣本或進行量測。在某些情形中，由一雷射二極體產生之脈衝可經轉換成另一波長(例如，經頻率加倍)以供在探測或量測應用中使用。舉例而言，一鎖模雷射二極體可產生處於紅外線波長之脈衝，且此等脈衝可經頻率加倍至光學光譜之藍色、綠色或紅色區域。
在圖4-1中繪示一鎖模雷射二極體4-100之一項實施例。一鎖模半導體雷射可包括一雷射二極體4-105及一可飽和吸收器鏡3-120。根據某些實施例，雷射腔之端可藉由形成於半導體雷射二極體4-105之一端上之一反射性塗層4-112及可飽和吸收器鏡3-120而界定。雷射腔可包含一第一光學系統OS1，該第一光學系統將來自雷射二極體之一光射束重新整形及/或改變該光射束之發散度。雷射腔可進一步包含一第二光學系統OS2，該第二光學系統可將腔內射束重新整形及/或將該腔內射束聚焦至可飽和吸收器鏡中。在某些實施例中，雷射腔可包含一光學延遲元件3-110。該光學延遲元件可係上文與圖3-2A至圖3-2D一起闡述之一延遲元件之任何實施例。一鎖模雷射二極體可產生一波長λ1處之雷射且產生具有短於約100ps之持續時間之一串超快脈衝。
在某些實施方案中，一雷射二極體4-105可在一光學波導結構之任一端上包含光學塗層。可藉由任何適合沈積程序(諸如一汽相沈積程序或一物理沈積程序)形成光學塗層4-110、4-112。在某些實施方案中，雷射二極體之一第一端可包含充當雷射腔之一輸出耦合器之一部分透射性塗層4-112。透射性塗層4-112可將雷射產生射束之一部分透射至腔外側以提供一串超快脈衝。根據某些實施例，塗層4-112之透射率可介於大約2%與大約15%之間，且其反射性可介於約98%與約85%之間。雷射二極體4-105之一相對端可塗佈有一抗反射塗層4- 110，以便允許來自雷射二極體之大部分輻射在不具有顯著反射之情況下傳遞至雷射腔中。舉例而言，抗反射塗層4-110可反射小於1%的雷射產生波長λ1。
在某些實施例中，用於一鎖模雷射二極體4-200之可飽和吸收器可與一半導體雷射二極體一起整合於同一晶片上，如在圖4-2中所繪示。舉例而言，一可飽和吸收器4-665可經整合至其上形成有雷射二極體4-620之一基板上。雷射腔可包括一光學系統OS1，該光學系統將來自雷射二極體之射束重新整形及/或改變該射束之發散度。在某些實施例中，光學系統OS1可係雷射腔中之唯一光學系統，該光學系統用於改變腔中之射束之形狀及/或發散度。雷射腔亦可包含一光學延遲元件3-110及一輸出耦合器OC1。輸出耦合器可包括一分束器，該分束器將雷射產生射束之一部分透射至腔外側且將大部分雷射產生射束在雷射腔內向後反射。根據某些實施例，輸出耦合器OC1之透射率可介於大約2%與大約15%之間。如上文所闡述，與可飽和吸收器4-665相對之雷射二極體4-620之一端可包含一抗反射塗層。可飽和吸收器可包含一高反射性塗層，該高反射性塗層將來自雷射二極體之大多數輻射向後反射至雷射腔中。
在圖4-3中繪示一鎖模雷射二極體4-300之另一實施例。在此實施例中，一光纖4-320用作雷射腔之一光學延遲元件。根據某些實施例，雷射腔可包含一可飽和吸收器4-665及毗鄰該可飽和吸收器之一高反射率塗層，該可飽和吸收器及該高反射率塗層經整合至與一雷射二極體4-620相同之一基板上。雷射腔可進一步包含用於將來自雷射二極體4-620之輻射耦合至光纖4-320中之一光學耦合組件4-310。根據某些實施例，一光輸出耦合元件4-330可位於光纖4-320之一第二端處且經組態為用於雷射腔之一輸出耦合器。
在某些實施方案中，光學耦合元件4-310可包括光學黏合劑。舉 例而言，光纖4-320可使用該光學黏合劑對準至且黏合至雷射二極體之一端。光纖端可接合於其中來自雷射二極體之一波導區域之輻射較高效地耦合至光纖中之一位置處。在某些實施例中，光學耦合元件4-310可包括一球型透鏡或一漸進型折射率(GRIN)透鏡。根據某些實施例，在光纖之一相對端處之輸出光學耦合元件4-330之一表面可包含一反射性塗層4-332以便提供自雷射腔之輸出耦合。在某些實施方案中，輸出耦合元件4-330可包括一球型透鏡或GRIN透鏡。在某些實施例中，輸出耦合元件4-330可包括接近光纖4-320之一端安裝之一透鏡。
在圖4-1至圖4-3中所圖解說明之鎖模雷射二極體之所繪示實施例中之任一者可或可不包含一波長轉換元件3-109。根據某些實施例，一波長轉換元件可包括對準至來自雷射腔之一射束之一頻率加倍晶體，或可包含用於參數轉換或四波混合之一非線性元件。在某些實施例中，一非線性元件可包括一週期性極化材料(諸如鈮酸鋰)，該週期性極化材料可經整合於與雷射二極體相同之一基板上。
鎖模雷射二極體之使用對於不需要高量之功率(舉例而言，超過約300mW之功率位準)之某些實施例可係有利的。鎖模雷射二極體之一個優點係其緊湊大小及在雷射中使用之光學元件之數目之一減少。由於雷射產生介質可係極小的(例如，寬度小於5mm)，因此在某些實施例中使用鎖模雷射二極體陣列可係可能的。在某些實施方案中，一鎖模雷射二極體陣列可共用共同光學元件。舉例而言，兩個或兩個以上雷射二極體可共用一或多個光學元件(例如，一光學延遲元件3-110，光學系統OS1、OS2及可飽和吸收器鏡3-120中之一或多者)。
Ⅱ.C.鎖模光纖雷射
根據某些實施例，亦可使用鎖模光纖雷射來產生超快脈衝。在圖5-1至圖5-3中繪示鎖模光纖雷射之某些實例。一鎖模光纖雷射可包 含在二極體泵激固態雷射中所使用之光學元件，如上文所闡述且在圖3-3A至圖3-3C中所繪示。然而，在一鎖模光纖雷射中，增益介質包括一定長度的光纖5-120，該光纖亦可提供用於雷射腔之一光學延遲元件。根據某些實施例，一個二極體泵源3-105可提供耦合至光纖5-120之一端中之一泵波長λp，如在圖5-1中所繪示。在某些實施方案中，一光纖雷射腔可藉由一第一二向色端鏡DC1及導致光纖雷射之被動鎖模之一可飽和吸收器鏡3-120而界定。
參考圖5-1且根據某些實施例，一鎖模光纖雷射5-100可包括一第一光學系統OS1，該第一光學系統經組態以將一輸出射束自一個二極體泵源3-105耦合至充當用於雷射之一增益介質之一光纖5-120中。在某些實施方案中，來自二極體泵源3-105之射束可耦合至光纖之包層中以激發光纖5-120之芯及增益介質。一第二光學系統OS2可經配置以耦合來自光纖之輻射(例如)以形成一雷射產生波長λ1處之一射束。雷射腔可進一步包含接近光纖5-120或在光纖5-120之一端處定位之一個二向色鏡DC2，如在圖式中所繪示。第二二向色鏡DC2可將大多數雷射產生波長λ1透射至可飽和吸收器鏡3-120，且將大部分泵波長λp穿過光纖向後反射。舉例而言，第二二向色鏡DC2可透射約98%以上的雷射產生波長且反射約98%以上的泵波長。可在雷射腔外側包含介於泵源與光纖之間的一第三二向色鏡DC3，且該第三二向色鏡可用於引導來自光纖雷射5-100之一輸出雷射射束。根據某些實施方案，該第三二向色鏡可透射大多數(例如，約98%以上)泵波長λp且反射大多數(例如，約98%以上)雷射產生波長λ1。
在圖5-2中繪示一鎖模光纖雷射5-200之另一實施例。在某些實施方案中，光學耦合元件可經製作或接合於光纖5-120之相對端處。舉例而言，一第一光學元件5-210可接合至光纖之一第一端或形成於該第一端上。第一光學元件可包括直接附接或運用一支撐結構附接至光 纖之一端之一球型透鏡或一漸進型折射率透鏡。另外，第一光學元件5-210可包含一個二向色塗層，該二向色塗層透射大多數(例如，約98%以上)泵波長λp且反射大多數(介於約98%與約85%之間)雷射產生波長λ1。因此，第一光學元件5-210可包括用於光纖雷射5-200之一輸出耦合器。
在某些實施例中，第二光學元件5-220可包括形成於光纖之一端上之一個二向色塗層，該二向色塗層經工程設計以透射大多數(例如，約98%以上)雷射產生波長λ1且將大多數(例如，約98%以上)泵波長λp向後反射至光纖中。在某些實施例中，第二光學元件5-220可包括直接附接或運用一支撐結構耦合至光纖之一端之一球型透鏡或一GRIN透鏡。舉例而言，一GRIN透鏡可運用一光學黏合劑而黏合至光纖之一端，且GRIN透鏡之一曝露端可塗佈有一個二向色塗層，該二向色塗層經工程設計以透射大多數(例如，約98%以上)雷射產生波長λ1且將大多數(例如，約98%以上)泵波長λp向後反射至光纖中。根據某些實施例，可存在用於將泵輻射自雷射二極體3-105耦合至光纖中之一第一光學透鏡系統OS1，及用於將來自光纖之輻射聚焦至可飽和吸收器鏡3-120上之一第二光學透鏡系統OS2。
圖5-3繪示一鎖模光纖雷射5-300之又一實施例。此一實施例可包括比在上文所闡述之光纖雷射之先前實施例中少的光學元件。根據某些實施方案，光纖雷射腔可藉由位於光纖5-120之一端處之一光學稜鏡5-310及位於光纖之一相對端處之一可飽和吸收器鏡3-120而界定。光學稜鏡5-310可包含覆蓋有一第一二向色塗層5-312之一第一表面。該第一二向色塗層可透射大多數(例如，約98%以上)泵源波長λp且反射大多數(例如，約98%以上)雷射產生波長λ1。光學稜鏡5-310之一第二表面可包含一第二二向色塗層5-314，該第二二向色塗層經組態以透射大多數(例如，約98%以上)泵波長λp且將大多數(例如，介於約85 %與約98%之間)雷射產生波長λ1向後反射至光纖中。第二二向色塗層5-314可充當用於光纖雷射之一輸出耦合器。舉例而言，第二二向色塗層5-314可透射介於大約2%與大約15%之間的雷射產生波長λ1。根據某些實施例，可存在位於光纖5-120之一相對端處之一輸出耦合元件5-220。輸出耦合元件5-220可將來自光纖之雷射產生輻射耦合至可飽和吸收器鏡3-120。在某些實施例中，光纖輸出耦合元件可包括黏合至光纖之一端之一球型透鏡或一漸進型折射率透鏡。在某些實施方案中，輸出光學耦合元件5-220可包含一個二向色塗層，該二向色塗層經工程設計以透射大多數雷射產生輻射λ1且將大多數泵輻射λp向後反射至光纖中。輸出光學耦合元件5-220可耦合去往及來自可飽和吸收器鏡3-120之雷射產生輻射λ1，且可或可不與SAM接觸。
Ⅱ.D.經增益切換雷射
在某些實施例中，經增益切換雷射可用作用於一分析儀器1-100之一脈衝雷射1-110。經增益切換雷射通常具有比鎖模雷射長之脈衝，但可具有較少複雜性且以較低成本製造。當樣本之螢光生命期具有較長衰變速率(例如，大於約5ns)時，經增益切換雷射可係有用的。
發明者已設想用於自雷射二極體及發光二極體產生短及超短光脈衝之脈衝器電路及技術。已在某些實施方案中採用脈衝產生電路及技術來對半導體雷射進行增益切換且以最高達100MHz之重複率(T短至10奈秒)產生具有大約1W之峰值功率之一串~85皮秒(ps)脈衝(FWHM)。在某些實施例中，一單極或雙極電流波形可由一脈衝器電路產生且用於以激發光脈衝且抑制脈衝之尾部處之發射之一方式驅動一雷射二極體之增益介質。在某些實施例中，一單極或雙極電流波形可由一脈衝器電路產生且可用於驅動一或多個發光二極體以輸出短或超短光脈衝。
出於闡述雷射二極體中之增益切換之目的，圖6-1A至圖6-1C經包含以圖解說明與增益切換相關聯之雷射動力學。圖6-1A圖解說明根據某些實施例之表示施加至一經增益切換雷射之一增益介質之泵功率的一泵功率曲線6-110。如所繪示，泵功率可經施加至一雷射腔中之增益介質達一短暫持續時間(經繪示為大約0.6微秒)。針對一半導體雷射二極體，泵功率之施加可包括跨越雷射二極體之一p-n接面或多量子井(MQW)而施加一偏壓電流。泵功率脈衝可以經規則間隔之時間間隔(舉例而言，以一脈衝分離間隔或脈衝重複時間T)而重複地施加。
在泵功率脈衝之施加期間，雷射腔中之光增益增加直至該增益開始超過該腔中之光損耗為止。在此點之後，雷射可開始產生雷射(亦即，藉由經刺激發射之程序放大通過增益介質之光子)。放大程序引起雷射光之一快速增加及增益介質中之經激發狀態之空乏以產生如所繪示之至少一個輸出脈衝6-130。在某些實施例中，泵功率脈衝6-110經定時以在與輸出脈衝之峰值發生大致相同之時間處關斷。關斷泵功率脈衝會終止進一步雷射產生，使得輸出脈衝6-130淬滅。在某些實施例中，輸出脈衝6-130可具有比泵脈衝6-110短之一持續時間，如在圖式中所繪示。舉例而言，由增益切換產生之一輸出脈衝6-130可小於泵脈衝6-110之持續時間之1/5。
若泵功率脈衝不被關斷，則可發生在圖6-1B中繪示之動力學。在此情形中，經繪示為一步進函數之泵功率曲線(經展示為泵電流密度)6-140表示施加至一半導體雷射之電流密度。圖展示增益介質係藉由一泵激電流密度激發，此在雷射二極體之增益區域中產生一載子密度N。在時間t=0處施加約兩倍於一雷射產生臨限電流密度I th 之泵電流密度I，且然後使其繼續。該圖展示半導體增益區域之載子密度N增加直至雷射之光增益超過腔中之損耗為止。在此點之後，一第一脈衝6- 161累加(從而使載子密度及光增益空乏至小於腔損耗之一值)且被發射。隨後，一第二脈衝6-162累加，載子密度N且被發射。載子密度之累加及空乏重複達數個循環直至雷射穩定成連續波操作為止(例如，在此實例中係在約7奈秒之後)。脈衝(脈衝6-161、脈衝6-162及後續脈衝)之循環被稱為雷射之鬆弛振盪。
發明者已認識並瞭解到，當對一雷射進行增益切換以產生超短脈衝時之一挑戰係避免持續鬆弛振盪之有害效應。舉例而言，若一泵功率脈衝6-110未足夠快速地終止，則至少一第二光脈衝6-162(由於鬆弛振盪)可在雷射腔中開始累加且將一尾部6-172添加至一經增益切換輸出脈衝6-170，如在圖6-1C中所繪示。發明者已認識並瞭解到，此一尾部在某些應用(諸如目的在於基於螢光生命期來區分螢光分子之應用)中可係不合意的。若一激發脈衝之尾部未充分快速地減少，則除非採用波長濾波，否則激發輻射可壓製一偵測器。替代地或另外，一激發脈衝上之一尾部可繼續激發一螢光分子且可使螢光生命期之偵測複雜。
若一激發脈衝之尾部充分快速地減少，則可在螢光發射期間存在可忽略激發輻射。在此等實施方案中，可不需要在螢光發射之偵測期間對激發輻射進行濾波以偵測螢光發射且區分螢光分子生命期。在某些情形中，激發濾波之消除可顯著簡化一分析系統1-160且減少該分析系統之成本並且允許用於該系統之一較緊湊組態。舉例而言，當不需要一濾波器以在螢光發射期間抑制激發波長時，激發源及螢光偵測器可緊鄰近定位(例如，在一相同電路板或積體裝置上，且甚至在彼此之幾微米內)。
發明者亦已認識並瞭解到，在某些情形中，一激發脈衝上之一尾部可被容許。舉例而言，一分析系統1-160可具有容易地允許一波長濾波器併入至一偵測光路徑中之一光學組態。波長濾波器可經選擇 以拒絕激發波長，使得一偵測器自一生物樣本接收可量化螢光。因此，來自脈衝光源之激發輻射不會壓製經偵測螢光。
在某些實施例中，一螢光分子之發射生命期τ可根據某些實施例藉由一1/e強度值表徵，但在某些實施例中亦可使用其他度量(例如，1/e2、發射半衰期等)。當用於激發螢光分子之一激發脈衝具有小於螢光分子之生命期之一持續時間時，判定一螢光分子之生命期之準確性得以改良。較佳地，激發脈衝具有比螢光分子之發射生命期小至少三分之一之一FWHM持續時間。具有一更長持續時間之一激發脈衝或具有可感知能量之一尾部6-172可在正評估衰變之發射之一時間期間繼續激發螢光分子，且使螢光分子生命期之分析複雜。為改良在此等情形中之螢光生命期判定，可使用解迴旋技術來使來自經偵測螢光之激發脈衝量變曲線解迴旋。
在某些情形中，使用超短脈衝來激發螢光分子以便減少螢光分子或樣本之淬滅可係較佳的。已發現，一螢光分子之經延伸泵激可使螢光分子隨著時間漂白及/或損壞，然而較短持續時間內之較高強度(即使針對於分子上之相同總量之能量)可不如在較低強度下之經延長曝露對螢光分子具有損壞性。減少曝露時間可避免或減少對螢光分子之光誘發損壞，且增加螢光分子可在一分析系統1-160中被使用之時間量或量測次數。
在某些應用中，發明者已發現激發脈衝快速終止(例如，在自脈衝之峰值經過約250ps內)至低於脈衝之峰值功率位準達至少約40dB之一功率位準係合意的。某些實施例可容許更小量之功率減少，例如，在約250ps內達到介於約20dB與約40dB之間的減少。某些實施例可需要在約250ps內進行類似或更高量之功率減少，例如，介於約40dB與約80dB之間(在某些實施例中)或介於約80dB與約120dB之間(在某些實施例中)。在某些實施例中，可需要在約100ps內自泵激脈 衝之峰值達到的此等位準之功率減少。
根據某些實施例，脈衝分離間隔T(參見圖1-2)亦可係一脈衝雷射系統之一重要態樣。舉例而言，當使用一脈衝雷射來評估及/或區分螢光分子之發射生命期時，激發脈衝之間的時間較佳地長於經檢查螢光物種之任何發射生命期以便允許一發射生命期之充分準確判定。舉例而言，一後續脈衝應不在自前一脈衝激發之一經激發螢光分子或螢光分子總體具有一合理量之時間發螢光之前到達。在某些實施例中，間隔T需要係足夠長的以判定在激發脈衝之終止之後且在下一激發脈衝之前的激發一螢光分子之一激發脈衝與由該螢光分子發射之後一光子之間的一時間。
儘管激發脈衝之間的間隔T應係足夠長的以判定螢光物種之衰變性質，但脈衝分離間隔T係足夠短的以允許在一短時間週期中進行諸多量測亦係合意的。以實例方式而非限制方式，在某些應用中使用之螢光分子之發射生命期(1/e值)可處於約100皮秒至約10奈秒之範圍內。因此，取決於所使用之螢光分子，可使用短至約200ps之一脈衝分離間隔，然而針對較長生命期螢光分子，可使用大於約20奈秒之一脈衝分離間隔T。因此，根據某些實施例，用於激發用於螢光生命期分析之螢光之激發脈衝可具有介於約25皮秒與約2奈秒之間的FWHM持續時間。
在其中一經整合時域成像陣列用於偵測螢光且提供用於生命期分析之資料及一視覺顯示之某些應用(諸如螢光生命期成像)中，脈衝分離間隔T可不必短於成像系統之一圖框速率。舉例而言，若在一單一激發脈衝之後存在充足螢光信號，則可不需要用於一成像圖框的在多個激發脈衝內之信號累積。在某些實施例中，脈衝光源1-110之一脈衝重複率R p 可與成像系統之一圖框速率R f 同步，使得一脈衝重複率可慢至約30Hz。在其他實施例中，脈衝重複率可明顯地高於圖框速 率，且一影像中之每一像素之螢光衰變信號可係在多個激發脈衝之後的經積分值。
在圖6-2A中繪示一經增益切換脈衝雷射6-200之一實例。根據某些實施例，一脈衝雷射6-200可包括形成於一基板6-208上之一商業或定製半導體雷射二極體6-201。一雷射二極體可經封裝於包含一電連接器6-224之一外殼6-212中。可存在隨封裝一起包含之一或多個光學元件6-205(例如，一或多個透鏡)以將來自雷射之一輸出射束重新整形及/或改變該輸出射束之發散度。雷射二極體6-201可由一脈衝器電路6-210驅動，該脈衝器電路可經由一連接電纜6-226及至少一個導線6-220將電流脈衝之一序列提供至二極體6-201。來自脈衝器電路6-210之驅動電流可產生一串光脈衝6-222，該串光脈衝自雷射二極體發射。
根據某些實施例，一雷射二極體6-201可包括一半導體接面，該半導體接面包括具有一第一導電類型(例如，p型)之一第一層6-202及具有一相反導電類型之一第二層6-206。可存在形成於第一層與第二層之間的一或多個中間層6-204。舉例而言，中間層可包括多量子井(MQW)層，其中自第一層及第二層注入之載子重新組合以產生光子。在某些實施例中，中間層可包含電子及/或電洞阻擋層。在某些實施方案中，雷射二極體可包括無機材料及/或有機半導體材料。材料可經選擇以獲得一所要發射波長。舉例而言且針對無機半導體，Ⅲ族氮化物組合物可用於在小於約500nm之波長下發射之雷射，且Ⅲ族砷化物或Ⅲ族磷化物組合物可用於在大於約500nm之波長下發射之雷射。可使用任何適合類型之雷射二極體6-201，包含但不限於一垂直腔表面發射雷射(VCSEL)、一邊緣發射雷射二極體或一板條耦合光學波導雷射(SCOWL)。
根據某些實施例，可替代一經增益切換雷射二極體而使用一或 多個脈衝LED。脈衝LED對於時差測距、3-D成像及螢光成像應用可係有用的。一LED可具有低於一LD之一強度，因此可使用多個LED。由於一LED不經歷與雷射產生動作相關聯之鬆弛振盪或動力學，因此其輸出脈衝可係為較長持續時間且具有比一雷射原本發生的寬之一光譜頻寬。舉例而言，輸出脈衝可介於約100ps與約2ns之間，且光譜頻寬可係約20nm或更大。在某些實施方案中，來自一LED之輸出脈衝可介於約100ps與約500ps之間。較長激發脈衝對於激發具有較長衰變時間之螢光分子可係可接受的。另外，一LED可產生一未經偏振或經部分偏振輸出射束。在脈衝光源之某些實施方案中，下文所闡述之脈衝器電路之實施例可用於驅動一或多個LED。
使用LED之一個優點係其與雷射二極體相比之較低成本。另外，LED提供可較佳地適合於成像應用之一較寬廣(通常不同調的)光譜輸出(例如，一LED可產生較少光學干擾假影)。針對一雷射二極體，同調輻射可在成像應用中引入光斑，除非採取措施以避免所收集影像中之光斑。此外，LED可將激發波長延伸至紫外線中(例如，減小直至約240nm)，且可用於激發生物樣本中之自發螢光。
發明者已認識到，某些習用雷射二極體系統包括可如在圖6-2B中所繪示地模型化之電流驅動器電路。舉例而言，電流驅動器6-210可包括經組態以將電流脈衝遞送至一雷射二極體之一脈衝電壓源6-230。通常透過一電纜6-226、配接器或連接器6-224及接合至雷射二極體6-201上之一接觸墊之一單一導線6-220形成至雷射二極體之連接。配接器6-224與雷射二極體之間的連接可包含一串聯電感L1及串聯電阻R1。連接亦可包含與接觸點及/或二極體接面相關聯之小接面電容(未展示)。
發明者已認識並瞭解到，增加導線接合(例如，介於連接器6-224與雷射二極體6-201之間)之數目可減少連接至一雷射二極體6-201之電 感及/或電阻。電感及/或電阻之此一減少可達成雷射二極體之較高速度電流調變及較短輸出脈衝。根據某些實施例，可用多個平行導線接合替換一單一導線接合6-220以改良一雷射二極體之速度。舉例而言，導線接合之數目可增加至三個或三個以上。在某些實施方案中，可存在至一雷射二極體之最高達50個導線接合。
發明者已研究增加導線接合6-220之數目對一商業雷射二極體之影響。所考量之一實例性商業雷射係現在可自加利福尼亞州賽普裡斯(Cypress)之Ushio購得之一Oclaro雷射二極體(模型HL63133DG)。在圖6-2C中圖解說明來自增加導線接合之一數目之數值模擬之結果。該模擬將導線接合之數目自用於商業裝置之一單一接合(曲線6-250)增加至三個導線接合(曲線6-252)及36個導線接合(曲線6-254)。針對三種不同情形在一頻率範圍內判定遞送至雷射二極體之平均驅動電流(針對一固定18V脈衝)。結果指示導線接合之一更高數目允許以更高頻率將更多電流遞送至雷射二極體。舉例而言，在1GHz處，僅使用三個導線接合(曲線6-252)允許將比針對一單一導線接合多四倍以上的電流遞送至雷射二極體。由於短及超短脈衝需要較高頻寬(用以形成短脈衝較高頻率分量)，因此添加多個導線接合允許比一單一導線接合高之頻率分量以便以比一單一導線接合短之一脈衝驅動雷射二極體。在某些實施方案中，多個導線接合可在一雷射二極體上之一單一接觸墊或多個接觸墊與一雷射二極體封裝上之一配接器或連接器6-224之間延伸。連接器可經組態用於連接至一外部標準化電纜(例如，連接至一50歐姆BNC或SMA電纜)。
在某些實施例中，導線接合之數目及導線接合組態可經選擇以匹配連接至雷射二極體之配接器及/或電纜之一阻抗。舉例而言，根據某些實施例，導線接合之阻抗可匹配至一連接器6-224之阻抗以減少自雷射二極體至電流驅動器之功率反射。在其他實施例中，導線接 合之阻抗可有意地不匹配二極體之輸入阻抗。該不匹配可在正電流驅動脈衝之間產生一負脈衝。選擇用於一雷射二極體之一封裝方法(例如，選擇自一配接器至一雷射二極體之導線接合之一數目)可改良以較高頻率供應至雷射二極體之電流調變。此可使雷射二極體對高速增益切換信號更具回應性，且可達成較短光脈衝、在脈衝峰值之後光功率之較快減少及/或增加之脈衝重複率。
現在參考圖6-3，發明者已進一步認識並瞭解到，將一雙極脈衝波形6-300應用於一雷射二極體可抑制所產生光脈衝上之一非所要發射尾部6-172(參見圖6-1C)。一雙極脈衝亦可用於縮短來自一LED之一光脈衝。一雙極脈衝可包括一第一極性之一第一脈衝6-310，後續接著一相反極性之一第二脈衝6-312。第二脈衝6-312之量值可不同於第一脈衝之量值。在某些實施例中，第二脈衝可具有大約等於或小於第一脈衝6-310之一量值。在其他實施例中，第二脈衝6-312可具有大於第一脈衝6-310之一量值。
在某些實施例中，第二脈衝之量值可介於第一脈衝之量值之約10%與第一脈衝之量值之約90%之間。在某些實施方案中，第二脈衝之量值可介於第一脈衝之量值之約25%與第一脈衝之量值之約90%之間。在某些情形中，第二脈衝之量值可介於第一脈衝之量值之約50%與第一脈衝之量值之約90%之間。在某些實施例中，第二脈衝中之能量之一量可介於第一脈衝中之能量之一量之約25%與第一脈衝中之能量之約90%之間。在某些實施方案中，第二脈衝中之能量之一量可介於第一脈衝中之能量之一量之約50%與第一脈衝中之能量之約90%之間。
第一驅動脈衝可使一雷射二極體接面正向偏壓且藉此在二極體作用區域中產生載子，該等載子可重新組合以產生一光脈衝。極性相反之第二驅動脈衝6-312可使二極體接面反向偏壓且加速載子自作用 區域之移除以終止光子產生。當第二電脈衝6-312經定時以在與第二鬆弛振盪脈衝(參見圖6-1B之脈衝6-162)大致相同之時間處發生或就在第二鬆弛振盪脈衝之前(例如，在約200ps內)發生時，原本將產生第二光脈衝之載子濃度被削弱，使得發射尾部6-172被抑制。
可使用各種電路組態來產生雙極脈衝波形。圖6-4A繪示可用於驅動具有一雙極脈衝波形之一雷射二極體或者一或多個LED之一電路之僅一項實例。在某些實施例中，一傳輸線6-410(例如，一條帶線或同軸導體總成)可經組態於一脈衝器電路6-400中以將雙極脈衝遞送至一半導體雷射二極體6-420或至少一個LED。傳輸線6-410可以一U形組態形成且透過一充電電阻器Rch藉由一DC電壓源VDD在一第一導體上加偏壓。根據某些實施例，傳輸線可具有大致匹配一雷射二極體之阻抗之一阻抗。在某些實施例中，傳輸線之阻抗可係大約50歐姆。在某些實施方案中，傳輸線之阻抗可介於大約20歐姆與大約100歐姆之間。在某些實施方案中，傳輸線之阻抗可介於大約1歐姆與大約20歐姆之間。
脈衝器6-400可進一步包含一端接電阻器Zterm，該端接電阻器連接於處於傳輸線之一端之傳輸線之第二導體與一參考電位(例如，在所繪示實例中為接地)之間。傳輸線之第二導體之另一端可連接至雷射二極體6-420。傳輸線之第一導體之端可連接至一切換器M1(例如，一場效電晶體或雙極接面電晶體)，該切換器可經啟動以將第一導體之端週期性地分流至一參考電位(例如，接地)。
在某些例項中，端接阻抗Zterm可大約等於傳輸線6-410之阻抗以便減少向後至線中之反射。替代地，端接阻抗Zterm可小於線之阻抗以便將一負脈衝反射至線中(在藉由切換器M1之分流之後)且反射至雷射二極體6-420。在某些實施方案中，端接阻抗Zterm可包含經選擇以控制經反射負脈衝之形狀之一電容及/或電感組件。如在圖6-4A中所繪 示之一傳輸線脈衝器可用於產生具有在介於約30Hz至約200MHz之間的一範圍內之一重複率的電雙極脈衝。根據某些實施例，用於一傳輸線脈衝器之一傳輸線6-410可形成於一印刷電路板(PCB)上，如在圖6-5A中所繪示。
圖6-4B繪示連接至一光學半導體二極體6-423(例如，一雷射二極體或者一或多個LED)之一驅動器電路6-401之一實施例，該驅動器電路可使用離散組件形成，且可經整合至一基板(諸如一晶片或PCB)上。在某些實施例中，該電路可經整合至與一雷射二極體或LED 6-423相同之一基板上。雷射驅動器電路6-401可包括連接至一電晶體M1之閘極或基極之一控制輸入6-405。電晶體可係一CMOS FET、一雙極接面電晶體或一高電子遷移率電晶體(諸如一GaN pHEMT)，但亦可使用其他高速、高電流處置電晶體。電晶體可連接於一電流源6-430與一參考電位(例如，一接地電位，但亦可使用其他參考電位值)之間。電晶體M1可與雷射二極體6-423(或者一或多個LED)及一電阻器R1(其與雷射二極體串聯連接)並聯連接於電流源6-430與參考電位之間。根據某些實施例，驅動器電路6-401可進一步包含與電阻器R1並聯連接於雷射二極體與參考電位之間的一電容器C1。儘管闡述了一電晶體M1，但亦可使用具有一高導電及低導電狀態之任何適合可控制切換器。
在操作中，驅動器電路6-401可提供一電流，當電晶體M1接通或處於一導通狀態中時，該電流繞過雷射二極體6-423。因此，不存在自雷射二極體之光輸出。當電晶體M1關閉時，電流可由於電晶體處之增加之電阻路徑而流動通過雷射二極體。電流接通雷射二極體，直至電晶體被再次打開為止。可藉由在接通與關斷狀態之間調變電晶體之控制閘極以將電流脈衝提供至雷射二極體而產生光脈衝。與某些脈衝產生技術相比，此方法可減少用以驅動雷射所需要之供應器上之電 壓及電晶體上之電壓之量，此係用於實施此等高速電路之一重要態樣。
由於電阻器R1及並聯電容器C1之存在，電荷將在二極體正嚮導通時累加於電容器上。此可在電晶體M1處於一「關斷」狀態(例如，一低導通或不導通狀態)中時發生。當電晶體被接通時，跨越電容器儲存之電壓將使雷射二極體反向偏壓。反向偏壓有效地產生跨越雷射二極體之一負脈衝，此可減少或消除將原本在無負脈衝之情況下發生之發射尾部6-172。電阻器R1之值可經選擇，使得電容器上之實質上所有電荷將在切換器隨後被斷開及/或由雷射二極體產生一後續光脈衝之前放電。舉例而言，時間常數t 1 =R1C1可經工程設計為小於脈衝重複間隔T之約一半或三分之一。在某些實施方案中，時間常數t 1 =R1C1可介於大約0.2ns與大約10ns之間。
在某些實施方案中，電晶體M1可經組態以在來自雷射二極體之一輸出光脈衝之一第一峰值之後切換至一導通狀態。舉例而言且參考圖6-1B，一光學偵測及邏輯電路可感測第一脈衝6-161之衰變之強度且觸發電晶體M1以切換至一導通狀態。在某些實施例中，電晶體M1可經觸發以基於一穩定時脈信號切換至一導通狀態(例如，參考一同步時脈邊緣而經觸發)。在某些實施方案中，電晶體M1可經觸發以根據自電晶體M1切換至一非導通狀態之時間量測之一預定延遲時間切換至一導通狀態。在一選定時間處將電晶體M1切換至一導通狀態可在峰值光脈衝之後不久減少雷射功率、縮短雷射脈衝及/或減少脈衝之尾部發射。
儘管在圖6-4B中所展示之驅動電路展示位於雷射之陽極側上之電流源6-430，但在某些實施例中一電流源亦可替代地或另外位於雷射之陰極側上(例如，連接於電晶體M1、電阻器R1及一參考電位(諸如接地)之間)。
用於產生超短脈衝之驅動電路之其他實施例係可能的。舉例而言，用於一雷射二極體或LED之一電流脈衝驅動電路6-402可包括連接至一雷射二極體之一節點之複數個電流驅動分支，如在圖6-4C中所繪示。驅動器電路6-402可使用離散或經整合元件形成且經整合至一基板(例如，一ASIC晶片或PCB)上。在某些實施例中，驅動器電路可經整合至與一或多個光學半導體二極體6-425(例如，一雷射二極體或者一或多個發光二極體)相同之一基板上。儘管圖式將驅動器電路繪示為連接至雷射二極體6-425之陽極，但在某些實施例中類似驅動電路可替代地或另外連接至雷射二極體之陰極。與用於雷射二極體之陽極側上之電晶體及電壓源相較，連接至雷射二極體之陰極側之驅動電路可採用一相反類型之電晶體及相反極性之電壓源。
根據某些實施方案，可存在經組態以將N個正向偏壓電流脈衝施加至一雷射二極體6-425或LED之N個電路分支(例如，電路分支6-432、6-434、6-436)及經組態以將M個反向偏壓電流脈衝施加至雷射二極體之M個電路分支(例如，電路分支6-438)。在圖6-4C中，N=3且M=1，但亦可使用其他值。每一正向偏壓電流分支可包括經組態以將一正向偏壓電流遞送至雷射二極體之一電壓源Vi。每一反向偏壓電流分支可包括經組態以將一反向偏壓電流遞送至雷射二極體之一電壓源Vj。每一電路分支可進一步包含與一切換器或電晶體Mi串聯連接之一電阻器Ri。每一電路分支可包含一電容器Ci，該電容器在一側上連接至電晶體Mi與電阻器Ri之間的一節點，且在另一側上連接至一固定參考電位。在某些實施例中，電容Ci可係與電晶體Mi相關聯之接面電容(例如，源極至基體電容)，且可不提供一單獨離散電容器。在某些實施方案中，可包含與二極體6-425串聯之至少一個額外電阻器以限制自電路分支遞送之總電流之量。
在操作中，經定時及經施加脈衝控制信號可經施加至切換器或 電晶體Mi之控制輸入Si，以便自電路分支中之每一者產生經加總且跨越雷射二極體接面施加之電流脈衝之一序列。每一分支中之組件(Vi、Vj、Ri、Ci)之值以及施加至控制輸入Si之控制脈衝之時序及脈衝持續時間可獨立地經選擇以產生應用於雷射二極體6-425之一所要雙極電流脈衝波形。作為僅一項實例，V1、V2及V2之值可經選擇為具有不同值。R1、R2及R3之值可係相同的，且C1、C2及C3之值可係相同的。在此實例中，至控制輸入Si之脈衝信號之交錯可產生來自正向偏壓電路分支之重疊之電流脈衝之一經交錯序列，該等重疊之電流脈衝具有類似脈衝持續時間但具有不同脈衝振幅。來自反向偏壓電路分支之一經定時脈衝可產生可淬滅或快速地關斷正向加偏壓脈衝之相反極性之一電流脈衝，且可進一步產生可抑制來自雷射二極體之尾部發射之一反向加偏壓脈衝。反向加偏壓脈衝可經仔細定時，使得其與正向加偏壓脈衝中之一或多者至少部分地在時間上重疊。因此，在圖6-4C中所繪示之電路可用於合成如在圖6-3中所繪示之雙極電流脈衝。
圖6-4D繪示一脈衝驅動器6-403之另一實施例，該脈衝驅動器可使用射頻(RF)組件製造。根據某些實施例，RF組件可經設計以處置在介於約50MHz與約1GHz之間的頻率下之信號。在某些實施方案中，一脈衝驅動器6-403可包括一輸入DC區塊6-435，該輸入DC區塊將一輸入波形(例如，一方形波或正弦波)AC耦合至驅動器。該DC區塊可後續接著一放大器6-440，該放大器產生分別沿著單獨電路路徑6-440a、6-440b繼續進行之未經反相及經反相輸出波形。第一電路路徑6-440a可包含一或多個配接器6-442。一可變移相器6-445可包含於第二電路路徑6-440b中以使第二路徑中之信號相對於第一路徑中之信號選擇性地相移。
第一電路路徑及第二電路路徑可連接至一RF邏輯閘6-450(例如，一AND閘或其他邏輯閘)之未反相輸入。可用適合的經阻抗匹配 的端接器6-446來端接邏輯閘6-450之反相輸入以避免該閘處之虛功率反射。邏輯閘6-450之未反相輸出及反相輸出可沿著兩個電路路徑6-450a、6-450b連接至一組合器6-460。經反相電路路徑6-450b可包含一延遲元件6-454及衰減器6-456，該延遲元件及該衰減器中之任一者或兩者可係可調整的。延遲元件可用於使經反相信號相對於未經反相信號延遲，且衰減器可用於調整經反相信號之振幅。
來自邏輯閘之所得經反相信號及未經反相信號可然後在組合器6-460處經加總。來自組合器6-460之輸出可連接至一RF放大器6-470，該RF放大器提供輸出雙極脈衝以驅動一雷射二極體或者一或多個LED。輸出雙極脈衝可具有如在圖6-4E中所繪示之一波形。
在操作中，一輸入方形波或正弦波可經AC耦合至驅動器中且作為未經反相版本及經反相版本而分割至兩個電路路徑6-440a、6-440b中。根據某些實施例，第一放大器6-440可係一限制放大器，其使一正弦波形成方形。在第二電路路徑6-440b中，可用一可調整移相器6-445來使經反相波形相移以使經反相波形相對於未經反相波形在時間上延遲。來自第一放大器6-440之所得波形可然後由RF邏輯閘6-450(例如，一AND閘)處理以在邏輯閘之未反相輸出及反相輸出處產生短RF脈衝。根據某些實施例，可使用移相器6-445來調整短RF脈衝之持續時間。舉例而言，移相器可調整一時間週期，在該時間週期期間在至一邏輯AND閘6-450之輸入處之未經反相波形及經反相波形兩者同時處於一「接通」狀態中，此將判定輸出脈衝之長度。
參考圖6-4E，來自邏輯閘6-450之短經反相脈衝6-417可藉由延遲元件6-454而相對於未經反相脈衝6-415延遲一量δ且在與未經反相脈衝組合之前藉由衰減器6-456衰減至一所要振幅。在某些實施例中，負脈衝量值|Vp-|可小於正脈衝振幅Vp+。脈衝分離間隔T可藉由至脈衝驅動器6-403中之正弦波或方形波輸入之頻率而判定。輸出脈衝波形 可或可不包含一DC偏移。儘管輸出波形經繪示為具有一方形形狀波形，但RF組件及/或佈纜中之電容及電感可產生具有更具圓形波形之輸出脈衝(更像在圖6-3中所繪示之波形)。
如較早與圖6-4C及圖6-4B一起提及，在某些實施例中，電流或電壓至一雷射二極體或LED之施加可係施加至一個二極體之陽極及陰極兩者。在圖6-4F中繪示可將一經分割或差動電壓或電流脈衝施加至一個二極體之陰極及陽極兩者之一射頻脈衝驅動器電路6-404。根據某些實施例，該電路之前端可類似於在圖6-4D中所繪示之脈衝驅動器電路6-403之前端。然而，在脈衝驅動器電路6-404中，來自邏輯閘6-450之未經反相及經反相輸出可不經組合且替代地作為一差動驅動而施加至雷射二極體之陽極及陰極。為簡化起見，在圖6-4F中未展示與產生一後續負脈衝或反向加偏壓脈衝相關聯之電路。
在圖6-4G中繪示由差動脈衝驅動器電路6-404產生之一經分割或差動驅動之一實例。來自邏輯閘6-450之一第一輸出可產生振幅+Vp之一正脈衝6-416，且來自邏輯閘6-450之一第二經反相輸出可產生相反振幅-Vp之一負脈衝6-418。在某些實施例中，脈衝串可或可不具有一小DC偏移。正脈衝6-416及負脈衝6-418之存在會產生跨越雷射二極體的具有一有效振幅2Vp之一正向加偏壓脈衝。藉由分割跨越雷射二極體之偏壓且將一部分偏壓施加至陽極及陰極，藉由脈衝驅動器6-404處置之電壓脈衝之振幅可有效地減少至二分之一。因此，與原本可能夠針對更高振幅脈衝所達成的比較，脈衝驅動器6-404可以一更高頻率操作且產生更短脈衝。替代地，與僅將一加偏壓脈衝+Vp提供至雷射二極體之陽極之一驅動電路相比，一脈衝驅動器電路6-404可有效地加倍跨越一雷射二極體施加之驅動脈衝之振幅。在此等實施例中，來自雷射二極體之功率輸出可增加。
在圖6-4H中繪示其中可增加施加至雷射二極體之功率及/或驅動 速度之另一方式。根據某些實施例，複數個脈衝驅動器輸出6-470可連接至一雷射二極體6-425或LED之一陽極。在此實例中，四個脈衝驅動器連接至雷射二極體之陽極。在其中使用差動脈衝驅動器電路之某些實施例中，亦可存在連接至雷射二極體之陰極之多個驅動器。每一驅動器及其相關聯佈纜可具有一阻抗Z0，且一雷射二極體6-425可具有阻抗ZL。由於其並聯連接，因此驅動器之輸出阻抗係除以連接至雷射二極體之驅動器之數目而得出。當脈衝驅動器之經組合阻抗大致匹配至雷射二極體6-425之阻抗時，經遞送至二極體中之功率可增加，或反之亦然。
圖6-4I中之圖圖解說明針對四個驅動源耦合至雷射二極體6-425中之功率之效率之增加隨雷射二極體之阻抗及雷射二極體電路而變。在實例中，四個脈衝驅動器各自具有約50歐姆之一線阻抗且經組態以遞送具有大約100mA之一最大電流之5V振幅之一輸出脈衝。標繪圖展示當雷射二極體之阻抗處於大約10歐姆時，耦合至雷射二極體中之功率達到一最大值。此值大約等於四個脈衝驅動器輸出6-470之並聯輸出阻抗。因此，根據某些實施例，雷射二極體6-425及其相關聯電路之阻抗可經設計以大致匹配用於驅動雷射二極體之一或多個脈衝驅動器之經組合阻抗。
可使用其他電路驅動器組態來施加脈衝於雷射二極體或發光二極體。根據某些實施例，至一發光二極體中之一電流注入可經施加脈衝以使用一脈衝器電路產生亞奈秒脈衝，該脈衝器電路闡述於由P.H.Binh等人著作之「A simple sub-nanosecond ultraviolet light pulse generator with high repetition rate and peak power」(Rev.Sci.Instr.84卷，083102(2013))中，或闡述於由T.Araki等人著作之「An ultraviolet nanosecond light pulse generator using a light emitting diode for test of photodetectors」(Rev.Sci.Instr.68卷，1365(1997))中。
在圖6-4J中繪示一脈衝器電路之另一實例。根據某些實施例，一脈衝器電路可包括一脈衝產生器6-480，該脈衝產生器可(舉例而言)自一系統時鐘接收一或多個時脈信號且將一串電脈衝輸出至一驅動器電路6-490，該驅動器電路回應於自脈衝產生器接收之電脈衝而將電流脈衝注入至一雷射二極體或發光二極體中。因此，輸出光脈衝可與系統時脈同步。系統時脈亦可用於操作偵測電子器件(例如，一成像陣列)。
根據某些實施例，脈衝產生器6-480可由被動電子組件與數位電子組件之一組合形成，且可形成於一第一電路板上。在某些情形中，一脈衝產生器可包含類比電路組件。在其他實施例中，脈衝產生器之一部分可形成於與驅動器電路6-490相同之一板上，且脈衝產生器之一部分可形成於遠離驅動器電路之一單獨板上。驅動器電路6-490可由被動、類比及數位電子組件形成，且可形成於與脈衝產生器或脈衝產生器之部分相同或不同之一電路板上。一光源(雷射二極體或發光二極體)可與驅動器電路一起包含於一電路板上，或可位於一系統中且藉由高速佈纜(例如，SMA電纜)連接至驅動器電路6-490。在某些實施方案中，脈衝產生器6-480及驅動器電路6-490可包含射極耦合邏輯元件。根據某些實施例，脈衝產生器6-480、驅動器電路6-490及光學半導體二極體6-423可經整合至一相同印刷電路板、層板或積體電路上。
在圖6-4K中繪示一脈衝產生器6-480之一實例。在某些實施方案中，一脈衝產生器可包含一第一級，該級產生兩個差動時脈輸出(一個時脈輸出相對於另一時脈輸出而延遲)。該第一級可接收一時脈輸入且包含一扇出6-481及延遲6-483。扇出可包括經配置以產生時脈信號之兩個複本及時脈信號之兩個經反相複本之邏輯驅動器及邏輯反相器。根據某些實施例，時脈可具有一對稱工作循環，但在其他實施例 中亦可使用不對稱工作循環。一個複本及一個經反相複本可形成一差動時脈輸出(CK1、
Figure 105115896-A0202-12-0080-101
)且可藉由一延遲元件6-483相對於一第二複本及第二經反相複本(CK2、
Figure 105115896-A0202-12-0080-102
)延遲。延遲元件可包括任何適合可變或固定延遲元件。延遲元件之實例包含RF延遲線及邏輯閘延遲。在某些實施方案中，第一對時脈信號(CK1、
Figure 105115896-A0202-12-0080-103
)相對於第二對時脈信號(CK2、
Figure 105115896-A0202-12-0080-104
)延遲一時脈循環之至少一部分。一延遲可包含除一部分循環之外的一或多個全循環。在每一對時脈信號內，經反相信號可與其對應者同步，使得時脈之上升邊緣與下降邊緣基本上同時發生。
發明者已發現，可藉由調整來自脈衝產生器6-480之一電流驅動脈衝之一長度且維持一固定振幅(而非調整一超短電流驅動脈衝之一振幅)而較可靠地控制一雷射二極體或LED之超短脈衝產生。調整電流驅動脈衝之長度會調整每脈衝遞送至雷射二極體之能量之一量。在某些實施例中，高速電路允許對信號相位之高解析度控制(例如，藉由運用一類比或數位延遲元件6-483調整一延遲或相位)，此可(根據某些實施方案)用於獲得對脈衝長度之高解析度控制。
在某些情形中，脈衝產生器6-480之第一級可替代扇出6-481及延遲6-483而包括一雙輸出時鐘。一雙輸出時鐘可產生兩個差動時脈信號，且提供兩個差動時脈信號之間的可調整相位延遲。在某些實施方案中，可調整相位延遲可具有小至3ps之一對應時間解析度。
不管經延遲時脈信號CK1、CK2及其逆信號如何產生，該等信號皆可經由高速傳輸線傳輸至一高速邏輯閘6-485。針對經由板之間的電纜之信號傳輸，時脈脈衝可由於佈纜而退化。舉例而言，傳輸線之有限頻寬可使時脈脈衝不同地變形且引起不相等時序。在某些實施方案中，一相同類型之佈纜或傳輸線可用於所有時脈信號，使得傳輸變形同樣地影響四個時脈信號。舉例而言，當信號變形及時序偏移對於四個時脈信號而言基本上相同時，由接收邏輯閘6-485產生之一所得 驅動脈衝將基本上相同，就像在不存在來自時脈信號之傳輸之信號變形之情況下一樣。因此，可在不影響驅動脈衝持續時間之情況下容許在數英尺距離內之時脈信號之傳輸。此對於產生與一系統時脈同步且具有可精細調整脈衝持續時間(例如，可以約3ps之增量調整)之超短驅動脈衝可係有用的。若在局部產生時脈信號(例如，在與驅動器電路6-490相同之一板上)，則與時脈信號之傳輸相關聯之信號變形可不顯著且傳輸線可在某種程度上不同。
根據某些實施例，時脈信號可與電容器C1 AC耦合且經提供至一高速邏輯閘6-485之資料輸入。電容器C1可具有介於約10nF與約1μF之間的一電容。根據某些實施例，邏輯閘可包括一射極耦合邏輯(ECL)、兩輸入差動AND/NAND閘。邏輯閘6-485之一實例包含可自羅德島州東格林威治(East Greenwich)之ON Semiconductor購得之模型MC100EP05。在至邏輯閘之資料輸入處之AC耦合信號可顯現為類似於在圖6-4L中所繪示之信號，其中水平虛線指示一零電壓位準。圖6-4L中之繪示不包含藉由傳輸線引入之變形。該等變形可將信號量變曲線之形狀修圓且更改該形狀，但當一相同類型及長度之佈纜用於每一時脈信號時可不影響該等時脈信號之相對相位。延遲元件6-483可提供藉由垂直虛線指示之一延遲△t，該延遲可以小至3ps之增量調整。在某些實施方案中，一延遲元件6-483可提供以具有介於1ps與10ps之間的一值之增量之一可調整延遲。邏輯閘6-485可處理所接收時脈信號且在一輸出埠Q處產生一輸出信號，該輸出信號對應於藉由延遲元件6-483引入之延遲。在一小延遲之情況下，輸出包括短或超短脈衝之一序列。運用一高速邏輯閘6-485，脈衝持續時間可在某些實施例中介於約50ps與約2ns(FWHM)之間，在某些實施例中介於約50ps與約0.5ns之間，在某些實施例中介於約50ps與約200ps之間，且在某些實施例中亦介於約50ps與約100ps之間。來自埠Q之驅動脈衝 可由於ECL邏輯閘6-485之高速變動率而具有一實質上方形量變曲線。一加偏壓電路6-487可連接至輸出埠Q，且一電壓V1經施加用於正射極耦合邏輯。根據某些實施例，自脈衝產生器6-480之一輸出端子Pout提供之輸出脈衝可包含一DC偏移。
在某些實施方案中，兩個或兩個以上高速邏輯閘6-485可並聯連接於電容器C1與偏壓電路6-487之間。該等邏輯閘可係相同的，且並行操作以在脈衝產生器之一輸出處提供較大電流驅動能力。發明者已認識並瞭解到，一或若干邏輯閘6-485需要提供高速切換(亦即，快速上升及下降時間以產生超短驅動脈衝)，且需要提供足夠輸出電流以驅動驅動器電路6-490中之一高電流電晶體M1。在某些實施方案中，將邏輯閘6-485並聯連接提供脈衝器電路之經改良效能且允許亞100ps光脈衝之產生。
圖6-4M繪示可連接至一雷射二極體或LED 6-423之一驅動器電路6-490之一實施例。一驅動器電路可包含一AC耦合輸入，該AC耦合輸入具有與一電阻器R3串聯之一電容器C2，該電阻器R3連接至一高速電晶體M1之一閘極。根據某些實施例，C2之電容可介於大約0.1μF與大約10μF之間，且R3可具有介於大約10歐姆與大約100歐姆之間的一值。根據某些實施例，電晶體M1可包括一高電子遷移率場效電晶體(HEMT FET)，該高電子遷移率場效電晶體能夠切換高電流(例如，至少一安培且在某些情形中最高達四安培或更多)。電晶體M1可係能夠以數吉赫速度切換此等大電流之一高速電晶體。根據某些實施例，電晶體M1可以介於30Hz與大約200MHz之間的一重複率而切換1安培以上達介於約50ps與約2ns之間的一電脈衝持續時間。電晶體M1之一實例包含可自加利福尼亞州聖何塞市(San Jose)之Avago Technologies購得之模型ATF-50189-BLK。加偏壓及濾波電路元件(例如，電阻器R4、R7及C3)可連接於電容器C2與電晶體M1之閘極之間。電晶體M1之 汲極可直接連接至一雷射二極體或發光二極體6-423之一陰極，且電晶體M1之一源極可連接至一參考電位(例如，接地)。二極體6-423之陽極可連接至一個二極體電壓源VLD。一電阻器R6及電容器C4可跨越二極體6-423並聯連接。根據某些實施例，電阻器R6可具有介於大約50歐姆與大約200歐姆之間的一值，且C4可具有介於大約5pF與大約50pF之間的一電容。一電容器C5(具有介於大約1μF與大約5μF之間的一值)亦可連接於二極體電壓源VLD與一參考電位(例如，接地)之間，與二極體6-423及電晶體M1並聯。
在某些實施例中，一保護二極體(未展示)可跨越雷射二極體6-423之陰極及陽極沿一反向方向連接。保護二極體可保護雷射二極體免受可擊穿雷射二極體接面之過多反向偏壓電位。
在操作中，來自脈衝產生器6-480之一脈衝暫時地接通電晶體M1，從而允許將電流注入至雷射二極體或發光二極體6-423之作用區域中。在某些實施方案中，大量正向電流(例如，最高達四安培)短暫地流動通過電晶體M1。正向電流將載子注入至雷射二極體接面中且產生一短或超短光輻射脈衝。當電晶體M1關斷時，寄生電感繼續進行跨越發光二極體或雷射二極體之電流流動，從而在二極體之陰極側上累加電荷，直至該電荷可藉由與雷射二極體並聯連接之RC網路耗散為止。電荷於陰極處之此暫時累加將一反向偏壓脈衝提供至雷射二極體，且加速載子自作用區域之移除。此加速光脈衝之終止。
發明者已發現，經闡述用於圖6-4M之實施例之光脈衝產生技術優於基於微分方形波脈衝之脈衝產生技術，此乃因其可提供用以接通一雷射二極體可需要之一更高及更短電流脈衝。
發明者已裝配各種脈衝驅動電路且已使用其來驅動雷射二極體。圖6-5A繪示一經裝配脈衝器電路6-500之另一實施例。此實施例實施如在圖6-4A中所繪示之一脈衝器6-400。在經裝配電路中，傳輸 線6-410作為以一U形組態圖案化之一平行板條帶線而形成於一印刷電路板上，如在圖中所繪示。一GaN pHEMT電晶體用作一分流切換器M1以使U形傳輸線之兩端短路。脈衝器電路6-500可以最高達100MHz之重複率操作且用於驅動一50歐姆負載。在某些實施例中，一脈衝器電路可以介於大約10MHz與大約1GHz之間的重複率操作。
在圖6-5B中繪示自脈衝器6-500量測之一波形。該波形展示具有大約19.5V之一振幅之一正脈衝，後續接著達到大約-5V之一振幅之一負脈衝(在正脈衝之後)。正脈衝之持續時間係大約1.5奈秒。再次參考圖6-4A，脈衝器6-500經構造以具有大約50歐姆之一端接電阻器Zterm及大約200歐姆之一上拉或充電電阻器Rch。Zterm之值經挑選以減少自端接電阻向後至傳輸線中之功率反射。施加至傳輸線6-410之偏壓係100V，且切換器M1係以100MHz之一重複率驅動。大約-1.3V之DC偏壓經由一偏壓三通管(bias tee)耦合至二極體以調諧自0V偏壓之相對偏移。用於切換器M1之驅動脈衝係在大約0V與大約2V之間振盪之一方形波信號。
一商業測試台驅動器用於驅動一商業雷射二極體(Ushio模型HL63133DG)以產生亞100ps光脈衝。在圖6-5C及圖6-5D中展示光脈衝量測。如在圖6-5C中所展示，具有經減少尾部發射之脈衝係以100MHz之一重複率產生。來自雷射二極體之平均功率經量測為約8.3毫瓦特。在圖6-5D中所展示之脈衝持續時間經量測為大約84皮秒。已發現，來自雷射二極體之光發射之強度在脈衝之峰值之後大約250ps減少大約24.3dB。即使雷射二極體具有至該二極體之一單一接合導線，亦產生亞100ps脈衝。可運用多個接合導線或運用對脈衝器電路之進一步改良而產生更短脈衝(例如，介於約25ps與約75ps之間)。
圖6-6A繪示一半導體雷射6-600之一項實例，該半導體雷可用於根據上述增益切換設備及技術中之任一者而藉由增益切換產生光脈 衝。雷射及脈衝驅動電路可經大量生產且以低成本製造。舉例而言，雷射可使用平面積體電路技術而經微製作為一邊緣發射裝置。此一雷射可被稱為一板條耦合光學波導雷射(SCOWL)。圖式繪示雷射之一端頭相對(end-on)立面圖。雷射可由一GaAs/AlGaAs材料系統形成(例如，以發射在光學光譜之綠色、紅色或紅外線區域中之輻射)，但在某些實施方案中亦可使用其他材料系統(諸如GaN/AlGaN)(例如，以發射在光譜之綠色、藍色或紫外線區域中之輻射)。雷射二極體可由其他半導體材料系統製成，該等半導體材料系統包含但不限於：InP、AlInGaP、InGaP及InGaN。
根據某些實施例，一SCOWL可形成於一n型基板或緩衝層6-627(例如，可包括Al之一GaAs基板或GaAs層)上。舉例而言，一緩衝層可包括AlxGa1-xAs，其中x介於大約0.25與大約0.30之間。根據某些實施例，基板或基底層之折射率可具有介於約3.4與3.5之間的一第一值n1。低摻雜n型半導體材料之一電子輸送層6-617可形成於基板6-627上。在某些實施例中，電子輸送層6-617可藉由磊晶生長而形成以包括AlxGa1-xAs(其中x介於大約0.20與大約0.25之間)且具有大約5×1016cm-3之一n型摻雜劑濃度。電子輸送層之厚度h可介於約1微米與約2微米之間。輸送層6-617可具有大於n1之一第二折射率值n2。一多量子井區域6-620可然後形成於電子輸送層6-617上。該多量子井區域可包括具有不同摻雜濃度之材料之交替層(例如，AlGaAs/GaAs之交替層)，該等不同摻雜濃度調變MQW區域中之能帶隙。可藉由磊晶、原子層沈積或一適合汽相沈積程序而沈積量子井區域6-620中之各層(其可具有介於大約20nm與大約200nm之間的厚度)。多量子井區域可具有大於n2之一有效第三折射率值n3。p型摻雜材料之一電洞輸送層6-615可毗鄰量子井區域形成，且具有小於n2之一折射率值n4。在某些實施例中，一SCOWL之不同區域之折射率值可根據某些實施例如在圖6-6B 中所圖解說明。在某些實施例中，一SCOWL可包括GaN半導體及其合金或InP半導體及其合金。
在已沈積雷射裝置之各層之後，溝渠6-607可經蝕刻至各層中以形成雷射之一作用區域，該作用區域具有介於約0.25微米與約1.5微米之間的一寬度w。一n接觸點6-630可形成於裝置之一第一表面上，且一p接觸點6-610可毗鄰作用區域而形成於p型輸送層6-615上。根據某些實施例，可用一氧化物層或其他電絕緣層而使半導體層之經曝露表面鈍化。
毗鄰作用區域之溝渠6-607以及折射率值n1、n2、n3及n4將雷射之光學模式侷限至一雷射產生區域6-625，該雷射產生區域毗鄰於量子井且在裝置中心肋部下邊，如在圖式中所繪示。一SCOWL可經設計以將高階橫向模式(其可以其他方式在雷射產生區域6-625中形成並產生雷射)耦合至毗鄰區域中之有損高階板條模式。當經恰當設計時，來自雷射產生區域6-625之所有高階橫向模式與該雷射產生區域中之基本模式相比皆具有高相對損耗且將不產生雷射。在某些實施方案中，SCOWL 6-600之橫向光學模式可係一單一橫向模式。光學模式之寬度可介於大約0.5微米與大約6微米之間。根據某些實施例，沿x方向截取之一模式量變曲線6-622可如在圖6-6B中所繪示地經整形。在其他實施方案中，一SCOWL可產生提供至一分析儀器1-100之多個光學橫向模式。在某些實施例中，作用區域之長度(沿著進入頁之一尺寸)可介於20微米與10mm之間。可藉由選擇作用區域之一較長長度而增加SCOWL之輸出功率。在某些實施例中，一SCOWL可遞送300mW以上之一平均輸出功率。
儘管一半導體雷射(例如，一SCOWL)及脈衝器電路可經組合以製造適合於諸多應用之一低成本、超快脈衝雷射，但在圖6-5D中所展示之關斷速率可不適合於某些螢光生命期分析。在某些情形中，可需 要一較快速關斷。舉例而言，發明者已發現，基於螢光生命期之某些量測可需要脈衝之尾部在於脈衝峰值之後的250ps內消退至低於脈衝峰值達介於大約25dB與大約40dB之間的一位準。在某些情形中，脈衝功率可需要在於脈衝峰值之後的100ps內下降至此值範圍。在某些實施方案中，脈衝尾部可需要在於脈衝峰值之後的250ps內下降至低於脈衝峰值達介於大約40dB與大約80dB之間的一位準。在某些實施方案中，脈衝尾部可需要在於脈衝峰值之後的250ps內下降至低於脈衝峰值達介於大約80dB與大約120dB之間的一位準。
用於進一步抑制一脈衝之發射尾部之一種方法係隨一脈衝雷射或高亮度LED系統一起包含一可飽和吸收器。根據某些實施例，一半導體可飽和吸收器6-665可併入至與一半導體雷射6-600或高亮度LED相同之一基板上，如在圖6-6C中所繪示。根據某些實施例，半導體雷射可包括包含一量子井區域6-620之一SCOWL結構。可用一脈衝源6-670(諸如一脈衝器電路6-400或上文所闡述之其他脈衝產生電路)來驅動SCOWL。
一可飽和吸收器6-665可毗鄰於SCOWL之一端而形成。可飽和吸收器6-665可包括具有一帶隙之一區域，該區域經修整以自半導體雷射吸收光子。舉例而言，可飽和吸收器可包括一單一量子井或多個量子井，該(等)量子井具有大約等於雷射之光發射之一特性能量之至少一個能帶隙。在某些實施例中，可藉由離子植入雷射二極體之一區域以便電隔離雷射二極體腔內之該區域而形成一可飽和吸收器。對於相同雷射二極體結構，可將一負偏壓施加至該區域來促進吸收而非增益。在來自雷射6-600之高通量處，可飽和吸收器之價能帶可使載子空乏且傳導能帶可填滿，從而阻礙藉由可飽和吸收器之進一步吸收。因此，可飽和吸收器漂白，且自雷射吸收之輻射之量減少。以此方式，一雷射脈衝之峰值可以強度比脈衝之尾部或翼部小之一衰減而 「衝穿」可飽和吸收器。脈衝之尾部可然後相對於脈衝之峰值被進一步抑制。
根據某些實施例，一高反射器(未展示)可形成於或位於裝置之一端處。舉例而言，該高反射器可位於距可飽和吸收器最遠的雷射之一端處以便重新引導穿過可飽和吸收器之雷射發射且增加輸出功率。根據某些實施例，一抗反射塗層可經施加至可飽和吸收器及/或SCOWL之一端以增加自裝置之提取。
根據某些實施例，一可飽和吸收器可包含一加偏壓供應器6-660。該加偏壓供應器可用於在每一脈衝之後將載子掃掠出作用區域且改良可飽和吸收器之回應。在某些實施例中，偏壓可經調變(例如，以脈衝重複率)以使可飽和恢復時間係時間相依的。此調變可進一步改良脈衝特性。舉例而言，若可飽和吸收器之恢復時間係充分的，則一可飽和吸收器可藉由在低強度下之差動較高吸收而抑制一脈衝尾部。此差動吸收亦可減小脈衝長度。可藉由施加或增加至可飽和吸收器之一反向偏壓而調整一可飽和吸收器之恢復時間。
Ⅱ.E.雷射輸出之直接調變
發明者已認識並瞭解到，亦可藉由雷射之輸出之直接調變而自一連續波雷射製造超快脈衝。在某些實施例中，可使用經級聯光學切換器之一切換陣列7-100而進行雷射之輸出之直接調變，如在圖7-1A中所繪示。根據某些實施例，光學切換器7-105可藉由光纖或光學波導7-102連接，且控制信號可經施加至光學切換器之控制輸入7-103。在某些實施方案中，切換陣列7-100可經整合至一單一基板上(例如)作為波導與電光切換器(諸如鈮酸鋰切換器)之一經整合陣列。
切換陣列中之光學切換器7-105可經組態以在一輸入埠7-101處接收一光信號且在一第一切換器S1處於一第一輸出埠P1與一第二輸出埠P2之間切換光信號。在某些實施例中，可藉由在光學切換器S1之一控 制輸入7-103處施加一驅動信號而實施光信號之切換。舉例而言，驅動信號可將一電場施加至切換器之一電光學元件。在某些實施例中，一光學切換器7-105可包含兩個輸入埠，但在圖式中僅繪示一個輸入埠7-101。
在某些實施方案中，一光學切換器7-105可包括一馬赫-曾德爾(Mach-Zehnder)干涉切換器，該馬赫-曾德爾干涉切換器可回應於施加至光學切換器的一輸入埠7-103之一控制輸入信號而經電光學控制。舉例而言，馬赫-曾德爾干涉儀之一個光路徑可包含回應於控制信號而將一電場施加至之一定長度的鈮酸鋰。所施加電場可改變鈮酸鋰之折射率且藉此改變干涉儀之彼臂中之光路徑長度。因此，一所施加電場之施加可將一輸出信號自一第一埠P1改變至一第二埠P2，且藉此用於將輸入光能量在兩個輸出埠之間快速地來回切換。
根據某些實施例，施加至一控制輸入7-103之一控制信號可係(舉例而言)一方形波，但在某些實施例中亦可使用正弦控制信號。將方形波應用於一光學切換器可有效地調變自其輸出埠中之一者流動之輸出功率(例如，當光經引導至埠中且經引導遠離埠時)。替代地且參考圖7-1B而陳述，切換器之插入損耗(如透過一輸出埠而觀看)回應於所施加控制信號而在一低值(例如，一接通狀態7-131)與一高值(例如，一關斷狀態7-132)之間調變。在圖7-1B中繪示如自一輸出埠觀看的針對光學切換器S1、S2、S4、S8、S9(沿著陣列7-100之一上部分支)之此等損耗調變。在此實例中，切換器S4、S8及S9經繪示為在一起被控制且在時間上與切換器S1及S2之調變交錯。
在某些實施例中，處於一接通狀態7-131中之一光學切換器可展現介於約0dB與約3dB之間的一插入損耗。在某些實施方案中，處於一關斷狀態7-132中之一光學切換器可將插入損耗增加約20dB或更多。根據某些實施例，處於一關斷狀態7-132中之一光學切換器可展 現介於約15dB與約25dB之間的一損耗。
針對切換器之插入損耗之調變導致來自切換陣列7-100之埠之輸出強度之對應調變，如在圖7-1C中所繪示。舉例而言，將一方形波應用於一第一切換器S1可將來自其第一埠P1之強度輸出在一低值與一高值之間調變，如在圖7-1C之頂部跡線中所繪示。在操作中，在第一切換器S1之輸入埠7-101處接收之強度由於切換動作所致而作為輸出脈衝7-135在兩個CP1與P2之間交替。根據某些實施方案，控制信號沿著一經級聯路徑至後繼切換器之時序可不同於針對一先前切換器之時序。舉例而言，針對第二切換器S2之控制信號之時序可相對於針對第一切換器S1之控制信號而在時間上延遲，如在圖7-1B中若指示。第二切換器S2可以與第一切換器相同之方式操作，然而其切換動作可相對於第一切換器S1而在時間上偏移。因此，第二切換器S2將在其輸出埠P3與P4之間交替在其輸入(來自切換器S1之輸出埠P1)處接收之功率。
在圖7-1B之中間跡線中繪示針對第二切換器S2之損耗調變之時序(如透過埠P3所觀看)，且該中間跡線繪示自第一切換器S1之調變之時序偏移。在圖7-1C之中間跡線中繪示自第二切換器之輸出埠P3接收之光之對應強度。以一類似方式，施加至光路徑中之第三切換器S4之一控制信號之時序在時間上偏移，如在圖7-1B中之下部跡線處所繪示。因此，自切換陣列7-100之一輸出埠P8接收之光脈衝經進一步縮短，如在圖7-1C中之下部跡線處所繪示。如藉由圖式所指示，將具有經偏移控制信號及調變之兩個切換器級聯會在其中各切換器以均勻工作循環操作之一光路徑中將每一後繼切換器之一所接收輸入脈衝之脈衝長度減少大約一半。
在圖7-1B及圖7-1C之圖中，切換器之接通至關斷比率或消光比率已經人工地減小以展示一背景雜訊位準7-140。在實務中，光學切換器之消光比率可明顯地高於在圖式中所繪示之消光比率。舉例而 言，每一光學切換器可展現20dB或更多之消光比率。
在某些實施例中，切換器7-105之消光比率可並非足夠高以提供一脈衝之一所要關斷比率。舉例而言，一脈衝之尾部7-150處之強度對於某些應用可係過高。發明者已認識並瞭解到，在一輸出埠中添加衰減切換器7-120可進一步減小該輸出埠處之一尾部7-150之強度。一衰減光學切換器7-120可包括相同類型之一光學切換器(例如，一馬赫-曾德爾光學切換器)，其與一上游光學切換器7-105一致地切換。衰減光學切換器可具有(舉例而言)經堆集至一射束區塊7-110中之一輸出埠。藉由將衰減光學切換器7-120添加至一輸出埠，一上游光學切換器(例如，切換器S4)之消光比率可增加為經一致地切換之光學切換器(S4、S8、S9)之消光比率之積。
與圖7-1B及圖7-1C一起闡述之實例利用以針對切換器陣列7-100中之所有光學切換器之一相同頻率操作的控制信號輸入，但該等控制信號輸入在時間上相對於彼此交錯。在某些實施例中，切換控制信號之時序可與一主控振盪器(例如，以係切換頻率之一倍數之一頻率運行之一時鐘)交錯及/或同步。在某些實施例中，不同頻率可沿著每一光路徑而施加至不同光學切換器。舉例而言，可針對沿著陣列7-100之一光路徑之後繼切換器而實施一控制信號之頻率加倍。
作為以不同頻率切換之一實例，一第一光學切換器S1可以一第一切換頻率f 1 驅動，如在圖7-1D之上部跡線中所繪示。光路徑中之一第二光學切換器S2可以兩倍於第一頻率之一頻率f 2 驅動。光路徑中之一第三切換器S4可以兩倍於第二光學切換器S2之頻率之一頻率f 3 驅動。在某些實施方案中，沿著光路徑之所有光學切換器之驅動信號可與第一切換器之驅動信號同步。在圖7-1E中繪示針對此一實施例的來自後繼輸出埠P1、P3、P8之對應輸出脈衝。再次，每一後繼切換器之輸出脈衝減少至二分之一，但此實施例需要後繼切換器之較高時脈 頻率。
以不同頻率驅動光學切換器7-105之一個優點係與上文與圖7-1B及圖7-1C一起闡述之方法相比，可增加一脈衝之關斷。舉例而言且參考圖7-1E，可藉由上游路徑中之光學切換器S1、S2及S4之經組合關斷(消光比率之積)而抑制來自一輸出埠P8之輸出脈衝之尾部7-150。此效應自在圖7-1D中之跡線之損耗調變可見，該圖展示切換器S1、S2及S4中之每一者在來自輸出埠P7之脈衝之尾部處經切換至一關斷狀態。在某些實施例中，額外衰減切換器7-120可或可不經添加至輸出P7。將不同頻率施加至不同光學切換器之一缺點係將需要用於切換陣列7-100之較高頻率驅動信號。舉例而言，在某些實施例中，在最後一光學切換器處需要之一頻率可大約係輸出脈衝持續時間。
在某些實施例中，可採用與圖7-1B、圖7-1C及圖7-1D、圖7-1E一起闡述之技術之一組合。舉例而言，一光路徑中之一第一組光學切換器可用如在圖7-1D中所指示之不同頻率驅動。隨後，同一光路徑中之一第二組光學切換器7-105可用一相同驅動頻率驅動，其中每一驅動信號在時間上相對於一先前光學切換器之一先前驅動信號交錯，如在圖7-1B中所指示。
Ⅲ.將光脈衝耦合至一生物光電子晶片
根據某些實施方案，一脈衝雷射1-110可安裝於一可攜式分析儀器1-100中，且脈衝雷射之一輸出可用於激發位於儀器內之一或多個反應室中之生物或化學樣本。該儀器可在脈衝雷射與反應室之間具有額外光學組件，該等額外光學組件經配置以轉向自脈衝雷射至一或多個反應室之一輸出射束。如上文所闡述，一儀器可經組態以接納一生物光電子晶片1-140，該生物光電子晶片包含一或多個波導及配置於該晶片上以將光脈衝耦合至一或多個波導中之至少一個光學耦合器(例如，一光柵耦合器)。波導可將來自光脈衝之輻射遞送至複數個反 應室，如在圖1-3中所繪示。將光耦合至一晶片上之一光學波導中可需要一雷射射束至晶片上之一光學耦合器之精確對準。在某些情形中，一射束轉向模組可用於以一自動化方式將一雷射射束對準至一生物光電子晶片上之一光學耦合器。
在圖8-1中繪示一射束轉向模組1-150之一實例。根據某些實施例，一射束轉向模組可包括一固體底盤8-110，該固體底盤經組態以支撐射束轉向模組之致動器及光學組件。底盤可由金屬及/或一低熱膨脹複合物形成或裝配而成。在某些情形中，底盤可由鋁機械加工或鑄造而成。底盤8-110可係筆直的或成角度的(如所展示)，且可安裝至其中併入有脈衝雷射1-110之一儀器之一框架或底盤1-102。
發明者已認識並瞭解到，射束轉向模組之底盤8-110可另外提供對其上可安裝有一生物光電子晶片1-140之一PCB 1-130之支撐。舉例而言，底盤8-110可在數個位置處附接至儀器之底盤或框架1-102，且PCB 1-130之一中心區域可固定至射束轉向模組之底盤8-110以減少射束轉向模組與生物光電子晶片1-140之間的相對運動(例如，由於機械振動之運動)。
在某些實施例中，一射束轉向模組之致動器可包括經配置以使射束轉向模組之光學組件旋轉之步進馬達。為減小射束轉向模組之高度，致動器可經安裝使得其軸件位於一大致相同平面中，如在圖式中所繪示。在某些實施方案中，部分地製作於PCB 1-130上之一步進馬達(例如，如在美國臨時專利申請案62/289,019中所闡述)或安裝至PCB 1-130之一單獨PCB可用於使射束轉向模組之一光學組件圍繞垂直於PCB 1-130之一軸旋轉。
根據某些實施例，一射束轉向模組1-150可包含一第一光學平面8-131、一聚焦透鏡8-133、一第二光學平面8-135及一第三光學平面8-137。光學平面及透鏡可經抗反射塗佈以減少來自光學器件之非所要 菲涅爾(Fresnel)反射。在某些實施例中，可存在位於射束轉向模組內之一轉向鏡8-134，但在某些情形中穿過一射束轉向模組之一射束路徑可係筆直的且可不使用轉向鏡。根據某些實施方案，轉向鏡8-134可係二向色的，使得且將來自脈衝雷射1-110之一基波長傳遞至一射束集堆及/或光偵測器且將經頻率加倍波長反射至生物光電子晶片1-140。
第一光學平面8-131可藉由一第一致動器8-121而圍繞平行於PCB 1-130之一軸旋轉以使雷射射束沿一x方向移位。第二光學平面8-135可藉由一第二致動器8-122而圍繞垂直於PCB 1-130之一軸旋轉以使雷射射束沿y方向移位。一撓曲連接件(未展示)可自第二致動器8-122延伸至第二光學平面8-135以使第二光學平面旋轉。第三光學平面8-137可藉由一第三致動器8-123而圍繞平行於PCB 1-130之一軸旋轉以使雷射射束沿一x方向移位。在某些實施例中，可存在安裝於透鏡8-133之前的一第四光學平面及致動器，該致動器經配置以使第四光學平面圍繞垂直於PCB 1-130之一軸旋轉以使雷射射束沿z方向移位。藉由旋轉光學平面，通過射束轉向模組之一光射束可橫向地及垂直地平移且其在晶片1-140處之入射角可改變。
可自圖8-2理解平移射束轉向模組1-150中之一光射束之效應。藉由旋轉位於聚焦透鏡8-133之後的光學器件進行之光射束之平移引起在一表面8-240(例如，一生物光電子晶片之一表面)處之x,y平移，該表面可位於透鏡8-133之一焦點處。舉例而言，一雷射射束8-250可通過一聚焦透鏡8-133且經聚焦至生物光電子晶片1-140處之一光學耦合器上(例如，經聚焦至一光柵耦合器1-310上)。在圖式中所指示之第二光學平面8-135圍繞平行於y軸之一軸之旋轉可在表面8-240處沿平行於x軸之一方向平移經聚焦射束。第三光學平面8-137圍繞平行於x軸之一軸之旋轉可在表面8-240處沿平行於y軸之一方向平移經聚焦射 束。
藉由旋轉位於聚焦透鏡8-133之前的光學器件進行之光射束8-250之平移在不明顯地改變在表面8-240處之射束之x-y位置之情況下引起改變在表面8-240處之射束之入射角。舉例而言，第一光學平面8-131圍繞平行於y軸之一軸之旋轉可使雷射射束在聚焦透鏡8-133處沿平行於x軸之一方向位移。在聚焦透鏡處之雷射射束之此移動將改變在表面8-240處之相對於x-z平面中之z軸之雷射射束之一入射角θi。在某些實施例中，一第四光學平面8-132(在圖8-1中未展示)圍繞平行於x軸之一軸之旋轉可改變在表面8-240處沿位於y-z平面中之一方向之一入射角Φi。由於表面8-240大致位於透鏡8-133之焦距f處，因此藉由在透鏡之前平移射束8-250所致之入射角之改變將不會明顯地影響在表面8-240處之經聚焦射束之x-y位置。
在某些實施例中，可存在位於一生物光電子晶片1-140之表面8-240與射束轉向模組1-150之間的一轉向鏡(在圖8-2中未展示)以使射束沿-x方向偏離，使得晶片1-140可經定向使得其表面8-240平行於傳入雷射射束8-250。此將允許晶片1-140平行於一下伏PCB 1-130而安裝，如在圖8-1中所繪示。在某些情形中，轉向鏡可以低成本由一矽晶圓之一小部分(例如，小於5mm2)形成、塗佈有一反射性材料且安裝於含有生物光電子晶片1-140之一封裝內。
再次參考圖1-3及圖8-1，可藉由操作致動器8-122及8-123而調整生物光電子晶片之一表面處之一光柵耦合器1-310上之一雷射射束之x-y位置以便旋轉位於聚焦透鏡8-133之後的光學平面8-135及8-137。當一星形耦合器或MMI耦合器用於將一光輸入分佈至複數個波導時，光柵耦合器1-310上之輸入射束之x-y位置可經調整直至光耦合連接至星形耦合器或MMI耦合器之大約等於所有波導。隨後，可藉由操作致動器8-121以旋轉第一光學平面8-131來調整x-z平面中之射束之入射角 θi。此調整可增加耦合至波導1-312中之能量之一量。
最初經預期，y-z平面(平行於光柵耦合器2-310之光柵齒延展之一平面)中之一射束之入射角Φi之改變將不會明顯地影響至波導1-312中之耦合效率。然而，發明者令人驚訝地發現此入射角之改變可對耦合效率具有和θi之改變一樣大之一影響。據信，大於預期之敏感性係由光柵耦合器與一下伏反射性層(在圖1-3中未展示)之間的光學干擾效應引起，該下伏反射性層經添加以增加至波導1-312中之耦合效率。根據某些實施例，一射束轉向模組可包含位於聚焦透鏡8-133之前的一第四光學平面8-132，該第四光學平面經配置以影響在光柵耦合器處之射束之入射角Φi之改變。
射束轉向模組1-150之一有利態樣係可實質上獨立於對在表面8-240處之經聚焦射束之位置之x,y調整而進行對θi及Φi之入射角調整。舉例而言，來自經由一光柵耦合器1-310耦合至一或多個波導1-312中之入射雷射射束8-250之光能量可在使射束位置最佳化之一對準程序期間用處於一或多個波導之一相對端之一或多個光電二極體1-324來監測。隨後，射束入射角可在不明顯地改變光柵耦合器上之射束之位置之情況下而經最佳化。
根據某些實施例，一自動化對準程序可用於將來自一脈衝雷射1-110之雷射射束對準至一生物光電子晶片1-140上之一耦合器1-310。一對準程序可包括執行對光柵耦合器1-310之一螺旋搜索，如在圖8-3中所繪示。可藉由旋轉第二光學平面8-135及第三光學平面8-137以在晶片之表面上沿x及y方向平移經聚焦射束8-250來執行螺旋搜索。舉例而言，在一晶片1-140經裝載至一儀器1-100中且脈衝雷射經接通之後，雷射射束可在圖8-3中標記為「A」之位置處射至晶片之表面。在此位置處，可不存在由四象限偵測器1-320偵測之信號。可執行一螺旋搜索路徑8-310，同時監測來自四象限偵測器之信號。在位置「B」 處，四象限偵測器可開始註冊來自其偵測器之射束之x,y位置信號。控制電路可然後判定射束相對於四象限偵測器之一中心之位置、取消螺旋路徑之執行且操作致動器8-122及8-123以使射束轉向至四象限偵測器1-320之一中心(點「C」)。光柵耦合器1-310可大致居中於四象限偵測器上而定位。隨後，可進行精細位置及入射角調整以增加耦合至波導1-312或若干波導中之光能量之一量。在某些實施例中，來自處於多個波導1-312之端之多個經整合光電二極體1-324之光功率經監測，使得可對光柵耦合器處之雷射射束進行精細調整以增加耦合至多個光學波導中之功率之均勻性。
其他方法及設備可用於搜索四象限偵測器1-320且將經聚焦射束8-250對準至光柵耦合器1-310。在某些實施例中，四象限偵測器1-320之敏感性可經改良以擴展可偵測到雷射射束之範圍。舉例而言，來自具有處於一高功率(例如，完全接通)之雷射功率之四象限偵測器之信號可與來自具有處於一低設定(例如，關斷)之雷射功率之四象限偵測器之信號比較。另外，當雷射射束可位於距四象限偵測器之一可感知距離處時，可跨較長時間週期對信號求積分以改良四象限偵測器之位置偵測敏感性。
在某些實施例中，光散射元件(在圖8-3中未展示)可圍繞四象限偵測器1-320而製作於晶片1-140上。當經聚焦射束係不對準的且在遠離四象限偵測器之一周邊位置處時，散射元件可將來自經聚焦射束之光朝向四象限偵測器1-320散射。經偵測散射光可然後指示射束之一位置。
在某些實施方案中，一窄線性散射元件或線偵測器(寬度類似於經預期經聚焦射束大小)可穿過四象限偵測器之中心(或以相對於四象限偵測器之任何適合定向)放置，且延伸顯著超過四象限偵測器之相對邊緣(例如，至大於初始射束偏移誤差之一合理預期之一距離)。由 於有意地已知此元件或偵測器之定向，因此可首先沿垂直於元件之一方向掃描經聚焦射束8-250直至該射束射至元件或偵測器且被肯定地偵測到(藉由至四象限偵測器1-320之散射或直接藉由線偵測器)為止。然後，可沿另一方向掃描射束以找到四象限偵測器1-320。
根據某些實施例，雷射射束可最初在晶片1-140之表面8-240處擴展(例如，藉由用一致動器或使用其他構件來移動透鏡8-133而使射束散焦)。晶片上之射束之佔用面積可然後大大增加(例如，增加10倍或更多)，使得當搜索四象限偵測器1-320時，任何掃描程序皆可在射束位置之間使用較大步進(例如，一螺旋掃描上之徑向迴圈之間的較大偏移)。此及前述替代搜索方法可減少與將經聚焦射束8-250對準至光柵耦合器1-310相關聯之搜索時間。
在對準之後，入射雷射射束可主動地維持於一經對準位置中。舉例而言，可使用來自四象限偵測器之回饋及致動器8-122及8-123之啟動來主動地維持在相對於四象限偵測器1-320之初始對準之後判定之射束之一x,y位置以將射束維持於一大約固定位置中。在某些實施例中，在一初始對準之後可不調整光射束於表面處之入射角以使耦合至波導中之功率最佳化。另外，可貫穿量測將耦合至波導中之功率之一量維持於大約一恆定位準處。
可藉由以下操作將遞送至波導之功率維持於大約恆定位準處：監測來自波導之相對端之光電二極體1-324信號且將彼信號饋送至操作一致動器2-162之一控制器，該控制器控制脈衝雷射系統1-110之一半波板2-160之一定向(參考圖2-1A)。半波板2-160之旋轉改變進入頻率加倍晶體2-170之光脈衝之偏振，且因此改變至用於激發反應室中之螢光團之較短波長之轉換效率。
在圖8-4中繪示根據某些實施例之用於射束對準及功率穩定化之實例性電路。四象限偵測器1-320經表示為四個光電二極體，且一波 導光電二極體1-324經表示為一第五光電二極體。在某些實施方案中，可存在來自一單一光柵耦合器之光功率耦合至之複數個大波導。因此，可在波導之端處存在複數個大波導光電二極體1-324，該複數個大波導光電二極體具有連接至控制電路8-430之信號輸出。放大電路8-410可經配置以偵測藉由二極體之光電傳導產生之電壓。根據某些實施例，放大電路8-410可包括將一類比信號轉換成一數位信號之CMOS電子器件(例如，FET、取樣電路、類比轉數位轉換器)。在其他實施例中，類比信號可自放大電路提供至控制電路8-430。
在某些實施例中，控制電路可包括以下元件中之一者或一組合：類比及數位電路、一ASIC、一FPGA、一DSP、一微控制器及一微處理器。控制電路8-430可經組態以處理自一或多個波導光電二極體接收之信號來判定每一波導中之光功率之一位準。控制電路8-430可進一步經組態以處理自四象限偵測器1-320接收之信號來判定光射束相對於四象限偵測器之一x,y位置。在某些實施方案中，控制電路8-430經組態以偵測耦合至每一波導中之功率，且將一控制信號提供至致動器以移動雷射射束，使得功率在波導中被等化或具有跨越波導之一最高均勻性。
可(舉例而言)藉由控制電路8-430經調適以執行以下演算法之而判定雷射射束沿x方向之一位置：Sx=[(VQ2+VQ3)-(VQ1+VQ4)]/VT其中Sx係對應於x方向之一正規化信號位準，VQn係自四象限偵測器之第n光電二極體接收之一信號位準(例如，電壓)，且VT係藉由加總來自所有四個光電二極體之信號而接收之一總信號位準。另外，可(舉例而言)使用以下演算法而判定雷射射束沿y方向之一位置：Sy=[(VQ3+VQ4)-(VQ1+VQ2)]/VT可藉由加總來自光電二極體1-324中之所有光電二極體之信號而判定 耦合至晶片1-140上之所有波導中之一平均功率，該等光電二極體經配置以偵測晶片上之波導中之每一者中之功率。
可回應於在x及y上之經偵測射束位置且回應於在生物光電子晶片1-140之一或多個波導中偵測之功率位準而由控制電路8-430產生控制信號。控制信號可作為數位信號而經由通信鏈路(SM1、SM2、SM3)提供至射束轉向模組1-150之致動器且經由一通信鏈路WP提供至控制半波板2-160之旋轉之脈衝雷射系統1-110之一致動器1-162。
為進一步圖解說明脈衝雷射1-110及儀器1-100之操作，在圖8-5中圖解說明用於對準至一生物光電子晶片1-140上之一光學耦合器(例如，一光柵耦合器)且維持脈衝雷射射束至該光學耦合器之對準之一實例性方法8-500。根據某些實施例，儀器1-100內之控制電路8-430可經組態以偵測(動作8-505)儀器中之一生物光電子晶片之裝載。當裝載了一新晶片時，其光學耦合器可未經對準至來自脈衝雷射之雷射射束。回應於裝載之偵測，控制電路8-430可操作射束轉向模組1-150以執行(動作8-510)對生物光電子晶片之表面上邊之脈衝雷射射束之螺旋掃描(或上文所闡述之任何其他適合掃描方法)，(舉例而言)如在圖8-3中所繪示。控制電路可操作射束轉向模組1-150之致動器8-122、8-123以沿一螺旋路徑8-310或任何其他適合路徑移動射束。當正掃描晶片之表面上邊之脈衝雷射射束時，可由控制電路8-430監測(動作8-515)來自一四象限偵測器1-320之信號以判定是否偵測到雷射射束之一位置。
若來自四象限偵測器之信號指示(動作8-520)尚未偵測到脈衝雷射射束之一位置，則控制電路可繼續掃描(動作8-510)生物光電子晶片之表面上邊之雷射射束。替代地，若偵測到射束之位置，則可停止螺旋掃描且可驅動射束轉向模組之致動器以使脈衝雷射射束大致居中(動作8-525)於四象限偵測器1-320上。根據某些實施例，一光柵耦合 器1-310可大致居中於四象限偵測器上，使得使雷射射束居中於四象限偵測器上使射束大致對準至光柵耦合器。在脈衝雷射射束處於光柵耦合器之近似位置之情況下，控制電路可驅動射束轉向模組1-150之致動器8-122、8-123以在光柵耦合器之緊鄰區域中執行(動作8-530)一x-y掃描。舉例而言，射束轉向模組可沿x方向執行一循序線性掃描以找到一第一最佳耦合值且然後沿y方向執行一線性掃描以找到一第二最佳耦合值。當正掃描雷射射束時，可監測(動作8-535)來自四象限偵測器1-320及一或多個波導光電二極體1-324之輸出信號。
當在光柵耦合器附近掃描脈衝雷射射束時，自一或多個波導光電二極體1-324偵測之功率可增加及減小。在某些實施例中，可存在對應於脈衝雷射射束(如藉由四象限偵測器1-320判定)之一第一x 1 ,y 1 位置的耦合至波導中之一最大總共功率(藉由一或多個波導光電二極體1-324偵測)。在某些情形中，可存在脈衝雷射射束之一第二x 2 ,y 2 位置，其中在連接至光柵耦合器之複數個波導中偵測之功率位準大約相等(例如，在±20%內或甚至在±10%內)。在第二位置處，耦合至波導中之總功率可小於在第一位置中耦合至波導中之量。
根據某些實施例，控制電路8-430可經調適以移動脈衝雷射射束直至達成跨越波導在一預定均勻性(例如，±15%)內的耦合至波導中之一最高總功率為止。對應位置可係一第一經最佳化位置x 3 ,y 3 ，其可不同於第一位置x 1 ,y 1 及第二位置x 2 ,y 2 。在某些實施方案中，可容許跨越波導之更大功率變化(例如，在所得資料之外進行正規化)。在此等實施方案中，第一經最佳化位置x 3 ,y 3 可係至波導中之總功率經最大化之一位置。
若控制電路8-430判定(動作8-540)尚未找到一第一經最佳化位置x 3 ,y 3 ，則控制電路可繼續操作射束轉向模組之致動器以在光柵耦合器1-310附近執行(動作8-530)脈衝雷射射束之一x-y掃描。若已找到一 第一經最佳化耦合位置，則控制電路8-430可藉由操作致動器8-122及8-123以將雷射射束維持於由四象限偵測器1-320感測之一固定位置處而保持(動作8-545)雷射射束之位置。控制電路可然後致動致動器8-121且視情況射束轉向模組之一額外致動器以掃描(動作8-550)在生物光電子晶片上之光學耦合器處之入射射束角度。當正掃描入射射束角度時，可監測(動作8-555)來自一或多個波導中之波導光電二極體1-324之信號位準。可掃描入射射束角度直至控制電路8-430判定(動作8-560)找到一第二經最佳化耦合定向為止。第二經最佳化耦合定向可對應於射束入射角，該等射束入射角提供耦合至生物光電子晶片1-140上之一或多個波導中之功率之一最高量或提供具有跨越波導之功率之一預定均勻性的耦合至波導中之一最高功率。
若尚未識別(動作8-560)一第二經最佳化耦合定向，則控制電路可繼續入射射束角度之掃描(動作8-550)。若已識別第二經最佳化耦合定向，則控制電路8-430可維持(動作8-565)脈衝雷射射束之x-y位置以及其入射角。在已維持脈衝雷射射束之位置及入射角之情況下，可在生物光電子晶片1-140上開始一量測。
在某些實施例中，可在一量測期間維持相對於四象限偵測器1-320之脈衝雷射射束之位置，此可持續達數十分鐘(10's minutes)或更長。舉例而言，主動回饋可用於感測光學耦合器處之射束之位置(運用四象限偵測器1-320)且將脈衝雷射射束維持於經感測位置處(舉例而言，藉由操作致動器8-122及8-123以補償系統中之漂移或振動)。
當一量測開始時，亦可維持(動作8-570)反應室中之光功率位準。根據某些實施例，維持光功率位準可包括用位於一或多個波導之端處之一或多個波導光電二極體1-324來監測波導功率位準，且藉由致動脈衝雷射系統1-110之致動器2-162而補償光功率之改變。致動器之操作將旋轉半波板2-160，此旋轉頻率加倍晶體2-170中之光偏振且 改變至經頻率加倍波長之轉換效率。以此方式，可顯著減少將原本在反應室中發生之功率波動。
在某些實施例中，控制電路8-430可在一量測終結時自生物光電子晶片1-140接收一量測結束信號。若控制電路不偵測(動作8-575)一量測結束信號，則可維持射束定向及功率位準。若控制電路偵測(動作8-575)一量測結束信號，則程序可結束。在某些實施例中，結束程序可包括將脈衝雷射1-110及射束轉向模組之致動器關閉電源。
Ⅳ.時脈產生及系統同步
再次參考圖1-1，不管用於產生短或超短脈衝之方法及設備為何，一系統1-100皆可包含經組態以使一分析系統1-160之至少某些電子操作(例如，資料獲取及信號處理)與來自光源1-110之光脈衝1-122之重複率同步之電路。存在用以使脈衝重複率與分析系統1-160上之電子器件同步之至少兩種方式。根據一第一技術，一主控時鐘可用作一定時源以觸發脈衝光源及儀器電子器件兩者處之脈衝之產生。在一第二技術中，一定時信號可來源於脈衝光源且用於觸發儀器電子器件。
圖9-1繪示一系統，在該系統中一時鐘9-110將在一同步頻率f sync 下之一定時信號提供至一脈衝光源1-110(例如，一經增益切換脈衝雷射或LED)及一分析系統1-160兩者，該分析系統可經組態以偵測並處理由每一激發脈衝1-120與生物物質、化學物質或其他物理物質之間的相互作用引起之信號。作為僅一項實例，每一激發脈衝可激發一生物樣本之一或多個螢光分子，該一或多個螢光分子用於分析生物樣本之一性質(例如，用於DNA定序之核苷酸併入、癌性或非癌性、病毒感染或細菌感染、血糖水平)。舉例而言，非癌細胞可展現出一第一值τ 1 之一特性螢光生命期，然而癌細胞可展現出一第二值τ 2 之一生命期，該第二值不同於第一生命期值且可與該第一生命期值區分開。作 為另一實例，自一血液樣本偵測之一螢光生命期可具有取決於血糖水平之一生命期值及/或強度值(相對於另一穩定標記)。在每一脈衝或數個脈衝之一序列之後，分析系統1-160可偵測並處理螢光信號以判定樣本之一性質。在某些實施例中，分析系統可產生藉由激發脈衝探測之一區之一影像，該影像包括指示所成像區內之區域之一或多個性質的該區之一個二維或三維映圖。
不管正進行之分析之類型為何，偵測並處理分析系統1-160上之電子器件可需要與每一光激發脈衝之到達仔細地同步。舉例而言，當評估螢光生命期時，準確地知曉一樣本之激發之時間使得可正確地記錄發射事件之時序係有益的。
在圖9-1中繪示之一同步配置可適合於其中藉由主動方法(例如，外部控制)產生光脈衝之系統。主動脈沖系統可包含但不限於經增益切換雷射及脈衝LED。在此等系統中，一時鐘9-110可提供一數位時脈信號，該數位時脈信號用於在脈衝光源1-110中觸發脈衝產生(例如，增益切換或至一LED接面中之電流注入)。相同時鐘亦可將相同或經同步數位信號提供至一分析系統1-160，使得儀器上之電子操作可與儀器處之脈衝到達時間同步。
時鐘9-110可係任何適合時控裝置。在某些實施例中，時鐘可包括一晶體振盪器或一基於MEMS之振盪器。在某些實施方案中，時鐘可包括一電晶體環形振盪器。
藉由時鐘9-110提供之一時脈信號之頻率f sync 不需要係與脈衝重複率R相同之一頻率。脈衝重複率可由R=1/T給出，其中T係脈衝分離間隔。在圖9-1中，光脈衝1-120經繪示為在空間上藉由一距離D分離。此分離距離根據關係T=D/c(其中c係光速)而對應於到達分析系統1-160之脈衝之間的時間T。在實務中，可用一光電二極體及示波器來判定脈衝之間的時間T。根據某些實施例，T=f sync /N，其中N係大於 或等於1之一整數。在某些實施方案中，T=Nf sync ，其中N係大於或等於1之一整數。
圖9-2繪示其中一定時器9-220將一同步信號提供至分析系統1-160之一系統。在某些實施例中，定時器9-220可自脈衝光源1-110導出一同步信號，且經導出信號用於將一同步信號提供至分析系統1-160。
根據某些實施例，定時器9-220可自一光電二極體接收一類比或數位化信號，該光電二極體偵測來自脈衝源1-110之光脈衝。定時器9-220可使用任何適合方法以自所接收類比或數位化信號形成或觸發一同步信號。舉例而言，定時器可使用一施密特(Schmitt)觸發器或比較器以自經偵測光脈衝形成一串數位脈衝。在某些實施方案中，定時器9-220可進一步使用一延遲鎖定迴路或鎖相迴路以使一穩定時脈信號與自經偵測光脈衝產生之一串數位脈衝同步。該串數位脈衝或經鎖定穩定時脈信號可經提供至分析系統1-160以使儀器上之電子器件與光脈衝同步。
發明者已認識並瞭解到，脈衝雷射1-110之操作(例如，以將激發光脈衝遞送至反應室1-330)、信號獲取電子器件(例如，時間組格化光偵測器1-322之操作)及自生物光電子晶片1-140之資料讀出之協調提出技術挑戰。舉例而言，為使在反應室處收集之經時間組格化信號係螢光衰變特性之準確表示，必須在每一激發光脈衝到達反應室之後以精確時序觸發時間組格化光偵測器1-322中之每一者。另外，必須以與反應室處之資料獲取之近似同步性而自生物光電子晶片1-140讀取資料以避免資料覆蓋及漏失資料。在某些情形中漏失資料可係不利的，例如，導致一基因序列之一錯誤識別。發明者已認識並瞭解到，系統時序由被動鎖模雷射之自然操作特性進一步複雜化，例如，易於引起脈衝振幅之波動、脈衝至脈衝間隔T之波動及偶然脈衝漏碼(drop- out)。
發明者已設想並開發可用於在一可攜式儀器1-100中產生一時脈信號且驅動資料獲取電子器件之時脈產生電路。在圖9-3中繪示時脈產生電路9-300之一實例。根據某些實施例，時脈產生電路可包含以下脈衝偵測級、具有自動增益控制之信號放大級、時脈數位化級及時脈相位鎖定級。
根據某些實施例，一脈衝偵測級可包括一高速光電二極體9-310，該高速光電二極體經反向偏壓且連接於一加偏壓電位與一參考電位(例如，一接地電位)之間。光電二極體上之一反向偏壓可係任何適合值，且可使用固定值電阻器固定或可係可調整的。在某些情形中，一電容器C可連接於光電二極體9-310之一陰極與一參考電位之間。來自光電二極體之陽極之一信號可經提供至一放大級。在某些實施例中，脈衝偵測級可經組態以偵測具有介於約100微瓦特與約25毫瓦特之間的一平均功率位準之光脈衝。時脈產生電路9-300之脈衝偵測級可安裝於脈衝雷射1-110上或接近脈衝雷射1-110而安裝，且經配置以偵測來自雷射之光脈衝。
一放大級可包括一或多個類比放大器9-320，該一或多個類比放大器可包含可變增益調整或可調整衰減，使得可將來自類比增益放大器之脈衝輸出位準設定於一預定範圍內。時脈產生電路9-300之一放大級可進一步包含一自動增益控制放大器9-340。在某些情形中，類比濾波電路9-330可連接至類比放大器9-320之一輸出(例如，以移除高頻(例如，大於約500MHz)及/或低頻雜訊(例如，小於約100Hz))。根據某些實施例，來自一或多個類比增益放大器9-320之經濾波或未經濾波輸出可經提供至一自動增益控制放大器9-340。
根據某些實施例，來自一或多個類比放大器之一最終輸出信號可係正向的。發明者已認識並瞭解到，當一後續自動增益控制(AGC) 放大器將脈衝輸入至正電壓而非負電壓時，其更可靠地操作。自動增益控制放大器可變化其內部增益以補償所接收電子脈衝串中之振幅波動。來自自動增益控制放大器9-340之輸出脈衝串可具有大約恆定振幅，如在圖式中所繪示，然而至自動增益控制放大器9-340之輸入可具有脈衝至脈衝振幅之波動。一實例性自動增益控制放大器係可自馬薩諸塞州諾伍德市(Norwood)之Analog Devices公司購得之模型AD8368。
在一時脈數位化級中，根據某些實施方案，來自自動增益控制放大器之一輸出可經提供至一比較器9-350以產生一數位脈衝串。舉例而言，來自AGC之脈衝串可經提供至比較器9-350之一第一輸入，且一參考電位(在某些實施例中其可係使用者可設定的)可連接至比較器之一第二輸入。參考電位可建立用於每一所產生數位脈衝之上升邊緣之觸發點。
如可瞭解，光脈衝振幅之波動將導致在AGC放大器9-340之前的電子脈衝之振幅之波動。在不具有AGC放大器之情況下，此等振幅波動將導致來自比較器9-350之數位化脈衝串中之脈衝之上升邊緣中之時序顫動。藉由運用AGC放大器而將脈衝振幅調平，在比較器之後的脈衝顫動顯著減少。舉例而言，可運用AGC放大器將時序顫動減少至小於約50皮秒。在某些實施方案中，來自比較器之一輸出可經提供至邏輯電路9-370，該邏輯電路經組態以將數位化脈衝串之工作循環改變至大約50%。
時脈產生電路9-300之一相位鎖定級可包括一鎖相迴路(PLL)電路9-380，該鎖相迴路電路用於產生用於對儀器操作進行定時且使儀器操作同步之一或多個穩定輸出時脈信號。根據某些實施例，來自時脈數位化級之一輸出可經提供至一PLL電路9-380之一第一輸入(例如，一回饋輸入)，且來自一電子或機電振盪器9-360之一信號可經提供到 至PLL之一第二輸入(例如，一參考輸入)。一電子或機電振盪器可在某些情形中抵抗機械擾動且抵抗溫度變化而係高度穩定的。根據某些實施例，來自電子或機電振盪器9-360之穩定時脈信號之一相位藉由PLL而鎖定至來源於鎖模雷射之數位化時脈信號之一相位(其可係較不穩定的)。以此方式，電子或機電振盪器9-360可穿越脈衝雷射1-110之短期不穩定性(例如，脈衝顫動、脈衝漏碼)，且亦與光脈衝串大致同步。鎖相迴路電路9-380可經組態以產生一或多個穩定輸出時脈信號，該一或多個穩定輸出時脈信號來源於來自電或機電振盪器9-360之鎖相信號。可用於實施PLL之一實例性電路係IC晶片Si5338，其可自德克薩斯州奧斯汀市(Austin)之Silicon Laboratories公司購得。
根據某些實施例，自PLL電路9-380輸出之一或多個時脈信號可經提供至生物光電子晶片1-140以對晶片上之資料獲取電子器件進行定時。在某些情形中，PLL電路9-380可包含在其時脈輸出上之相位調整電路9-382、9-384，或單獨相位調整電路可連接至鎖相迴路之時脈輸出。在某些實施方案中，生物光電子晶片1-140可自晶片上之一或多個光偵測器提供一脈衝到達信號1-142，該脈衝到達信號指示來自脈衝雷射1-110之光激發脈衝之到達。脈衝到達信號可經評估且用於設定提供至生物光電子晶片1-140之時脈信號之該或該等相位。在某些實施例中，脈衝到達信號可向後提供至鎖相迴路電路9-380且經處理以自動地調整提供至晶片之時脈信號之相位，使得經提供以驅動生物光電子晶片1-140上之資料獲取之一時脈信號之一觸發邊緣(例如，藉由時間組格化光偵測器1-322進行之信號獲取之時序)經調整以在於一光激發脈衝到達反應室中之後的一預定時間處發生。
根據某些實施例，來自PLL電路9-380之一時脈信號亦可經提供至包含於儀器1-100中之一或多個場可程式化閘陣列(FPGA)9-390。FPGA可用於儀器上之各種功能，諸如驅動自生物光電子晶片1-140之 資料讀出、資料處理、資料傳輸、資料儲存等。
發明者已認識並瞭解到，可在AGC放大器9-340之迴路頻寬與鎖相迴路9-380之迴路頻寬之間存在一相互作用。舉例而言，若鎖相迴路之迴路頻寬過高，則PLL可回應於藉由AGC放大器及比較器引入於數位化脈衝串中之顫動，且不會準確地追蹤光脈衝定時。另一方面，若AGC及PLL迴路頻寬中之任一者或兩者過低，則自PLL輸出之所得時脈信號將不會準確地追蹤光脈衝定時。發明者已發現，與PLL 9-380之迴路頻寬相關聯之一積分時間常數應介於來自鎖模雷射1-110之光脈衝串之約30脈衝與約80脈衝之間。另外，與AGC放大器9-340之迴路頻寬相關聯之一積分時間常數應不超過針對PLL之積分時間常數之約20%以上。
在某些實施方案中，來自放大級之一或多個信號可用於儀器1-100中之額外目的。舉例而言，一類比信號9-332可在AGC放大器9-340之前分離出且用於監測脈衝雷射1-110中之鎖模之品質。舉例而言，類比信號9-332可在頻域及/或時域中進行電子分析以偵測指示藉由脈衝雷射進行之Q切換之開始之特性。若偵測到該特性(及Q切換之開始)，則系統可自動地進行對鎖模雷射內之光學器件(例如，腔對準光學器件)之調整以避免Q切換，或者系統可指示一誤差及/或使脈衝雷射停機。
在某些實施例中，一AGC放大器可提供一輸出信號9-342(類比或數位)，該輸出信號表示用以將輸出脈衝之振幅調平所需要之即時增益調整。發明者已認識並瞭解到，此輸出信號9-342可用於評估脈衝雷射之鎖模品質。舉例而言，輸出信號9-342之光譜可經分析以偵測Q切換之開始。
儘管已使用一自動增益控制放大器及一鎖相迴路來闡述時脈產生及同步，但可在其他實施例中使用其中可容許時脈顫動之一較大量 (例如，最高達約300ps)之替代設備。在某些實施方案中，脈衝放大級中之一放大器可經驅動成飽和以提供一上升邊緣觸發信號。一時鐘之一觸發點可經設定於上升邊緣上之某一值處。由於放大器飽和，因此脈衝振幅之變化對觸發時序具有比一非飽和放大器更小之一影響。上升邊緣可用於雙態切換一正反器時控電路，諸如在場可程式化閘陣列(FPGA)中實施之電路。向後返回至零的來自飽和放大器之下降邊緣可取決於放大器之輸出何時自飽和釋放而具有明顯地較多時序變化性。然而，下降邊緣不會由正反器時控電路偵測到且不具有對時控之影響。
諸多FPGA包含數位延遲鎖定迴路(DLL)，該等數位延遲鎖定迴路可替代一PLL用於將一穩定振盪器鎖定至來自正反器之雷射產生時控信號。在某些實施例中，接收正反器將來自光脈衝串之時控速率一分為二，此可以脈衝重複率之一半將一50%工作循環時脈信號提供至DLL。DLL可經組態以產生將與光脈衝串同步之一經頻率加倍時脈。亦可由DLL及FPGA產生額外經同步較高頻率時脈。
在某些實施例中，可需要兩個或兩個以上脈衝光源1-110a、1-110b以將處於兩個或兩個以上不同波長之光脈衝供應至一分析系統1-160，如在圖9-4中所繪示。在此等實施例中，可需要使光源之脈衝重複率與分析系統1-160上之電子操作同步。在某些實施方案中，若兩個脈衝光源使用主動方法(例如，增益切換)來產生脈衝，則可使用上文與圖9-1一起闡述之技術。舉例而言，一時鐘9-110可將在一同步頻率f sync 下之一時脈或同步信號供應至兩個脈衝光源1-110a、1-110b之驅動電路且供應至分析系統1-160。若一個光脈衝源1-110b使用被動方法產生脈衝，則可使用與圖9-2一起闡述之技術來自被動脈衝源導出一同步信號。同步信號可然後經提供至主動脈沖源1-110a以使彼源之脈衝產生同步且經提供至儀器1-160以使儀器電子器件及操作同 步。
當脈衝在每一光源處皆經主動地產生時，可或可不需要使用一回饋控制系統來動態地調整一雷射腔長度以用於穩定及經同步脈衝產生。若脈衝係藉由一雷射之增益介質之增益切換產生，則可不需要雷射腔長度調整。若脈衝係藉由主動鎖模技術而產生，則可需要一動態雷射腔長度調整以產生一串穩定光脈衝。存在可藉以進行雷射腔長度調整之數種機電技術。舉例而言，一腔鏡(諸如一腔端鏡或轉向鏡對)可使用根據一回饋信號控制之一壓電換能器而定位。回饋信號可來源於藉由雷射腔產生之一脈衝重複率與在外部產生之另一脈衝重複率或時脈信號之間的一差別。在某些情形中，一光纖雷射長度可根據一回饋信號使用一壓電材料而拉伸。在某些實施方案中，一腔鏡可係根據一回饋信號控制之一基於微機電鏡。
根據某些實施例，兩個光脈衝源1-110a、1-110b皆可被動地產生光脈衝(例如，藉由被動鎖模)。在此等實施例中，一同步信號可來源於脈衝光源中之一者(如與圖9-3一起闡述)以用於雷射間脈衝及電子同步。可需要額外度量以使來自第二光脈衝源之脈衝與來自第一光源之脈衝同步。舉例而言，一定時信號亦可來源於第二光脈衝源，且與一機電回饋電路一起使用以控制第二光脈衝源之一腔長度。藉由控制第二光脈衝源之腔長度，來源於第二光脈衝源之定時信號之頻率及相位可經鎖定(例如，經由一鎖相迴路)至來源於第一光脈衝源之一時脈信號。以此方式，來自一第二光脈衝源之一脈衝串可與來自第一光脈衝源之一脈衝串同步，且儀器操作及電子器件亦可與第一光脈衝源同步。
在某些實施方案中，使來自兩個脈衝光源之脈衝在時間上交錯可係有益的，如在圖9-5A及圖9-5B中所繪示。當脈衝經交錯時，來自一第一源1-110a之一脈衝9-120a可在一第一時間t 1 處用一第一特性波 長λ1激發分析系統1-160處之一或多個樣本。可然後由儀器收集表示第一脈衝與一或多個樣本之相互作用之資料。在一稍後時間t 2 處，來自一第二源1-110b之一脈衝9-120b可用一第二特性波長λ2激發分析系統1-160處之一或多個樣本。可然後由儀器收集表示第二脈衝與一或多個樣本之相互作用之資料。藉由交錯脈衝，處於一個波長之脈衝-樣本相互作用之效應可不與處於一第二波長之脈衝-樣本相互作用之效應混雜。此外，可偵測到與兩個或兩個以上螢光標記相關聯之特性。
脈衝可與定時及同步電路交錯，如在圖9-5A中所繪示。與圖9-4一起闡述之方法可用於使來自兩個脈衝光源1-110a、1-110b之脈衝串同步，且使分析系統1-160上之電子器件及操作與脈衝之到達同步。為交錯脈衝，一個脈衝光源之脈衝可與來自另一脈衝光源之脈衝異相地鎖相或觸發。舉例而言，一第一脈衝光源1-110a之脈衝可經鎖相(使用一鎖相迴路或延遲鎖定迴路)或經觸發為與來自第二脈衝光源1-110b之脈衝180度異相，但亦可在某些實施例中使用其他相位或角度關係。在某些實施方案中，一時序延遲可經添加至經提供至脈衝光源中之一者之一觸發信號。時序延遲可將一觸發邊緣延遲達脈衝分離間隔T之大約一半。根據某些實施例，一經頻率加倍同步信號可由一定時器9-220產生，且經提供至儀器9-160以用於使儀器電子器件及操作與來自脈衝光源之經交錯脈衝之到達同步。
發明者已設想可藉以產生處於兩個或兩個以上不同特性波長之光脈衝串且使其同步之其他方法及技術。圖9-6A繪示一個兩雷射系統9-600，該兩雷射系統採用非線性光學材料來產生所要特性波長λ1/2及λ3處之兩個同步脈衝串9-120c、9-120d。根據某些實施例，一第一雷射1-110a可產生一第一特性波長λ1處之一第一串光脈衝9-120a。舉例而言，第一雷射可係產生處於1064nm之脈衝之一被動鎖模雷射(例 如，一Nd：YVO4或Nd：GdVO4雷射)。第一雷射1-110a可包括與圖3-3A或圖5-1至圖5-3一起闡述之任何雷射腔系統。第一串光脈衝9-120a可藉由一第一非線性光學元件9-610(例如，一KTP或BBO晶體)中之二次諧波產生(SHG)而經頻率加倍以產生第一雷射之脈衝串之波長之一半(例如，λ1/2=532nm)處之一第三串光脈衝9-120c。二次諧波產生將不會將所有脈衝能量轉換成二次諧波頻率，使得基波長λ1處之一經衰減脈衝串將自第一非線性光學元件9-610射出。
另外，一第二被動鎖模雷射1-110b可產生一第二特性波長λ2處之一第二串光脈衝9-120b。在某些實施例中，第二雷射亦可包括產生處於一第二波長(例如，1342nm)之脈衝之一被動鎖模雷射(例如，一Nd：YVO4或Nd：GdVO4雷射)，該第二波長係藉由相同類型之增益介質支援之一第二雷射產生躍遷，但亦可在其他實施例中使用其他雷射產生材料。一第一二向色鏡DC1可用於將脈衝自第一雷射1-110a引導至一第二二向色鏡DC2，在該第二二向色鏡處，來自兩個雷射之脈衝串將經組合且經引導至一第二非線性光學元件9-620(例如，一KTP或BBO晶體)。在第二非線性元件中，來自兩個脈衝串之光場相互作用(倘若脈衝同時到達)以藉由被稱為和頻產生(SFG)之一程序產生一第三波長λ3。在此程序中，藉由以下關係給出所得波長。
λ 3 =λ 1 λ 2 /(|λ 1 +λ 2 |) (2)根據以上實例，第三波長λ3可在約593.5nm下產生。因此，兩雷射系統可產生處於532nm之一第三脈衝串9-120c及處於593.5nm之一第四脈衝串9-120d。在某些實施例中，第四脈衝串可含有處於基波長λ1及λ2之脈衝，但可(舉例而言)使用一紅外線濾波器來將此輻射自脈衝串濾除。
在某些實施方案中，可產生處於一第四特性波長λ4之一第五脈衝 串(未展示)。舉例而言，來自第二雷射1-110b之處於其基波長λ2之輻射可自第二非線性光學元件9-620射出且在一第三非線性光學元件(未展示)中經頻率加倍。根據以上實例，第四特性波長將係約670nm。另外，此等脈衝將在時間上與第三及第四脈衝串中之其他光脈衝同步。
如上文所述，來自兩個雷射1-110a、1-110b之脈衝應在一相同時間處到達第二非線性光學元件9-620且在元件中在空間上儘可能地重疊。因此，兩個雷射應係同步的。可(舉例而言)使用一定時及機電控制電路9-220進行兩個雷射及與儀器電子器件之同步，如與圖9-4一起闡述。控制電路9-220可(在某些實施例中)比較來自兩個雷射之脈衝重複率以產生用於控制一個雷射之一腔長度之一回饋信號。可經由一機電致動器(諸如一壓電換能器)來控制一腔長度。控制電路9-220可進一步產生或相位鎖定至用於使分析脈衝與物質之相互作用之一儀器1-160之電子操作同步之一時控信號。
藉由圖9-6A之雷射產生系統或其他雷射產生系統或本文中所闡述之雷射產生系統之組合產生之處於多個特性波長之同步脈衝對於激發用於生物分析系統之螢光團可係合意的。在某些實施方案中，表示自經激發螢光團偵測之光發射之信號可經處理以根據在相關應用中闡述之方法區分螢光團之類型。在某些情形中，經偵測信號之分析可基於其生命期及/或光譜特性區分螢光團。在某些實施例中，基於生命期區分螢光團傾向於在樣本處使用多個激發波長，此乃因待區分之不同螢光團可具有不同吸收頻帶。處於多個波長之激發脈衝可確保每一螢光團(當存在於樣本處時)皆將被激發。
在某些情形中，當可獲得多個激發波長時，可基於一激發源是否激發一螢光團而區分螢光團。作為僅一項實例，可在一單一分子基因定序設備中使用四個螢光團以偵測至一基因或基因片段中之核苷酸 併入。四個螢光團可經選擇，使得其在其吸收頻帶中具有經減少重疊。來自兩個或兩個以上脈衝雷射源的匹配至吸收頻帶之四個激發波長可用於激發螢光團。脈衝可在時間上交錯，使得脈衝針對每一特性波長在不同時間間隔內到達一樣本。若存在具有匹配至一激發波長之一吸收頻帶之一螢光團，則該螢光團將在一時間間隔期間與處於匹配之激發波長之一脈衝相關聯地發射輻射。因此，自一樣本偵測之信號之時序或相位可識別存在之螢光團之類型。
在某些實施例中，可使用螢光團區別方法之一組合。舉例而言，在同一樣本分析中，可基於生命期區分某些螢光團且可基於激發波長-吸收頻帶匹配區分某些螢光團。可藉由一單一雷射系統(如與圖9-6A一起闡述)或藉由雷射系統之一組合(例如，一經增益切換半導體雷射及被動鎖模雷射)產生多個激發波長。
在圖9-6B中繪示一個兩雷射系統9-602之另一實施例。在此系統中，在二次諧波產生之前實施和頻產生。舉例而言，來自一第一雷射1-110a及第二雷射1-110b之輸出脈衝串9-120a、9-120b在一個二向色鏡DC1處組合且經引導至其中SFG發生之一第一非線性光學元件。一輸出脈衝串可然後經分隔(使用一三向色分束器TC1或二向色分束器)以將至少第一波長引導至其中SHG發生之一第二非線性光學元件。因此，可產生處於λ1/2之一第三脈衝串9-120c及處於λ3之一第四脈衝串9-120d。可使用一定時及機電回饋控制電路9-220來進行兩個脈衝串之同步。
V.組態
如可瞭解，可存在一脈衝雷射1-110及分析儀器1-100以及操作方法之諸多不同組態及實施例。下文給出某些組態及實施例，但本發明並不限於所列舉組態及實施例。
(1)，一種鎖模雷射，其包括：一基底板，其具有不大於350mm 之一最大邊緣長度；一增益介質，其安裝於該基底板上；一第一端鏡，其安裝於該基底板上，位於一雷射腔之一第一端處；及一可飽和吸收器鏡，其安裝於該基底板上且形成該雷射腔之一第二端鏡，其中該鎖模雷射經組態以藉由被動鎖模而以介於50MHz與200MHz之間的一重複率產生光脈衝。
(2)，如組態(1)之鎖模雷射，其進一步包括：一生物光電子晶片，其經配置以自該鎖模雷射接收激發脈衝，其中該生物光電子晶片支援核苷酸或核苷酸類似物循序併入至與一目標核酸互補之一生長鏈中；射束轉向光學器件，其經配置以將處於一單一特性波長之該等激發脈衝朝向該生物光電子晶片引導；及一信號處理器，其經組態以接收表示由處於該單一特性波長之該等激發脈衝誘發之螢光發射之信號且處理該等所接收信號以判定併入至該生長鏈中之四種不同核苷酸或核苷酸類似物之身份，其中該等所接收信號對應於核苷酸或核苷酸類似物至該生長鏈中之該循序併入。
(3)，如(1)或(2)之鎖模雷射，其進一步包括處於該雷射腔中之一可調整鏡架座，該可調整鏡架座經配置以當該鎖模雷射正操作時在於該雷射腔內進行一雷射射束之調整時提供僅兩個自由度，此係當該鎖模雷射正操作時藉由該雷射腔中之一光學架座為調整該雷射射束所提供之僅有的兩個自由度。
(4)，如(1)至(3)中任一者之鎖模雷射，其進一步包括：一第一聚焦光學器件，其安裝於該基底板上且沿著一腔內光學軸而定位於該增益介質與該可飽和吸收器鏡之間；及一第二聚焦光學器件，其安裝於該基底板上且沿著該腔內光學軸而定位於該第一聚焦光學器件與該可飽和吸收器鏡之間，其中沿著該腔內光學軸對該第一聚焦光學器件之位置進行一調整比沿著該腔內光學軸對該第二聚焦光學器件之位置進行一相同量的調整對一腔內雷射射束在該可飽和吸收器鏡上之一焦點 大小之改變會更大。
(5)，如(1)至(4)中任一者之鎖模雷射，其進一步包括溫度控制元件，該等溫度控制元件耦合至該增益介質之至少兩側且經組態以跨越該增益介質產生一不對稱熱梯度，該不對稱熱梯度使一腔內雷射射束轉向。
(6)，如(1)至(5)中任一者之鎖模雷射，其進一步包括：一第一聚焦光學器件，其安裝於該基底板上且沿著一腔內光學軸而定位於該增益介質與該可飽和吸收器鏡之間；一第二聚焦光學器件，其安裝於該基底板上且沿著該腔內光學軸而定位於該第一聚焦光學器件與該可飽和吸收器鏡之間；及一腔內射束轉向模組，其安裝於該第一聚焦光學器件與該可飽和吸收器鏡之間。
(7)，如(6)之鎖模雷射，其進一步包括：一光偵測器，其經配置以偵測該鎖模雷射之一平均功率；及控制電路，其與該光偵測器及該腔內射束轉向模組進行通信，其中該控制電路經組態以基於由該光偵測器偵測之一信號位準而提供信號以使一腔內雷射射束在該可飽和吸收器鏡上重新對準。
(8)，如(6)之鎖模雷射，其進一步包括：一光偵測器及信號處理器，其經配置以偵測與該脈衝雷射之Q切換相關聯之一或多個特性；及控制電路，其與該信號處理器及該腔內射束轉向模組進行通信，其中該控制電路經組態以回應於偵測到與Q切換相關聯之該一或多個特性而提供信號以使一腔內雷射射束在該可飽和吸收器鏡上重新對準。
(9)，如(1)至(8)中任一者之鎖模雷射，其進一步包括：複數個鏡，其延伸該雷射腔之一長度且位於該增益介質與該可飽和吸收器鏡之間；及一安裝特徵，其形成於該基底板中且位於該增益介質與該複數個鏡之間，其中該安裝特徵經組態以接納一端鏡或用以固持一端鏡之夾具，該端鏡或該夾具使該雷射腔縮短。
(10)，如(1)至(9)中任一者之鎖模雷射，其進一步包括形成於該基底板中之至少一個溝渠，該至少一個溝渠沿該腔內光學軸之一方向延展且經組態以接納該鎖模雷射之一或多個光學組件。
(11)，如(10)之鎖模雷射，其進一步包含形成至該基底板中之一經整合光學架座，該經整合光學架座包括：兩個共面表面，其鄰接該至少一個溝渠之相對側且基本上垂直於該腔內光學軸而定向；及兩個傾斜表面，其形成於該至少一個溝渠之該等相對側上且朝向該兩個共面表面傾斜。
(12)，如(1)至(11)中任一者之鎖模雷射，其進一步包括：一光偵測器，其經配置以偵測來自該鎖模雷射之光脈衝；及一時脈產生電路，其經組態以使來自一穩定振盪器之一電子時脈信號與由該鎖模雷射產生之光脈衝同步。
(13)，如(1)至(12)中任一者之鎖模雷射，其中該第一端鏡包括一輸出耦合器，該輸出耦合器具有介於大約10%與大約25%之間的一透射。
(14)，如(1)至(13)中任一者之鎖模雷射，其中該等光脈衝之一半峰全幅持續時間介於約5ps與約30ps之間。
(15)，如(1)至(14)中任一者之鎖模雷射，其中該等光脈衝之一尾部強度在自該等光脈衝之一峰值強度經過250ps之後保持低於該等光脈衝之該峰值強度達20dB。
(16)，如(1)至(15)中任一者之鎖模雷射，其進一步包括安裝於該基底板上之一頻率加倍組件，該頻率加倍組件將來自該雷射之輸出脈衝自一第一雷射產生波長轉換成具有該雷射產生波長之一半之脈衝。
(17)，如(1)至(15)中任一者之鎖模雷射，其進一步包括：一頻率加倍組件，其安裝於該基底板上且經配置以自該鎖模雷射接收一輸出；及一回饋電路，其經組態以接收表示自該頻率加倍組件遞送至一 生物光電子晶片之處於一經頻率加倍波長之功率之一量的一信號且基於該所接收信號之一位準而提供一信號以改變處於一經頻率加倍波長之功率之該量。
(18)，如(16)或(17)之鎖模雷射，其進一步包括：一偏振旋轉器，其經配置以改變經遞送至該頻率加倍組件之來自該鎖模雷射之該輸出之一偏振；及一致動器，其連接至該回饋電路，該致動器控制該偏振旋轉器之一定向。
(19)，如(1)至(18)中任一者之鎖模雷射，其進一步包括一個二極體泵源模組，該二極體泵源模組係以熱絕緣緊固件而安裝至該基底板。
(20)，如(19)之鎖模雷射，其中該二極體泵源模組透過一孔而安裝於該基底板中且位於與該雷射腔相對的該基底板之一側上。
(21)，一種用於將DNA定序之方法，該方法包括以下動作：產生處於一單一特性波長之脈衝激發能量；將該脈衝激發能量朝向一生物光電子晶片引導，其中該生物光電子晶片支援核苷酸或核苷酸類似物循序併入至與一目標核酸互補之一生長鏈中；接收表示由處於該單一特性波長之該脈衝激發能量誘發之螢光發射之信號，其中該等信號對應於核苷酸或核苷酸類似物至該生長鏈中之該循序併入；及處理該等所接收信號以判定併入至該生長鏈中之四種不同核苷酸或核苷酸類似物之身份。
(22)，如實施例(21)之方法，其中產生脈衝激發能量包括以在一單一特性波長下操作之一鎖模雷射產生光脈衝。
(23)，如(21)之方法，其中產生脈衝激發能量包括以在一單一特性波長下操作之一經增益切換雷射產生光脈衝。
(24)，如(21)至(23)中任一者之方法，其中處理該等所接收信號包括在至少兩個不同螢光發射衰變值之間加以區分以識別該四種核苷 酸或核苷酸類似物中之至少兩種不同核苷酸或核苷酸類似物。
(25)，如(21)至(24)中任一者之方法，其進一步包括：產生與該脈衝激發能量同步之一電子觸發信號；及提供該電子觸發信號，以用於對表示該生物光電子晶片上之螢光發射之信號之收集進行定時。
(26)，如(25)之方法，其進一步包括對表示當該脈衝激發能量處於一接通狀態隨後處於一關斷狀態之時發生之螢光發射之該等信號之收集進行定時。
(27)，如(21)至(26)中任一者之方法，其中引導該脈衝激發能量包括將該脈衝激發能量耦合至該生物光電子晶片上之一波導中。
(28)，如(27)之方法，其中該耦合包括：自該生物光電子晶片接收一第一回饋信號，該第一回饋信號指示該脈衝激發能量之一射束與連接至該波導之一輸入埠之一對準程度；及基於該第一回饋信號而使該射束轉向。
(29)，如(27)或(28)之方法，其中該耦合進一步包括：自該生物光電子晶片接收一第二回饋信號，該第二回饋信號指示經遞送至該目標核酸之功率之一量；及基於該第二回饋信號而調整該脈衝激發能量中之能量之一量。
(30)，一種生物分析儀器，其包括：一脈衝雷射系統，其經組態以產生處於一單一特性波長之光激發脈衝；一容座，其用於接納一生物光電子晶片且與該生物光電子晶片形成電連接及一光學耦合，其中該生物光電子晶片支援核苷酸或核苷酸類似物循序併入至與一目標核酸互補之一生長鏈中；射束轉向光學器件，其經配置以將該等激發脈衝朝向該容座引導；及一信號處理器，其經組態以接收表示由處於該單一特性波長之該等激發脈衝誘發之螢光發射之信號且處理該等所接收信號以判定併入至該生長鏈中之四種不同核苷酸或核苷酸類似物之身份，其中該等所接收信號對應於核苷酸或核苷酸類似物至該生長鏈 中之該循序併入。
(31)，如組態(30)之生物分析儀器，其中該脈衝雷射系統包括一鎖模雷射。
(32)，如(31)之生物分析儀器，其中該鎖模雷射包括：一基底板；一增益介質，其安裝於該基底板上；一第一端鏡，其安裝於該基底板上，位於一雷射腔之一第一端處；及一可飽和吸收器鏡，其安裝於該基底板上且形成該雷射腔之一第二端鏡。
(33)，如(31)或(32)之生物分析儀器，其中該鎖模雷射包括一光纖雷射。
(34)，如(31)或(32)之生物分析儀器，其中該鎖模雷射包括一鎖模雷射二極體。
(35)，如(31)或(32)之生物分析儀器，其中該鎖模雷射包括具有一腔內頻率加倍元件之一個二極體泵激雷射。
(36)，如(30)之生物分析儀器，其中該脈衝雷射系統包括一經增益切換雷射。
(37)，如(36)之生物分析儀器，其中該經增益切換雷射包括一雷射二極體。
(38)，如(36)之生物分析儀器，其中該經增益切換雷射包括：一雷射二極體；及一電流驅動電路，其經組態以將一雙極電流脈衝提供至該雷射二極體，其中該雙極電流脈衝包括具有一第一振幅及第一極性之一第一脈衝，後續接著相反極性之一第二脈衝，該第二脈衝具有小於該第一振幅之一第二振幅。
(39)，如(38)之生物分析儀器，其中該驅動電路包含耦合至該雷射二極體之一端子之一電晶體，其中該驅動電路經組態以接收一單極脈衝且回應於接收到該單極脈衝而將一雙極電脈衝施加至半導體二極體。
(40)，如(30)之生物分析儀器，其中該脈衝雷射系統包括一連續波雷射及經互連光學切換器之一陣列，該等經互連光學切換器調變來自該連續波雷射之一輸出。
(41)，如(30)至(40)中任一者之生物分析儀器，其進一步包括控制該等信號之收集之同步電路，該等信號表示在該等激發脈衝處於一基本上關斷狀態中之一時間處在該生物光電子晶片處發生之螢光發射。
(42)，如(41)之生物分析儀器，其中該同步電路包括一時脈產生電路，該時脈產生電路經組態以使來自一電子或機電振盪器之一第一時脈信號與因偵測該等激發脈衝而產生之一第二時脈信號同步，且提供該經同步第一時脈信號以對藉由該生物分析儀器進行之資料獲取進行定時。
(43)，如(42)之生物分析儀器，其中該時脈產生電路包含自動增益控制放大以將自該等光脈衝產生之電子脈衝之振幅調平。
(44)，如(42)之生物分析儀器，其中該時脈產生電路包含飽和放大以將自該等光脈衝產生之電子脈衝之振幅調平。
(45)，一種生物分析儀器，其包括：一雷射，其經組態以產生處於一單一特性波長之脈衝激發能量；及一時脈產生電路，其經組態以使來自一電子或機電振盪器之一第一時脈信號與自來自該雷射之光脈衝之偵測產生之一第二時脈信號同步，且提供該經同步第一時脈信號以對藉由該生物分析儀器進行之資料獲取進行定時。
(46)，如組態(45)之生物分析儀器，其中該時脈產生電路包含自動增益控制放大以將自該等光脈衝產生之電子脈衝之振幅調平。
(47)，如(45)之生物分析儀器，其中該時脈產生電路包含飽和放大以將自該等光脈衝產生之電子脈衝之振幅調平。
(48)，如(45)至(47)中任一者之生物分析儀器，其中該時脈產生 電路包含一鎖相迴路，該鎖相迴路將該第一時脈信號之相位鎖定至該第二時脈信號。
(49)，如(45)至(47)中任一者之生物分析儀器，其中該時脈產生電路包含一延遲鎖定迴路，該延遲鎖定迴路將該第一時脈信號之該相位鎖定至該第二時脈信號。
(50)，一種系統，其包括：一脈衝雷射；一連續波雷射；一第一非線性光學元件；及一第二非線性光學元件，其中該系統經組態以產生自該第一非線性光學元件產生之處於一第一特性波長之一第一脈衝串及來自該第二非線性光學元件之處於一第二特性波長之一第二脈衝串。
(51)，如組態(50)之系統，其中該第二非線性光學元件處於該連續波雷射之一雷射腔中。
(52)，如(50)或(51)之系統，其中該第二脈衝串與該第一脈衝串同步。
(53)，如(50)至(52)中任一者之系統，其中該第二脈衝串係藉由該第二非線性光學元件中之和頻產生而產生。
(54)，如(50)至(53)中任一者之系統，其中該第一特性波長及該第二特性波長介於500nm與700nm之間。
(55)，如(50)至(54)中任一者之系統，其進一步包括：一生物分析儀器，其經組態以固持一樣本；及射束轉向光學器件，其經配置以將來自該第一脈衝串及該第二脈衝串之輻射引導至該樣本上。
(56)，如(55)之系統，其中該生物分析儀器經組態以偵測來自該樣本之發射且基於螢光生命期來區分兩個或兩個以上螢光團。
(57)，一種提供經同步光脈衝之方法，該方法包括：操作處於一第一特性波長之一脈衝雷射；操作處於一第二特性波長之一連續波雷射；將來自該脈衝雷射之一第一脈衝串耦合至該連續波雷射之一雷射 腔中；及在該連續波雷射之該雷射腔中產生處於一第三特性波長之一第二脈衝串。
(58)，如實施例(57)之方法，其中產生該第二脈衝串包括和頻產生。
(59)，如(57)或(58)之方法，其進一步包括使來自該脈衝雷射之一脈衝串頻率加倍以產生處於一第四特性波長之一第三脈衝串。
(60)，如(59)之方法，其進一步包括將該第二脈衝串及該第三脈衝串提供至一生物分析儀器。
(61)，如(60)之方法，其進一步包括：在該生物分析儀器處用該第二脈衝串及該第三脈衝串之脈衝來在一樣本中激發至少兩個螢光團；及基於螢光生命期來區分該至少兩個螢光團。
(62)，一種系統，其包括：一第一脈衝雷射；一第二脈衝雷射；一第一非線性光學元件；及一第二非線性光學元件，其中該系統經組態以產生自該第一非線性光學元件產生之處於一第一特性波長之一第一脈衝串及自該第二非線性光學元件藉由和頻產生得到之處於一第二特性波長之一第二脈衝串。
(63)，如組態(62)之系統，其中該第二脈衝串與該第一脈衝串同步。
(64)，如(62)或(63)之系統，其進一步包括一生物分析儀器，該生物分析儀器經組態以固持一樣本且將來自該第一脈衝串及該第二脈衝串之輻射引導至該樣本上。
(65)，如(64)之系統，其中該生物分析儀器經組態以偵測來自該樣本之發射且基於螢光生命期來區分兩個或兩個以上螢光團。
(66)，如(62)至(65)中任一者之系統，其進一步包括一第三非線性光學元件，其中該系統經組態以產生自該第三非線性光學元件產生之處於一第三特性波長之一第三脈衝串。
(67)，如(66)之系統，其中該第三脈衝串與該第一脈衝串及該第二脈衝串同步。
(68)，如(62)至(67)中任一者之系統，其中該第一特性波長、該第二特性波長及該第三特性波長介於500nm與700nm之間。
(69)，一種提供經同步光脈衝之方法，該方法包括：操作處於一第一特性波長之一第一脈衝雷射；操作處於一第二特性波長之一第二脈衝雷射；使該第一脈衝雷射與該第二脈衝雷射同步；使來自該第一脈衝雷射之脈衝頻率加倍以產生處於一第三特性波長之一第一脈衝串；將來自該第一脈衝雷射及該第二脈衝雷射之脈衝耦合至一非線性光學元件中；及藉由和頻產生而產生處於一第四特性波長之一第二脈衝串。
(70)，如實施例(69)之方法，其進一步包括將該第一脈衝串及該第二脈衝串提供至一生物分析儀器。
(71)，如(70)之方法，其進一步包括：在該生物分析儀器處用該第一脈衝串及該第二脈衝串之脈衝來在一樣本中激發至少兩個螢光團；及基於螢光生命期來區分該至少兩個螢光團。
(72)，如(69)至(71)中任一者之方法，其進一步包括使來自該第二脈衝雷射之脈衝頻率加倍以產生處於一第五特性波長之一第三脈衝串。
(73)，如(72)之方法，其中該第三特性波長、該第四特性波長及該第五特性波長介於500nm與700nm之間。
(74)，一種系統，其包括：一第一脈衝雷射；及一第二脈衝雷射，其包含一腔內可飽和吸收器鏡，其中該系統經組態以將來自該第一脈衝雷射之脈衝引導至該第二脈衝雷射之該可飽和吸收器鏡上。
(75)，如組態(74)之系統，其中該第二脈衝雷射經被動鎖模。
(76)，如(74)或(75)之系統，其進一步包括：一第一非線性光學 元件；及一第二非線性光學元件，其中該系統經組態以產生自該第一非線性光學元件產生之處於一第一特性波長之一第一脈衝串及來自該第二非線性光學元件之處於一第二特性波長之一第二脈衝串。
(77)，如(74)至(76)中任一者之系統，其進一步包括一生物分析儀器，該生物分析儀器經組態以固持一樣本且將來自該第一脈衝串及該第二脈衝串之輻射引導至該樣本上。
(78)，如(77)之系統，其中該生物分析儀器經組態以偵測來自該樣本之發射且基於螢光生命期來區分兩個或兩個以上螢光團。
(79)，一種用於將兩個雷射鎖模之方法，該方法包括：操作處於一第一特性波長之一第一脈衝雷射；及將來自該第一脈衝雷射之一脈衝串耦合至一第二脈衝雷射之一雷射腔中之一可飽和吸收器鏡上。
(80)，如實施例(79)之方法，其進一步包括將處於一第二特性波長之該第二脈衝雷射被動鎖模。
(81)，如(80)或(81)之方法，其進一步包括：使來自該第一脈衝雷射之脈衝頻率加倍以產生處於一第三特性波長之一第一脈衝串；及使來自該第二脈衝雷射之脈衝頻率加倍以產生處於一第四特性波長之一第二脈衝串。
(82)，如(81)之方法，其進一步包括：在一生物分析儀器處用該第一脈衝串及該第二脈衝串之脈衝來在一樣本中激發至少兩個螢光團；及基於螢光生命期來區分該至少兩個螢光團。
(83)，一種脈衝雷射系統，其包括：一第一鎖模雷射，其具有一第一雷射腔，該第一鎖模雷射經組態而以一第一重複率產生具有一第一特性波長之脈衝；一第二雷射，其具有一第二雷射腔，該第二雷射經組態以產生連續波輻射；一非線性光學元件，其處於該第二雷射腔內；及光學元件，其將來自該第一鎖模雷射之一輸出引導至該非線性光學元件中。
(84)，如組態(83)之脈衝雷射系統，其進一步包括一生物分析儀器，該生物分析儀器經組態以固持一樣本且將來自該第二雷射之處於一第二特性波長之一輸出引導至該樣本上。
(85)，如(84)之脈衝雷射系統，其中該第二特性波長介於500nm與700nm之間。
(86)，如(84)或(85)之脈衝雷射系統，其中該生物分析儀器經組態以偵測來自該樣本之發射且基於螢光生命期來區分兩個或兩個以上螢光團。
(87)，如(83)至(86)中任一者之脈衝雷射系統，其進一步包括：一基底結構，該第一鎖模雷射及該第二雷射安裝於該基底結構上；及一光學延遲元件，其位於該第一鎖模雷射內，該光學延遲元件將該第一雷射腔之一光路徑長度延伸至大於該基底結構之任何橫向尺寸之一長度。
(88)，如(87)之脈衝雷射系統，其中該光學延遲元件包括兩個鏡，該兩個鏡經組態以在通過該光學延遲元件之一單程上在該兩個鏡之間將一腔內雷射射束反射兩次以上。
(89)，如(87)之脈衝雷射系統，其中該光學延遲元件包括光學材料之一固體區塊，在該固體區塊中一腔內雷射射束在通過該光學延遲元件之一單程上被反射兩次以上。
(90)，如(87)之脈衝雷射系統，其中該光學延遲元件包括一定長度的光纖。
(91)，如(83)至(86)中任一者之脈衝雷射系統，其進一步包括：一基底結構，該第一鎖模雷射及該第二雷射安裝於該基底結構上；及一個二極體泵源，其安裝於該基底結構中之一平台上且經配置以激發該第一鎖模雷射中之一增益介質，其中該二極體泵源提供介於大約450nm與大約1100nm之間的泵輻射。
(92)，如(91)之脈衝雷射系統，其中該平台包括該基底結構之一 區，該區藉由延伸穿過該基底結構之一或多個溝渠而與該基底結構部分地分離。
(93)，如(91)之脈衝雷射系統，其進一步包括將該平台連接至該基底結構之撓曲部件。
(94)，如(83)至(90)中任一者之脈衝雷射系統，其進一步包括：一可飽和吸收器鏡，其經組態以反射該第一雷射腔之一腔內雷射射束；及一輸出耦合器，其位於該雷射腔之一端處。
(95)，如(83)至(94)中任一者之脈衝雷射系統，其進一步包含安裝於該基底結構內之一波長轉換元件，其中該波長轉換元件將來自該第一鎖模雷射之一雷射產生波長轉換成一經頻率加倍輸出波長。
(96)，如(95)之脈衝雷射系統，其中該輸出波長介於約500nm與約700nm之間且一輸出脈衝持續時間小於大約100皮秒。
(97)，如(95)之脈衝雷射系統，其中該基底結構包括其中安置有該雷射腔之一腔，並且該基底結構之一邊緣尺寸不大於約200mm且一高度尺寸不大於約60mm。
(98)，如(83)至(97)中任一者之脈衝雷射系統，其中該第一鎖模雷射經組態以在大約1064nm下產生雷射且該第二雷射經組態以在大約1342nm下產生雷射。
(99)，如(98)之脈衝雷射系統，其中該非線性光學元件在該第二雷射腔內對準以藉由和頻產生而產生處於大約594nm之一波長之脈衝。
(100)，一種產生處於多個特性波長之光脈衝之方法，該方法包括：在具有一第一雷射腔之一第一鎖模雷射中產生處於一第一特性波長之光脈衝；以連續波模式操作具有一第二雷射腔之處於一第二特性波長之一第二雷射；將來自該第一鎖模雷射之脈衝注入至該第二雷射腔中之一非線性光學元件中；及在該非線性光學元件中藉由和頻產生 而產生處於一第三特性波長之光脈衝。
(101)，如實施例(100)之方法，其中在該第一鎖模雷射及該第二雷射兩者中使用一相同增益介質。
(102)，如(101)之方法，其進一步包括對每一雷射中之該增益介質進行二極體泵激。
(103)，如(101)或(102)之方法，其中該增益介質係Nd：YVO4。
(104)，如(100)至(103)中任一者之方法，其進一步包括將來自該第二雷射之光脈衝提供至一生物分析儀器，該生物分析儀器經組態以固持一樣本且將該等光脈衝引導至該樣本上。
(105)，如(100)至(104)中任一者之方法，其中該第三特性波長介於500nm與700nm之間。
(106)，如(104)或(105)之方法，其進一步包括：用該生物分析儀器偵測來自該樣本之發射；及基於螢光生命期來區分兩個或兩個以上螢光團。
(107)，如(104)至(106)中任一者之方法，其進一步包括自來自該第一鎖模雷射之該等光脈衝導出一時脈信號且將該時脈信號提供至該生物分析儀器。
(108)，如(100)至(107)中任一者之方法，其中在一第一鎖模雷射中產生光脈衝包括將該第一鎖模雷射被動鎖模。
(109)，如(100)至(108)中任一者之方法，其中該第一特性波長係大約1064nm，該第二特性波長係大約1342nm且該第三特性波長係大約594nm。
(110)，如(100)至(109)中任一者之方法，其進一步包括使來自該第一鎖模雷射之光脈衝頻率加倍。
(111)，一種脈衝雷射，其包括：一基底結構；一個二極體泵源，其安裝於該基底結構內；及一雷射腔，其處於該基底結構內，該 雷射腔包含一增益介質且經組態以產生光脈衝，其中該二極體泵源及該增益介質各自安裝於與該基底結構部分地熱隔離且機械隔離之一平台上。
(112)，如組態(111)之脈衝雷射，其進一步包括位於該脈衝雷射腔內之一光學延遲元件，該光學延遲元件將該雷射腔之一光路徑長度延伸至大於該基底結構之一橫向尺寸之一長度。
(113)，如(112)之脈衝雷射，其中該光學延遲元件包括兩個鏡，該兩個鏡經組態以在該兩個鏡之間將一腔內雷射射束反射多次。
(114)，如(112)之脈衝雷射，其中該光學延遲元件包括光學材料之一固體區塊，在該固體區塊中一腔內雷射射束被反射多次。
(115)，如(112)之脈衝雷射，其中該光學延遲元件包括一定長度的光纖。
(116)，如(111)至(115)中任一者之脈衝雷射，其中該二極體泵源提供介於大約450nm與大約1100nm之間的泵輻射。
(117)，如(111)至(116)中任一者之脈衝雷射，其進一步包括一對交叉圓柱形透鏡，該對交叉圓柱形透鏡經配置以將來自該二極體泵源之一射束重新整形。
(118)，如(111)至(117)中任一者之脈衝雷射，其進一步包括：一可飽和吸收器鏡，其處於該基底結構內且經組態以反射一腔內雷射射束；及一輸出耦合器，其位於該雷射腔之一端處。
(119)，如(111)至(118)中任一者之脈衝雷射，其進一步包含安裝於該基底結構內之一波長轉換元件，其中該波長轉換元件將來自該增益介質之一雷射產生波長轉換成一輸出波長。
(120)，如(119)之脈衝雷射，其中該輸出波長介於約500nm與約700nm之間且一輸出脈衝持續時間小於大約10皮秒。
(121)，如(111)至(120)中任一者之脈衝雷射，其進一步包括一生 物分析儀器，該生物分析儀器經組態以固持一樣本且將來自該脈衝雷射之處於該輸出波長之一輸出引導至該樣本上。
(122)，如(121)之脈衝雷射，其中該生物分析儀器經組態以偵測來自該樣本之發射且基於螢光生命期來區分兩個或兩個以上螢光團。
(123)，如(119)至(122)中任一者之脈衝雷射，其中該基底結構包括其中安置有該雷射腔之一腔，並且該基底結構之一邊緣尺寸不大於約200mm且一高度尺寸不大於約60mm。
(124)，如(111)至(123)中任一者之脈衝雷射，其中該平台包括該基底結構之一區，該區藉由延伸穿過該基底結構之一或多個溝渠而與該基底結構部分地分離。
(125)，如(124)之脈衝雷射，其進一步包括將該平台連接至該基底結構之撓曲部件。
(126)，如(111)至(124)中任一者之脈衝雷射，其中該基底結構包括鋁。
(127)，如(111)至(126)中任一者之脈衝雷射，其中該脈衝雷射腔包含支援兩個波長下之雷射產生之一增益介質，且其中該可飽和吸收器鏡提供該兩個波長下之可飽和吸收。
(128)，如(127)之脈衝雷射，其中一第一雷射產生波長係大約1064nm且一第二雷射產生波長係大約1342nm。
(129)，如(127)或(128)之脈衝雷射，其中該可飽和吸收器鏡包括：一反射器；一第一多量子井結構，其與該反射器間隔開一第一距離且具有一第一能帶隙；及一第二多量子井結構，其與該反射器間隔開大於該第一距離之一第二距離且具有一第二能帶隙。
(130)，如(129)之脈衝雷射，其中該第二能帶隙大於該第一能帶隙。
(131)，如(1)至(20)中任一者之鎖模雷射，其中該增益介質中之 一最小射束腰寬與該可飽和吸收器鏡上之一經聚焦射束腰寬之一比率介於4：1與1：2之間。
(132)，如(1)至(20)及(131)中任一者之鎖模雷射，其中該增益介質中之一射束半徑介於20微米與200微米之間。
VI.結論
如此闡述一脈衝雷射之數項實施例之數項態樣後，應瞭解，熟習此項技術者將易於聯想到各種更改、修改及改良。此等更改、修改及改良意欲係本發明之一部分且意欲在本發明之精神及範疇內。雖然連同各種實施例及實例一起闡述本發明教示，但並不意欲將本發明教示限於此等實施例或實例。相反，本發明教示囊括各種替代方案、修改及等效形式，如熟習此項技術者將瞭解。
舉例而言，實施例可經修改以在一雷射腔中包含比上文所闡述更多或更少之光學組件。此外，雷射腔組態可不同於在某些雷射腔在光路徑中具有更多或更少轉彎或摺疊之情況下展示之雷射腔組態。
雖然已闡述並圖解說明各種發明性實施例，但熟習此項技術者將易於想像用於執行所闡述之功能及/或獲得所闡述之結果及/或優點中之一或多者之多種其他構件及/或結構，且此等變化及/或修改中之每一者皆被認為係在所闡述之發明性實施例之範疇內。更一般而言，熟習此項技術者將易於瞭解，所闡述之所有參數、尺寸、材料及組態意指實例且實際參數、尺寸、材料及/或組態將取決於其中使用發明性教示之一或若干具體應用。熟習此項技術者將僅使用常式實驗即可認識或能夠確定所闡述之特定發明性實施例之諸多等效形式。因此，應理解前述實施例僅以實例方式呈現且在隨附申請專利範圍及其等效形式之範疇內，可與所具體闡述及主張不同地實踐發明性實施例。本發明之發明性實施例可針對於所闡述之每一個別特徵、系統、系統升級及/或方法。另外，若此等特徵、系統、系統升級及/或方法不互相 矛盾，則兩個或兩個以上此等特徵、系統及/或方法之任何組合包含於本發明之發明性範疇內。
此外，儘管可指示本發明之某些優點，但應瞭解並非本發明之每一實施例皆將包含每一所闡述優點。某些實施例可不實施闡述為有利之任何特徵。因此，前述闡述及圖式僅係以實例方式。
本申請案中所引用之所有文獻及類似材料(包含但不限於專利、專利申請案、文章、書籍、專著及網頁(不管此等文獻及類似材料之格式為何))皆以全文引用方式明確併入。倘若所併入文獻及類似材料中之一或多者不同於本申請案或與本申請案矛盾(包含但不限於所定義術語、術語使用、所闡述技術或諸如此類)，則以本申請案為準。
所使用之各部分標題僅出於組織目的，且不應理解為以任何方式限制所闡述之標的物。
此外，所闡述之技術可體現為一方法，已提供該方法之至少一個實例。執行為該方法之部分之動作可以任何適合方式排序。因此，實施例可經構造為其中以不同於所圖解說明之一次序來執行動作，此可包含同時執行某些動作(即使在說明性實施例中展示為循序動作)。
如所定義及所使用，所有定義皆應理解為控制辭典定義、以引用方式併入之文件中之定義及/或所定義術語之普通意義。
數值及範圍可在說明書及申請專利範圍中闡述為近似或確切值或範圍。舉例而言，在某些情形中，術語「約」、「大約」及「實質上」可參考一值而使用。此等參考意欲囊括經參考值並且加上及減去該值之合理變化。舉例而言，一片語「介於約10與約20之間」意欲在某些實施例中意指「介於恰好10與恰好20之間」，並且在某些實施例中意指「介於10±δ1與20±δ2之間」。一值之變化量δ1、δ2可在某些實施例中小於該值之5%，在某些實施例中小於該值之10%，且亦在某些實施例中小於該值之20%。在其中給出值之一大範圍(例如，包 含兩個或兩個以上數量級之一範圍)之實施例中，一值之變化量δ1、δ2可高至50%。舉例而言，若一可操作範圍自2延伸至200，則「大約80」可囊括40與120之間的值且範圍可大至1與300之間。當意欲係確切值時，使用術語「恰好」，例如「介於恰好2與恰好200之間」。
術語「毗鄰」可係指緊鄰近於彼此配置之兩個元件(例如，在小於兩個元件中之一較大者之一橫向或垂直尺寸之約五分之一之一距離內)。在某些情形中，可存在介於毗鄰元件之間的介入結構或介入層。在某些情形中，毗鄰元件可不具有介入結構或元件而彼此緊鄰。
除非明確指示為相反，否則如在說明書中及在申請專利範圍中所使用之不定冠詞「一(a)」及「一(an)」應理解為意指「至少一個」。
如在說明書中及在申請專利範圍中所使用，片語「及/或」應理解為意指如此結合之元件中之「任一者或兩者」，亦即，在某些情形中以結合方式存在之元件及在其他情形中以分離方式存在之元件。用「及/或」列舉之多個元件應以相同方式理解，亦即，如此結合之元件中之「一或多者」。可視情況存在除由「及/或」從句具體識別之元件之外的其他元件，無論與所具體識別之彼等元件相關還是不相關。因此，作為一非限制性實例，當連同諸如「包括」之開端式語言一起使用時，對「A及/或B」之一引用可在一項實施例中僅係指A(視情況包含除B之外的元件)；在又一實施例中，僅係指B(視情況包含除A之外的元件)；在再一實施例中，係指A及B兩者(視情況包含其他元件)等。
如在說明書中及在申請專利範圍中所使用，「或」應理解為具有與如上文所定義之「及/或」相同之意義。舉例而言，當分離一清單中之物項時，「或」或者「及/或」應闡釋為係包含性的，亦即，包含若干元件或一元件清單中之至少一者(但亦包含一者以上)及視情 況包含額外未列舉物項。僅明確指示為相反之術語，諸如「...中之僅一者」或「...中之恰好一者」或當用於申請專利範圍中時，「由...組成」將係指包含若干元件或一元件清單中之恰好一個元件。一般而言，如所使用之術語「或」在前面有排他性術語(諸如「任一者」、「其中之一者」、「其中之僅一者」或「其中之恰好一者」)時應僅闡釋為指示排他性替代方案(亦即，「一者或另一者而非兩者」)。「基本上由...組成」(當用於申請專利範圍中時)應具有如用於專利法律領域中之普通意義。
如在說明書中及在申請專利範圍中所使用，在提及一或多個元件之一清單時之片語「至少一個」應理解為意指自該元件清單中之該等元件中之任一者或多者選擇之至少一個元件，但未必包含該元件清單內所具體列舉之每一元件中之至少一者，且不排除該元件清單中之元件之任何組合。此定義亦允許可視情況存在除片語「至少一個」指代之該元件清單內所具體識別之元件之外的元件，無論與所具體識別之彼等元件相關還是不相關。因此，作為一非限制性實例，「A及B中之至少一者」(或等效地，「A或B中之至少一者」，或等效地，「A及/或B中之至少一者」)可在一項實施例中係指至少一個(視情況包含一個以上)A，而不存在B(且視情況包含除B之外的元件)；在另一實施例中，係指至少一個(視情況包含一個以上)B，而不存在A(且視情況包含除A之外的元件)；在又一實施例中，係指至少一個(視情況包含一個以上)A及至少一個(視情況包含一個以上)B(且視情況包含其他元件)等。
在申請專利範圍中以及在上文說明書中，所有過渡性片語(諸如「包括」、「包含」、「攜載」、「具有」、「含有」、「涉及」、「固持」、「由...構成」及諸如此類)應理解為開端式，亦即，意指包含但不限於。僅過渡性片語「由...組成」及「基本上由...組成」應 分別係封閉式或半封閉式過渡性片語。
申請專利範圍不應被解讀為限於所闡述次序或元件，除非針對彼效應陳述。應理解，熟習此項技術者可在不脫離隨附申請專利範圍之精神及範疇之情況下作出形式及細節之各種改變。在隨附申請專利範圍及其等效形式之精神及範疇內之所有實施例皆被主張。
1-105‧‧‧增益介質
1-110‧‧‧脈衝雷射/超短脈衝雷射/雷射/脈衝雷射系統/脈衝光源/光源/脈衝源/鎖模雷射
1-111‧‧‧輸出耦合器
1-119‧‧‧雷射腔端鏡/端鏡/腔端鏡/可飽和吸收器鏡
1-120‧‧‧腔內脈衝/激發脈衝/光脈衝
1-125‧‧‧光學軸/入射光學軸
2-105‧‧‧基底板
2-115‧‧‧雷射腔轉向鏡
2-116‧‧‧射束集堆
2-117‧‧‧曲面鏡
2-118‧‧‧安裝特徵
2-121‧‧‧高反射性光學器件
2-123‧‧‧聚焦透鏡
2-125‧‧‧輸出射束路徑
2-130‧‧‧腔內射束轉向模組
2-140‧‧‧泵模組/二極體泵模組
2-142‧‧‧耦合透鏡
2-145‧‧‧孔
2-154‧‧‧感測器
2-160‧‧‧半波板
2-162‧‧‧致動器
2-164‧‧‧透鏡
2-170‧‧‧頻率加倍晶體/非線性元件
2-180‧‧‧轉向鏡
L‧‧‧長度/鏡之長度

Claims (30)

  1. 一種識別不同核苷酸(nucleotides)及/或核苷酸類似物(nucleotide analogs)之系統，該系統包括：一光源，其經組態以產生具有一單一特性波長之光激發脈衝(optical excitation pulses)；一生物光電子晶片(bio-optoelectronic chip)，其包括複數個反應室(reaction chamber)，該等反應室每一者具有在各自反應室之一時間組格化光偵測器(time-binning photodetector).一容座(receptacle)，其經組態以接納該生物光電子晶片；及光學組件，其經配置以將該等光激發脈衝耦合至該生物光電子晶片，其中該生物光電子晶片經組態以產生包括來自各自時間阻格化光偵測器之三個不同電子信號之電子信號，該等三個不同電子信號回應於具有來自具有該單一特性(characteristic)波長之該等光激發脈衝之輻射的螢光團(fluorophores)之激發，以區別來自該等核苷酸及/或核苷酸類似物中之三個不同物種(species)，其中該等螢光團經鏈接(link)至該等三個不同物種。
  2. 如請求項1之系統，其中該等電子信號包括來自每一時間組格化光偵測器的四個不同電子信號回應於具有來自具有該單一特性波長之該等光激發脈衝之輻射的螢光團(fluorophores)之激發，以區別來自該等核苷酸及/或核苷酸類似物中之四個不同物種(species)，其中該等螢光團經鏈接至該等四個不同物種。
  3. 如請求項1之系統，其中該等三個不同子電信號係在來自該等激發脈衝之該輻射已在該等反應室實質上(essentially)關斷(turn off)後被產生。
  4. 如請求項1之系統，其中該等光激發脈衝之一頻寬不大於20 nm。
  5. 如請求項1-4中任一項之系統，其中該光源包括：一鎖模雷射(mode-locked laser)，其經裝配(assembled)於具有不大於350mm之一最大邊緣長度之一基底板(base plate)上；一可飽和吸收器鏡(saturable-absorber mirror)，其安裝於該基底板上，以在該鎖模雷射之一雷射腔(laser cavity)中產生光脈衝，其中該鎖模雷射經組態以藉由被動鎖模(passive mode locking)而以介於50MHz與200MHz之間的一重複率產生光脈衝；及腔內(intracavity)光學反射器，其以將該腔的長度增加至少五個反射。
  6. 一種識別不同核苷酸及/或核苷酸類似物之系統，該系統包括：一光源，其經組態以產生具有一單一特性波長之光激發脈衝；一容座，其用以將包括複數個反應室的一生物光電子晶片耦合至該系統，該複數個反應室之每一者在各自反應室具有一時間組格化光偵測器；及光學組件，其經配置以將該光激發脈衝提供至該生物光電子晶片，其中該系統經組態以自該生物光電子晶片接收包括來自每一時間阻格化光偵測器之三個不同電子信號之電子信號，該等三個不同電子信號回應於具有來自具有該單一特性波長之該等光激發脈衝之輻射的螢光團之激發，以區別來自該等核苷酸及/或核苷酸類似物中之三個不同物種，其中該等螢光團經鏈接至該等三個不同物種。
  7. 如請求項6之系統，其中該等電子信號包括來自每一時間組格化光偵測器的四個不同電子信號回應於具有來自具有該單一特性 波長之該等光激發脈衝之輻射的螢光團之激發，以區別來自該等核苷酸及/或核苷酸類似物中之四個不同物種，其中該等螢光團經鏈接至該等四個不同物種。
  8. 如請求項6之系統，其中該等三個不同電子信號係在來自該等激發脈衝之該輻射已在該等反應室實質上關斷後被產生。
  9. 如請求項6之系統，其中該等光激發脈衝之一頻寬不大於20nm。
  10. 如請求項6之系統，其中該單一特性波長大約為532nm。
  11. 如請求項6之系統，其進一步包括同步電路，其偵測由該光源產生之光脈衝之時序(timing)，及該同步電路在該生物光電子晶片在該等光激發脈衝處於一實質上關斷狀態時發生對該等三個不同電信號之信號獲取(signal acquisition)進行定時。
  12. 如請求項6-11中任一項之系統，其中該光源包括一鎖模雷射及一頻率加倍組件(frequency-doubling component)。
  13. 如請求項12之系統，其進一步包括：一基底板，其具有不大於350mm之一最大邊緣長度，其中該鎖模雷射於該基底板上形成；該鎖模雷射之一增益介質(gain medium)，其安裝於該基底板上；該鎖模雷射之一第一端鏡(end mirror)，其安裝於該基底板上，位於一雷射腔之一第一端處；及一可飽和吸收器鏡，其安裝於該基底板上以在該鎖模雷射之一雷射腔(laser cavity)中產生光脈衝，其中該鎖模雷射經組態以藉由被動鎖模而以介於50MHz與200MHz之間的一重複率產生光脈衝。
  14. 如請求項13之系統，其進一步包括光學反射器，其以將該腔的 長度延伸至少五個腔內反射。
  15. 如請求項14之系統，其進一步包括一安裝特徵(mounting feature)，其形成於該基底板中且位於該增益介質與該光學反射器之間，其中該安裝特徵經組態以接納一端鏡或用以固持一端鏡之夾具(fixture)，該端鏡或該夾具使該雷射腔縮短。
  16. 如請求項13之系統，其進一步包括一光偵測器，其經配置以偵測來自該鎖模雷射之光脈衝；及一時脈產生(clock generation)電路，其經組態以使來自一穩定振盪器之一電子時脈信號(electronic clock signal)與由該鎖模雷射產生之光脈衝同步。
  17. 如請求項16之系統，其中該時脈產生電路經組態以提供一定時信號至該生物光電子晶片，該生物光電子晶片對來自該等螢光團之發射的信號獲取定時。
  18. 如請求項16之系統，其中該時脈產生電路包括自動增益控制放大或飽和放大，以將自該等光脈衝產生之電子脈衝之振幅調平(level)。
  19. 如請求項13之系統，其中該等光脈衝之一半峰全幅持續時間(full-width half-maximum duration)介於約5ps與約30ps之間。
  20. 如請求項19之系統，其中在自光激發脈衝之一峰值強度經過250ps之後，該等光激發脈衝之一尾部(tail)強度保持低於該等光激發脈衝之一峰值強度20dB。
  21. 如請求項13之系統，其進一步包括該雷射腔中之一可調整鏡架座(adjustable mirror mount)，該可調整鏡架座經配置以當該鎖模雷射正在操作時，對該雷射腔內之一雷射射束的調整提供僅兩個自由度，此係當該鎖模雷射正在操作時，藉由該雷射腔中之一光學架座為調整該雷射射束所提供之該僅兩個自由度。
  22. 如請求項13之系統，其進一步包括溫度控制元件(temperature-controlling elements)，該等溫度控制元件耦合至該增益介質之至少兩側且經組態以跨越該增益介質產生一不對稱熱梯度(asymmetric thermal gradient)，該不對稱熱梯度使一腔內雷射射束轉向(steer)。
  23. 如請求項13之系統，其進一步包括一回饋電路，其經組態以接收表示一頻率加倍(frequency-doubled)波長之一功率量的一信號，其係自該頻率加倍組件遞送至該生物光電子晶片，且基於該所接收信號之一位準而提供一信號以改變該頻率加倍波長之該功率量。
  24. 如請求項13之系統，其進一步包括一個二極體泵源模組(diode pump source module)，該二極體泵源模組係以熱絕緣緊固件(fasteners)安裝至該基底板。
  25. 一種識別不同核苷酸及/或核苷酸類似物之方法，該方法包括：產生具有一單一特性波長之光激發脈衝；提供該等光激發脈衝以照明具有一時間組格化光偵測器之一第一反應室；及接收包括來自該時間阻格化光偵測器之三個不同電子信號之電子信號，該等三個不同電子信號回應於具有來自具有該單一特性波長之該等光激發脈衝之輻射的螢光團之激發，以區別來自該等核苷酸及/或核苷酸類似物中之三個不同物種，其中該等螢光團經鏈接至該等三個不同物種。
  26. 如請求項25之方法，其中該等電子信號包括來自每一時間組格化光偵測器的四個不同電子信號回應於具有來自具有該單一特性波長之該等光激發脈衝之輻射的螢光團之激發，以區別來自該等核苷酸及/或核苷酸類似物中之四個不同物種，其中該等螢 光團經鏈接至該等四個不同物種。
  27. 如請求項26之方法，其進一步包括：在該第一反應室中傳導一生化反應(biochemical reaction)，該生化反應包括將該等核苷酸或核苷酸類似物循序併入(sequential incorporation)至與一目標核酸互補(complementary)之一生長鏈(growing strand)中；在該生化反應期間接收包括來自該時間阻格化光偵測器之該等四個不同電子信號之該等電子信號，其中該等電子信號用於判定該目標核酸之一序列(sequence)。
  28. 如請求項25-27中任一項之方法，其中來自該等螢光團之螢光發射介於約560nm與約660nm之間的一範圍內。
  29. 如請求項25-27中任一項之方法，其進一步包括：提供該等光激發脈衝以照明經整合於與該第一反應室相同基板上之複數個額外反應室，且該等額外反應室具有額外時間組格化光偵測器；及接收包括來自該等額外時間阻格化光偵測器之三個不同電子信號之電子信號，該等三個不同電子信號回應於具有來自具有該單一特性波長之該等光激發脈衝之輻射的螢光團之激發，以區別來自該等核苷酸及/或核苷酸類似物中之三個不同物種。
  30. 如請求項25-27中任一項之方法，其中產生該等光激發脈衝包括將一雷射鎖模及將來自該雷射之輸出脈衝頻率加倍(frequency-doubling)，以產生具有該單一特性波長之該等光激發脈衝，其中該等光激發脈衝之一頻寬不大於20奈米。
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US14/821,688 2015-08-07
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Families Citing this family (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11466316B2 (en) 2015-05-20 2022-10-11 Quantum-Si Incorporated Pulsed laser and bioanalytic system
US10605730B2 (en) 2015-05-20 2020-03-31 Quantum-Si Incorporated Optical sources for fluorescent lifetime analysis
JP6913169B2 (ja) 2016-12-16 2021-08-04 クアンタム−エスアイ インコーポレイテッドＱｕａｎｔｕｍ−Ｓｉ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ コンパクトなモードロックレーザモジュール
KR20220084181A (ko) * 2016-12-16 2022-06-21 퀀텀-에스아이 인코포레이티드 콤팩트한 빔 셰이핑 및 스티어링 어셈블리
EP3555591B1 (en) * 2016-12-16 2022-07-06 Quantum-Si Incorporated Optical coupler and waveguide system
IL251520A0 (en) * 2017-04-02 2017-06-29 Jerusalem College Of Tech Tolerable inversion of quality factor in a pumped-diode laser
DE112018005189T5 (de) 2017-11-02 2020-07-02 Sony Corporation Halbleiterlaser-Ansteuerschaltung, Halbleiterlaser-Ansteuerschaltungsverfahren, Distanzmesseinrichtung und Elektronikeinrichtung
GB201722293D0 (en) 2017-12-29 2018-02-14 Oclaro Tech Ltd Balancing losses in semiconductor optical waveguides
EP3737503A2 (en) * 2018-01-08 2020-11-18 Quantum-Si Incorporated System and methods for electrokinetic loading of sub-micron-scale reaction chambers
CN112005099A (zh) * 2018-05-18 2020-11-27 韦务拓客公司 光学检测系统
CN112424587A (zh) 2018-06-15 2021-02-26 宽腾矽公司 用于具有脉冲光源的先进分析仪器的数据采集控制
CN109243265A (zh) * 2018-08-30 2019-01-18 华东师范大学 一种多功能教学示波器
CN109270004B (zh) * 2018-10-11 2023-09-12 南京信息工程大学 基于doas和libs技术的大气分析检测系统和检测方法
US20210381997A1 (en) * 2018-10-19 2021-12-09 Roche Sequencing Solutions, Inc. Electric field-assisted junctions for sequencing
EP3951845A4 (en) * 2019-03-28 2022-12-07 Hamamatsu Photonics K.K. INSPECTION DEVICE AND INSPECTION METHOD
US11747561B2 (en) 2019-06-14 2023-09-05 Quantum-Si Incorporated Sliced grating coupler with increased beam alignment sensitivity
CN110320504B (zh) * 2019-07-29 2021-05-18 浙江大学 一种基于激光雷达点云统计几何模型的非结构化道路检测方法
CN110597321B (zh) * 2019-09-19 2020-10-16 东北大学 一种皮升级别液体的温度控制装置
JP7302430B2 (ja) * 2019-10-24 2023-07-04 富士通株式会社 波長可変光源、これを用いた光伝送装置、及び波長可変光源の制御方法
CN110751130B (zh) * 2019-11-01 2023-04-07 中国科学院合肥物质科学研究院 一种二极管激光器调谐实现主动光谱诊断采集及数据分析系统
CN111678611B (zh) * 2020-05-30 2021-11-23 华南理工大学 基于高重复频率飞秒脉冲全场信息实时测量系统和方法
KR102598511B1 (ko) * 2020-06-02 2023-11-06 한국과학기술원 초고속 카메라 시스템, 그리고 이의 측정 방법
US11902495B2 (en) 2020-06-02 2024-02-13 Korea Advanced Institute Of Science And Technology Ultrafast camera system and measurement method thereof
KR102385688B1 (ko) * 2020-09-15 2022-04-15 모스탑주식회사 검출 정밀도가 향상된 멀티 가스 검출 장치
CN112671383B (zh) * 2021-01-31 2022-08-23 山西大学 一种频率可连续调谐的激光相位快速锁定装置
TWI801937B (zh) * 2021-07-16 2023-05-11 國立中正大學 光學式生物檢測裝置
GB2612578A (en) * 2021-10-28 2023-05-10 Nu Quantum Ltd Apparatus, system and method for generating single photons, and a method of manufacturing an apparatus for generating single photons

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7394841B1 (en) * 2007-01-18 2008-07-01 Epicrystals Oy Light emitting device for visual applications
TW200909794A (en) * 2007-08-13 2009-03-01 Network Biosystems Inc Integrated nucleic acid analysis

Family Cites Families (36)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5108179A (en) * 1989-08-09 1992-04-28 Myers Stephen A System and method for determining changes in fluorescence of stained nucleic acid in electrophoretically separated bands
JP3018717B2 (ja) * 1992-03-03 2000-03-13 松下電器産業株式会社 短波長レーザ光源および短波長レーザ光源の製造方法
JPH05283766A (ja) * 1992-03-31 1993-10-29 Toshiba Corp レーザ発振管装置およびその取付け方法
JP2575270B2 (ja) * 1992-11-10 1997-01-22 浜松ホトニクス株式会社 核酸の塩基配列決定方法、単一分子検出方法、その装置及び試料の作成方法
WO1994018218A1 (en) * 1993-02-01 1994-08-18 Seq, Ltd. Methods and apparatus for dna sequencing
JP3089382B2 (ja) * 1994-01-31 2000-09-18 ミヤチテクノス株式会社 レーザ発振装置
JP2735039B2 (ja) * 1995-06-09 1998-04-02 日本電気株式会社 光パルス発生方法および装置
JPH103022A (ja) * 1996-06-18 1998-01-06 Fuji Photo Film Co Ltd 光学装置の固定機構
ATE231294T1 (de) * 1999-05-21 2003-02-15 Gigaoptics Gmbh Passiv modengekoppelter femtosekundenlaser
JP2001025102A (ja) * 1999-07-01 2001-01-26 Toshiba Corp 電気車制御装置
JP2001251002A (ja) * 2000-03-03 2001-09-14 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> レーザ装置
JP2004505472A (ja) * 2000-07-28 2004-02-19 ダニエル　コプフ 非線形光学系において使用するためのレーザー
JP2002368313A (ja) * 2001-06-12 2002-12-20 Aisin Seiki Co Ltd 受動型モードロック・ファイバーレーザー
US6995841B2 (en) * 2001-08-28 2006-02-07 Rice University Pulsed-multiline excitation for color-blind fluorescence detection
JP2004363419A (ja) * 2003-06-06 2004-12-24 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> パルス光源
US20060000814A1 (en) * 2004-06-30 2006-01-05 Bo Gu Laser-based method and system for processing targeted surface material and article produced thereby
KR100590565B1 (ko) * 2004-10-30 2006-06-19 삼성전자주식회사 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조 방법
ES2329206B1 (es) * 2006-05-04 2010-08-30 Universitat Illes Balears Aparato y metodo para la obtencion de pulsos cortos de luz laser mediante bloqueo pasivo de modos por saturacion de ganancia cruzada entre polarizaciones ortogonales.
JP2008028379A (ja) * 2006-06-22 2008-02-07 Fujifilm Corp モードロックレーザ装置
JP5290737B2 (ja) * 2008-02-08 2013-09-18 古河電気工業株式会社 光−マイクロ波発振器及びパルス発生装置
JP5495506B2 (ja) * 2008-05-13 2014-05-21 キヤノン株式会社 レーザ装置および光断層画像撮像装置
CA3063032A1 (en) * 2008-09-16 2010-03-25 Pacific Biosciences Of California, Inc. Substrates and optical systems and methods of use thereof
JP2010103291A (ja) * 2008-10-23 2010-05-06 Fujifilm Corp モード同期レーザ装置
CN101562310B (zh) * 2009-05-04 2010-09-01 北京国科世纪激光技术有限公司 被动锁模皮秒激光器
EP2526592B1 (en) * 2010-01-22 2021-06-23 Newport Corporation Broadly tunable optical parametric oscillator
CN101915752B (zh) * 2010-07-05 2012-06-06 中国科学院深圳先进技术研究院 激光扫描成像装置
JP2012032183A (ja) * 2010-07-28 2012-02-16 Olympus Corp 試料観測装置および試料観測方法
BR112013021144A2 (pt) * 2011-02-18 2016-11-22 Nvs Technologies Inc detecção quantitativa altamente multiplexada de ácidos nucléicos
WO2012133292A1 (ja) * 2011-03-29 2012-10-04 オリンパス株式会社 単一発光粒子検出を用いた光分析装置、光分析方法並びに光分析用コンピュータプログラム
US8728563B2 (en) * 2011-05-03 2014-05-20 Palmaz Scientific, Inc. Endoluminal implantable surfaces, stents, and grafts and method of making same
US8774238B2 (en) * 2011-06-30 2014-07-08 Coherent, Inc. Mode-locked optically pumped semiconductor laser
KR101264225B1 (ko) * 2011-08-22 2013-05-14 한국전기연구원 레이저 다이오드 광펌핑 모듈을 이용한 펨토초 레이저 장치
US8724666B1 (en) * 2013-01-04 2014-05-13 Alcon Lensx, Inc. Self starting mode-locked laser oscillator
CN203774604U (zh) * 2014-03-05 2014-08-13 北京工业大学 一种sesam被动锁模激光器
CN104518419B (zh) * 2015-01-28 2018-03-13 湖南科瑞特科技股份有限公司 一种被动锁模激光器
US9645377B2 (en) * 2015-02-06 2017-05-09 The Johns Hopkins University Compressive imaging systems and methods

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7394841B1 (en) * 2007-01-18 2008-07-01 Epicrystals Oy Light emitting device for visual applications
TW200909794A (en) * 2007-08-13 2009-03-01 Network Biosystems Inc Integrated nucleic acid analysis

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