BR112017024548B1

BR112017024548B1 - Laser de modo bloqueado, método para sequenciamento de dna e instrumento bioanalítico

Info

Publication number: BR112017024548B1
Application number: BR112017024548-5A
Authority: BR
Inventors: Jonathan M. Rothberg; Jason W. Sickler; Lawrence C. West; Faisal Ahmad; Paul E. Glenn; Jack Jewell; John Glenn; Jose Camara; Jeremy Christopher Jordan; Todd Rearick; Farshid Ghasemi; Jonathan C. Schultz; Keith G. Fife
Original assignee: Quantum-Si Incorporated
Priority date: 2015-05-20
Filing date: 2016-05-20
Publication date: 2022-05-31
Also published as: BR112017024548A2; TW201728903A; CA2986151A1; AU2021282473B2; WO2016187564A1; JP2023055903A; JP6878306B2; CN107923850A; JP2018518836A; EP3298388A1; MX2017014817A; CN107923850B; TWI693400B; KR20180009772A; AU2016264737B2; AU2016264737A1; CN115296137A; AU2021282473A1; JP2021013032A; HK1252484A1

Abstract

LASER PULSADO E SISTEMA BIOANALÍTICO. A presente invenção refere-se a aparelho e métodos para produção de pulsos ópticos ultracurtos (1-110). Um laser de modo passivamente bloqueado, de estado sólido, de alta potência (1110) pode ser fabricado em um módulo compacto que pode ser incorporado a um instrumento portátil para análises biológicas ou químicas. O laser pulsado pode produzir pulsos ópticos sub-100-ps em uma taxa de repetição comensurada com taxas de aquisição de dados eletrônicos. Os pulsos ópticos podem excitar amostras em câmaras de reação do instrumento e ser usados para gerar um clock de referência para operação de eletrônicos de aquisição de sinal e processamento de sinal do instrumento.

Description

Referência Cruzada a Pedidos Relacionados

[001] O presente pedido reivindica prioridade para o Pedido de Patente provisório U.S. N° 62/164.485, depositado em 20 de maio de 2015, intitulado "Pulsed Laser", para o Pedido de Patente provisório U.S. N° 62/310.398, depositado em 18 de março de 2016, intitulado "Pulsed Laser and System", para o pedido de patente U.S. N° 14/821.656, depositado em 7 de agosto de 2015, intitulado "Integrated Device for Temporal Binning of Received Photons", para o Pedido de Patente U.S. N° 14/821,688, depositado em 07 de agosto de 2015, intitulado "Integrated Device for Probing, Detecting and Analysing Molecules", para o Pedido de Patente Provisório U.S. N° 62/164.482, depositado em 20 de maio de 2015, intitulado "Methods for Nucleic Acid Sequencing" e para o Pedido Provisório U.S. N° 62/289.019, depositado em 29 de janeiro de 2016, intitulado "Friction-Drive Electromechanical Motor". Cada um desses Pedidos de Patente é aqui incorporado a título de referência em sua totalidade.

Campo da Invenção

[002] O presente Pedido de Patente refere-se a aparelhos e mé todos para produção de pulsos ópticos e instrumentação para uso dos pulsos ópticos para análise de espécimes químicos e biológicos. Antecedentes da Invenção

[003] Pulsos ópticos ultracurtos (ou seja, pulsos ópticos inferiores a cerca de 100 picossegundos) são úteis em várias áreas de pesquisa e desenvolvimento, bem como aplicações comerciais envolvendo análises de domínio de tempo. Por exemplo, pulsos ópticos ultracurtos podem ser úteis para espectroscopia no domínio do tempo, variação óptica, imagiologia no domínio do tempo (TDI), tomografia de coerên- cia óptica (OCT), imagens de tempo de vida de fluorescência (FLI) e detecção de fluorescência resolvida no tempo para sequenciamento genético. Os pulsos ultracurtos também podem ser úteis para aplicações comerciais, incluindo sistemas de comunicação óptica, aplicações médicas e testes de dispositivos optoeletrônicos.

[004] Lasers convencionais de modo bloqueado foram desenvol vidos para produzir pulsos ópticos ultracurtos, e uma variedade de tais lasers está atualmente disponível comercialmente. Por exemplo, alguns lasers em estado sólido e lasers em fibra foram desenvolvidos para administrar pulsos com durações bem abaixo de 200 fentosse- gundos. No entanto, para algumas aplicações, essas durações de pulsos podem ser menores do que o necessário e o custo desses sistemas de laser pode ser proibitivamente alto para determinadas aplicações. Além disso, esses sistemas de laser podem ser sistemas autônomos que possuem uma pegada considerável (por exemplo, na ordem de 0,092 m2 (1 ft2) ou maior) e não são facilmente portáteis ou incorporados em outros sistemas portáteis como um módulo.

Sumário da Invenção

[005] A tecnologia aqui descrita refere-se a aparelhos e métodos para produzir pulsos ópticos ultracurtos. É descrito um sistema de laser de modo bloqueado que pode ser implementado como um laser compacto, de baixo custo, capaz de produzir pulsos abaixo de 100- picossegundos a taxas de repetição de pulsos de ~ 100 MHz. Os pulsos ópticos podem ser administrados a câmaras de reação de um sistema químico ou bioanalítico. Os pulsos ópticos do laser podem ser detectados eletronicamente e o sinal processado para produzir um sinal de clock eletrônico que sincroniza e aciona componentes eletrônicos de aquisição de dados do sistema. Os inventores reconheceram e compreenderam que um sistema de laser pulsado, compacto, de baixo custo pode ser incorporado à instrumentação (por exemplo, instrumen- tos de imagem de tempo de voo, instrumentos bioanalíticos que utilizam detecção de fluorescência resolvida no tempo, instrumentos para sequenciamento genético, instrumentos de tomografia de coerência óptica, etc.) e permite que essa instrumentação se torne facilmente portátil e produzida a um custo consideravelmente menor do que o caso para a instrumentação convencional que requer um laser pulsado ultracurto. Elevada mobilidade pode tornar tais instrumentos mais úteis para pesquisa, desenvolvimento, uso clínico, implantação em campo e aplicações comerciais.

[006] Algumas modalidades referem-se a um laser de modo blo queado compreendendo uma placa base com um comprimento de borda máximo de não mais do que 350 mm, um meio de ganho montado na placa base, um primeiro espelho de extremidade montado na placa base localizado na primeira extremidade de uma cavidade de laser e um espelho saturável-absorvedor montado na placa base e formando um segundo espelho de extremidade para a cavidade de laser, em que o laser de modo bloqueado é configurado para produzir pulsos ópticos através de bloqueio de modo passivo em uma taxa de repetição entre 50 MHz e 200 MHz

[007] Algumas modalidades referem-se a um método para se- quenciamento de DNA. O método pode compreender a produção de energia de excitação pulsada em um comprimento de onda característico único, direcionando a energia de excitação pulsada para um chip bio-optoeletrônico, em que o chip bio-optoeletrônico apoia incorporação sequencial de nucleotídeos ou análogos de nucleotídeos em um filamento em formação que é complementar a um ácido nucleico alvo, recebendo sinais representativos de emissão fluorescente induzida pela energia de excitação pulsada no comprimento de onda característico único, onde os sinais correspondem à incorporação sequencial de nucleotídeos ou análogos de nucleotídeos ao filamento em formação; e processamento dos sinais recebidos para determinar a identidade de quatro nucleotídeos diferentes ou análogos de nucleotídeo incorporados ao filamento em formação.

[008] Algumas modalidades referem-se a um instrumento bioa- nalítico compreendendo um sistema de laser pulsado configurado para produzir pulsos de excitação óptica em um comprimento de onda característico único, um receptáculo para recebimento de um chip bio-optoeletrônico e produção de conexões elétricas e um acoplamento óptico com o chip bio-optoeletrônico, onde o chip bio- optoeletrônico apoia incorporação sequencial de nucleotídeos ou análogos de nucleotídeo a um filamento em formação que é complementar a um ácido nucleico alvo, óptica de direcionamento de feixe disposta para direcionar os pulsos de excitação em direção ao receptáculo e um processador de sinal configurado para receber sinais representativos de emissão fluorescente induzida pelos pulsos de exci-tação no comprimento de onda característico único e processar os sinais recebidos para determinar a identidade de quatro nucleotídeos ou análogos de nucleotídeo diferentes incorporados ao filamento em formação, onde os sinais recebidos correspondem à incorporação sequencial de nucleotídeos ou análogos de nucleotídeo ao filamento em formação.

[009] Algumas modalidades referem-se a um instrumento bioana- lítico compreendendo um laser configurado para produzir energia de excitação pulsada em um comprimento de onda característico único e um circuito de geração de clock configurado para sincronizar um primeiro sinal de clock a partir de um oscilador eletrônico ou eletromecâ- nico com um segundo sinal de clock produzido a partir da detecção de pulsos ópticos a partir do laser e prover o primeiro sinal de clock sincronizado para aquisição de dados pelo instrumento bioanalítico.

[0010] Algumas modalidades referem-se a um sistema que com- preende um laser pulsado, um laser de onda contínua, um primeiro elemento óptico não linear e um segundo elemento óptico não linear, onde o sistema é configurado para produzir um primeiro trem de pulso gerado a partir do primeiro elemento óptico não linear em um primeiro comprimento de onda característico e um segundo trem de pulso a partir do segundo elemento óptico não linear em um segundo compri-mento de onda característico.

[0011] Algumas modalidades referem-se a um método de provisão de pulsos ópticos sincronizados. O método pode incluir operação de um laser pulsado em um primeiro comprimento de onda característico, operação de um laser de onda contínua em um segundo comprimento de onda característico, acoplando de um primeiro trem de pulso a partir do laser de pulso em uma cavidade de laser do laser de onda contínua e geração de um segundo trem de pulso em um terceiro comprimento de onda característico na cavidade de laser do laser de onda contínua.

[0012] Algumas modalidades referem-se a um sistema que com preende um primeiro laser pulsado, um segundo laser pulsado, um primeiro elemento óptico não linear e um segundo elemento óptico não linear, onde o sistema é configurado para produzir um primeiro trem de pulso gerado a partir do primeiro elemento óptico não linear em um primeiro comprimento de onda característico e um segundo trem de pulso através da geração de soma de frequência a partir do segundo elemento óptico não linear em um segundo comprimento de onda característico.

[0013] Algumas modalidades referem-se a um método de provisão de pulsos ópticos sincronizados. O método pode incluir atos de operação de um primeiro laser pulsado em um primeiro comprimento de onda característico, operação de um segundo laser pulsado em um segundo comprimento de onda característico, sincronização do primeiro laser pulsado com o segundo laser pulsado, pulsos de duplicação de sequência a partir do primeiro laser pulsado para produzir um primeiro trem de pulso em um terceiro comprimento de onda característico, acoplamento de pulsos do primeiro laser pulsado e segundo laser pulsado a um elemento óptico não linear e geração, através de geração de soma de frequência, de um segundo trem de pulso em um quarto comprimento de onda característico.

[0014] Algumas modalidades referem-se a um sistema que com preende um primeiro laser pulsado e um segundo laser pulsado que inclui um espelho saturável-absorvedor intracavidade, onde o sistema é configurado para direcionar pulsos a partir do primeiro laser pulsado sobre o espelho saturável-absorvedor do segundo laser pulsado.

[0015] Algumas modalidades referem-se a um método para modo de bloqueio de dois lasers. O método pode incluir atos de operação de um primeiro laser pulsado em um primeiro comprimento de onda característico e acoplamento de um trem de pulso a partir do primeiro laser pulsado a um espelho saturável-absorvedor em uma cavidade laser de um segundo laser pulsado.

[0016] Algumas modalidades referem-se a um sistema de laser pulsado compreendendo um primeiro laser de modo bloqueado tendo uma primeira cavidade de laser configurada para produzir pulsos tendo um primeiro comprimento de onda característico em uma primeira taxa de repetição, um segundo laser tendo uma segunda cavidade de laser configurada para produzir radiação de onda contínua, um elemento óptico não linear dentro da segunda cavidade de laser e elementos ópticos que direcionam uma saída do primeiro laser de modo bloqueado para o elemento óptico não linear.

[0017] Algumas modalidades referem-se a um método de produ ção de pulsos ópticos em comprimentos de onda característicos múltiplos. O método pode incluir produção de pulsos ópticos em um pri- meiro laser de modo bloqueado tendo uma primeira cavidade de laser em um primeiro comprimento de onda característico, operação de um segundo laser tendo uma segunda cavidade laser em modo de onda contínua em um segundo comprimento de onda característico, injeção de pulsos a partir do primeiro laser de modo bloqueado em um elemento óptico não linear na segunda cavidade de laser e geração, através de geração de soma de frequência, de pulsos ópticos no elemento óptico não linear em um terceiro comprimento de onda característico.

[0018] Algumas modalidades referem-se a um laser pulsado compreendendo uma estrutura de base, uma fonte de bomba de diodo montada dentro da estrutura de base e uma cavidade de laser dentro da estrutura de base que inclui um meio de ganho e é configurada para produzir pulsos ópticos, onde a fonte de bomba de diodo e o meio de ganho são cada um montados em uma plataforma que é parcialmente termicamente e mecanicamente isolada da estrutura de base.

[0019] O conteúdo anterior e outros aspectos, implementações, atos, funcionalidades, características e modalidades dos presentes ensinamentos podem ser mais plenamente compreendidos a partir da descrição a seguir em conjunto com os desenhos anexos.

Breve Descrição das Figuras

[0020] O versado na técnica entenderá que as Figuras, descritas aqui, são apenas para fins ilustrativos. Deve ser entendido que, em alguns casos, vários aspectos da invenção podem ser mostrados exagerados ou ampliados para facilitar a compreensão da invenção. Nos desenhos, caracteres de referência iguais geralmente se referem a características similares, elementos funcionalmente similares e/ou estruturalmente similares nas várias Figuras. Os desenhos não estão necessariamente em escala, concentrando-se, em vez disso, em ilustrar os princípios dos ensinamentos. Os desenhos não se destinam a limitar o escopo dos presentes ensinamentos de modo algum.

[0021] A Figura 1-1A é uma representação de diagrama em blocos de um instrumento analítico, de acordo com algumas modalidades.

[0022] A Figura 1-1B representa um laser pulsado incorporado a um instrumento analítico, de acordo com algumas modalidades.

[0023] A Figura 1-2 representa um trem de pulsos ópticos, de acordo com algumas modalidades.

[0024] A Figura 1-3 representa um exemplo de câmaras de reação paralelas que podem ser excitadas opticamente por um laser pulsado através de uma ou mais guias de onda e detectores correspondentes para cada câmara, de acordo com algumas modalidades.

[0025] A Figura 1-4 ilustra excitação óptica de uma câmara de re ação a partir de um guia de onda, de acordo com algumas modalidades.

[0026] A Figura 1-5 representa mais detalhes de uma câmara de reação integrada, guia de onda óptico e fotodetector de agrupamento de tempo, de acordo com algumas modalidades.

[0027] A Figura 1-6 representa um exemplo de uma reação bioló gica que pode ocorrer dentro de uma câmara de reação, de acordo com algumas modalidades.

[0028] A Figura 1-7 representa curvas de probabilidade de emis são para dois fluoróforos diferentes com diferentes características de decaimento.

[0029] A Figura 1-8 descreve a detecção de agrupamento de tem po de emissão fluorescente, de acordo com algumas modalidades.

[0030] A Figura 1-9 representa um fotodetector de agrupamento de tempo, de acordo com algumas modalidades.

[0031] A Figura 1-10A representa a excitação pulsada e detecção de agrupamento de tempo de emissão fluorescente a partir de uma amostra, de acordo com algumas modalidades.

[0032] A Figura 1-10B representa um histograma de contagens de fótons fluorescentes acumuladas em vários agrupamentos de tempo após excitação pulsada repetida de uma amostra, de acordo com algumas modalidades.

[0033] A Figura 1-11A - 1-11D representa diferentes histogramas que podem corresponder aos quatro nucleotídeos (T, A, C, G) ou análogos de nucleotídeos, de acordo com algumas modalidades.

[0034] A Figura 2-1A representa um sistema de laser pulsado, de acordo com algumas modalidades.

[0035] A Figura 2-1B representa um sistema de laser pulsado in corporado a um instrumento portátil, de acordo com algumas modalidades.

[0036] A Figura 2-2A representa uma montagem óptica integrada, de acordo com algumas modalidades.

[0037] A Figura 2-2B representa uma óptica montada em uma montagem óptica integrada, de acordo com algumas modalidades.

[0038] A Figura 3-1 representa um laser de modo bloqueado, em estado sólido, bombeado por diodo, de acordo com algumas modalidades.

[0039] A Figura 3-2A até Figura 3-2D representam várias modali dades de extensores de comprimento de percurso óptico que podem ser incorporados como parte de uma cavidade de laser, de acordo com algumas implementações.

[0040] A Figura 3-3A representa um laser de modo bloqueado, em estado sólido, bombeado por diodo, para o qual a duplicação de frequência é externa à cavidade de laser, de acordo com algumas modalidades.

[0041] A Figura 3-3B representa um laser de modo bloqueado, de espelho não linear, em estado sólido, bombeado por diodo, de acordo com algumas modalidades.

[0042] A Figura 3-3C representa um laser de modo bloqueado, com comprimento de onda múltiplo, em estado sólido, bombeado por diodo, de acordo com algumas modalidades.

[0043] A Figura 3-4A representa uma porção de um espelho satu- rável-absorvedor, de acordo com algumas modalidades.

[0044] A Figura 3-4B representa um diagrama de lacuna de banda para o espelho saturável-absorvedor da Figura 3-4A, de acordo com algumas modalidades.

[0045] A Figura 3-4C ilustra perfis de intensidade nas localizações de absorvedores de cavidades quantum em um espelho saturável- absorvedor, de acordo com algumas modalidades.

[0046] A Figura 3-5A representa um acoplador de saída para um laser de modo bloqueado, com comprimento de onda múltiplo, de acordo com algumas modalidades.

[0047] A Figura 3-5B representa um acoplador de saída para um laser de modo bloqueado, com comprimento de onda múltiplo, de acordo com algumas modalidades.

[0048] A Figura 3-6 ilustra uma montagem para um meio de ganho ou outro componente óptico de alta potência que pode ser usado em um laser compacto de modo bloqueado, de acordo com algumas modalidades.

[0049] A Figura 3-7A representa, em vista plana, uma plataforma para montagem de um meio de ganho ou outro sistema óptico de alta potência que pode ser usado em um laser compacto de modo bloqueado, de acordo com algumas modalidades.

[0050] As Figura 3-7B e Figura 3-7C representam vistas em eleva ção da plataforma ilustrada na Figura 3-7A, de acordo com algumas modalidades.

[0051] A Figura 3-8A representa um sistema de dois lasers para produção de trens de pulso sincronizados em dois comprimentos de onda, onde um laser opera em modo de onda contínua, de acordo com algumas modalidades.

[0052] A Figura 3-8B representa um sistema de dois lasers para produção de trens de pulso sincronizados em dois comprimentos de onda, onde um laser opera em um modo de onda contínua, de acordo com algumas modalidades.

[0053] A Figura 3-9 representa um sistema de dois lasers para produção de trens de pulso sincronizados em dois comprimentos de onda, onde um laser limpa parcialmente um absorvedor saturável de um segundo laser, de acordo com algumas modalidades.

[0054] A Figura 3-10 representa um circuito de controle eletro- mecânico para controlar um comprimento de cavidade de laser em um sistema de laser sincronizado, de acordo com algumas modalidades.

[0055] As Figuras 4-1 e Figura 4-2 representam diodos de laser, de modo bloqueado, de acordo com algumas modalidades.

[0056] A Figura 4-3 representa um diodo laser, de modo bloquea do que inclui um comprimento de fibra óptica como um elemento de retardo óptico, de acordo com algumas implementações.

[0057] As Figuras 5-1 até Figura 5-3 representam lasers de fibra de modo bloqueado, de acordo com algumas modalidades.

[0058] A Figura 6-1A ilustra a bomba óptica e pulsos de saída para troca de ganhos, de acordo com algumas modalidades.

[0059] A Figura 6-1B ilustra oscilações de relaxamento, de acordo com algumas modalidades.

[0060] A Figura 6-1C representa um pulso de saída óptico que mostra uma cauda, de acordo com algumas modalidades.

[0061] A Figura 6-2A representa um diodo laser semicondutor pul sado, de acordo com algumas modalidades.

[0062] A Figura 6-2B representa um esquema de circuito pulsador para pulsar um diodo de laser ou diodo de emissão de luz, de acordo com uma modalidade.

[0063] A Figura 6-2C ilustra melhorias na corrente administrada a um diodo de laser, de acordo com algumas modalidades.

[0064] A Figura 6-3 representa uma forma de onda de acionamen to para troca de ganhos de um diodo de laser, de acordo com algumas modalidades.

[0065] A Figura 6-4A representa um circuito pulsador para acionar um diodo de laser ou diodo de emissão de luz, em algumas modalidades.

[0066] A Figura 6-4B representa um esquema de circuito pulsador para acionar um diodo de laser ou diodo de emissão de luz, de acordo com algumas modalidades.

[0067] A Figura 6-4C representa um esquema de circuito pulsador para acionar um diodo de laser ou diodo de emissão de luz, de acordo com algumas modalidades.

[0068] A Figura 6-4D representa um acionador de RF para pulsar um diodo de laser ou diodo de emissão de luz, de acordo com algumas modalidades.

[0069] A Figura 6-4E ilustra uma forma de onda de acionamento produzida pelo circuito da Figura 6-4D, de acordo com algumas modalidades.

[0070] A Figura 6-4F representa um acionador de RF para pulsar um diodo de laser ou diodo de emissão de luz, de acordo com algumas modalidades.

[0071] A Figura 6-4G ilustra formas de onda de acionamento pro duzidas pelo circuito da Figura 6-4F, de acordo com algumas modalidades.

[0072] A Figura 6-4H representa um esquema de circuito pulsador para acionar um diodo de laser ou diodo de emissão de luz, de acordo com algumas modalidades.

[0073] A Figura 6-4I ilustra a eficiência do acoplamento de potên cia a um diodo laser, de acordo com algumas modalidades.

[0074] A Figura 6-4J representa um circuito pulsador e acionamen to para pulsar emissão óptica a partir de um diodo de laser ou diodo de emissão de luz, de acordo com algumas modalidades.

[0075] A Figura 6-4K representa um circuito pulsador para produzir um trem de pulso, de acordo com algumas modalidades.

[0076] A Figura 6-4L ilustra entradas de dados para uma porta ló gica em um circuito pulsador, de acordo com algumas modalidades.

[0077] A Figura 6-4M representa um circuito acionador para acio nar um diodo de laser ou diodo de emissão de luz com pulsos elétricos, de acordo com algumas modalidades.

[0078] A Figura 6-5A representa um circuito pulsador para comu tação de ganhos de um diodo de laser, de acordo com algumas modalidades.

[0079] A Figura 6-5B ilustra uma tensão de acionamento a partir de um circuito pulsador, de acordo com algumas modalidades.

[0080] As Figuras 6-5C e Figura 6-5D ilustram medidas exempli- ficativas de pulsos ópticos ultrarrápidos produzidos a partir de um diodo de laser comutado por ganho, de acordo com algumas modalidades.

[0081] A Figura 6-6A representa um laser semicondutor de guia de onda óptico acoplado à chapa que pode ser de ganho comutado ou comutação Q, de acordo com algumas modalidades.

[0082] A Figura 6-6B ilustra um perfil de modo óptico em um laser de guia de onda óptico acoplado à chapa, de acordo com algumas modalidades.

[0083] A Figura 6-6C representa um laser semicondutor de ganho comutado, integrado e absorvedor saturável acoplado, de acordo com algumas modalidades.

[0084] A Figura 7-1A representa uma disposição de comutadores ópticos configurada para produzir pulsos a partir de um laser de onda contínua, de acordo com algumas modalidades.

[0085] A Figura 7-1B ilustra formas de onda de acionamento para comutadores da disposição de comutares ópticos representada na Figura 7-1A, de acordo com algumas implementações.

[0086] A Figura 7-1C representa intensidades ópticas em várias portas da disposição de comutadores ópticos representada na Figura 7-1A, de acordo com algumas implementações.

[0087] A Figura 7-1D ilustra formas de onda de acionamento para comutadores da disposição de comutadores ópticos representada na Figura 7-1A, de acordo com algumas implementações.

[0088] A Figura 7-1E representa as intensidades ópticas em várias portas da disposição de comutadores ópticos representada na Figura 7-1A, de acordo com algumas implementações.

[0089] A Figura 8-1 representa um módulo de direcionamento de feixe, de acordo com algumas modalidades.

[0090] A Figura 8-2 representa detalhes ópticos de um módulo de direcionamento de feixe, de acordo com algumas modalidades.

[0091] A Figura 8-3 representa o alinhamento de um feixe de laser pulsado a um acoplador óptico em um chip, de acordo com algumas modalidades.

[0092] A Figura 8-4 representa circuitos de detecção e controle para acoplar pulsos ópticos de um laser pulsado a guias de onda múltiplos de um chip bio-optoeletrônico, de acordo com algumas modalidades.

[0093] A Figura 8-5 representa ações associadas a métodos de acoplamento de pulsos ópticos de um laser pulsado a guias de onda múltiplos de um chip bio-optoeletrônico, de acordo com algumas modalidades.

[0094] A Figura 9-1 representa um sistema para sincronizar a tem porização de pulsos ópticos para instrumentos eletrônicos, de acordo com algumas modalidades.

[0095] A Figura 9-2 representa um sistema para sincronizar a tem porização de pulsos ópticos para instrumentos eletrônicos, de acordo com algumas modalidades.

[0096] A Figura 9-3 representa circuitos de geração de clock para um instrumento analítico que incorpora uma fonte óptica pulsada, de acordo com algumas modalidades.

[0097] A Figura 9-4 representa um sistema para sincronizar a tem porização de pulsos ópticos de duas fontes de pulsos para instrumentos eletrônicos, de acordo com algumas modalidades.

[0098] A Figura 9-5A representa um sistema para sincronizar a temporização intercalada de pulsos ópticos de duas fontes de pulsos a instrumentos eletrônicos, de acordo com algumas modalidades.

[0099] A Figura 9-5B representa trens de pulso intercalados e sin cronizados de duas fontes ópticas pulsadas, de acordo com algumas modalidades.

[00100] A Figura 9-6A representa um sistema de dois lasers para produção de trens de pulso sincronizados em dois ou mais comprimentos de onda, de acordo com algumas modalidades.

[00101] A Figura 9-6B representa um sistema de dois lasers para produção de trens de pulso sincronizados em dois comprimentos de onda, de acordo com algumas modalidades.

[00102] As características e vantagens da presente invenção se tornarão mais evidentes a partir da descrição detalhada apresentada abaixo, quando tomada em conjunto com os desenhos. Ao descrever modalidades em referência aos desenhos, podem ser utilizadas refe- rências direcionais ("acima", "abaixo", "superior", "inferior", "esquerda", "direita", "horizontal", "vertical", etc.). Essas referências destinam-se apenas a auxiliar o leitor que vê os desenhos em uma orientação normal. Essas referências direcionais não pretendem descrever uma orientação preferida ou única de características de um dispositivo representado. Um dispositivo pode ser representado usando outras orientações.

Descrição Detalhada da Invenção Introdução

[00103] Os inventores reconheceram e compreenderam que os lasers pulsados ultracurtos convencionais são geralmente grandes, caros e inadequados para muitas aplicações móveis e/ou incorporação em instrumentação portátil que pode ser adaptada para aplicações de imagiologia, variáveis ou bioanalíticas. Consequentemente, os inventores conceberam sistemas de laser pulsado ultracurto, compactos, que podem fornecer pulsos abaixo de 100 picossegundos em comprimentos de onda selecionados e em potências ópticas médias de até ~ 400 milliwatts (mW). O sistema de laser pode ser configurado para prover uma taxa de repetição de pulsos ópticos entre cerca de 50 MHz e cerca de 200 MHz. Em algumas modalidades, uma área ocupada por um laser pulsado e sua óptica pode ter aproximadamente o tamanho de uma folha de papel A4 com uma espessura de cerca de 40 mm ou menos. Em algumas implementações, um laser semicondutor pulsado pode ser substancialmente menor do que esse tamanho.

[00104] O termo "óptico" pode referir-se a bandas espectrais de infravermelho com comprimento de onda curto, próximo ao infravermelho, visível e ultravioleta.

[00105] Em algumas aplicações bioanalíticas, tais como sequenci- amento genético ou análises massivamente paralelas, um sistema de laser pulsado compacto pode ser usado para fornecer energia de exci- tação óptica a uma pluralidade de câmaras de reação integradas a um chip. O número de câmaras de reação no chip pode estar entre cerca de 10.000 e cerca de 10.000.000, e as câmaras podem conter amostras que podem sofrer múltiplas reações bioquímicas ao longo de um período de tempo, de acordo com algumas implementações. Em outras implementações, pode haver menos ou mais câmaras de reação no chip. De acordo com algumas modalidades, as amostras ou moléculas que interagem com as amostras podem ser marcadas com um ou mais fluoróforos que fluorescem, ou as amostras podem fluorescer sozinhas, após excitação por um pulso óptico a partir de um laser pulsado. Detecção e análise de fluorescência das câmaras de reação fornecem informações sobre as amostras dentro das câmaras.

[00106] Para fazer um instrumento portátil que inclui um número tão grande de câmaras de reação e que usa vários fluoróforos diferentes, existem vários desafios técnicos. Um sistema de laser pulsado deve ser pequeno e leve, e deve fornecer energia óptica suficiente para excitar fluoróforos em todas as câmaras de reação. Além disso, deve haver alguma maneira de excitar diferentes fluoróforos com o laser pulsado (por exemplo, quatro fluoróforos com características diferentes de emissão para sequenciamento de DNA) e detectar características de emissão diferentes em cada câmara de reação dos fluoróforos, para que cada fluoróforo possa ser distinguido dos outros fluoróforos.

[00107] Na visão geral, um instrumento analítico 1-100 pode compreender um ou mais lasers pulsados 1-110 montados dentro ou de outro modo acoplados ao instrumento, conforme representado na Figura 1-1A. De acordo com algumas modalidades, um laser pulsado 1110 pode ser um laser de modo bloqueado. Um laser de modo bloqueado pode incluir um elemento (por exemplo, absorvedor saturável, modulador acústico-óptico, lente Kerr) na cavidade de laser, ou aco- plado à cavidade de laser, que induz o bloqueio de fase dos modos de frequência longitudinal do laser. Em outras modalidades, um laser pulsado 1-110 pode ser um laser de ganho comutado. Um laser de ganho comutado pode compreender um modulador externo que modula o ganho óptico no meio de ganho do laser.

[00108] O instrumento 1-100 pode incluir um sistema óptico 1-115 e um sistema analítico 1-160. O sistema óptico 1-115 pode incluir um ou mais componentes ópticos (por exemplo, lente, espelho, filtro óptico, atenuador) e ser configurado para operar e/ou transmitir pulsos ópticos 1-122 do laser pulsado 1-110 para o sistema analítico 1-160. O sistema analítico pode incluir muitos componentes que estão dispostos para direcionar os pulsos ópticos a pelo menos uma amostra que deve ser analisada, receber um ou mais sinais ópticos (por exemplo, fluorescência, radiação retrodispersa) a partir da pelo menos uma amostra e produzir uma ou mais sinais elétricos representativos dos sinais ópticos recebidos. Em algumas modalidades, o sistema analítico 1-160 pode incluir um ou mais fotodetectores e dispositivos eletrônicos de processamento de sinal (por exemplo, um ou mais microcontroladores, um ou mais arranjos de portas programáveis em campo, um ou mais microprocessadores, um ou mais processadores de sinal digital, portas lógicas, etc.) configurados para processar os sinais elétricos dos foto- detectores, e também pode incluir hardware de transmissão de dados configurado para transmitir e receber dados de e para dispositivos externos através de um link de comunicação de dados. Em algumas modalidades, o sistema analítico 1-160 pode ser configurado para receber um chip bio-optoeletrônico 1-140, que contém uma ou mais amostras a serem analisadas.

[00109] Embora os pulsos ópticos 1-122 sejam representados como tendo um único modo óptico transversal, em algumas modalidades, a saída óptica do laser pulsado 1-110 pode ser multimodal. Por exemplo, um perfil de feixe de saída transversal pode ter múltiplos picos e mínimos de intensidade devido à operação multimodal do laser. Em algumas modalidades, uma saída multimodal pode ser homogeneizada (por exemplo, por óptica de difusão) quando acoplada ao sistema analítico 1-160. Em algumas implementações, uma saída multimodal pode ser acoplada a uma pluralidade de fibras ou guias de onda no sistema analítico 1-160. Por exemplo, cada pico de intensidade de uma saída multimodal pode ser acoplado a um guia de onda separado que se conecta ao chip bio-optoeletrônico 1-140. Permitir que um laser pulsado funcione em um estado multimodal pode permitir maiores potências de saída do laser pulsado.

[00110] A Figura 1-1B representa um exemplo detalhado adicional de um instrumento analítico 1-100 que inclui um laser pulsado 1-110, que pode ser montado em um chassi do instrumento ou quadro 1-102 do instrumento. O instrumento analítico pode ser configurado para receber um chip bio-optoeletrônico, acondicionado e removível 1-140. O chip pode incluir uma pluralidade de câmaras de reação, componentes ópticos integrados dispostos para fornecer energia de excitação óptica às câmaras de reação e fotodetectores integrados dispostos para detectar a emissão fluorescente a partir das câmaras de reação. Em algumas implementações, o chip 1-140 pode ser descartável, enquanto que, em outras implementações, o chip pode ser reutilizável. Quando o chip é recebido pelo instrumento, ele pode estar em comunicação elétrica e óptica com o laser pulsado e comunicação elétrica e óptica com o sistema analítico 1-160.

[00111] Em algumas modalidades, o chip bio-optoeletrônico pode ser montado (por exemplo, através de uma conexão de soquete) sobre uma placa de circuito eletrônico 1-130, tal como uma placa de circuito impresso (PCB) que pode incluir instrumentos eletrônicos adicionais. Por exemplo, a PCB 1-130 pode incluir circuitos configurados para for- necer energia elétrica, um ou mais sinais de clock e sinais de controle ao chip bio-optoeletrônico 1-140 e circuitos de processamento de sinal dispostos para receber sinais representativos da emissão fluorescente detectada das câmaras de reação. O PCB 1-130 também pode incluir circuitos configurados para receber sinais de feedback relacionados aos níveis de acoplamento óptico e potência dos pulsos ópticos 1-122 acoplados a guias de onda do chip bio-optoeletrônico 1-140. Os dados retornados do chip bio-optoeletrônico podem ser processados parcial ou totalmente pelo instrumento, embora os dados possam ser transmitidos através de uma conexão de rede a um ou mais processadores de dados remotos, em algumas implementações.

[00112] De acordo com algumas modalidades, um laser pulsado ul- tracurto 1-110 pode compreender um meio de ganho 1-105 (que pode ser material de estado sólido em algumas modalidades), uma fonte de bomba (por exemplo, um diodo de laser, não mostrado) para excitar o meio de ganho, um acoplador de saída 1-111 e um espelho de extremidade de cavidade de laser 1-119. A cavidade óptica do laser pode ser ligada pelo acoplador de saída e pelo espelho de extremidade. Um eixo óptico 1-125 da cavidade do laser pode ter uma ou mais dobras (voltas) para aumentar o comprimento da cavidade do laser. Em algumas modalidades, pode haver elementos ópticos adicionais (não mostrados) na cavidade do laser para modelagem do feixe, seleção do comprimento de onda e/ou formação de pulsos. Em alguns casos, o espelho de extremidade 1-119 pode compreender um espelho saturável-absorvedor (SAM) que induz o bloqueio do modo passivo de modos de cavidade longitudinal e resulta em operação pulsada do laser 1-110.

[00113] Quando de modo bloqueado passivamente, um pulso intra- cavidade 1-120 pode circular entre o espelho de extremidade 1-119 e o acoplador de saída 1-111, e uma parte do pulso intracavidade pode ser transmitida através do acoplador de saída 1-111 como um pulso de saída 1 -122. Consequentemente, um trem de pulsos de saída 1-122, como representado no gráfico da Figura 1-2, pode ser detectado no acoplador de saída, uma vez que o pulso intracavidade 1-120 salta para frente e para trás entre o acoplador de saída 1-111 e o espelho de extremidade 1-119 na cavidade do laser.

[00114] A Figura 1-2 representa perfis de intensidade temporal dos pulsos de saída 1-122. Em algumas modalidades, os valores de intensidade de pico dos pulsos emitidos podem ser aproximadamente iguais, e os perfis podem ter um perfil temporal Gaussiano, embora outros perfis possam ser possíveis, como um perfil sech2. Em alguns casos, os pulsos podem não ter perfis temporários simétricos e podem ter outras formas temporais. A duração de cada pulso pode ser caracterizada por um valor de largura à meia altura (FWHM), como indicado na Figura 1-2. De acordo com algumas modalidades de um laser pul-sado, os pulsos ópticos ultracurtos podem ter valores de FWHM inferiores a 100 picossegundos (ps). Em alguns casos, os valores FWHM podem ser inferiores a 30 ps.

[00115] Os pulsos de saída 1-122 podem ser separados por intervalos regulares T. Em algumas modalidades (por exemplo, para lasers de modo bloqueado), T pode ser determinado por um tempo de viagem de ida e volta entre o acoplador de saída 1-111 e o espelho de extremidade da cavidade 1-119. De acordo com algumas modalidades, o intervalo de separação de pulsos T pode estar entre cerca de 1 ns e cerca de 30 ns. Em alguns casos, o intervalo de separação de pulsos T pode estar entre cerca de 5 ns e cerca de 20 ns, correspondendo a um comprimento da cavidade do laser (um comprimento aproximado do eixo óptico 1-125 dentro da cavidade de laser) entre cerca de 0,7 metro e cerca de 3 metros.

[00116] De acordo com algumas modalidades, um intervalo desejado de separação de pulsos T e comprimento da cavidade de laser po- de ser determinado por uma combinação do número de câmaras de reação no chip 1-140, características de emissão fluorescente e a velocidade dos circuitos de gerenciamento de dados para leitura de dados do chip bio-optoeletrônico 1-140. Os inventores reconheceram e compreenderam que fluoróforos diferentes podem ser distinguidos por suas diferentes taxas de decaimento fluorescente. Consequentemente, deve haver intervalo de separação de pulso T suficiente para coletar estatísticas adequadas para os fluoróforos selecionados para distinguir entre suas diferentes taxas de decaimento. Além disso, se o intervalo de separação de pulsos T for muito curto, o circuito de processamento de dados não pode acompanhar a grande quantidade de dados coletados pelo grande número de câmaras de reação. Os inventores reconheceram e compreenderam que um intervalo de separação de pulsos T entre cerca de 5 ns e cerca de 20 ns é adequado para fluoróforos com taxas de decaimento de até cerca de 2 ns e para manipulação de dados entre cerca de 60.000 e 600.000 câmaras de reação.

[00117] De acordo com algumas implementações, um módulo de direcionamento de feixe 1-150 pode receber pulsos de saída do laser pulsado 1-110 e ser configurado para ajustar a posição e os ângulos de incidência dos pulsos ópticos sobre um acoplador óptico do chip bio-optoeletrônico 1-140. De acordo com algumas modalidades, os pulsos de saída do laser pulsado podem ser operados por um módulo de direcionamento de feixe 1-150, que é configurado para alinhar o feixe de pulsos de saída com um acoplador óptico no chip bio- optoeletrônico 1-140. O módulo de direcionamento de feixe pode prover ajustes de posição e ângulo de incidência para o feixe óptico no acoplador óptico. Em algumas implementações, o módulo de direcionamento de feixe pode fornecer ainda a concentração do feixe de pulsos de saída no acoplador óptico.

[00118] Com referência à Figura 1-3, os pulsos de saída 1-122 po- dem ser acoplados a um ou mais guias de onda ópticos 1-312 no chip bio-optoeletrônico. Em algumas modalidades, os pulsos ópticos podem ser acoplados a uma ou mais guias de onda através de um acoplador de rede 1-310, embora o acoplamento a uma extremidade de um guia de onda óptico no chip bio-optoeletrônico possa ser usado em algumas modalidades. De acordo com algumas modalidades, um detector quad 1-320 pode estar localizado sobre um substrato semicondutor 1-305 (por exemplo, um substrato de silício) para auxiliar no alinhamento do feixe de pulsos ópticos 1-122 a um acoplador de rede 1-310. Os uma ou mais guias de onda 1-312 e as câmaras de reação 1-330 podem ser integrados no mesmo substrato semicondutor com camadas dielétricas intervenientes (por exemplo, camadas de dióxido de silício) entre o substrato, guia de onda, câmaras de reação e foto- detectores 1-322.

[00119] Cada guia de onda 1-312 pode incluir uma parte afunilada 1-315 abaixo das câmaras de reação 1-330 para equalizar a potência óptica acoplada às câmaras de reação ao longo do guia de onda. O afunilamento de redução pode forçar mais energia óptica para fora do núcleo do guia de onda, aumentando o acoplamento às câmaras de reação e compensando perdas óticas ao longo da guia de onda, incluindo perdas para acoplamento leve às câmaras de reação. Um segundo acoplador de rede 1-317 pode estar localizado em uma extremidade de cada guia de onda para direcionar a energia óptica para um fo- todiodo integrado 1-324. O fotodiodo integrado pode detectar uma quantidade de energia acoplada abaixo de um guia de onda e fornecer um sinal detectado ao circuito de feedback que controla o módulo de direcionamento do feixe 1-150, por exemplo.

[00120] As câmaras de reação 1-330 podem estar alinhadas com a parte afunilada 1-315 da guia de ondas e rebaixadas em uma cuba 1340. Pode haver fotodetectores de agrupamento de tempo 1-322 locali- zados no substrato semicondutor 1-305 para cada câmara de reação 1330. Pode ser formado um revestimento de metal e/ou revestimento multicamadas 1-350 em torno das câmaras de reação e acima da guia de ondas para evitar a excitação óptica de fluoróforos que não estão nas câmaras de reação (por exemplo, dispersos em uma solução acima das câmaras de reação). O revestimento metálico e/ou o revestimento multicamadas 1-350 pode ser elevado além das bordas da cuba 1-340 para reduzir perdas de absorção da energia óptica na guia de onda 1312 nas extremidades de entrada e saída de cada guia de onda.

[00121] Pode haver uma pluralidade de fileiras de guias de onda, câmaras de reação e fotodetectores de agrupamento de tempo no chip bio-optoeletrônico 1-140. Por exemplo, pode haver 128 fileiras, cada uma com 512 câmaras de reação, para um total de 65.536 câmaras de reação em algumas implementações. Outras implementações podem incluir menos ou mais câmaras de reação, e podem incluir outras configurações de layout. A potência óptica do laser pulsado 1-110 pode ser distribuída para as múltiplas guias de onda através de um ou mais acopladores em estrela ou acopladores de interferência multimodal, ou por qualquer outro meio, localizado entre um acoplador óptico para o chip 1-140 e a pluralidade de guias de onda.

[00122] A Figura 1-4 ilustra acoplamento de energia óptica a partir de um pulso óptico 1-122 dentro de um guia de onda 1-315 a uma câmara de reação 1-330. O desenho foi produzido a partir de uma simulação de campo eletromagnético da onda óptica que explica as dimensões da guia de onda, as dimensões da câmara de reação, as propriedades ópticas dos diferentes materiais e a distância da guia de onda 1315 a partir da câmara de reação 1-330. A guia de onda pode ser formada a partir de nitreto de silício em um meio envolvente 1-410 de dióxido de silício, por exemplo. A guia de onda, o meio envolvente e a câmara de reação podem ser formados por processos de microfabri- cação descritos no pedido de patente U.S. N° 14/821.688, depositado em 7 de agosto de 2015, intitulado "Integrated Device for Probing, Detecting and Analysing Molecules". De acordo com algumas modalidades, um campo óptico evanescente 1-420 acopla energia óptica transportada pela guia de onda para a câmara de reação 1-330.

[00123] Um exemplo não limitante de uma reação biológica que ocorre em uma câmara de reação 1-330 é representado na Figura 1-5. Neste exemplo, a incorporação sequencial de nucleotídeos ou análogos de nucleotídeo a um filamento em formação que é complementar a um ácido nucleico alvo está ocorrendo na câmara de reação. A incorporação sequencial pode ser detectada para sequenciar o DNA. A câmara de reação pode ter uma profundidade entre cerca de 150 nm e cerca de 250 nm e um diâmetro entre cerca de 80 nm e cerca de 160 nm. Uma camada de metalização 1-540 (por exemplo, uma meta- lização para um potencial de referência elétrico) pode ser modelada acima do fotodetector para fornecer uma abertura que bloqueia a luz dispersa de câmaras de reação adjacentes e outras fontes de luz in- desejadas. De acordo com algumas modalidades, a polimerase 1-520 pode estar localizada dentro da câmara de reação 1-330 (por exemplo, ligada a uma base da câmara). A polimerase pode absorver um ácido nucleico alvo 1-510 (por exemplo, uma parte de ácido nucleico derivado do DNA) e sequenciar um filamento em formação do ácido nucleico complementar para produzir um filamento em formação de DNA 1-512. Os nucleotídeos ou análogos de nucleotídeos marcados com fluorófo- ros diferentes podem ser dispersos em uma solução acima e dentro da câmara de reação.

[00124] Quando um nucleotídeo ou análogo de nucleotídeo marcado 1-610 é incorporado a um filamento em formação de ácido nucleico complementar, tal como representado na Figura 1-6, um ou mais fluo- róforos ligados 1-630 podem ser repetidamente excitados por pulsos de energia óptica acoplados à câmara de reação 1-330 da guia de onda 1-315. Em algumas modalidades, o fluoróforo ou fluoróforos 1-630 podem estar ligados a um ou mais nucleotídeos ou análogos de nucle- otídeos 1-610 com qualquer ligante adequado 1-620. Um evento de incorporação pode durar um período de tempo até cerca de 100 ms. Durante este tempo, pulsos de emissão fluorescente resultantes da excitação do(s) fluoróforo(s) podem ser detectados com um fotodetec- tor de agrupamento de tempo 1-322. Ao anexar fluoróforos com diferentes características de emissão (por exemplo, taxas de decaimento fluorescente, intensidade, comprimento de onda fluorescente) aos diferentes nucleotídeos (A, C, G, T), detectar e distinguir as diferentes ca-racterísticas de emissão enquanto o filamento de DNA 1-512 incorpora um ácido nucleico e permite a determinação da sequência genética do filamento em formação do DNA.

[00125] De acordo com algumas modalidades, o instrumento analítico 1-100 configurado para analisar amostras com base em características de emissão fluorescente pode detectar diferenças em vidas úteis e/ou intensidades de fluorescência entre diferentes moléculas fluorescentes e/ou diferenças entre vidas úteis e/ou intensidades das mesmas moléculas fluorescentes em ambientes diferentes. A título de explicação, a Figura 1-7 traça duas curvas diferentes de probabilidade de emissão fluorescente (A e B), que podem ser representantes da emissão fluorescente de duas moléculas fluorescentes diferentes, por exemplo. Com referência à curva A (linha tracejada), depois de ser excitado por um pulso óptico curto ou ultracurto, pode diminuir com o tempo a probabilidade pA(t) de uma emissão fluorescente a partir de uma primeira molécula, conforme descrito. Em alguns casos, a diminuição da probabilidade de um fóton ser emitido ao longo do tempo pode ser representada por uma função de decaimento exponencial S onde PAO é uma probabilidade de emissão inicial e é um parâmetro temporal associado à primeira molécula fluorescente que caracteriza a probabilidade de decaimento das emissões. r_ pode ser referido como o "tempo de vida fluorescente", "tempo de vida de emissão" ou "tempo de vida" da primeira molécula fluorescente. Em alguns casos, o valor de r_ pode ser alterado por um ambiente local da molécula fluorescente. Outras moléculas fluorescentes podem ter características de emissão diferentes daquelas mostradas na curva A. Por exemplo, outra molécula fluorescente pode ter um perfil de decaimento que difere de um único decaimento exponencial, e seu tempo de vida pode ser caracterizado por um valor de meia-vida ou algum outro indicador.

[00126] Uma segunda molécula fluorescente pode ter um perfil de decaimento que é exponencial, mas tem um tempo de vida diferente de forma mensurável TB, como representado para a curva B na Figura 1-7. No exemplo mostrado, o tempo de vida para a segunda molécula fluorescente da curva B é menor do que o tempo de vida para a curva A, e a probabilidade de emissão é maior antes da excitação da segunda molécula do que para a curva A. Diferentes moléculas fluorescentes podem ter tempo de vida ou valores meia-vida variando de cerca de 0,1 ns a cerca de 20 ns, em algumas modalidades.

[00127] Os inventores reconheceram e compreenderam que as diferenças nos tempos de vida de emissão fluorescente podem ser usadas para discernir entre a presença ou a ausência de diferentes moléculas fluorescentes e/ou discernir entre diferentes ambientes ou condições aos quais uma molécula fluorescente é submetida. Em alguns casos, o discernimento de moléculas fluorescentes com base no tempo de vida (em vez do comprimento de onda de emissão, por exemplo) pode simplificar aspectos de um instrumento analítico 1-100. Como exemplo, as ópticas discriminadoras de comprimento de onda (tais como filtros de comprimento de onda, detectores dedicados para cada comprimento de onda, fontes ópticas pulsadas dedicadas em diferentes comprimentos de onda e/ou óptica difrativa) podem ser reduzidas em número ou eliminadas quando discernindo moléculas fluorescentes com base no tempo de vida. Em alguns casos, uma única fonte óptica pulsada que opera em um único comprimento de onda característico pode ser usada para excitar diferentes moléculas fluorescentes que emitem dentro de uma mesma região de comprimento de onda do espectro óptico, mas têm tempos de vida diferentes de forma mensurável. Um sistema analítico que usa uma única fonte óptica pulsada, em vez de múltiplas fontes em diferentes comprimentos de onda, para excitar e discernir diferentes moléculas fluorescentes emissoras em uma mesma região de comprimento de onda pode ser menos complexo pa-ra operar e manter, mais compacto e pode ser fabricado em menor custo.

[00128] Embora os sistemas analíticos baseados na análise do tempo de vida fluorescente possam ter certos benefícios, a quantidade de informações obtidas por um sistema analítico e/ou a precisão da detecção podem ser aumentadas ao permitir técnicas de detecção adicionais. Por exemplo, alguns sistemas analíticos 1-160 podem ser adicionalmente configurados para discernir uma ou mais propriedades de uma amostra com base no comprimento de onda fluorescente e/ou intensidade fluorescente.

[00129] Fazendo novamente referência à Figura 1-7, de acordo com algumas modalidades, diferentes tempos de vidas fluorescentes podem ser distinguidos com um fotodetector que é configurado para eventos de emissão fluorescente de agrupamento de tempo após a excitação de uma molécula fluorescente. O agrupamento do tempo pode ocorrer durante um único ciclo de acúmulo de carga para o foto- detector. Um ciclo de acúmulo de carga é um intervalo entre os even- tos de leitura, durante o qual portadores fotogerados são acumulados em agrupamentos do fotodetector de agrupamento de tempo. O conceito de determinar o tempo de vida fluorescente através de agrupamento de tempo de eventos de emissão é introduzido graficamente na Figura 1-8. No tempo te logo antes do t1, uma molécula fluorescente ou um conjunto de moléculas fluorescentes de um mesmo tipo (por exemplo, o tipo correspondente à curva B da Figura 1-7) é excitado por um pulso óptico curto ou ultracurto. Para um grande conjunto de moléculas, a intensidade da emissão pode ter um perfil de tempo semelhante à curva B, conforme representado na Figura 1-8.

[00130] Para uma única molécula ou um pequeno número de moléculas, no entanto, a emissão de fótons fluorescentes ocorre de acordo com as estatísticas da curva B na Figura 1-7, para este exemplo. Um fotodetector de agrupamento de tempo 1-322 pode acumular portadores gerados a partir de eventos de emissão em agrupamentos de tempo distintos (três indicados na Figura 1-8) que são temporariamente resolvidos em relação ao tempo de excitação da(s) molécula(s) fluo- rescente(s). Quando um grande número de eventos de emissão é somado, os agrupamentos de tempo resultantes podem se aproximar da curva de intensidade de decaimento mostrada na Figura 1-8, e os sinais agrupados podem ser usados para distinguir entre diferentes mo-léculas fluorescentes ou diferentes ambientes nos quais uma molécula fluorescente está localizada.

[00131] Exemplos de um fotodetector de agrupamento de tempo 1322 são descritos no pedido de patente U.S. N° 14/821.656, depositado em 7 de agosto de 2015, intitulado "Integrated Device for Temporal Binning of Received Photons", que é aqui incorporado a título de referência. Para fins de explicação, uma modalidade não limitante de um fotodetector de agrupamento de tempo está representada na Figura 1-9. Um único fotodetector de agrupamento de tempo 1-900 pode compreender uma região de geração de absorção de fó- ton/geração de portador 1-902, uma região de transporte de portador 1-906 e uma pluralidade de agrupamentos de armazenamento de portador 1-908a, 1-908b, 1-908c todos formados em um substrato semicondutor. A região de transporte de portador pode estar ligada à pluralidade de agrupamentos de armazenamento de portador pelos canais de transporte de portador 1-907. Apenas três agrupamentos de armazenamento de portador são mostrados, mas pode haver outros. Pode haver um canal de leitura 1-910 conectado aos agrupamentos de armazenamento de portador. A região de absorção de fó- ton/geração de portador 1-902, a região de transporte de portador 1906, os agrupamentos de armazenamento de portador 1-908a, 1 908b, 1-908c e o canal de leitura 1-910 podem ser formadas por do- pagem do semicondutor localmente e/ou a formação de regiões iso- lantes adjacentes para proporcionar capacidade de fotodetecção e confinar portadores. Um fotodetector de agrupamento de tempo 1900 também pode incluir uma pluralidade de eletrodos 1-920, 1-922, 1-932, 1-934, 1-936, 1-940 formados sobre o substrato, que são configurados para gerar campos elétricos no dispositivo para transportar portadores através do dispositivo.

[00132] Em operação, fótons fluorescentes podem ser recebidos na região de absorção de fótons/geração de portador 1-902 em tempos diferentes e gerar portadores. Por exemplo, aproximadamente no tempo t1, três fótons fluorescentes podem gerar três elétrons portadores em uma região de depleção da região de absorção de fótons/geração de portador 1-902. Um campo elétrico no dispositivo (devido à dopa- gem e/ou uma polarização aplicada externamente aos eletrodos 1-920 e 1-922, e opcionalmente ou alternativamente aos 1-932, 1-934, 1936) pode mover os portadores para a região de transporte de portador 1-906. Na região de transporte de portador, a distância da viagem se converte em um tempo após a excitação das moléculas fluorescentes. Em um tempo posterior t5, outro fóton fluorescente pode ser recebido na região de absorção de fótons/geração de portador 1-902 e gerar um portador adicional. Neste momento, os três primeiros portadores viajaram para uma posição na região de transporte de portador 1906 adjacente ao segundo agrupamento de armazenamento 1-908b. Em um instante posterior t7, uma polarização elétrica pode ser aplicada entre os eletrodos 1-932, 1-934, 1-936 e o eletrodo 1-940 para transportar lateralmente portadores da região de viagem de portador 1-906 para os agrupamentos de armazenamento. Os três primeiros portadores podem então ser transportados para e retidos no primeiro agrupamento 1-908a e o portador gerado posteriormente pode ser transportado para e retido no terceiro agrupamento 1-908c. Em algumas implementações, os intervalos de tempo correspondentes a cada agrupamento de armazenamento estão em escala de tempo de subnanos- segundos, embora escalas de tempo mais longas possam ser utilizadas em algumas modalidades (por exemplo, nas modalidades em que os fluoróforos têm tempos de decaimento mais longos).

[00133] O processo de geração e portadores de agrupamento de tempo após um evento de excitação (por exemplo, pulso de excitação a partir de uma fonte óptica pulsada) pode ocorrer uma vez após um único pulso de excitação ou ser repetido várias vezes após vários pulsos de excitação durante um único ciclo de acúmulo de carga para o fotodetector 1-900. Após o acúmulo de carga estar concluída, os portadores podem ser lidos dos agrupamentos de armazenamento através do canal de leitura 1-910. Por exemplo, uma sequência de polarização apropriada pode ser aplicada ao pelo menos eletrodo 1-940 e um eletrodo a jusante (não mostrado) para remover portadores dos agrupamentos de armazenamento 1-908a, 1-908b, 1-908c.

[00134] Após uma série de eventos de excitação, o sinal acumulado em cada agrupamento de armazenamento de elétrons pode ser lido para fornecer um histograma com agrupamentos correspondentes que representam a taxa de decaimento da emissão fluorescente, por exemplo. Tal processo é ilustrado nas Figura 1-10A e Figura 1-10B. Os agrupamentos do histograma podem indicar uma série de fótons detectados durante cada intervalo de tempo após a excitação do(s) fluoróforo(s) em uma câmara de reação. Em algumas modalidades, os sinais para os agrupamentos serão acumulados seguindo um grande número de pulsos de excitação, conforme representado na Figura 1- 10A. Os pulsos de excitação podem ocorrer nos tempos te1, te2, te3, ... teN que são separados pelo tempo de intervalo de pulso T. Pode haver entre 105 e 107 pulsos de excitação aplicados à câmara de reação durante uma acumulação de sinais nos agrupamentos de armazenamento de elétrons. Em algumas modalidades, um agrupamento (agrupamento 0) pode ser configurado para detectar uma amplitude de energia de excitação transmitida com cada pulso óptico, e ser usado como um sinal de referência (por exemplo, para normalizar dados).

[00135] Em algumas implementações, apenas um único fóton em média pode ser emitido a partir de um fluoróforo após um evento de excitação, conforme representado na Figura 1-10A. Após um primeiro evento de excitação no tempo te1, o fóton emitido no tempo tf1 pode ocorrer dentro de um primeiro intervalo de tempo, de modo que o sinal eletrônico resultante seja acumulado no primeiro agrupamento de armazenamento de elétrons (contribui para o agrupamento 1). Em um evento de excitação subsequente no tempo te2, o fóton emitido no tempo tf2 pode ocorrer dentro de um segundo intervalo de tempo, de modo que o sinal de elétrons resultante contribui para o agrupamento 2.

[00136] Após um grande número de eventos de excitação e acúmulo de sinal, os agrupamentos de armazenamento de elétrons do foto- detector agrupamento de tempo 1-322 podem ser lidos para fornecer um sinal de valor múltiplo (por exemplo, um histograma de dois ou mais valores, um vetor N-dimensional, etc.) para uma câmara de reação. Os valores de sinal para cada agrupamento podem depender da taxa de decaimento do fluoróforo. Por exemplo, e referindo-se novamente à Figura 1-8, um fluoróforo com uma curva de decaimento B terá uma maior razão de sinal no agrupamento 1 para o agrupamento 2 do que um fluoróforo com uma curva de decaimento A. Os valores dos agrupamentos podem ser analisados e comparados com valores de calibragem e/ou uns com os outros, para determinar o fluoróforo particular, o qual, por sua vez, identifica o nucleotídeo ou análogo de nucleotídeo (ou qualquer outra molécula ou espécime de interesse) ligado ao fluoróforo quando na câmara de reação.

[00137] Para auxiliar ainda mais na compreensão da análise de sinal, os valores de vários agrupamentos, acumulados, podem ser representados em gráfico como um histograma, conforme representado na Figura 1-10B, por exemplo, ou podem ser registrados como um vetor ou local no espaço N-dimensional. As rodadas de calibragem podem ser realizadas separadamente para adquirir valores de calibragem para os sinais de vários valores (por exemplo, histogramas de calibragem) para quatro fluoróforos diferentes ligados aos quatro nu- cleotídeos ou análogos de nucleotídeo. Como exemplo, os histogramas de calibragem podem aparecer como mostrado na Figura 1-11A (marcador fluorescente associado ao nucleotídeo T), Figura 1-11B (marcador fluorescente associado ao nucleotídeo A), Figura 1-11C (marcador fluorescente associado ao nucleotídeo C) e Figura 1-11D (marcador fluorescente associado ao nucleotídeo G). Uma comparação do sinal medido com múltiplos valores (correspondente ao histograma da Figura 1-10B) com os sinais de calibragem de múltiplos valores pode determinar a identidade "T" (Figura 1-11A ) do nucleotídeo ou análogo de nucleotídeo sendo incorporado ao filamento em formação de DNA.

[00138] Em algumas implementações, a intensidade fluorescente pode ser utilizada adicionalmente ou alternativamente para distinguir entre diferentes fluoróforos. Por exemplo, alguns fluoróforos podem emitir em intensidades significativamente diferentes ou ter uma diferença significativa em suas probabilidades de excitação (por exemplo, pelo menos uma diferença de cerca de 35%), embora suas taxas de decaimento possam ser semelhantes. Fazendo referência a sinais agrupados (agrupamentos 1-3) para agrupamento de energia de excitação medida 0, pode ser possível distinguir diferentes fluoróforos com base em níveis de intensidade.

[00139] Em algumas modalidades, diferentes números de fluorófo- ros do mesmo tipo podem estar ligados a diferentes nucleotídeos ou análogos de nucleotídeo, de modo que os nucleotídeos podem ser identificados com base na intensidade do fluoróforo. Por exemplo, dois fluoróforos podem estar ligados a um primeiro nucleotídeo (por exemplo, "C") ou análogo de nucleotídeo e quatro ou mais fluoróforos podem estar ligados a um segundo nucleotídeo (por exemplo, "T") ou análogo de nucleotídeo. Devido aos diferentes números de fluoróforos, pode haver diferentes probabilidades de excitação e emissão de fluo- róforos associadas aos diferentes nucleotídeos. Por exemplo, pode haver mais eventos de emissão para o nucleotídeo "T" ou análogo de nucleotídeo durante um intervalo de acúmulo de sinal, de modo que a intensidade aparente dos agrupamentos seja significativamente maior do que para o nucleotídeo "C" ou análogo de nucleotídeo.

[00140] Os inventores reconheceram e compreenderam que distinguir os nucleotídeos ou quaisquer outros espécimes biológicos ou químicos com base nas taxas de decaimento do fluoróforo e/ou intensidades do fluoróforo permite uma simplificação dos sistemas de exci- tação e detecção ópticos em um instrumento analítico 1-100. Por exemplo, a excitação óptica pode ser realizada com uma fonte de comprimento de onda único (por exemplo, uma fonte que produz um comprimento de onda característico, em vez de fontes múltiplas ou uma fonte que opera em vários comprimentos de onda característicos diferentes). Além disso, a óptica e os filtros de discriminação de comprimento de onda podem não ser necessários no sistema de detecção. Além disso, um único fotodetector pode ser usado para cada câmara de reação para detectar a emissão de diferentes fluoróforos.

[00141] A expressão "comprimento de onda característico" ou "comprimento de onda" é usada para se referir a um comprimento de onda central ou predominante dentro de uma largura de banda limitada de radiação (por exemplo, um comprimento de onda central ou de pico dentro de uma saída de largura de banda de 20 nm por uma fonte óptica pulsada). Em alguns casos, "comprimento de onda característico" ou "comprimento de onda" pode ser usado para se referir a um pico de comprimento de onda dentro de uma largura de banda total de saída de radiação por uma fonte.

[00142] Os inventores reconheceram e compreenderam que os fluoróforos com comprimentos de onda de emissão em uma faixa entre cerca de 560 nm e cerca de 900 nm podem fornecer quantidades adequadas de fluorescência a serem detectadas por um fotodetector agrupamento de tempo (que pode ser fabricado em uma pastilha de silício usando processos CMOS). Estes fluoróforos podem ser ligados a moléculas biológicas de interesse tais como nucleotídeos ou análogos de nucleotídeos. A emissão fluorescente nesta faixa de comprimento de onda pode ser detectada com maior capacidade de resposta em um fotodetector à base de silício do que a fluorescência em com-primentos de onda mais longos. Além disso, os fluoróforos e os ligan- tes associados nesta faixa de comprimento de onda podem não inter- ferir com a incorporação dos nucleotídeos ou análogos de nucleotí- deos em filamentos de DNA em formação. Os inventores também reconheceram e compreenderam que os fluoróforos com comprimentos de onda de emissão em uma faixa entre cerca de 560 nm e cerca de 660 nm podem ser excitados opticamente com uma fonte de um comprimento de onda único. Um exemplo de fluoróforo nesta faixa é Alexa Fluor 647, disponível da Thermo Fisher Scientific Inc. de Waltham, Massachusetts. Os inventores também reconheceram e compreenderam que a energia de excitação em comprimentos de onda mais curtos (por exemplo, entre cerca de 500 nm e cerca de 650 nm) pode ser necessária a partir de um laser pulsado para excitar fluoróforos que emitem comprimentos de onda entre cerca de 560 nm e cerca de 900 nm. Em algumas modalidades, os fotodetectores de agrupamento de tempo podem detectar de forma eficiente emissão com comprimento de onda mais longo das amostras, por exemplo, incorporando outros materiais, tal como Ge, à região ativa dos fotodetectores.

[00143] Os inventores também reconheceram e compreenderam que pulsos ópticos de um laser pulsado devem se extinguir rapidamente para os esquemas de detecção descritos acima, de modo que a energia de excitação não sobrecarregue ou interfira com o sinal fluorescente detectado posteriormente. Em algumas modalidades e referindo-se novamente à Figura 1-5, pode não haver filtros de comprimento de onda entre a guia de onda 1-315 e o fotodetector agrupamento de tempo 1-322. Para evitar interferência da energia de excitação com a posterior coleta de sinal, o pulso de excitação pode precisar reduzir em intensidade em pelo menos 50 dB dentro de cerca de 100 ps do pico do pulso de excitação. Em algumas implementações, o pulso de excitação pode precisar reduzir em intensidade em pelo menos 80 dB dentro de cerca de 100 ps do pico do pulso de excitação. Os inventores reconheceram e compreenderam que os lasers de modo bloqueado podem fornecer essas características de desligamento rápido. Em alguns casos, onde os comprimentos de onda de emissão são significativamente mais longos do que o comprimento de onda de excitação, filtros ópticos simples podem ser incorporados sobre os fo- todetectores para reduzir ainda mais o impacto do pulso de excitação nos fotodetectores agrupamento de tempo. De acordo com algumas modalidades, uma redução na intensidade da energia de excitação entre os pulsos pode ser reduzida adicionalmente em 20 dB ou mais se a energia de excitação for dirigida para longe do aparelho de detecção para o sinal fluorescente. Por exemplo, a energia de excitação pode ser transmitida em um guia de onda, como representado na Figura 1-3, propagando em uma direção diferente do curso de detecção de fluorescência (por exemplo, as direções dos dois cursos podem ser aproximadamente ortogonais, como mostrado no desenho). Reduções em energia de excitação entre pulsos também podem ser alcançadas através do desenvolvimento de material de guia de onda e fabricação do dispositivo (por exemplo, o material de guia de onda que exibe perda de dispersão reduzida e fluorescência reduzida e um processo de gravura que produz paredes laterais de guia de onda lisas). Além disso, a dispersão da energia de excitação fora da câmara de reação pode ser reduzida pela escolha da geometria da câmara, dos materiais e das geometrias das estruturas circundantes com base em resultados de simulações eletromagnéticas.

[00144] Os inventores também reconheceram e compreenderam que um laser pulsado deve fornecer energia suficiente por pulso para excitar pelo menos um fluoróforo em cada uma das câmaras de reação no chip bio-optoeletrônico para cada pulso de excitação. Para um chip que inclui cerca de 65.000 câmaras de reação e que contabiliza perdas ópticas em todo o sistema, os inventores determinaram que um laser pulsado deve fornecer cerca de 300 mW ou mais de potência óp- tica média no comprimento de onda de excitação.

[00145] Os inventores reconheceram e compreenderam ainda que a qualidade de um feixe do laser pulsado deve ser alta (por exemplo, um valor M2 inferior a 1,5), de modo que o acoplamento eficiente pode ser conseguido para um acoplador óptico e guias de onda de um chip bio-optoeletrônico 1-140.

[00146] Um sistema de laser pulsado com as características anteriores e operável em um acondicionamento compacto (por exemplo, ocupando um volume inferior a cerca de 14,16 litros (0,5 ft3)) seria útil para os instrumentos analíticos portáteis 1-100, tal como um instrumento configurado para sequenciar o DNA como descrito acima.

II. Modalidades de Laser Pulsado A. Lasers de Modo Bloqueado

[00147] Os inventores conceberam e construíram um sistema de laser pulsado 1-110 que atinge as especificações de desempenho acima descritas em termos de potência média, compacidade, qualidade do feixe, taxa de repetição do pulso, comprimento de onda operacional e velocidade de desligamento de pulsos ópticos. De acordo com algumas modalidades, um laser pulsado compreende um laser de modo bloqueado, de estado sólido, como representado na Figura 2-1A. Os componentes ópticos do sistema de laser podem ser montados sobre uma placa base 2-105 que mede entre cerca de 20 cm e cerca de 40 cm de comprimento, entre cerca de 10 cm e cerca de 30 cm de altura, e tem uma espessura entre cerca de 10 mm e cerca de 18 mm. Em algumas implementações, as dimensões da placa base podem ter cerca de 30 cm de comprimento, cerca de 18 cm de altura e cerca de 12 mm de espessura. Em algumas modalidades, podem ser utilizados componentes ópticos com 12 mm de diâmetro (ou menores) no sistema de laser e parcialmente rebaixados na placa base (como descrito mais adiante em ligação com a Figura 2-2A), de modo que uma espessura total do sistema de laser, incluindo componentes ópticos e montagens ópticas associadas, pode estar entre 4 cm e cerca de 6 cm. De acordo com algumas modalidades, um volume ocupado pelo sistema de laser pode ser de cerca de 30 cm x 18 cm x 5 cm ou cerca de 0,1 ft3.

[00148] Um laser pulsado pode compreender um acoplador de saída 1-111 numa extremidade de saída da cavidade do laser, um meio de ganho 1-105 e um espelho saturável-absorvedor (SAM) 1-119 numa extremidade oposta da cavidade do laser. Pode haver vários espelhos dentro da cavidade do laser para dobrar o eixo óptico 1-125 e estender o comprimento da cavidade do laser para alcançar uma taxa de repetição de pulso desejada. Também pode haver ópticas de moldagem de feixes (por exemplo, lentes e/ou espelhos curvos) dentro da cavidade do laser para alterar o tamanho e/ou a forma do raio laser intracavidade.

[00149] De acordo com algumas modalidades, o acoplador de saída 1-111 pode ser uma óptica de laser de alta qualidade com uma qualidade de superfície de 10-5 (estria e cavidade) e um erro de onda frontal de no máximo À/10. Uma superfície do acoplador de saída pode ser revestida com um dielétrico de várias camadas para fornecer uma re- fletância entre cerca de 75% e cerca de 90% para o comprimento de onda de lâmina Ài. Uma segunda superfície do acoplador de saída pode ser revestida com um revestimento antirreflexo e pode ser orientada com um ângulo em relação à superfície reflexiva. Os revestimentos no acoplador de saída podem ser dicroicos, de modo a transmitir com uma reflexão insignificante um comprimento de onda da bomba Àp de um laser de bomba de diodo que pode ser usado para excitar o meio de ganho 1-105. O acoplador de saída pode ser montado em uma montagem ajustável de dois eixos que fornece ajuste angular em relação ao eixo óptico incidente 1-125 em torno de dois eixos ortogonais. Em algumas modalidades, o acoplador de saída pode ser montado em uma montagem não ajustável.

[00150] O meio de ganho 1-105 pode compreender um material dopado com neodímio que é montado em uma montagem termicamente condutora (por exemplo, um bloco de cobre) que dissipa o calor para dentro da placa base 2-105. Para melhorar a transferência de calor do meio de ganho para o bloco de cobre, o meio de ganho pode ser enrolado em folha de índio ou qualquer outro material adequado que melhore a transferência de calor para a montagem termicamente condutora. Em alguns casos, o meio de ganho e a montagem termicamente condutora podem ser montados em um refrigerador termelétrico (TEC), que pode dissipar o calor para dentro da placa base 2-105. O TEC pode fornecer controle de temperatura do meio de ganho. Em algumas implementações, o meio de ganho pode compreender vanada- to de neodímio (por exemplo, Nd3+: YVO4) com um comprimento entre cerca de 3 mm e cerca de 10 mm. O nível de dopante de neodímio pode estar entre cerca de 0,10% e cerca de 1%. As facetas de extremidade do cristal podem ser revestidas com antirreflexo para o comprimento de onda de laser Ài, que pode ser cerca de 1064 nm para o vanadato de neodímio. O meio de ganho 1-105 pode ser montado em uma montagem não ajustável (uma montagem que não oferece ajuste angular ou de posicionamento fino) em uma orientação em que as fa-cetas de extremidade do meio de ganho têm vetores normais orientados em um ângulo entre cerca de 1 grau e cerca de 3 graus para o eixo óptico 1-125 da cavidade de laser.

[00151] O espelho saturável-absorvedor 1-119 pode compreender uma estrutura semicondutora de multicamadas (por exemplo, uma cavidade quantum múltipla) e um refletor elevado. A estrutura semicon- dutora pode exibir absorção óptica não linear. Por exemplo, o SAM pode exibir maior absorção em baixas intensidades ópticas e pode limpar ou exibir pouca absorção em altas intensidades ópticas. A es- trutura semicondutora pode ser espaçada do refletor elevado no SAM, de modo que a estrutura do semicondutor esteja localizada aproximadamente em uma intensidade de pico de uma onda óptica estática criada pelo campo óptico incidente e refletida a partir do refletor elevado. Um exemplo de um SAM é a peça número SAM-1064-5-10ps-x disponível na BATOP Optoelectronics GmbH de Jena, na Alemanha. Devido à absorção óptica não linear do SAM, o laser opera preferencialmente em um modo de operação pulsado (modo passivamente bloqueado). Em algumas implementações, um SAM pode ser montado sobre uma montagem rotativa e/ou de posicionamento transversal, de modo que a superfície do SAM possa ser movida em uma direção transversal ao eixo óptico 1-125. Caso o SAM seja danificado, o SAM pode ser movido e/ou girado de modo que o feixe intracavidade seja concentrado em uma região não danificada do SAM. Em outras modalidades, o SAM pode ser montado sobre uma montagem não ajustável.

[00152] Para excitar o meio de ganho 1-105, uma saída de onda contínua (indicada pela linha pontilhada preta na Figura 2-1A) a partir de um diodo de laser em um módulo de bomba 2-140 pode ser concentrada no meio de ganho usando uma lente de acoplamento 2-142. Em algumas modalidades, um feixe do diodo de laser pode ter uma seção transversal quadrada ou retangular e pode divergir ligeiramente (por exemplo, entre cerca de 5 graus e cerca de 10 graus). Em algumas implementações, um comprimento focal da lente de acoplamento 2-142 pode estar entre cerca de 20 mm e cerca de 30 mm. A radiação da bomba não absorvida pode passar através de um espelho giratório da cavidade de laser 2-115 e ser absorvida em um coletor de feixe 2-116.

[00153] Outras fontes de excitação podem ser usadas para bombear o meio de ganho 1-105 em outras modalidades, e a invenção não está limitada a diodos de laser. Em algumas modalidades, uma fibra ou laser acoplado à fibra pode ser usado para bombear o meio de ga- nho 1-105 do laser pulsado 1-110. Um laser de fibra pode compreender uma fibra óptica ativa como parte da cavidade do laser de fibra que é bombeada por um ou mais diodos de laser. Um laser acoplado à fibra pode compreender um ou mais diodos de laser com suas saídas acopladas a uma fibra óptica. Um feixe de saída de uma fibra que carrega energia óptica a partir do laser de fibra ou laser acoplado à fibra pode ser direcionado para e concentrado no meio de ganho usando a mesma óptica ou similar usada para um diodo de laser. Um feixe óptico de uma fibra pode ter um perfil espacial mais circular, homogêneo e/ou Gaussiano (ou em forma de chapéu) do que um feixe diretamente de uma fonte de bomba de diodo de laser de alta potência. A fonte de bomba pode ou não ser montada sobre uma fixação diferente da placa base 2-105 em algumas modalidades, e uma extremidade da fibra carregando energia de bomba pode ser anexada a uma montagem sobre o laser pulsado que está localizado no mesmo lado ou lado oposto da placa base que o meio de ganho 1-105 ou pode ser montada remotamente a partir da estrutura da cavidade de laser.

[00154] A distância focal das lentes de acoplamento 2-142, o tamanho do feixe de bomba e a distância da lente do meio de ganho 1-105 determinam o tamanho (dimensões da seção transversal) do feixe de bomba no meio de ganho. Em modalidades, o tamanho do feixe de bomba no meio de ganho é aproximadamente correspondente (por exemplo, dentro de 15%) a um tamanho de modo de campo do feixe laser no meio de ganho. O tamanho do modo de campo do feixe de laser no meio de ganho pode ser determinado predominantemente por um comprimento focal de um espelho curvo 2-117 dentro da cavidade de laser, a cintura do feixe de bomba no meio de ganho e uma distância do meio de ganho do espelho curvo. Em algumas modalidades, um comprimento focal de um espelho curvo 2-117 pode estar entre cerca de 200 mm e cerca de 300 mm.

[00155] De acordo com algumas modalidades, a posição do feixe de bomba no meio de ganho 1-105 é ajustada em dois graus de liberdade (nas direções transversais ao eixo óptico 1-125 da cavidade de laser) por montagens ajustáveis no módulo de bomba 2-140. Estas montagens ajustáveis estão fora da cavidade do laser pulsado. As montagens ajustáveis para o feixe de bomba podem ser usadas para orientar o feixe de bomba a sobrepor o feixe de laser no meio de ganho 1-105 e melhorar a eficiência de bombeamento do laser.

[00156] Para utilizar a absorção óptica não linear no SAM 1-119, uma lente de foco 2-123 é incorporada à cavidade de laser perto do SAM. De acordo com algumas modalidades, um comprimento focal da lente de foco 2-123 está entre cerca de 70 mm e cerca de 130 mm, e o SAM está localizado aproximadamente na distância focal da lente de focagem 2-123. A lente de foco reduz o tamanho do ponto do feixe de laser intracavidade no SAM, aumentando sua intensidade.

[00157] Os inventores constataram, um tanto surpreendentemente, que, para algumas configurações da cavidade de laser, o tamanho do ponto do feixe de laser no SAM é mais sensível a mudanças na distância entre o espelho curvo 2-117 e o acoplador de saída do laser 1111 do que a mudanças na distância entre a lente de foco 2-123 e SAM 1-119. Este resultado refere-se ao comprimento da cavidade estendida entre o espelho curvo 2-117 e a lente de foco 2-123. O comprimento da cavidade estendida compreende múltiplas ópticas de alta reflexão 2-121 (por exemplo, tendo reflexividades entre cerca de 99,9% e cerca de 99,999%) que saltam os pulsos ópticos para a frente e para trás na placa base 2-105, aumentando a distância de viagem entre o espelho curvo 2-117 e a lente de focagem 2-123. Ao longo deste comprimento da cavidade estendida, o feixe de laser pode ser aproximadamente colimado. As mudanças na distância entre o espelho curvo 2-117 e o acoplador de saída 1-111 podem afetar a colima- ção na cavidade estendida, e o comprimento da cavidade aumentado amplifica as mudanças no tamanho do feixe na lente de focagem 2123. Esta amplificação, por sua vez, afeta o tamanho do ponto no SAM mais intensamente do que as mudanças de distância entre a lente de focagem 2-123 e o SAM 1-119.

[00158] Em algumas modalidades, o controle de posicionamento fino (por exemplo, um estágio de microposicionamento) pode ser incluído com o acoplador de saída 1-111 e/ou o espelho curvo 2-117 para prover a afinação operacional da distância entre o acoplador de saída e o espelho curvo. Uma vez que a distância focal do espelho curvo 2-117 pode ter uma tolerância específica (por exemplo, ± 2 mm), uma faixa do controle de posição fino pode estender-se ao longo de pelo menos uma faixa que inclui a tolerância de comprimento focal específica do espelho curvo. Em algumas implementações, o controle de posicionamento fino pode não estar incluído com o acoplador de saída 1-111 e/ou o espelho curvo 2-117. Em vez disso, a distância focal do espelho curvo pode ser determinada antes da instalação, e o espelho curvo localizado na cavidade em conformidade. Em alguns casos, o acoplador de saída 1-111 pode ser montado sobre uma montagem não ajustável, e o espelho curvo 2-117 pode ser montado sobre uma montagem de ajuste de inclinação de dois eixos. Em algumas modalidades, a montagem ajustável para o espelho curvo pode ser a única montagem ajustável na cavidade do laser pulsado que pode ser ajustada enquanto o laser está funcionando e fornece dois graus de liberdade no ajuste do feixe de laser. Portanto, o laser pulsado pode ter apenas um ajuste operacional somente em dois graus de liberdade através da montagem de espelho curvo localizada entre os espelhos finais da cavidade. Os componentes ópticos restantes da cavidade de laser representados na Figura 2-1 podem ser montados sobre montagens não ajustáveis. O uso de montagens não ajustáveis e apenas uma montagem ajustável pode tornar o laser pulsado mais confiável e robusto durante a operação, e reduzir a variação e desalinhamento de componentes ópticos no laser pulsado.

[00159] Elementos adicionais podem ser incluídos na cavidade de laser em algumas modalidades. Por exemplo, um módulo de direcionamento do feixe intracavidade 2-130 pode ser incluído antes e/ou após a lente de foco 2-123 (representada antes da lente de foco na Figura 2-1A). O módulo de direcionamento de feixe intracavidade pode compreender planos ópticos revestidos antirreflexo que podem ser inclinados em relação ao feixe de laser em torno de dois eixos ortogonais para converter o raio laser em duas direções. Quando os planos ópticos para um módulo de direcionamento de feixe intracavidade 2-130 estão localizados antes da lente de foco 2-123, a conversão do feixe de laser resultará em predominantemente uma alteração do ângulo incidente do feixe de laser no SAM 1-119. Para os planos ópticos localizados após a lente de foco, a conversão do feixe de laser resultará predominantemente em uma mudança de posição do feixe de laser no SAM. Em algumas implementações, um módulo de direcionamento de feixe intraca- vidade 2-130 pode ser usado para fornecer ajuste automático e fino do alinhamento da cavidade (por exemplo, ajuste e/ou alinhamento automático baseado em sinais de feedback derivados da potência média do laser ou outras características da operação pulsada). Em alguns casos, um módulo de direcionamento de feixe intracavidade pode ser usado para reposicionar o feixe de laser no SAM (por exemplo, movendo o feixe de laser se o SAM danificar em um ponto focal).

[00160] De acordo com algumas modalidades, ao invés de usar planos ópticos rotativos para o realinhamento intracavidade do feixe de laser, outra possibilidade é induzir gradientes térmicos assimétricos no meio de ganho 1-105 que podem afetar a lente térmica dentro do meio de ganho. Gradientes térmicos assimétricos no meio de ganho 1-105 podem causar pequenas deflexões angulares no feixe de laser intra- cavidade à medida que passa pelo meio de ganho. Em algumas implementações, um ou mais dispositivos de controle de temperatura (por exemplo, elementos de aquecimento resistivos, refrigeradores TEC ou uma combinação deles) podem ser acoplados a um ou mais lados do meio de ganho. De acordo com algumas modalidades, o meio de ganho 1-105 pode ter quatro elementos de aquecimento operáveis independentemente acoplados termicamente a quatro faces (quatro bordas longitudinais) do meio de ganho. O acoplamento térmico pode compreender uma folha térmica de epóxi ou de índio localizada entre um dispositivo de controle de temperatura e a face do meio de ganho. Cada dispositivo de controle de temperatura também pode incluir acoplamento térmico a um dissipador de calor (como o bloco de laser) em um lado oposto do dispositivo de controle de temperatura. Em alguns casos, um ou mais de um primeiro par de dispositivos de controle de temperatura localizados nas primeiras faces opostas do meio de ganho podem fornecer deflexão do feixe em direções normais às duas primeiras faces opostas (por exemplo, ± x direções). Um ou mais de um segundo par de dispositivos de controle de temperatura localizados em um par ortogonal de segundas faces opostas do meio de ganho podem fornecer a deflexão do feixe em direções ortogonais (por exemplo, ± y direções). Ao alterar seletivamente as temperaturas nos dispositivos de controle de temperatura, o feixe de laser intracavidade pode ser orientado e realinhado. A direção e o realinhamento podem alterar a posição do feixe intracavidade no SAM 1-119. Em alguns casos, o espelho curvo 2-117 ou um espelho de extremidade para a cavidade pode ser adicionalmente ajustado para realinhar o feixe de laser intracavidade.

[00161] Em algumas modalidades, um laser pulsado 1-110 pode fornecer montagens ajustáveis para um ou alguns dos componentes ópticos dentro do laser. Uma montagem ajustável pode permitir que um operador ajuste finamente a posição e/ou a orientação do componente óptico enquanto o laser está funcionando, de modo que a operação do laser pode ser sintonizada para a estabilidade, qualidade do feixe, potência de saída e/ou características de pulso. O ajuste fino pode ser feito por micrômetros e/ou ajustes de parafusos finamente roscados em montagens de espelho, por exemplo. Em algumas modalidades, um laser pulsado 1-110 pode incluir montagens ajustáveis apenas para um ou mais acopladores de saída 1-111 (ajustes angulares), o espelho curvo 2-117 (ajustes de posição e ângulo) e o SAM 1119 (ajustes angulares). Em algumas implementações, a lente de aco-plamento 2-142 pode incluir uma montagem de posicionamento ajus- tável. Os restantes componentes ópticos da cavidade de laser podem ser alinhados durante a fabricação em montagens fixas e não ajustáveis. Um exemplo de uma montagem integrada, autoalinhada, não ajustável é descrito abaixo em ligação com a Figura 2-2A.

[00162] Os inventores reconheceram e compreenderam que a operação estável e pulsada do laser 1-110 pode ocorrer para uma gama de tamanhos de pontos relativos do feixe de laser intracavidade no meio de ganho 1-105 e no SAM 1-119. Por exemplo, uma razão de uma cintura de feixe mínima no meio de ganho para uma cintura de feixe concentrada no SAM pode estar entre cerca de 4:1 e cerca de 1:2. De acordo com algumas modalidades, um raio de feixe (valor 1/e2 da intensidade) no meio de ganho pode estar entre cerca de 20 μm e cerca de 200 μm e um raio de feixe (valor 1/e2 da intensidade) no SAM pode estar entre cerca de 50 μm e cerca de 200 μm. Para razões e raios de feixe fora dessas faixas, a operação pulsada pode se tornar- se instável e o laser pode realizar comutação Q, o que pode danificar o SAM. De acordo com algumas modalidades, uma especificação do SAM pode ser a sua fluência de saturação, e uma intensidade do feixe de laser concentrado no SAM pode ser proporcional à fluência de saturação. Por exemplo, a intensidade do feixe de laser concentrado pode estar entre aproximadamente uma vez e 10 vezes a fluência de saturação do SAM.

[00163] Os inventores reconheceram e compreenderam que a potência média e/ou as características espectrais do laser pulsado podem ser determinantes da operação estável do modo bloqueado. Por exemplo, se a potência média do laser durante a operação do modo bloqueado cai abaixo de um determinado valor, pode não haver absorção óptica não linear suficiente no SAM para suportar o modo bloqueado. O laser pode então realizar comutação Q e danificar o SAM. Em alguns casos, as flutuações rápidas da potência de saída média do laser podem indicar que o laser realiza comutação Q além do bloqueio do modo, o que pode danificar o SAM. Em algumas modalidades, um sensor 2-154 (por exemplo, um fotodiodo) pode ser incluído e disposto para detectar a potência óptica produzida pelo laser 1-110. Se a potência laser média detectada deriva abaixo de um nível predefinido ou flutuações de energia forem detectadas, uma rotina automática de alinhamento da cavidade pode ser executada para recuperar a energia e/ou o laser pode ser desligado para manutenção.

[00164] Como pode ser compreendido, o alinhamento da óptica da cavidade de laser pode ser difícil por causa do alto número de espelhos. Em algumas modalidades, um laser pulsado pode incluir características de montagem 2-118 (por exemplo, furos de parafuso e/ou características de registro) localizadas ao longo do eixo óptico da cavidade de laser, por exemplo, entre o espelho curvo 2-117 e a lente de focagem 2-123. As características de montagem 2-118 podem ser configuradas para receber uma montagem óptica na qual um segundo acoplador de saída pode ser montado. Quando a montagem óptica e o segundo acoplador de saída estão no lugar, o laser pode estar alinha- do para funcionar em modo de onda contínua com uma cavidade de laser encurtada. O segundo acoplador de saída pode transmitir uma pequena quantidade de energia (por exemplo, 2% ou qualquer outro valor adequado) e fornecer um feixe de laser que pode ser usado para alinhar os componentes ópticos do laser entre a montagem óptica inserida e o SAM 1-119. Uma vez que esses componentes restantes estão alinhados, a montagem óptica inserida pode ser removida, de modo que o laser 1-110 possa ser ajustado para operar em modo pulsado com o comprimento total da cavidade.

[00165] Os inventores reconheceram e compreenderam que o calor do módulo de bomba de diodo 2-140 pode afetar negativamente o funcionamento do laser pulsado 1-110. Por exemplo, o calor do módulo de bomba de diodo 2-140 pode aquecer uma área significativa da placa base 2-105 e alterar o alinhamento da óptica da cavidade laser ao longo do tempo. Para evitar efeitos deletérios causados pelo calor do laser de bomba de diodo, o módulo de bomba de diodo 2-140 pode ser montado através de um orifício 2-145 na placa base 2-105. De acordo com algumas modalidades, um feixe do diodo de laser pode ser direci-onado (em uma direção que sai da página) para um espelho dicroico orientado a 45° dentro do módulo de bomba de diodo 2-140 e que se localiza no percurso de feixe de saída 2-125 do laser pulsado. O espelho dicroico pode incluir ajustes que podem alinhar o feixe de bomba do diodo de laser para o meio de ganho 1-105 e o eixo óptico da cavidade de laser.

[00166] Em algumas modalidades, o módulo de bomba de diodo 2140 pode ser ligado à placa base 2-105 usando um hardware de montagem termicamente isolante. Por exemplo, parafusos de náilon podem ser usados para fixar o módulo de bomba de diodo e podem ser colocadas anilhas de náilon ou cerâmica entre a placa base e as superfícies de montagem do módulo de bomba de diodos. Em algumas implemen- tações, pequenos parafusos de aço inoxidável (por exemplo, tamanhos de parafusos de 4-40 ou menores) podem ser usados com anilhas de náilon ou de cerâmica. Além disso, o TEC, aletas de refrigeração e/ou arrefecimento por ar forçado do módulo de bomba de diodo podem ser implementados no lado reverso da placa base 2-105, de modo que o calor seja conduzido para longe da placa base e da óptica de cavidade de laser. De acordo com algumas modalidades, o módulo de bomba de diodo 2-140 pode estar localizado a cerca de 2 cm de uma borda da placa base 2-105, e o calor dissipado direcionado para a borda e para longe da placa base por um ventilador, por exemplo. A placa base 2105 pode servir adicionalmente como uma tela de vento, protegendo a óptica de laser e a cavidade de laser em um lado da placa base do fluxo de ar ou turbulência no lado reverso da placa onde o calor é removido. Em algumas implementações, um TEC pode ser conectado aos circuitos de feedback e de controle e usado para manter o laser de bomba de diodo em uma temperatura de funcionamento desejada.

[00167] Um exemplo de um instrumento portátil parcialmente montado 1-100 que inclui um laser pulsado 1-110 é mostrado na Figura 21B. Também está visível na fotografia uma placa de circuito impresso 1-130, sobre a qual se monta um chip bio-optoeletrônico 1-140. Um módulo de direcionamento de feixe 1-150 também pode se conectar à PCB 1-130. Nesta modalidade, a óptica do laser pulsado está montada numa placa de ensaio óptica com muitos orifícios roscados. Em algumas modalidades, algumas ópticas para o laser pulsado podem ser montadas em montagens ópticas integradas, autoalinhadas, formadas na placa base 2-105.

[00168] Um exemplo de uma montagem óptica integrada, autoali- nhada 2-210 está representada na Figura 2-2A. Uma montagem óptica integrada 2-210 pode compreender uma vala axial 2-220 usinada ou formada de outro modo na placa base 2-105 de um laser pulsado 1- 110. A vala axial 2-220 pode prolongar-se em uma direção paralela a um eixo óptico da cavidade de laser pulsado. Uma montagem óptica integrada pode ainda compreender superfícies coplanares 2-230 formadas aproximadamente transversalmente à vala axial 2-220. As superfícies coplanares podem ser formadas por usinagem ou fresamento de uma vala curta em uma direção que é aproximadamente ortogonal à vala axial 2-220. Em alguns casos, as superfícies coplanares podem ser orientadas em um pequeno ângulo, de modo que as reflexões traseiras de uma óptica montada serão deslocadas do eixo óptico da cavidade de laser. Na base da vala axial 2-220, pode haver superfícies inclinadas 2-240 (apenas uma é visível na Figura 2-2A). As superfícies inclinadas 2-240 podem ser usinadas, fresadas ou formadas de outra forma perto da base da vala axial e localizadas em lados opostos da vala axial 2-220. As superfícies inclinadas podem ser inclinadas em uma direção em direção às superfícies coplanares 2-230, e fornecem suporte para uma óptica montada sobre ela.

[00169] Um componente óptico 2-250 para um laser pulsado, por exemplo, pode ser apoiado pela montagem óptica integrada 2-210, como representado na Figura 2-2B. A óptica 2-250 pode compreender um espelho de cavidade, uma lente dentro da cavidade do laser, ou o meio de ganho 1-105, por exemplo. Em alguns casos, a óptica 2-250 pode ser montada por si mesma na montagem óptica integrada 2-210, conforme ilustrado no desenho. Em outras modalidades, uma óptica pode ser montada dentro de uma fixação de suporte (por exemplo, uma placa anular, uma montagem ajustável) que pode ser colocada na montagem óptica integrada 2-210.

[00170] De acordo com algumas modalidades, um componente óptico 2-250, ou fixação de suporte, pode incluir uma superfície plana que se assenta e repousa contra as superfícies coplanares 2-230 da montagem óptica integrada 2-210. A óptica ou fixação pode ser manti- da na montagem integrada por um dispositivo de retenção compatível (por exemplo, um anel em O montado sobre uma barra que pode ser fixada à placa base, uma barra ou braço plástico flexível, etc.). O dispositivo de retenção compatível pode entrar em contato com uma borda superior da óptica 2-250 ou fixação de suporte, e pode exercer forças sobre a óptica ou fixação nas direções das superfícies inclinadas 2-240 e das superfícies coplanares 2-230. Uma borda inferior da óptica 2-250 ou fixação de suporte pode entrar em contato com pontos sobre as superfícies inclinadas 2-240. As superfícies inclinadas 2-240 também podem fornecer uma força contra a óptica ou fixação com um componente que é direcionado, em parte, às superfícies coplanares 2230. Os pontos de contato nas superfícies inclinadas 2-240 e as forças direcionadas às superfícies coplanares 2-230 podem autoalinhar a óptica ou a fixação para orientação e localização desejadas dentro da cavidade de laser. Em algumas implementações, uma óptica ou fixação de suporte pode ser ligada à montagem óptica integrada (por exemplo, com um adesivo) em uma orientação alinhada.

[00171] Uma ou mais montagens ópticas integradas 2-210 podem ser formadas em uma placa base de um laser pulsado 1-110, de acordo com algumas modalidades. Em alguns casos, uma vala axial 2-220 pode se estender através de várias montagens ópticas integradas, como representado na Figura 2-2A. Entre os recursos vantajosos de uma montagem óptica integrada estão a redução do eixo óptico do laser pulsado. Isso pode reduzir os efeitos das vibrações mecânicas que podem, de outro modo, acoplar-se a e ser ampliadas por montagens ópticas que se estendem a partir de uma superfície da placa base, e podem reduzir os efeitos da expansão térmica (por exemplo, ligeira deformação da placa base 2-105) que podem de outra forma ser amplificada por movimento de montagens ópticas que se estendem a partir de uma superfície da placa base.

[00172] Com referência novamente à Figura 2-1, uma saída de um laser pulsado 1-110 pode ser concentrada através de uma lente 2-164 em um cristal de duplicação de frequência 2-170 para reduzir à metade o comprimento de onda óptico dos pulsos de saída. Por exemplo, o laser pulsado 1-110 pode produzir pulsos com um comprimento de onda característico de cerca de 1064 nm, e o cristal de duplicação de frequência 2-170 pode converter o comprimento de onda para cerca de 532 nm. A saída de frequência duplicada pode ser usada para excitar fluoróforos com diferentes características de emissão no chip bio- optoeletrônico 1-140.

[00173] Em algumas modalidades, uma placa de meia onda 2-160 pode ser montada em uma montagem rotativa com o seu ângulo de rotação controlado por um atuador 2-162, e pode estar localizada no percurso óptico de saída do laser pulsado antes do cristal de duplicação de frequência 2-170. De acordo com algumas modalidades, um atuador 2-162 pode compreender um motor escalonado, um motor pi- ezelétrico, um galvanômetro com rolamentos de precisão e configurado para girar um componente óptico, um motor de corrente contínua ou qualquer outro mecanismo de atuação adequado. A rotação da placa de meia onda 2-160 pode alterar a polarização dos pulsos de saída do laser e alterar a eficiência de conversão de segundo harmônico no cristal de duplicação de frequência 2-170. O controle da placa de meia onda pode então ser usado para controlar uma quantidade de energia no comprimento de onda de frequência duplicada que é entregue ao chip bio-optoeletrônico 1-140. Ao girar a placa de meia onda (ou o cristal de frequência duplicada), a potência óptica no comprimento de onda duplicado em frequência pode ser variada precisamente por pequenas quantidades em grande escala (por exemplo, em uma ordem de magnitude ou mais), sem afetar a operação do laser no comprimento de onda fundamental. Ou seja, a potência no comprimento de onda de frequência duplicada pode ser alterada sem afetar a estabilidade do modo de bloqueio, a dissipação térmica e outras características do laser pulsado 1-110. Em algumas modalidades, outros ajustes podem ser usados adicionalmente ou alternativamente para controlar a potência de frequência duplicada sem afetar a operação fundamental do laser. Por exemplo, um ângulo de incidência do feixe de laser pulsado no cristal de duplicação de frequência 2-170 e/ou a distância entre a lente 2-164 e o cristal de duplicação de frequência pode ser controlado de forma automatizada para alterar e/ou maximizar a eficiência de duplicação da frequência.

[00174] Em algumas modalidades, os pulsos de saída de frequência duplicada podem ser dirigidos por um espelho de rotação 2-180 para um módulo de direcionamento de feixe 1-150. O espelho de rotação 2-180 pode ser dicroico, de modo que ele transmita radiação óptica que não foi convertida de forma descendente pelo cristal de duplicação de frequência 2-170 para um coletor de feixe (não mostrado).

[00175] Em operação, um laser pulsado 1-110 que emprega Nd3+: YVO4 como o meio de ganho, com um comprimento de 7 mm e um nível de dopagem de cerca de 0,25%, pode produzir pulsos a 1064 nm com um valor FWHM de aproximadamente 20 ps. O pulso extingue-se em aproximadamente 80 dB dentro de 100 ps do pico do pulso. A taxa de repetição do pulso é de aproximadamente 90 MHz, e a potência média do laser pulsado no comprimento de onda fundamental é de cerca de 900 mW. A potência de frequência duplicada média é de cerca de 300 mW. A potência AC necessária para operar o laser é inferior a cerca de 20 Watts. O laser é compacto, ocupa um volume inferior a 0,1 ft3, pesa aproximadamente 10 quilos, e pode ser facilmente incorporado como um módulo em um instrumento analítico portátil, como um instrumento de mesa para sequenciar o DNA.

[00176] Configurações e características adicionais de laser de mo- do bloqueado podem ser usadas em algumas implementações. A Figura 3-1 retrata apenas um exemplo de um laser compacto de modo bloqueado 3-100. Na visão geral, um laser compacto de modo bloqueado pode compreender uma fonte de bomba de diodo 3-105, um meio de ganho 3-107, um elemento de duplicação de frequência 3-109, um elemento de retardo óptico 3-110 e dois espelhos de extremidade de cavidade de laser TC1 e espelho saturável-absorvedor 3-120. O meio de ganho 3-107 pode ser excitado pela fonte de bomba de diodo 3-105 a um comprimento de onda Àp para produzir emissão óptica em um comprimento de onda de laserÀi. O elemento de dupla frequência 3-109 pode converter o comprimento de onda de laser para um comprimento de onda de saída de frequência duplicada a À2 que é metade do comprimento de onda de laser.

[00177] De acordo com algumas modalidades, um comprimento de onda de bomba Àp para qualquer um dos sistemas de laser de bombe- amento óptico representados pode estar entre aproximadamente 450 nm e aproximadamente 1100 nm. Um comprimento de onda de laser À1 para qualquer um dos sistemas de laser representados pode estar entre aproximadamente 800 nm e aproximadamente 1500 nm, de acordo com algumas implementações. Em alguns casos, um comprimento de onda de saída À2 para qualquer um dos sistemas de laser representados pode estar entre aproximadamente 400 nm e aproximadamente 750 nm. Em alguns casos, um comprimento de onda de saída À2 pode estar entre aproximadamente 500 nm e aproximadamente 700 nm. Uma duração de pulso de saída pode estar entre cerca de 1 picossegundos e cerca de 100 picossegundos, de acordo com algumas modalidades. Em alguns casos, a duração do pulso de saída pode estar entre cerca de 1 picossegundo e cerca de 30 picossegundos.

[00178] Em algumas modalidades, uma fonte de bomba óptica 3105, o meio de ganho 3-107 e o elemento de duplicação de frequência 3-109 para qualquer um dos sistemas de laser representados podem ser selecionados para produzir um comprimento de onda de saída desejado À2. Por exemplo, se for desejado um comprimento de onda de saída verde, o meio de ganho pode ser Nd:YAG, ou Nd:YLF, que funciona a 1064 nm e 1053 nm, respectivamente. O elemento de duplicação de frequência 3-109 pode ser KTP ou BBO em algumas implementações, e a fonte de bomba pode compreender um ou mais diodos de laser que funcionam a aproximadamente 800 nm. Outros materiais podem ser selecionados para outros comprimentos de onda de saída desejados À2. Por exemplo, Cr:Forsterita pode ser usado como um meio de ganho, que pode atingir 1280 nm e ter frequência duplicada a 640 nm (na região vermelha do espectro óptico). Em algumas modalidades, Pr:LiYF4 pode ser usado como o meio de ganho 3-107 para funcionar a 640 nm (no vermelho) diretamente, sem duplicação de frequência. Os inventores reconheceram e compreenderam que Nd:YVO4 pode ser usado como um meio de ganho para funcionar em um ou dois comprimentos de onda 1064 nm e/ou 1342 nm, o que pode ser duplicado para 532 nm (verde) e/ou 671 nm (vermelho). Os inventores também reconheceram e compreenderam que a geração de soma de frequência pode ser realizada em um cristal não linear para obter comprimentos de onda adicionais. Por exemplo, pulsos nos dois comprimentos de onda de laser de Nd:YVO4 podem ser misturados em um cristal não linear para produzir radiação em aproximadamente 594 nm. Os comprimentos de onda adicionais que podem ser produzidos através da seleção de meio de ganho, fonte de bomba óptica, um elemento não linear 3-109, e que são de interesse para fluoróforos excitantes incluem, mas não estão limitados a: 515 nm, 563 nm, 612 nm, 632 nm e 647 nm. Meios de ganhos diferentes incluem, mas não estão limitados a: granada de ítrio e alumínio dopada com neodímio (Nd:YAG), YAG dopada com itérbio (Yb:YAG), vidro dopado com itérbio (Yb:vidro), YAG dopado com érbio (Er:YAG), ou safira dopada com titânio (Ti:safira).

[00179] Em algumas implementações, um laser compacto, com bombeamento de diodo e modo bloqueado pode compreender um ponteiro de laser modificado, de alta potência. Os ponteiros de laser de alta potência estão disponíveis a um custo moderado, e os inventores reconheceram e compreenderam que tal ponteiro laser pode ser modificado para criar um laser compacto de modo bloqueado. Por exemplo, um espelho dicroico DC1 pode ser inserido entre uma fonte de bomba de diodo 3-105 e o meio de ganho de laser 3-107. O espelho dicroico pode substituir um espelho de extremidade da cavidade de laser, de modo que o comprimento da cavidade pode ser aumentado para incorporar componentes ópticos adicionais. O espelho dicroico DC1 pode refletir substancialmente todo o comprimento de onda do laser Ài, e transmitir substancialmente todo o comprimento de onda da bomba Àp.

[00180] Um espelho dicroico DC1 pode permitir que um feixe da cavidade de laser seja direcionado para o elemento de retardo óptico 3110. Uma saída do elemento de retardo óptico pode ser enviada para um espelho saturável-absorvedor 3-120. O espelho saturável- absorvedor 3-120 pode ser adicionado para fornecer um elemento de perda dependente da intensidade na cavidade de laser que irá bloquear o modo do ponteiro do laser e produzir pulsos ópticos ultrarrápidos.

[00181] De acordo com algumas modalidades, uma fonte de bomba de diodo 3-105 proporciona um feixe de bomba óptica em um compri-mento de onda Àp que é operado por uma ou mais lentes de um sistema óptico OS1 e direcionado ao meio de ganho 3-107. O comprimento de onda da bomba pode estar entre aproximadamente 700 nm e aproximadamente 900 nm, de acordo com algumas modalidades. Um exemplo de uma fonte de bomba de diodo de laser é o modelo de dio- do de laser FL-FM01-10-808 disponível por FocusLight Corporation de Xi’an, Shaanxi, China. Em algumas modalidades, a fonte de bomba de diodo 3-105 pode ser resfriada termicamente para dissipar o calor gerado pela fonte de bomba. Por exemplo, um refrigerador térmico elétrico (TEC) pode ser acoplado termicamente à fonte de bomba de diodo para extrair o calor da montagem de diodos. Em algumas implementações, o meio de ganho 3-107 e/ou o elemento de duplicação de frequência 3-109 também podem ser controlados por temperatura, por exemplo, usando um ou mais refrigeradores térmicos 3-103.

[00182] Em algumas implementações, os TECs podem não ser usados. Em vez disso, os componentes ópticos que podem sofrer níveis de calor elevados (por exemplo, fonte de bomba de diodo, meio de ganho, elementos ópticos não lineares) podem ser montados sobre dissipadores termicamente condutores que podem conduzir e/ou dissipar o calor do componente óptico. Em algumas modalidades, os dissipadores térmicos podem compreender montagens de cobre sólido que estão em contato térmico com um componente óptico e com uma placa de suporte termicamente condutora e/ou dissipativa. Em alguns ca-sos, uma película termicamente condutora (por exemplo, uma película de índio maleável) pode ser colocada entre um dissipador térmico e um componente óptico para melhorar a condução de calor do componente para a montagem.

[00183] Um laser de modo bloqueado pode ainda compreender um primeiro sistema óptico OS1 que está configurado para remodelar e/ou alterar a divergência do feixe a partir da fonte de bomba 3-105. Por exemplo, o primeiro sistema óptico OS1 pode aumentar ou diminuir o tamanho do feixe da fonte de bomba, de modo que a cintura do feixe da fonte de bomba atinja aproximadamente a cintura do feixe do raio laser no meio de ganho. Adicionalmente ou alternativamente, o primeiro sistema óptico pode alterar a forma de seção transversal do feixe, por exemplo, de um feixe em forma elíptica para circular ou quadrada. Em algumas modalidades, os inventores constataram que um feixe de forma quadrada ou retangular de uma fonte de bomba de diodo 3-105 é desejado para bombear o meio de ganho 3-107, e pode melhorar acentuadamente a eficiência de bombeamento do laser de modo bloqueado.

[00184] O primeiro sistema óptico OS1 pode compreender uma ou mais lentes cilíndricas, em algumas modalidades. Por exemplo, o primeiro sistema óptico pode compreender um par de lentes cilíndricas cruzadas. A primeira lente cilíndrica pode ter uma distância focal curta (por exemplo, menos de cerca de 5 mm) e a segunda lente cilíndrica pode ter uma distância focal mais longa. Em algumas implementações, a primeira lente cilíndrica pode compreender uma distância de fibra óptica com um diâmetro inferior a cerca de 150 mícrons. Sua distância focal pode ser inferior a 500 mícrons. A segunda lente cilíndrica pode ter uma distância focal entre cerca de 5 mm e cerca de 10 mm.

[00185] Em algumas modalidades, uma cavidade de laser de modo bloqueado pode compreender uma pluralidade de componentes ópticos, como representado na Figura 3-1. Uma extremidade da cavidade de laser pode compreender um espelho tricroico TC1 em algumas modalidades. O espelho tricroico pode ter um revestimento multicamadas projetado para refletir o comprimento de onda do laser Ài e o comprimento de onda da bomba Àp, e para passar o comprimento de onda de saída de dupla frequência À2. A cavidade de laser pode ainda incluir um segundo sistema óptico OS2 que é configurado para remodelar e/ou alterar a divergência do feixe a partir da fonte de bomba e do feixe de laser para o meio de ganho 3-107 e o elemento óptico não linear 3-109. Em algumas modalidades, pode haver um quinto sistema óptico (não mostrado) localizado entre o meio de ganho e o elemento óptico não linear. A cavidade do laser pode incluir o refletor dicroico DC1, descrito acima, que reflete o feixe de laser intracavidade para o elemento de retardo óptico 3-110. O elemento de retardo óptico pode ser configurado para adicionar o comprimento do percurso óptico à cavidade de laser em uma configuração compacta. Por exemplo, o elemento de retardo óptico 3-110 pode compreender um sistema óptico que mede menos de 5 cm em cada lado e ainda fornece um comprimento do percurso óptico dentro do elemento que é maior do que cerca de 40 cm de comprimento. Em algumas modalidades, um elemento de retardo óptico pode adicionar uma quantidade de comprimento de percurso óptico a uma cavidade de laser que é maior do que qualquer dimensão transversal de uma estrutura ou alojamento de base sobre ou no qual a cavidade de laser está disposta. A cavidade de laser pode ainda incluir um terceiro sistema óptico OS3, compreendendo uma ou mais lentes, que é configurado para remodelar e/ou concentrar o feixe do elemento de retardo óptico sobre o espelho saturável- absorvedor 3-120. Um feixe de laser 3-101 dentro da cavidade de laser pode refletir a ida e volta entre o espelho tricroico TC1 e o espelho saturável-absorvedor 3-120.

[00186] De acordo com algumas modalidades, o laser de modo bloqueado 3-100 pode ainda incluir um sistema óptico de saída OS4 e um filtro óptico F1. O sistema óptico de saída pode ser configurado para remodelar e/ou alterar a divergência do feixe de saída da cavidade de laser. O filtro pode ser configurado para absorver ou bloquear um ou ambos os comprimentos de onda da bomba Àp e o comprimento de onda do laser Ài.

[00187] Em operação, o feixe de bomba da fonte de bomba de diodo pode ser reformulado com o sistema óptico OS1 para excitar eficientemente o meio de ganho 3-107. O espelho saturável-absorvedor 3120 (um exemplo do qual é descrito mais detalhadamente abaixo) exibe uma perda dependente da intensidade, de modo que baixas inten- sidades são absorvidas pelo espelho e altas intensidades são refletidas pelo espelho com uma baixa perda. Devido à perda dependente da intensidade dos espelhos, o laser opera preferencialmente em um estado de modo bloqueado com pulsos curtos e de alta intensidade. Neste estado, pulsos de alta intensidade são refletidos a partir do espelho saturável-absorvedor 3-120 com baixa perda. Em operação pulsada, os pulsos para a frente e para trás na cavidade de laser entre os dois espelhos de extremidade TC1, 3-120, e têm a frequência dobrada pelo elemento de duplicação de frequência 3-109. Desta forma, o laser de modo bloqueado produz um trem de pulso de saída em um comprimento de onda duplo À2.

[00188] Exemplos de elementos de retardo óptico 3-110 estão representados na Figura 3-2A até a Figura 3-2D. De acordo com apenas uma modalidade, um elemento de retardo óptico pode compreender um bloco em losango, tal como representado na vista plana da Figura 3-2A. O bloco em losango pode compreender um primeiro prisma de ângulo reto 3-112 e um segundo prisma de ângulo reto 3-114. De acordo com algumas modalidades, as faces laterais perpendiculares dos prismas podem ser não revestidas, embora em outras modalidades as faces perpendiculares possam incluir revestimentos altamente reflexivos. Em algumas implementações, um comprimento de uma face perpendicular em um dos prismas pode medir entre cerca de 20 mm e cerca de 60 mm. Cada prisma pode ser formado de qualquer vidro de qualidade óptica adequada, por exemplo, BK-7 ou sílica fundida. Para uma alta estabilidade térmica, o elemento de retardo pode ser formado a partir de um vidro de expansão ultrabaixa, como ULE, disponível por Corning. As faces laterais dos prismas podem ser polidas para serem de alta qualidade óptica, por exemplo, tendo uma pla- nicidade de À/10 ou melhor.

[00189] O primeiro prisma 3-112 e o segundo prisma 3-114 podem ser deslocados e unidos, conforme ilustrado na Figura. Os prismas podem ser aderidos por meio de ligação óptica ou usando um adesivo óptico. Em algumas implementações, o elemento de retardo óptico 3110 pode ser formado por corte e polimento de uma única peça de vidro. O feixe de cavidade de laser 3-101 pode entrar através de uma primeira porta do elemento de retardo e ser refletido internamente ao longo de um percurso óptico tortuoso, representado como a linha pontilhada, antes de sair de uma segunda porta do bloco em losango. De acordo com algumas implementações, o elemento de retardo é de dupla passagem para dobrar o comprimento do percurso óptico no elemento dentro da cavidade de laser.

[00190] Outra modalidade de um elemento de retardo óptico 3-212 está representada na Figura 3-2B. De acordo com algumas modalidades, o elemento de retardo óptico pode compreender um único bloco óptico que é formado em uma forma retangular. O elemento de retardo 3-212 pode compreender faces de borda perpendiculares 3230 que refletem o vai-e-vem de um feixe de laser dentro do elemento de retardo, como representado no desenho pela linha pontilhada. O elemento de retardo pode incluir ainda duas faces polidas que fornecem uma porta de entrada 3-232 e porta de saída 2-234 para o elemento de retardo. As faces laterais perpendiculares podem ser não revestidas em algumas modalidades, ou revestidas com revestimentos altamente reflexivos (por exemplo, revestimentos multicamadas) em outras modalidades. O elemento de retardo 3-212 pode ser passado duas vezes para aumentar o comprimento do percurso óptico dentro da cavidade do laser. Em algumas implementações, um comprimento máximo de uma borda do elemento de retardo pode medir entre cerca de 20 mm e cerca de 60 mm. A espessura do bloco, medida na direção da página, pode estar entre cerca de 5 mm e cerca de 20 mm. O elemento de retardo 3-212 pode ser formado de qualquer vidro de qualidade óptica adequada, como descrito acima. As faces de borda reflexivas podem ser polidas para serem de alta qualidade óptica, por exemplo, com uma planicidade de À/10 ou superior.

[00191] A Figura 3-2C representa ainda outra modalidade de um elemento de retardo óptico 3-214. De acordo com algumas modalidades, o elemento de retardo pode compreender um par de espelhos planos M1, M2 que estão espaçados a uma distância D de seus centros e inclinados em segundo um ângulo suave α em relação um ao outro. Cada espelho pode ter um comprimento L. O espaçamento dos espelhos D pode estar entre cerca de 10 mm e cerca de 50 mm, de acordo com algumas modalidades. O comprimento dos espelhos L pode estar entre cerca de 20 mm e cerca de 60 mm, de acordo com algumas modalidades. O ângulo α pode estar entre cerca de 0° e cerca de 10°, de acordo com algumas modalidades. A altura dos espelhos M1, M2, medida ao longo de uma direção na página, pode estar entre cerca de 5 mm e cerca de 20 mm. Os espelhos M1, M2 podem ser formados de qualquer vidro de qualidade óptica adequada, como descrito acima. As superfícies reflexivas dos espelhos podem ser polidas para serem de alta qualidade óptica, por exemplo, com uma planicidade de À/10 ou superior. As superfícies reflexivas podem ser revestidas com revestimentos multicamadas de alta qualidade, alta reflexão e com uma reflexividade superior a cerca de 99,5% em algumas implementações. Em algumas modalidades, as reflexividades podem ser superiores a cerca de 99,9%. Em algumas modalidades, as reflexividades podem ser superiores a cerca de 99,99%. Em algumas implementações, as reflexividades podem ser superiores a cerca de 99,999%.

[00192] Outra modalidade de um elemento de retardo óptico 3-216 está representada na Figura 3-2D. Esta modalidade pode compreender um análogo de bloco sólido para a modalidade representada na Figura 3-2C. De acordo com algumas implementações, um elemento de retardo óptico 3-216 pode compreender um bloco sólido de material óptico tendo cinco superfícies, tal como representado no desenho. Duas superfícies 3-234 podem estar inclinadas em um ângulo suave α uma em relação à outra. As superfícies podem incluir revestimentos altamente reflexivos para refletir o vai-e-vem do feixe óptico 3-101 entre as superfícies ao longo de um percurso pontilhado, como indicado no desenho. O elemento de retardo 3-216 pode ainda incluir duas superfícies antirreflexo revestidas ou não revestidas 3-232 que proveem uma porta de entrada e uma porta de saída para e para o elemento de retardo. De acordo com algumas modalidades, o elemento de retardo pode ser disposto de modo que o feixe de laser intracavidade 3-101 entre e saída do elemento de retardo no ângulo de Brewster. O elemento de retardo 3-216 pode ser formado de qualquer vidro de qualidade óptica adequada, como descrito acima. As superfícies reflexivas 3-234 podem ser polidas para serem de alta qualidade óptica, por exemplo, com uma planicidade de À/10 ou superior. As superfícies reflexivas podem ser revestidas com revestimentos multicamadas de alta qualidade, de alta reflexividade e com uma reflexividade superior a cerca de 99,5% em algumas implementações. Em algumas modalidades, as reflexividades podem ser superiores a cerca de 99,9%. Em algumas modalidades, as refletividades podem ser superiores a cerca de 99,99%. Em algumas implementações, as reflexividades podem ser superiores a cerca de 99,999%.

[00193] Uma vantagem dos elementos de retardo em bloco sólido 3-110, 3-212, 3-216 mostrados nas Figura 3-2A, Figura 3-2B e Figura 3-2D é que esses elementos não requerem alinhamento tão preciso quando inseridos na cavidade de laser quanto elementos de retardo de componentes múltiplos tais como dois espelhos da Figura 3-2C. No entanto, componentes de bloco sólido necessitarão mais cuidado durante um processo de fabricação que pode levar a custo de fabricação aumentado. O elemento de retardo de componentes múltiplos 3-214 mostrado na Figura 3-2C não necessitará tanto cuidado durante um processo de fabricação, no entanto, ele necessitará de mais cuidado e alinhamento mais preciso dos espelhos em relação um ao outro quando adicionado a uma cavidade de laser.

[00194] Outros projetos de laser de modo bloqueado incorporando elementos de retardo ópticos podem ser implementados em um sistema de laser pulsado ultracurto, compacto. A Figura 3-3A até a Figura 3-3C mostram modalidades adicionais de lasers de modo bloqueado ultrarrápidos, compactos. A Figura 3-3A mostra uma modalidade de um laser de modo bloqueado de espelho absorvedor saturável (SAM) 3-300 para o qual o elemento de duplicação de frequência 3109 está localizado fora da cavidade do laser. Elementos do laser de modo bloqueado que são similares a elementos do laser de modo bloqueado 3-100 descritos em conexão com a Figura 301 são numerados com números de referência similares e sua descrição não é repetida. De acordo com algumas modalidades, um laser de modo bloqueado SAM pode incluir um acoplador de saída TC1 e um espelho absorvedor saturável 3-120 como espelhos de extremidade de cavidade. O acoplador de saída pode compreender um espelho tri- croico que é configurado para passar o comprimento de onda Àp e ser altamente refletivo para o comprimento de onda de laser Ài e o comprimento de onda frequência dobrada À2. Em algumas modalidades, o acoplador de saída TC1 pode transmitir entre cerca de 2% e cerca de 15% do comprimento de onda de laser À1. Um espelho dicroico DC2 pode estar localizado na cavidade do laser para refletir o comprimento de onda de bomba Àp de volta através do meio de ganho 3-107 e transmitir o comprimento de onda de laser À1 para o elemento de retardo 3-110. O feixe de saída da cavidade do laser pode ser direcionado para o elemento de duplicação de frequência 3-109 que pode estar localizado fora da cavidade de laser. Um filtro F1 pode ser incluído para bloquear o comprimento de onda do laser, e opcionalmente o comprimento de onda de bomba.

[00195] A Figura 3-3B mostra uma modalidade de um laser de modo bloqueado de espelho não linear (NMM) 3-302, de acordo com algumas modalidades. Esta modalidade pode, ou não, usar um absor- vedor saturável. Ao invés, um elemento de duplicação de frequência 3109 e espelho dicroico DC2 podem prover um mecanismo de perda dependente da intensidade que causa modo de bloqueio do laser. Elementos do laser de modo bloqueado que são similares a elementos do laser de modo bloqueado descritos em conexão com a Figura 3-1 são numerados com números de referência similar e sua descrição não é repetida.

[00196] De acordo com algumas modalidades, uma cavidade de laser de NMM pode incluir um espelho tricroico TC1 que serve como um acoplador de saída e um espelho dicroico DC2 que serve como um refletor superior para um comprimento de onda de frequência duplicada À2. O espelho tricroico TCi pode ser configurado para passar o comprimento de onda de bomba Àp e ser altamente refletivo para o comprimento de onda de laser Ài e altamente refletivo para o comprimento de onda de frequência duplicada À2. A cavidade do laser pode incluir um refletor tricroico adicionado TC2 que é configurado para refletir o comprimento de onda de bomba de volta através do meio de ganho e passar o comprimento de onda de laser e comprimento de onda de frequência duplicada. O comprimento de onda de laser À1 pode ser incidente sobre o elemento de duplicação de frequência 3-109 onde ele é convertido no comprimento de onda de frequência duplicada À2 dentro da cavidade do laser. O refletor dicroico DC2 pode exibir uma refletividade alta para o comprimento de onda de frequência duplicada À2. Por exemplo, ele pode refletir entre cerca de 95% e cerca de 100% do comprimento de onda de frequência duplicada e entre cerca de 60% e cerca de 75% do comprimento de onda de laser Ài. Devido à perda maior para o comprimento de onda de laser, o laser vai preferir operar em um estado de modo bloqueado tendo pulsos de alta intensidade, porque esses pulsos de alta intensidade podem ser convertidos mais eficientemente pelo elemento de duplicação de frequência 3-109 na frequência duplicada e refletidos mais eficientemente a partir do espelho dicroico DC2. O comprimento de onda de frequência duplicada À2 pode então ser acoplado a partir do laser de modo bloqueado com o espelho dicroico DC1.

[00197] A Figura 3-3C mostra ainda outra modalidade de um laser de modo bloqueado, compacto, que é configurado para produzir dois comprimentos de onda de saída de frequência duplicada À3, À4. Em algumas implementações, o meio de ganho 3-308 pode compreender Nd:YVO4 e os revestimentos nos elementos ópticos na cavidade de laser podem ser engenheirados com valores refletivos e transmissíveis para prover laser simultâneo em comprimentos de onda de 1064 nm e 1342 nm. Esses comprimentos de onda podem ter a frequência duplicada com um elemento de duplicação 3-109 localizado externo à cavidade do laser, por exemplo.

[00198] De acordo com algumas modalidades, um laser de modo bloqueado de comprimento de onda duplo pode ser disposto similar ao laser de modo bloqueado SAM mostrado na Figura 3-3A. No entanto, o primeiro espelho dicroico é substituído com um espelho tricroico TC1 e o segundo espelho dicroico é substituído com um terceiro espelho tricroico TC3. Ainda, um meio de ganho foi selecionado, o que pode refletir laser em dois comprimentos de onda À1, À2. Ainda, o espelho absorvedor saturável 3-325 foi modificado para exibir perda dependente da intensidade nos dois comprimentos de onda de laser.

[00199] De acordo com algumas modalidades, o espelho tricroico TC1 pode ser configurado para refletir eficientemente um comprimento de onda de bomba para meio de ganho 3-308 e passar os dois comprimentos de onda de laser Ài, À2 para o elemento de duplicação de frequência 3-109. O espelho tricroico TC3 pode ser configurado para refletir o comprimento de bomba Àp de volta através do meio de ganho 3-308 e passar os dois comprimentos de onda de laser À1, À2 para o elemento de retardo 3-110 e para o espelho absorvedor saturável 3325. O SAM 3-325 e o espelho tricroico TC3 podem ser espelhos de extremidade da cavidade de laser. Quando excitado pela fonte de bomba, o laser de comprimento de onda duplo pode atuar modo de bloqueio nos dois comprimentos de onda de laser.

[00200] Os sistemas de laser de modo bloqueado mostrados na Figura 3-1 e na Figura 3-3A até a Figura 3-3C podem, ou não, estar dispostos em uma configuração retilínea conforme mostrado nos desenhos. Em algumas implementações, as cavidades podem ser dobradas com espelhos adicionais em vários ângulos e em configurações geométricas diferentes sem se afastar do escopo da invenção. Os revestimentos refletivo e transmissivo formados nos elementos ópticos serão engenheirados de acordo com os ângulos de incidência dos feixes de laser, bomba e frequência duplicada para os quais os revestimentos são projetados. Por exemplo, um revestimento engenheirado para alta refletância de um comprimento de onda particular em incidência de feixe normal terá um projeto diferente para um feixe do mesmo comprimento de onda incidente sobre um espelho a 45°. Em algumas modalidades, os revestimentos podem ser feitos especialmente para um ângulo de incidência de feixe específico.

[00201] Detalhes de espelho absorvedor saturável de comprimento de onda duplo 3-325 serão agora descritos. De acordo com algumas modalidades, um SAM de comprimento de onda duplo que pode ser formado sobre um substrato semicondutor 3-405 é mostrado na Figura 3-4A. Uma superfície do substrato 3-405 pode incluir um revestimento de alta refletância 3-430. O revestimento de alta refletância pode compreender um revestimento dielétrico de camadas múltiplas, em algumas implementações. Em alguns casos, um revestimento de alta refle- tância pode compreender um revestimento metálico. Uma primeira estrutura de cavidade quantum múltipla 3-412 pode ser formada sobre o substrato uma distância d1 do revestimento de alta refletância. Uma segunda estrutura de cavidade quantum múltipla 3-410 pode ser formada uma segunda distância d2 do revestimento de alta refletância 3430. De acordo com algumas modalidades, as primeira e segunda estruturas de cavidade quantum múltiplas podem ser separadas por uma camada semicondutora intermediária 3-407. Pode haver, ou não, uma ou mais camadas adicionais 3-409 formadas adjacentes à segunda estrutura de cavidade quantum múltipla 3-410. Luz da cavidade de laser pode ser incidente sobre uma primeira superfície 3-402 do espelho absorvedor saturável.

[00202] De acordo com algumas modalidades, um ou mais do substrato 3-405, camada intermediária 3-407 e camada ou camadas adicionais 3-409 podem compreender silício ou outros materiais semicondutores. As estruturas de cavidade quantum múltipla 3-412, 3-410 podem ser formadas através de crescimento epitaxial ou deposição de camada, de acordo com algumas modalidades. As estruturas de cavidade quantum múltiplas podem ser formadas a partir de camadas alternadas de materiais tendo composições compreendendo um ou mais dos elementos que seguem: In, Ga, As, Al, P.

[00203] A Figura 3-4B mostra, de acordo com algumas modalidades, um diagrama de lacuna de banda de energia representado em gráfico como uma função de distância da superfície de alta refletância 3-430 do espelho absorvedor saturável 3-325 mostrado na Figura 3- 4A. A primeira estrutura de cavidade quantum múltipla 3-412 pode cri- ar uma primeira lacuna de banda de energia BG2 e a segunda estrutura de cavidade quantum múltipla 3-410 pode criar uma segunda lacuna de banda de energia BG4, como mostrado no desenho. As primeira e segunda lacunas de banda de energia podem ser menos do que as lacunas de banda BG1, BG2 e BG5 das regiões circundantes. A primeira lacuna de banda de energia BG2 pode ser engenheirada para absorver saturavelmente um primeiro comprimento de onda de laser Ài e a segunda lacuna de banda de energia BG4 pode ser engenheirada para absorver saturavelmente o segundo comprimento de onda de laser À2. Os primeiro e segundo comprimentos de onda de laser podem passar pelas regiões circundantes, tendo as lacunas de banca maio-res, com pouca ou nenhuma atenuação.

[00204] As localizações da primeira estrutura de cavidade quantum múltipla 3-412 e da segunda estrutura de cavidade quantum múltipla 3410 podem estar dispostas para se alinharem aproximadamente com antinós de intensidade do primeiro comprimento de onda de laser À1 e segundo comprimento de onda À2, respectivamente, que são refletidos a partir da superfície refletiva 3-430, como mostrado na Figura 3-4C. Os antinós de intensidade ilustrados 3-442, 3-441 podem estar localizados as distâncias d1 e d2 da superfície de alta refletância 3-430. Os antinós de intensidade ilustrados podem não ser os únicos antinós de intensidade, e desta maneira pode haver mais antinós de intensidade entre os antinós ilustrados e a superfície de refletância alta bem como antinós de intensidade adicionais mais distantes da superfície de alta refletância. De acordo com algumas modalidades, a estrutura de cavidade quantum múltipla 3-412 tendo uma lacuna de banda BG2 menor estará localizada mais próximo da superfície de alta refletância 3-430. Isto pode permitir que o comprimento de onda À1 mais longo passe pela segunda estrutura de cavidade quantum múltipla 3-410 sem ser atenuado apreciavelmente. Apenas como um exemplo, a primeira estrutu- ra de cavidade quantum múltipla 3-412 pode ser engenheirada para ter uma lacuna de banda BG2 que corresponde aproximadamente a um comprimento de onda de 1342 nm e a segunda estrutura de cavidade quantum múltipla 3-410 pode ser engenheirada para ter uma lacuna de banda BG4 correspondendo a aproximadamente 1064 nm. Desta maneira, perda dependente de intensidade pode ser provida para ambos comprimentos de onda de laser, de maneira a produzir modo de bloqueio em dois comprimentos de onda de laser.

[00205] Com referência novamente à Figura 3-3C, quando em operação, um laser de comprimento de onda duplo 3-304 pode produzir pulsos ultrarrápidos em dois comprimentos de onda de laser Ài, À2, simultaneamente. A taxa de repetição dos pulsos nos dois comprimentos de onda diferentes dependerá do comprimento de percurso óptico para cada comprimento de onda dentro da cavidade do laser. Uma vez que há elementos ópticos na cavidade de laser através dos quais os feixes de laser devem passar (por exemplo, meio de ganho 3-308, espelho tricroico TC3, sistema óptico OS2, elemento de retardo óptico 3110) e uma vez que o índice de refrativo em cada elemento pode ser diferente para os dois comprimentos de onda, então os comprimentos de percurso óptico para os primeiro e segundo comprimentos de onda de laser dentro da cavidade de laser serão diferentes. Uma diferença em comprimentos de percurso óptico pode levar a duas taxas de repetição de pulso diferentes, que pode ser indesejável para algumas aplicações.

[00206] Em algumas modalidades, os dois conjuntos de cavidades quantum múltiplas estão localizados muito próximos de maneira que radiação óptica a partir de um laser pode afetar densidades de portador em ambas as cavidades quantum. As cavidades quantum podem ser projetadas para que tenham estados de absorção correspondendo a À1 e À2. Saturação cruzada das cavidades quantum pode ajudar a sincronizar a cronometragem de pulsos de ambas as fontes de laser.

[00207] Para evitar produção de trens de pulsos em duas taxas de repetição de pulso diferentes, os inventores reconheceram e compreenderam que um sistema óptico de compensação deveria ser incluído dentro da cavidade do laser para tornar os comprimentos de percurso óptico para os dois comprimentos de onda de laser aproximadamente iguais. Com referência à Figura 3-5A, os inventores reconheceram e compreenderam que um elemento de compensação de comprimento de percurso, único, 3-500, tal como um espelho de extremidade ou acoplador de saída, pode ser engenheirado para compensar diferenças em comprimentos de percurso óptico para dois comprimentos de onda de laser dentro de uma cavidade de laser. De acordo com algumas modalidades, um acoplador de saída pode incluir um primeiro revestimento de alta refletância dicroico em uma primeira superfície 3552 para um primeiro comprimento de onda de laser em um primeiro lado do acoplador de saída, e inclui um segundo revestimento de alta refletância dicroico em uma segunda superfície 3-554 em um segundo lado do acoplador de saída. Para um acoplador de saída, a refletivida- de de cada revestimento para o respectivo comprimento de onda pode estar entre cerca de 70% e cerca de 98% e cada revestimento pode transmitir mais de 98% do outro comprimento de onda. Em modalidades onde um espelho de extremidade é usado como o elemento de compensação, a refletividade para cada revestimento pode ser maior do que 98%.

[00208] O material e a espessura t do elemento de compensação 35000 podem ser selecionados para compensar a diferença em comprimentos de percurso óptico da cavidade de laser para os primeiro e segundo comprimentos de onda de laser. Como um exemplo e sem ser limitado a nenhuma teoria particular, a espessura do elemento de compensação t pode ser selecionada de acordo com a relação que segue:

onde

representa a diferença em comprimento de pecurso óptico na cavidade de laser para pulsos nos primeiro e se- gundo comprimentos de onda de laser Ài, À2 e nxi e n^2 representam os valores de índices de grupo para o substrato do elemento de compensação (entre os revestimentos refletivos) para os primeiro e segundo comprimentos de onda de laser, respectivamente. A diferença de curso óptico

pode ser estimada inicialmente para a ativida de de laser através de medições na primeira superfície 3-552 do acoplador de saída 3-500. O intervalo T de separação de pulso pode ser usado para determinar um comprimento de cavidade com mais precisão. A primeira superfície pode ser orientada em direção à cavidade do laser. Qualquer comprimento de onda de laser que tenha a diferença de curso óptico mais curta na cavidade do laser será selecionado para passagem dupla através do substrato do elemento de compensação para a segunda superfície 3-554. Por exemplo, se pulsos no comprimento de onda À2 tiverem um curso óptico mais curto na cavidade, então o valor para nÀ2 é usado na EQ. i. Pulsos que refletem a partir da segunda superfície 3-554 captam curso óptico adicional no acoplador 3-500, enquanto pulsos no outro comprimento de onda de laser refletem a partir da primeira superfície 3-552. O curso óptico adicional adicionado para pulsos em um comprimento de onda de laser pode compensar outras diferenças em curso óptico na cavidade do laser.

[00209] Em alguns casos, a espessura t do elemento de compensação 3-500 pode ser menos do que cerca de i mm. Tal substrato fino pode não ser adequado para um espelho de cavidade de laser de alta qualidade. Por exemplo, pode ser difícil fazer ou reter uma superfície opticamente plana (por exemplo, tendo uma planicidade de À/10 ou melhor) em um substrato fino. Em algumas modalidades, o elemento de compensação 3-502 pode ser formado sobre, ou ligado a, um substrato de apoio 3-556, como mostrado na Figura 3-5B. O substrato de apoio pode compreender uma superfície opticamente plana (por exemplo, tendo uma planicidade de À/10 ou melhor) adjacente ao elemento de compensação. Em algumas implementações, um elemento de compensação pode ser opticamente contatado com, ou aderido com adesivo óptico a, o substrato de apoio 3-556.

[00210] Em algumas modalidades, um elemento de compensação pode ser formado sobre um substrato de apoio 3-556. Por exemplo, um primeiro revestimento de camadas múltiplas, de alta refletância, 3562 pode ser formado sobre o substrato de apoio 3-556. Então, uma camada intermediária 4-564 pode ser depositada sobre uma espessura t. A camada intermediária pode ser depositada através de um processo de deposição física em algumas modalidades ou através de um processo de deposição por vapor em alguns casos. Em algumas implementações, a camada intermediária 3-564 pode, ou não, ser polida para uma superfície opticamente plana após deposição. Subse-quentemente, um segundo revestimento de camada múltipla, de alta refletância, 3-566 pode ser formado sobre a camada intermediária 3564.

[00211] O primeiro revestimento refletivo do elemento de compensação em relação à cavidade de laser pode ser um revestimento di- croico que reflete altamente um primeiro comprimento de onda de laser e transmite altamente o segundo comprimento de onda de laser. Por exemplo, o primeiro revestimento refletivo 3-566 pode refletir entre cerca de 85% e cerca de 98% do primeiro comprimento de onda de laser Ài e pode transmitir mais do que cerca de 98% do segundo comprimento de onda de laser À2. O segundo revestimento refletivo 3-562 pode refletir altamente o segundo comprimento de onda de laser ou pode, ou não, transmitir altamente o primeiro comprimento de onda de laser. Se um elemento de compensação 3-500, 3-502 for usado como um espelho de extremidade de cavidade, o segundo revestimento re- fletivo (mais distante do centro da cavidade de laser) pode ser altamente refletivo para ambos os comprimentos de onda de laser. Tal revestimento pode ser mais fácil ou de custo menor de fabricar. Se um elemento de compensação 3-500, 3-502 for usado como um acoplador de saída, o segundo revestimento refletivo pode ser altamente refletivo para um comprimento de onda de laser e altamente transmissivo para o outro.

[00212] Os inventores reconheceram e compreenderam que efeitos de aquecimento térmico e/ou estresses mecânicos sobre elementos ópticos dentro da cavidade de laser podem ser um fator significante que pode influenciar o desempenho de um laser de modo bloqueado, compacto. Aquecimento térmico pode ter origem na fonte de bomba 3105, no meio de ganho 3-107 e/ou elemento de duplicação de frequência 3-109, em algumas implementações. Em relação ao meio de ganho, os inventores reconheceram e compreenderam que mais cuidado deve ser tomado quando da montagem do cristal de ganho. Uma montagem deve permitir dissipação de calor e ainda evitar estresse mecânico do cristal. Um exemplo de uma estrutura de montagem 3600 para um cristal de ganho é mostrada na Figura 3-6, de acordo com algumas modalidades. A montagem mostrada é projetada para um meio de ganho tendo uma seção transversal quadrada, mas a montagem pode ser projetada para outras seções transversais tal como retangular ou poligonal. O meio de ganho pode ter um comprimento L se estendendo ao longo de uma direção na página.

[00213] De acordo com algumas modalidades, uma estrutura de montagem 3-622 para um meio de ganho pode compreender uma primeira porção 3-620 e uma segunda porção 3-622 que são configura- das para serem unidas em um arranjo de bloqueio. Por exemplo, a primeira porção e a segunda porção podem conter orifícios 3-640 para parafusos que permitem que as duas porções sejam presas e postas em contato térmico com uma placa base de apoio. A primeira porção 3-620 e a segunda porção 3-622 podem ser formadas de um material de condução térmica alta tal como cobre ou alumínio, embora outros materiais possam ser usados em outras modalidades. As primeira e segunda porções podem ter várias faces interiores 3-615 que estão dispostas para serem postas em contato térmico com um meio de ganho de uma cavidade de laser. De acordo com algumas modalidades, pode haver valas ou aberturas 3-630 localizadas nas regiões da montagem onde quinas do meio de ganho podem estar localizadas (por exemplo, quando o meio de ganho é montado na estrutura de montagem 3-600). As valas ou aberturas 3-630 podem reduzir o estresse mecânico e/ou térmico que seria de outro modo induzido no meio de ganho. As valas ou aberturas podem se estender entre cerca de 1 mm e cerca de 3 mm em qualquer lado de uma localização de quina do meio de ganho. Os inventores constataram que as aberturas nas quinas do meio de ganho podem aliviar estresses térmico e mecânico que podem de outro modo quebrar o meio de ganho e/ou afetar de modo adverso o perfil de modo óptico do laser.

[00214] Em algumas implementações, a primeira porção 3-620 e a segunda porção 3-622 da estrutura de montagem 3-600 podem ser termicamente esfriadas, por exemplo, contatadas com resfriadores termoelétricos. De acordo com algumas modalidades, a primeira porção pode ser consolavelmente esfriada para uma temperatura diferente da segunda porção ou vice versa, de maneira que um gradiente de temperatura pode ser estabelecido através do meio de ganho. Tal controle diferencial pode ser usado para orientar o feixe de laser dentro da cavidade de laser, por exemplo, para propósitos de alinhamento ou para sintonização de operação pulsada.

[00215] Os inventores reconheceram e compreenderam ainda que estruturas de montagem que dissipam calor podem afetar de modo adverso alinhamento óptico de uma cavidade de laser. Por exemplo, uma estrutura de montagem 3-600 para um meio de ganho ou fonte de bomba de diodo 3-105 pode ser presa a uma placa base à qual outros elementos ópticos de um laser pulsado são presos. Uma estrutura de montagem pode dissipar calor na placa base e o calor pode causar expansão e/ou deformação ou outra distorção da placa base. Como resultado, movimento da placa base pode desalinhar elementos ópticos da cavidade de laser e afetar de modo adverso desempenho do laser.

[00216] De acordo com algumas modalidades, uma estrutura ou componente de montagem de um laser pulsado que requer dissipação de calor significante pode ser montado em uma plataforma parcialmente isolada 3-710, como mostrado em vista plana da Figura 3-7A. A plataforma pode isolar parcialmente dissipação de calor em uma placa base de um laser pulsado. Vistas em elevação da plataforma são mostradas na Figura 3-7B e Figura 3-7C. Uma plataforma parcialmente isolada 3-710 pode ser formada em uma placa base 3-705 através de um processo de usinagem, de acordo com algumas implementações. Por exemplo, a placa base 3-705 pode ser parte de um bloco sólido de material que é usinado para formar um alojamento para um laser de modo bloqueado, compacto. Uma ou mais valas ou calhas 3-730 po-dem ser usinadas através da placa base 3-705 para formar a plataforma parcialmente isolada 3-710. Essas calhas podem se estender através da placa base 3-705, como mostrado na Figura 3-7C e separar parcialmente e isolar termicamente a plataforma 3-710 da placa base 3-705. Por exemplo, calor não pode ser dissipado tão rapidamente da plataforma para a placa base.

[00217] Uma pluralidade de abas de apoio 3-720 pode permanecer após o processo de usinagem que forma as calhas 3-730. As abas de apoio proveem apoio mecânico para a plataforma 3-710, bem como proveem condução térmica parcial para a placa base 3-705. Uma superfície inferior da plataforma 3-710 pode ser termicamente contatada com um resfriador termoelétrico (não mostrado), de acordo com algumas implementações. Em várias modalidades, as abas de apoio 3-720 estão localizadas centralmente, com relação à espessura da plataforma, entre as superfícies superior e inferior da plataforma 3-710, como mostrado na Figura 3-7B. Por exemplo, as abas de apoio 3-720 podem estar localizadas em um plano mecânico neutro da placa base 3-705 como ilustrado na Figura 3-7B. Localização das abas de apoio 3-720 centralmente com relação à espessura da plataforma e placa base pode reduzir a quantidade de estresse termomecânico fora-de-plano transmitido entre a placa base 3-705 e a plataforma 3-710. Redução da quantidade de calor dissipado na placa base e redução do estresse fora-de-plano podem reduzir a deformação da placa base e movimento relativo indesejado dos outros componentes ópticos na cavidade de laser. Em algumas modalidades, as abas de apoio compreendem membros flexurais que permitem que a plataforma se mova em relação à placa base 3-705, por exemplo, para acomodar estresses ter- momecânicos induzidos pela plataforma. Movimento de alguns componentes de laser (por exemplo, o meio de ganho 3-107) pode não afetar operação do laser tanto quanto outros componentes (por exemplo, espelhos da cavidade), e desta maneira pode ser tolerado. O isolamento termomecânico parcial da plataforma 3-710 pode aperfeiçoar a estabilidade do laser e reduz a necessidade de ajuste por um operador especializado.

[00218] De acordo com algumas modalidades, uma ou mais plataformas 3-710 podem ser usadas para apoiar elementos de temperatu- ra alta em um laser pulsado. Por exemplo, uma primeira plataforma 3710 pode ser usada para apoiar uma fonte de bomba de diodo 3-105 ou módulo de bomba 2-140, e uma segunda plataforma pode ser usada para apoiar um meio de ganho de laser 3-107, 1-105. Em algumas implementações, uma terceira plataforma pode ser usada para apoiar um elemento não linear 3-109, 2-170.

[00219] Em algumas modalidades, lasers pulsados múltiplos operando em comprimentos de onda de características diferentes podem ser usados. Os inventores reconheceram e compreenderam que trens de pulso de dois lasers podem ser sincronizados sem circuito de controle de feedback eletromecânico. Em algumas modalidades, um trem de pulso de um primeiro laser de modo bloqueado pode ser usado para gerar pulsos a partir de um segundo laser de onda contínua, como mostrado na Figura 3-8A. Um primeiro laser 1-110a pode produzir um primeiro trem de pulsos 3-820a em um primeiro comprimento de onda característico Ài. Um pouco de energia dos pulsos pode ser convertida no segundo harmônico através de geração de segundo harmônico (SHG) em um primeiro elemento óptico não linear 3-830. Energia restante no comprimento de onda fundamental pode ser direcionada por um primeiro espelho dicroico DCi para um segundo laser 3-800, que compreende um primeiro espelho de extremidade DC2, um segundo elemento óptico não linear 3-840 para geração de soma de frequência (SFG), um meio de ganho 3-8i0 e segundo espelho de extremidade DC3. Os espelhos de extremidade podem ser espelhos dicroicos que são altamente refletivos para um segundo comprimento de onda de laser À2 e podem transmitir outros comprimentos de onda. Por exemplo, os espelhos de extremidade podem ter valores de refletividade maiores do que 99% para o segundo comprimento de onda de laser e podem transmitir o primeiro comprimento de onda de laser À i. O se-gundo laser 3-800 pode também incluir um refletor tricroico TCi atra vés do qual um comprimento de onda de bomba À p para o meio de ganho pode ser introduzido na cavidade.

[00220] De acordo com algumas modalidades, o segundo laser 3800 pode operar em modo de onda contínua. Desta maneira, o segundo laser, sozinho, não produzirá quaisquer pulsos. Ainda, devido ao fato dos espelhos de cavidade do segundo laser terem valores de re- fletividade altos, a potência intracavidade pode ser muito alta uma vez que o laser não precisa prover potência externa para a cavidade em seu comprimento de onda de operação À2. A potência intracavidade alta pode então ser usada para geração de soma de frequência com pulsos injetados na cavidade do primeiro laser 1-110a para produzir um trem de pulso 3-820c no terceiro comprimento de onda À 3. Devido ao fato do segundo laser 3-800 operar em um modo de onda contínua, o comprimento da cavidade do segundo laser não é preso a uma taxa de repetição de pulso, de maneira que o controle de comprimento da cavidade pode não ser requerido. Ainda, uma vez que produção de pulso através de SFG é determinada por pulsos do primeiro laser 1- 110a, os pulsos gerados no comprimento de onda de soma de frequência À 3 são automaticamente sincronizados com os pulsos do primeiro laser, e nenhuma sincronização de dispositivos eletrônicos dos dois trens de pulso é necessária. Sincronização com dispositivos eletrônicos do instrumento será ainda requerida.

[00221] A Figura 3-8B ilustra uma modalidade alternativa de um sistema de dois lasers onde um laser opera em modo de onda contínua. Neste sistema, SFG ocorre antes de SHG. Em alguns casos, a eficiência de geração de soma de frequência pode ser menos do que a geração de segundo harmônico, de maneira que pode ser vantajoso realizar SFG primeiro de maneira que a intensidade dos primeiros pulsos de laser seja maior.

[00222] Para modalidades de laser que empregam conversão de comprimento de onda através de elementos ópticos não lineares para obter um comprimento de onda desejado, os elementos ópticos não lineares podem ser apoiados em montagens que permitem ajuste angular do elemento óptico com relação a um eixo de feixe óptico passando pelo elemento óptico. O ajuste angular pode permitir que o elemento não linear gire para um ângulo de correspondência de fase para eficiência de conversão alta. Ajuste angular pode ser feito manualmente, por exemplo, através do ajuste de parafusos no momento da fabricação, e então fixados com uma cola, resina ou outro método. Em algumas modalidades, o ajuste angular pode não ser fixado, de maneira que um usuário ou técnico pode fazer mais ajustes quando necessário.

[00223] Os inventores conceberam métodos adicionais para ajudar a sincronizar trens de pulso de dois lasers onde pelo menos um laser inclui um absorvedor saturável. A Figura 3-9 mostra um sistema de dois lasers 3-900 onde um trem de pulso de limpeza 3-820b de um primeiro laser de modo bloqueado 1-110a é direcionado a um espelho absorvedor saturável 3-120 de um segundo laser de modo bloqueado 3-910. O segundo laser de modo bloqueado pode compreender um meio de ganho 3-810 e acoplador de saída OC1. O meio de ganho do segundo laser pode ser igual ao meio de ganho do primeiro laser.

[00224] O trem de pulso de limpeza 3-820b pode ser dividido de um trem de pulso de saída principal 3-820a do primeiro laser por um divisor de feixe BS1, de acordo com algumas modalidades. Conforme o trem de pulso de limpeza atinge o espelho absorvedor saturável, ele auxiliará em limpeza (redução da perda óptica) do espelho absorvedor saturável durante cada pulso. Esta redução curta em perda influenciará a formação e tempo de pulsos ópticos 3-820c no segundo laser 3910. Em várias modalidades, os pulsos de limpeza devem ser espacialmente alinhados com a região do espelho absorvedor saturável que é iluminado com o segundo feixe de laser. Uma vez que os pulsos óp- ticos do segundo laser 3-910 também limparão o absorvedor saturável uma vez formado, é desejável que eles atinjam o espelho absorvedor saturável 3-120 simultaneamente com pulsos do primeiro laser quando os dois lasers estão operando em um estado estável. Desta maneira, um circuito de controle eletromecânico 3-920 pode ser usado para controlar o comprimento da cavidade (e taxa de repetição de pulso) do segundo laser.

[00225] Um exemplo de um circuito de controle eletromecânico 31000 para controle do comprimento de uma cavidade é mostrado na Figura 3-10. Outras modalidades podem usar circuito de processamento de sinal diferente. Em algumas implementações, pulsos de dois lasers podem ser detectados com dois fotodetectores 3-1010, 3-1012. Os pulsos ópticos podem ser porções de feixes de laser divididos com divisores de feixe, por exemplo, ou reflexos dispersos, difração ou transmissão residual de componentes ópticos dentro das cavidades de laser. Os sinais dos fotodetectores podem amplificados com amplificadores 3-1020, 3-1022 e os filtrados com filtros de passa baixa ou pas-sa banda 3-1030, 3-1032. Um retardo de fase variável 3-1034 pode ser incluído em um curso de sinal para permitir que os dois sinais sejam misturados em quadratura. Os amplificadores podem compreender amplificadores op-amp e radiofrequência e podem ser digitais ou analógicos. Os filtros podem ser filtros digitais ou filtros analógicos e podem gerar saídas substancialmente sinusoidais correspondendo às frequências fundamentais ou harmônicas das taxas de repetição de pulso para os dois lasers. As saídas dos dois filtros podem então ser misturadas no misturador 3-1040 para produzir frequências de soma e diferença.

[00226] De acordo com algumas modalidades, uma saída do misturador pode ser filtrada com um filtro passa baixa 3-1040 para produzir um sinal DC, que provê um sinal de erro proporcional à mudança de fase entre as duas frequências. O nível de sinal DC pode ser provido a um circuito de controle eletromecânico 3-920 e monitorado para determinar quão bem os comprimentos da cavidade são correspondentes. Quando os comprimentos de cavidade são correspondentes, o nível de sinal DC pode ser próximo de um valor de zero. Quando os comprimentos de cavidade não são correspondentes, a magnitude do nível de sinal DC pode aumentar, e o circuito de controle 3-920 pode gerar um sinal de controle para um atuador 3-930 que move um espelho de extremidade de cavidade, por exemplo, para diminuir a magnitude do nível de sinal DC.

[00227] Em algumas modalidades, uma alça de fase bloqueada pode ser usada ao invés de um misturador 3-1040 em um circuito de controle eletromecânico. Por exemplo, sinais sinusoidais ou de onda quadrada digitalizados dos filtros 3-1030, 3-1032 podem ser aplicados a um detector de fase de uma alça de fase bloqueada. Uma saída do detector de fase pode ser filtrada e provida a um circuito de controle eletromecânico 3-920. II.B. Lasers Semicondutores de Modo Bloqueado

[00228] Em algumas implementações, diodos de laser semicondutores podem ser de modo bloqueado para prover uma fonte de custo baixo de pulsos ultrarrápidos. Diodos de laser de modo bloqueado podem produzir pulsos em um comprimento de onda desejado (por exemplo, em comprimentos de onda azul, verde ou vermelho) que serão usados diretamente para exame de amostras ou realização de medições, de acordo com algumas modalidades. Em alguns casos, pulsos produzidos por um diodo de laser podem ser convertidos em um outro comprimento de onda (por exemplo, frequência duplicada) para uso em aplicações de exame ou medição. Por exemplo, um diodo de laser de modo bloqueado pode produzir pulsos em comprimentos de onde infravermelho, e esses pulsos podem ser duplicados na frequência para as regiões de azul, verde ou vermelho do espectro óptico.

[00229] Uma modalidade de um diodo de laser de modo bloqueado 4-100 é mostrada na Figura 4-1. Um laser semicondutor de modo bloqueado pode compreender um diodo de laser 4-105 e um espelho ab- sorvedor saturável 3-120. As extremidades da cavidade de laser podem ser definidas por um revestimento refletivo 4-112 formado sobre uma extremidade do diodo de laser semicondutor 4-105 e o espelho absorvedor saturável 3-120, de acordo com algumas modalidades. A cavidade de laser pode incluir um primeiro sistema óptico OS1 que remodela e/ou muda a divergência de um feixe óptico do diodo de laser. A cavidade de laser pode ainda incluir um segundo sistema óptico OS2 que pode remodelar e/ou focar o feixe intracavidade no espelho absor- vedor saturável. Em algumas modalidades, a cavidade de laser pode incluir um elemento de retardo óptico 3-110. O elemento de retardo óptico pode ser qualquer modalidade de um elemento de retardo descrito acima em conexão com a Figura 3-2A até a Figura 3-2D. Um diodo de laser de modo bloqueado pode emitir laser em um comprimento de onda Ài e produz um trem de pulsos ultrarrápidos com durações mais curtas do que cerca de 100 ps.

[00230] Em algumas implementações, um diodo de laser 4-105 pode incluir revestimentos ópticos em qualquer extremidade de uma estrutura de guia de onda óptico. Os revestimentos ópticos 4-110, 4-112 podem ser formados através de qualquer processo de deposição adequado, tal como um processo de deposição de vapor ou um processo de deposição física. Em algumas implementações, uma primeira extremidade do diodo de laser pode incluir um revestimento parcialmente transmissível 4-112 que serve como um acoplador de saída para a cavidade de laser. O revestimento transmissivo 4-112 pode transmitir uma porção do feixe de laser fora da cavidade para prover um trem de pulsos ultrarrápidos. A transmitância do revestimento 4-112 pode estar entre aproximadamente 2% e aproximadamente 15%, de acordo com algumas modalidades, e sua refletividade pode estar entre cerca de 98% e cerca de 85%. Uma extremidade oposta do diodo de laser 4105 pode ser revestida com um revestimento antirrefletivo 4-110, de maneira a permitir que a maior parte da radiação do diodo de laser passe para a cavidade de laser sem reflexo significante. Por exemplo, o revestimento antirrefletivo 4-100 pode refletir menos do que 1% do comprimento de onda de laser Ài.

[00231] Em algumas modalidades, o absorvedor saturável para um diodo de laser de modo bloqueado 4-200 pode ser integrado com um diodo de laser semicondutor em um mesmo chip, como mostrado na Figura 4-2. Por exemplo, um absorvedor saturável 4-665 pode ser integrado a um substrato sobre o qual o diodo de laser 4-620 é formado. A cavidade de laser pode compreender um sistema óptico OS1 que remodela e/ou muda a divergência do feixe do diodo de laser. Em algumas modalidades, o sistema óptico OS1 pode ser o único sistema óptico na cavidade de laser que é usado para mudar o formato e/ou divergência do feixe na cavidade. A cavidade de laser pode também incluir um elemento de retardo óptico 3-110 e um acoplador de saída OC1. O acoplador de saída pode compreender um divisor de feixe que transmite uma porção do feixe de laser fora da cavidade e reflete a maior parte do feixe de laser de volta dentro da cavidade de laser. A transmitância do acoplador de saída OC1 pode estar entre aproximadamente 2% e aproximadamente 15% de acordo com algumas modalidades. Como acima descrito, uma extremidade do diodo de laser 4620 que é oposto ao absorvedor saturável 4-665 pode incluir um revestimento antirreflexo. O absorvedor saturável pode incluir um revestimento altamente refletivo que reflete a maioria de radiação do diodo de laser de volta para a cavidade de laser.

[00232] Uma outra modalidade de um diodo de laser de modo blo- queado 4-300 é mostrada na Figura 4-3. Nesta modalidade, uma fibra óptica 4-320 é usada como um elemento de retardo óptico para a cavidade de laser. A cavidade de laser pode incluir um absorvedor satu- rável 4-665 e um revestimento de alta refletância adjacente ao absor- vedor saturável que estão integrados em um mesmo substrato que um diodo de laser 4-620, de acordo com algumas modalidades. A cavidade de laser pode ainda incluir um componente de acoplamento óptico 4-310 que é usado para acoplar radiação do diodo de laser 4-620 à fibra óptica 4-320. Um elemento de acoplamento de saída óptico 4-330 pode estar localizado em uma segunda extremidade da fibra 4-320, e ser configurado como um acoplador de saída para a cavidade de laser, de acordo com algumas modalidades.

[00233] Em algumas implementações, o elemento de acoplamento óptico 4-310 pode compreender adesivo óptico. Por exemplo, a fibra óptica 4-320 pode ser alinhada e aderida a uma extremidade do diodo de laser usando o adesivo óptico. A extremidade da fibra pode ser ligada em um local onde radiação de uma região de orientação de comprimento de onda do diodo de laser acopla mais eficientemente na fibra. Em algumas modalidades, o elemento de acoplamento óptico 4310 pode compreender uma lente em formato de bola ou uma lente de índice de refração gradual (GRIN). De acordo com algumas modalidades, uma superfície do elemento de acoplamento óptico de saída 4-330, em uma extremidade oposta da fibra óptica, pode incluir um revestimento refletivo 4-332, de maneira a prover acoplamento de saída a partir da cavidade de laser. O elemento de acoplamento de saída 4330 pode compreender uma lente em formado de bola ou lentes GRIN em algumas implementações. Em algumas modalidades, o elemento de acoplamento de saída 4-330 pode compreender uma lente montada próximo a uma extremidade da fibra óptica 4-320.

[00234] Qualquer uma das modalidades mostradas de diodos de laser de modo bloqueado ilustradas na Figura 4-1 até a Figura 4-3 pode, ou não, incluir um elemento de conversão de comprimento de onda 3-109. De acordo com algumas modalidades, um elemento de conversão de comprimento de onda pode compreender um cristal de duplicação de frequência que é alinhado com um feixe da cavidade de laser ou pode incluir um elemento não linear empregado para conversão paramétrica ou mistura de quatro ondas. Em algumas modalidades, um elemento não linear pode compreender um material periodicamente polido, tal como niobato de lítio, que pode ser integrado em um mesmo substrato que o diodo de laser.

[00235] O uso de diodos de laser de modo bloqueado pode ser vantajoso para algumas modalidades que não requerem quantidades grandes de energia, por exemplo, níveis de energia excedendo cerca de 300 mW. Uma vantagem dos diodos de laser de modo bloqueado é seu tamanho compacto e uma redução no número de elementos ópticos usados no laser. Devido ao meio de laser poder ser muito pequeno (por exemplo, menos do que 5 mm de largura), pode ser possível usar disposições de diodos de laser de modo bloqueado em algumas modalidades. Em algumas implementações, uma disposição de diodos de laser de modo bloqueado pode compartilhar elementos ópticos co-muns. Por exemplo, dois ou mais diodos de laser podem compartilhar um ou mais elementos ópticos (por exemplo, um ou mais de um elemento de retardo óptico 3-110, sistemas ópticos OS1, OS2 e espelho absorvedor saturável 3-120).

II. C. Lasers de Fibra de Modo Bloqueado

[00236] De acordo com algumas modalidades, pulsos ultrarrápidos podem ser também produzidos usando lasers de fibra de modo bloqueado. Alguns exemplos de lasers de fibra de modo bloqueado são mostrados na Figura 5-1 até Figura 5-3. Um laser de fibra de modo bloqueado pode incluir elementos ópticos que são usados em lasers de estado sólido bombeados por diodo, como descrito acima e mostrado na Figura 3-3A até a Figura 3-3C. No entanto, em um laser de fibra de modo bloqueado o meio de ganho compreende um comprimento de fibra óptica 5-120 que pode também prover um elemento de retardo óptico para a cavidade de laser. De acordo com algumas modalidades, uma fonte de bomba de diodo 3-105 pode prover um comprimento de onda de bombeamento Àp que é acoplado a uma extremidade da fibra 5-120, como mostrado na Figura 5-1. Uma cavidade de laser de fibra pode ser definida por um primeiro espelho de extremidade dicroico DC1 e um espelho absorvedor saturável 3-120 que causa modo de bloqueio passivo do primeiro laser de vibra, em algumas im-plementações.

[00237] Com referência à Figura 5-1 e de acordo com algumas modalidades, um laser de fibra de modo de bloqueio 5-100 pode compreender um primeiro sistema óptico OS1 que é configurado para acoplar um feixe de saída de uma fonte de bomba de diodo 3-105 a uma fibra óptica 5-120 que serve como um meio de ganho para o laser. Em algumas implementações, o feixe da fonte de bomba de diodo 3-105 pode ser acoplado ao revestimento da fibra óptica para excitar o núcleo e meio de ganho da fibra óptica 5-120. Um segundo sistema óptico OS2 pode ser disposto para acoplar radiação a partir da fibra óptica, por exemplo, para formar um feixe em um comprimento de onda de laser À1. A cavidade de laser pode incluir ainda um espelho dicroico DC2 posicionado próximo ou em uma extremidade da fibra óptica 5-120, como mostrado no desenho. O segundo espelho dicroico DC2 pode transmitir a maioria do comprimento de onda de laser À1 para o espelho absor- vedor saturável 3-120, e reflete a maior parte do comprimento de onda de bomba Àp de volta através da fibra óptica. Por exemplo, o segundo espelho dicroico DC2 pode transmitir mais do que cerca de 98% do comprimento de onda de laser e refletir mais do que cerca de 98% do comprimento de onda de bomba. Um terceiro espelho dicroico DC3 pode ser incluído fora da cavidade de laser entre a fonte da bomba e a fibra óptica, e pode ser usado para direcionar um feixe de laser de saída a partir do laser de fibra 5-100. O terceiro espelho dicroico pode transmitir a maioria (por exemplo, mais do que cerca de 98%) do comprimento de onda de bomba Àp e refletir a maioria (por exemplo, mais do que cerca de 98%) do comprimento de onda de laser Ài, de acordo com algumas implementações.

[00238] Uma outra modalidade de um laser de fibra de modo bloqueado 5-200 é mostrada na Figura 5-2. Em algumas implementações, elementos de acoplamento óptico podem ser fabricados ou ligados em extremidades opostas da fibra óptica 5-120. Por exemplo, um primeiro elemento óptico 5-210 pode ser ligado ou formado sobre uma primeira extremidade da fibra óptica. O primeiro elemento óptico pode compreender uma lente em formato de bola ou uma lente de índice de refração gradual que é presa diretamente, ou presa com uma estrutura de apoio, a uma extremidade da fibra óptica. Ainda, o primeiro elemento óptico 5-210 pode incluir um revestimento dicroico que transmite a maior parte (por exemplo, mais do que cerca de 98%) do comprimento de onda da bomba Àp e reflete a maioria (entre cerca de 98% e cerca de 85) do comprimento de onda de laser À1. Desta maneira, o primeiro elemento óptico 5-210 pode compreender um acoplador de saída para o laser de fibra 5-200.

[00239] O segundo elemento óptico 5-220 pode compreender um revestimento dicroico formado sobre uma extremidade da fibra óptica, em algumas modalidades, que é engenheirado para transmitir a maior parte (por exemplo, mais do que cerca de 98%) do comprimento de onda de laser À1 e refletir a maior parte (por exemplo, mais do que cerca de 98%) do comprimento de onda de bomba Àp de volta para a fibra óptica. Em algumas modalidades, o segundo elemento óptico 5-220 pode compreender uma lente em formato de bola ou uma lente GRIN que é presa diretamente, ou acoplada com uma estrutura de apoio, a uma extremidade da fibra óptica. Por exemplo, uma lente GRIN pode ser aderida a uma extremidade da fibra com um adesivo óptico, e uma extremidade exposto da lente GRIN pode ser revestida com um revestimento dicroico que é engenheirado para transmitir a maior parte (por exemplo, mais do que cerca de 98%) do comprimento de onda de laser Ài e reflete a maior parte (por exemplo, mais do que cerca de 98%) do comprimento de onda de bomba Àp de volta para a fibra óptica. De acordo com algumas modalidades, pode haver um primeiro sistema de lente óptica OS1 que é usado para acoplar radiação de bomba do diodo de laser 3-105 à fibra óptica, e um segundo sistema de lente óptica OS2 que é usado para focar radiação a partir da fibra óptica no espelho absorvedor saturável 3-120.

[00240] A Figura 5-3 mostra ainda uma outra modalidade de um laser de fibra de modo bloqueado 5-300. Tal modalidade pode compreender menos elementos ópticos do que na modalidade anterior de fibras de laser descritas acima. De acordo com algumas implementações, a cavidade de laser de fibra pode ser definida por um prisma óptico 5-310 localizado em uma extremidade da fibra óptica 5-120 e um espelho absorvedor saturável 3-120 localizado em uma extremidade oposta da fibra óptica. O prisma óptico 5-130 pode incluir uma primeira superfície que é coberta com um primeiro revestimento dicroico 5-312. O primeiro revestimento dicroico pode transmitir a maior parte (por exemplo, mais do que cerca de 98%) do comprimento de onda de fonte de bomba Àp e refletir a maior parte (por exemplo, mais do que cerca de 98%) do comprimento de onda de laser À1. Uma segunda superfície do prisma óptico 5-310 pode incluir um segundo revestimento dicroico 5-314 que é configurado para transmitir a maioria (por exemplo, mais do que cerca de 98%) do comprimento de onda de bomba Àp e reflete a maioria (por exemplo, entre cerca de 85% e cerca de 98%) do comprimento de onda de laser Ài de volta para a fibra óptica. O segundo revestimento dicroico 5-314 pode servir como um acoplador de saída para o laser de fibra. Por exemplo, o segundo revestimento dicroico 5314 pode transmitir entre aproximadamente 2% e aproximadamente 15% do comprimento de onda de laser À1.

[00241] De acordo com algumas modalidades, pode haver um elemento de acoplamento de saída 5-220 localizado em uma extremidade oposta da fibra óptica 5-120. O elemento de acoplamento de saída 5220 pode acoplar radiação de laser a partir da fibra ao espelho absor- vedor saturável 3-120. Em algumas modalidades, o elemento de acoplamento de saída de fibra pode compreender uma lente em formato de bola ou uma lente de índice de refração gradual que é aderida a uma extremidade da fibra óptica. Em algumas implementações, o elemento de acoplamento óptico de saída 5-220 pode incluir um revestimento dicroico que é engenheirado para transmitir a maior parte da radiação de laser À1 e reflete a maior parte da radiação de bomba Àp de volta para a fibra. O elemento de acoplamento de óptico de saída 5220 pode acoplar radiação de laser À1 a e a partir do espelho absorve- dor saturável 3-120, e pode ou não estar em contato com o SAM.

II. D. Lasers de Ganho Comutado

[00242] Em algumas modalidades, lasers de ganho comutado podem ser empregados como um laser pulsado 1-110 para um instrumento analítico 1-100. Lasers de ganho comutado tendo tipicamente pulsos mais longos do que os lasers de modo bloqueado, mas podem ter menos complexidade e ser fabricados em custo baixo. Lasers de ganho comutado podem ser úteis quando tempos de vida fluorescentes para as amostras têm taxas de decaimento mais longas (por exemplo, mais do que cerca de 5 ns).

[00243] Os inventores conceberam circuitos pulsadores e técnicas para produção de pulsos ópticos curtos e ultracurtos de diodos de laser e diodos de emissão de luz. Os circuitos e técnicas de pulso foram empregados, em algumas implementações, para lasers semicondutores de ganho comutado e produzem um trem de pulsos de ~85 picos- segundos (ps) (FWHM) tendo energias de pico de aproximadamente 1 W em taxas de repetição de até 100 MHz (T tão curtas quanto 10 na- nossegundos). Em algumas modalidades, uma forma de onda de corrente unipolar ou bipolar pode ser produzida por um circuito pulsador e usada para direcionar o meio de ganho do diodo de laser de uma maneira a excitar pulsos ópticos e suprimir emissão nas caudas dos pul-sos. Em algumas modalidades, uma forma de onda de corrente unipolar ou bipolar pode ser produzida por um circuito pulsador e pode ser usada para direcionar um ou mais diodos de emissão de luz para produzir pulsos ópticos curtos ou ultracurtos.

[00244] Para propósitos de descrição de comutação de ganho em diodos de laser, as Figuras 6-1A a 6-1C são incluídas para ilustrar dinâmica de laser associada com comutação de ganho. A Figura 6-1A ilustra uma curva de energia de bomba 6-110 que é representativa de energia de bomba aplicada a um meio de ganho de um laser de ganho comutado, de acordo com algumas modalidades. Como mostrado, uma energia de bomba pode ser aplicada por uma duração breve (mostrada como aproximadamente 0,6 microssegundo) ao meio de ganho em uma cavidade de laser. Para um diodo de laser semicondu-tor, aplicação de energia de bomba pode compreender aplicação de uma tendência de polarização através de uma junção p-n ou cavidades quantum múltiplas (MQWs) do diodo de laser. O pulso de potência de bomba pode ser aplicado repetidamente em intervalos de tempo regularmente espaçados, por exemplo, em um intervalo de separação de pulso ou tempo de repetição de pulso T.

[00245] Durante aplicação do pulso de potência de bomba, ganho óptico na cavidade de laser aumenta até que o ganho começa a exceder perdas ópticas na cavidade. Após este ponto, o laser pode começar a funcionar como laser (isto é, amplificar fótons passando pelo meio de ganho através do processo de emissão estimulada). O processo de amplificação resulta em um aumento rápido em luz de laser e depleção de estados excitados no meio de ganho para produzir pelo menos um pulso de saída 6-130 como mostrado. Em algumas modalidades, o pulso de potência de bomba 6-110 é cronometrado para desligar aproximadamente ao mesmo tempo que o pico do pulso de saída ocorre. Desligamento do pulso de energia da bomba põe fim ao funcionamento do laser adicional, de maneira que o pulso de saída 6-130 extingue. Em algumas modalidades, o pulso de saída 6-130 pode ter uma duração mais curta do que o pulso de bomba 6-110, como mostrado no desenho. Por exemplo, um pulso de saída 6-130 produzido por comutação de ganho pode ser menos do que 1/5 da duração do pulso de bomba 6-110.

[00246] Se o pulso de potência de bomba não for desligado, então a dinâmica mostrada na Figura 6-1B pode ocorrer. Neste caso, a curva de energia de bomba (mostrada como densidade de corrente de bomba) 6-140, mostrada como uma função de etapa, representa densidade de corrente aplicada a um laser semicondutor. O gráfico mostra que o meio de ganho é excitado por uma densidade de corrente de bom- beamento, que produz uma densidade de portador N na região de ganho do diodo de laser. A densidade de corrente de bomba I cerca de duas vezes uma densidade de corrente limite de funcionamento de laser Ith é aplicada no tempo t=0 e é então deixada ligada. O gráfico mostra o aumento em densidade de portador N para a região de ganho de semicondutor até que o ganho óptico do laser exceda perda na cavidade. Após este ponto, um primeiro pulso 6-161 se forma, deple- tando a densidade de portador e ganho óptico para um valor menos do que a perda da cavidade, e é emitido. Subsequentemente, um segundo pulso 6-162 se forma, depleta a densidade de portador N e é emitido. A formação e depleção de densidade de portador se repete por vários ciclos até que o laser estabilize em operação de onda contínua (por exemplo, após cerca de 7 nanossegundos neste exemplo). O ciclo de pulsos (pulso 6-161, pulso 6-162 e pulsos subsequentes) é referido como oscilações de relaxamento do laser.

[00247] Os inventores reconheceram e compreenderam que um desafio quando comutando com ganho um laser para produzir pulsos ultracurtos é evitar efeitos prejudiciais de oscilações de relaxamento continuadas. Por exemplo, se um pulso de potência de bomba 6-110 não for terminado rapidamente possível, pelo menos um segundo pulso óptico 6-162 (devido a oscilações de relaxamento) pode começar a se formar na cavidade de laser e adicionar uma cauda 6-172 a um pulso de saída de ganho comutado 6-170, como mostrado na Figura 6-1C. Os inventores reconheceram e compreenderam que tal cauda pode ser in- desejada em algumas aplicações, tais como aplicações que tinham como objetivo distinção de moléculas fluorescentes com base em tempos de vida fluorescentes. Se a cauda de um pulso de excitação não for reduzida suficientemente rapidamente, radiação de excitação pode oprimir um detector a menos que filtragem de comprimento de onda seja empregada. Alternativamente ou adicionalmente, uma cauda em um pulso de excitação pode continuar a excitar uma molécula fluorescente e pode complicar a detecção de tempo de vida fluorescente.

[00248] Se a cauda de um pulso de excitação for reduzida suficientemente rapidamente, pode haver radiação de excitação insignificante presente durante emissão fluorescente. Em tais implementações, filtragem da radiação de excitação durante detecção de emissão fluorescente pode não ser necessária para detectar a emissão fluorescente e distinguir tempos de vida de molécula fluorescente. Em alguns ca sos, a eliminação de filtragem de excitação pode simplificar significan- temente e reduzir o custo de um sistema analítico 1-160 bem como permitir uma configuração mais compacta para o sistema. Por exemplo, quando um filtro não é necessário para suprimir o comprimento de onda de excitação durante emissão fluorescente, a fonte de excitação e detector fluorescente podem estar localizados em proximidade grande (por exemplo, na mesma placa de circuito ou dispositivo integrado e até mesmo dentro de mícrons um do outro).

[00249] Os inventores também reconheceram e compreenderam que em alguns casos, uma cauda em um pulso de excitação pode ser tolerada. Por exemplo, um sistema analítico 1-160 pode ter uma configuração óptica que permite facilmente incorporação de um filtro de comprimento de onda em um curso óptico de detecção. O filtro do comprimento de onda pode ser selecionado para rejeitar comprimentos de onda de excitação, de maneira que um detector recebe fluorescência quantificável a partir de uma amostra biológica. Como resultado, radiação de excitação da fonte óptica pulsada não oprime a fluorescência detectada.

[00250] Em algumas modalidades, o tempo de vida de emissão de uma molécula fluorescente pode ser caracterizado por um valor de intensidade 1/e, de acordo com algumas modalidades, embora outras métricas possam ser usadas em algumas modalidades (por exemplo, 1/e2, meia-vida de emissão, etc). A precisão de determinação o tempo de vida de uma molécula fluorescente é aperfeiçoada quando um pulso de excitação, usado para excitar a molécula fluorescente, tem uma duração que é menos do que o tempo de vida da molécula fluorescente. Preferivelmente, o pulso de excitação tem uma duração FWHM que é menos do que o tempo de vida de emissão da molécula fluorescente em pelo menos um fator de três. Um pulso de excitação que tem uma duração maior ou uma cauda 6-172 com energia apreciável pode con- tinuar a excitar a molécula fluorescente durante um tempo quando emissão em decaimento está sendo avaliada, e complica a análise de tempo de vida de molécula fluorescente. Para aperfeiçoar a determinação do tempo de vida fluorescente em tais casos, técnicas de des- convolução podem ser usadas para desconvoluir o perfil de pulso de excitação da fluorescência detectada.

[00251] Em alguns casos, pode ser preferido usar pulsos ultracurtos para excitar moléculas fluorescentes a fim de reduzir extinção da molécula ou amostra fluorescente. Foi constatado que bombeamento prolongado de uma molécula fluorescente pode branquear e/ou danificar a molécula fluorescente com o tempo, enquanto intensidades maiores por durações mais curtas (embora por uma mesma quantidade total de energia na molécula) podem não ser tão prejudiciais para a molécula fluorescente quanto a exposição prolongada em intensidade menor. Redução do tempo de exposição pode evitar ou reduzir dano fotoindu- zido de moléculas fluorescentes, e aumenta a quantidade de tempo ou número de medições para as quais as moléculas fluorescentes podem ser usadas em um sistema analítico 1-160.

[00252] Em algumas aplicações, os inventores constataram que é desejável que o pulso de excitação termine rapidamente (por exemplo, dentro de cerca de 250 ps do pico do pulso) para um nível de energia que é pelo menos cerca de 40 dB a abaixo do nível de energia de pico do pulso. Algumas modalidades podem tolerar quantidades menores de redução de energia, por exemplo, redução entre cerca de 20 dB e cerca de 40 dB dentro de cerca de 250 ps. Algumas modalidades podem requerer quantidades similares ou maiores de redução de energia dentro de cerca de 250 ps, por exemplo, entre cerca de 40 dB e cerca de 80 dB em algumas modalidades ou entre cerca de 80 dB e cerca de 120 dB em algumas modalidades. Em algumas modalidades, esses níveis de redução de energia podem ser requeridos dentro de cerca de 100 ps do pico do pulso de bombeamento.

[00253] De acordo com algumas modalidades, o intervalo de separação de pulso T (vide Figura 1-2) pode ser também um aspecto importante de um sistema de laser pulsado. Por exemplo, quando usando um laser pulsado para avaliar e/ou distinguir tempos de vida de emissão de moléculas fluorescentes, o tempo entre pulsos de excitação é preferivelmente mais longo do que qualquer tempo de vida de emissão da espécie fluorescente examinada a fim de permitir determinação suficientemente precisa de um tempo de vida de emissão. Por exemplo, um pulso subsequente não chegaria antes de uma molécula fluorescente excitada ou conjunto de moléculas fluorescentes excita-das de um pulso anterior ter (ou terem) tido uma quantidade razoável de tempo para fluorescer. Em algumas modalidades, o intervalo T precisa ser longo o suficiente para determinar um tempo entre um pulso de excitação que excita uma molécula fluorescente e um fóton subsequente emitido pela molécula fluorescente após término do pulso de excitação e antes do próximo pulso de excitação.

[00254] Embora o intervalo entre os pulsos de excitação T deva ser longo o suficiente para determinar propriedades de decaimento da espécie fluorescente, é também desejável que o intervalo de separação de pulso T seja curto o suficiente para permitir que muitas medições sejam feitas em um período de tempo curto. A título de exemplo e não limitação, tempos de vida de emissão (valores 1/e) de moléculas fluorescentes usadas em algumas aplicações podem estar na faixa de cerca de 100 picossegundos a cerca de 10 nanossegundos. Desta maneira, dependendo das moléculas fluorescentes usadas, um intervalo de separação de pulso tão curto quanto cerca de 200 ps pode ser usado, enquanto para moléculas fluorescentes de tempo de vida mais longo um intervalo de separação de pulso T maior do que cerca de 20 nanosse- gundos pode ser usado. Desta maneira, pulsos de excitação usados para excitar fluorescência para análise de tempo de vida fluorescente podem ter durações de FWHM entre cerca de 25 picossegundos e cerca de 2 nanossegundos, de acordo com algumas modalidades.

[00255] Em algumas aplicações, tal imagem de tempo de vida fluorescente, onde uma disposição de imagem de domínio de tempo integrado é usada para detectar fluorescência e provê dados para análise de tempo de vida e uma exibição visual, o intervalo de separação de pulso T pode não precisar ser mais curto do que uma taxa de quadro do sistema de imagem. Por exemplo, se houver um sinal fluorescente adequado seguindo um pulso de excitação único, acúmulo de sinal em pulsos de excitação múltiplos para um quadro de imagem pode não ser necessário. Em algumas modalidades, uma taxa de repetição de pulso Rp da fonte óptica pulsada 1-110 pode ser sincronizada para uma taxa de quadro Rf do sistema de imagem, de maneira que uma taxa de repetição de pulso pode ser tão lenta quanto 30 Hz. Em outras modalidades, a taxa de repetição de pulso pode ser apreciavelmente maior do que a taxa do quadro, e sinais de decaimento de fluorescência para cada pixel em uma imagem podem ser valores integrados seguindo pulsos de excitação múltiplos.

[00256] Um exemplo de um laser pulsado de ganho comutado 6200 é mostrado na Figura 6-2A. De acordo com algumas modalidades, um laser pulsado 6-200 pode compreender um diodo de laser semicondutor comercial ou feito sob encomenda 6-201 formado sobre um substrato 6-208. Um diodo de laser pode ser empacotado em um alojamento 6-212 que inclui um conector elétrico 6-224. Pode haver um ou mais elementos ópticos 6-205 (por exemplo, uma ou mais lentes) incluídas dentro do pacote para remodelar e/ou mudar a divergência de um feixe de saída do laser. O diodo de laser 6-201 pode ser acionado por um circuito de pulso 6-210 que pode prover uma sequência de pulsos de corrente em um cabo de conexão 6-226 e pelo menos um fio 6-220 para o diodo 6-201. A corrente de direcionamento do circuito de pulso 6-210 pode produzir um trem de pulsos ópticos 6-222 emitidos do diodo de laser.

[00257] De acordo com algumas modalidades, um diodo de laser 6201 pode compreender uma junção semicondutora compreendendo uma primeira camada 6-202 tendo um primeiro tipo de condutividade (por exemplo, tipo p) e uma segunda camada 6-206 tendo um tipo de condutividade oposta. Pode haver uma ou mais camadas intermediárias 6-204 formadas entre as primeira e segunda camadas. Por exemplo, as camadas intermediárias podem compreender camadas de camada quantum múltipla (MQW) nas quais portadoras injetadas das primeira e segunda camadas recombinam para produzir fótons. Em algumas modalidades, as camadas intermediárias podem incluir camadas de elétron e/ou bloqueio de orifício. O diodo de laser pode compreender materiais inorgânicos e/ou materiais orgânicos semicondutores em algumas implementações. Os materiais podem ser selecionados para obter um comprimento de onda de emissão desejado. Por exemplo e para semicondutores inorgânicos, as composições de III- nitrida podem ser usadas para emissão de laser em comprimentos de onda menos do que cerca de 500 nm e composições de III-arsenida ou III-fosfeto podem ser usadas para lasers emitindo em comprimentos de onda maiores do que cerca de 500 nm. Qualquer tipo adequado de diodo de laser 6-201 pode ser usado incluindo, mas não limitado a, um laser de emissão de superfície de cavidade vertical (VCSEL), um diodo de laser de emissão de borda ou um laser de guia de onda óptico acoplado à placa (SCOWL).

[00258] De acordo com algumas modalidades, um ou mais LEDs pulsados podem ser usados ao invés de um diodo de laser de ganho comutado. LEDs pulsados podem ser úteis para aplicações em tempo- de-voo, imagem 3-D e imagem fluorescente. Um LED pode ter uma intensidade menor do que um LD, de maneira que múltiplos LEDs podem ser usados. Devido ao fato de um LED não sofrer oscilações ou dinâmicas de relaxamento associadas com ação de laser, seus pulsos de saída podem ser de duração mais longa e ter uma largura de banda espectral mais ampla do que ocorreria para um laser. Por exemplo, os pulsos de saída podem estar entre cerca de 100 ps e cerca de 2 ns, e a largura de banda espectral pode ser cerca de 20 nm ou maior. Em algumas implementações, pulsos de saída de um LED podem estar entre cerca de 100 ps e cerca de 500 ps. Pulsos de excitação mais longos podem ser aceitáveis para excitação de moléculas fluorescentes que têm tempos de decaimento mais longos. Ainda, um LED pode produzir um feixe de saída não polarizado ou parcialmente polarizado. As modalidades de circuitos de pulso descritas abaixo podem ser usadas para direcionar um ou mais LEDs em algumas implementações de fontes ópticas pulsadas.

[00259] Uma vantagem do uso de LEDs é seu custo menor comparado com diodos de laser. Ainda, LEDs proveem uma produção espectral mais ampla, tipicamente incoerente, que pode ser mais adequada para aplicações de imagem (por exemplo, um LED pode produzir menos artefatos de interferência óptica). Para um diodo de laser, a radiação coerente pode introduzir manchas em aplicações de imagem, a menos que sejam tomadas medidas para evitar mancha nas imagens coletadas. Também, LEDs podem estender os comprimentos de onda de excitação para o ultravioleta (por exemplo, para baixo cerca de 240 nm) e podem ser usados para excitação de autofluorescência em amostras biológicas.

[00260] Os inventores reconheceram que alguns sistemas de diodo de laser convencionais compreendem circuito acionador de corrente que pode ser modelado como mostrado como mostrado na Figura 62B. Por exemplo, o acionador de corrente 6-210 pode compreender uma fonte de tensão pulsada 6-230 configurada para transmitir pulsos de corrente a um diodo de laser. Conexão ao diodo de laser é tipicamente feita através de um cabo 6-226, adaptador ou conector 6-224 e um fio simples 6-220 que é ligado a uma pad de contato no diodo de laser 6-210. A conexão entre o adaptador 6-224 e o diodo de laser pode incluir uma indutância de série L1 e resistência de série R1. A conexão pode também incluir capacitâncias de junção pequenas (não mostradas) associadas com contatos e/ou a junção de diodo.

[00261] Os inventores reconheceram e compreenderam que aumentando o número de ligações com fio (por exemplo, entre o conector 6-224 e o diodo de laser 6-201) pode reduzir a indutância e/ou resistência da conexão a um diodo de laser 6-201. Tal redução em indu- tância e/ou resistência pode permitir modulação de corrente de velocidade maior do diodo de laser e pulsos de saída mais curtos. De acordo com algumas modalidades, uma ligação com fio única 6-220 pode ser substituída com ligações com fio paralelo múltiplas para melhorar a velocidade do diodo de laser. Por exemplo, o número de ligações com fio pode ser aumentado para três ou mais. Em algumas implementações, pode haver até 50 ligações com fio a um diodo de laser.

[00262] Os inventores investigaram os efeitos de aumento do número de ligações com fio 6-220 em um diodo de laser comercial. Um laser comercial exemplar considerado foi um diodo de laser Oclaro, modelo HL63133DG, agora disponível da Ushio, de Cypress, Califórnia. Resultados de simulações numéricas de aumento de um número de ligações com fio são ilustrados na Figura 6-2C. A simulação aumentou o número de ligações com fio de uma ligação única para o dispositivo comercial (curva 6-250) para três ligações com fio (curva 6252) e para três ligações com fio (curva 6-254). A corrente de direcionamento média administrada ao diodo de laser para um pulso de 18V fixo foi determinada em uma faixa de frequências para os três casos diferentes. Os resultados indicam que um número maior de ligações com fio permite que mais corrente seja administrada ao diodo de laser em frequências maiores. Por exemplo, a 1 GHz, o uso de apenas três ligações com fio (curva 6-252) permite que mais de quatro vezes mais corrente seja administrada ao diodo de laser do que para uma ligação com fio única. Uma vez que pulsos curtos e ultracurtos requerem largura de banda maior (componentes de frequência maiores para formar o pulso curto), adição de ligações com fio múltiplas permite que os componentes de frequência maiores direcionem o diodo de laser em um pulso mais curto do que uma ligação com fio única. Em algumas implementações, as ligações com fio múltiplas podem se estender entre um pad de contato único ou pads de contato múltiplos em um diodo de laser e um adaptador ou conector 6-224 em um pacote de diodo de laser. O conector pode ser configurado para conexão a um cabo padronizado, externo (por exemplo, a um cabo BNC ou SMA de 50 ohm).

[00263] Em algumas modalidades, o número de ligações com fio e a configuração da ligação com fio podem ser selecionados para corresponder a uma impedância do adaptador e/ou cabo conectado ao diodo de laser. Por exemplo, a impedância das ligações com fio pode ser correspondida com a impedância de um conector 6-224 para reduzir reflexos de energia do diodo de laser para o direcionador de corrente, de acordo com algumas modalidades. Em outras modalidades, a impedância das ligações com fio pode intencionalmente ser incompatível com a impedância de saída do diodo. A incompatibilidade pode gerar um pulso negativo entre pulsos de direcionamento de corrente positivos. Seleção de um método de empacotamento para um diodo de laser (por exemplo, seleção de um número de ligações com fio para um diodo de laser de um adaptador) pode melhorar a modulação de corrente fornecida ao diodo de laser em frequências maiores. Isto pode tornar o diodo de laser mais responsivo a sinais de comutação de ganho de alta velocidade e pode permitir pulsos ópticos mais curtos, redução mais rápida de energia óptica após o pico de pulso e/ou taxas de repetição de pulso aumentadas.

[00264] Com referência agora à Figura 6-3, os inventores reconheceram ainda e compreenderam que a aplicação de uma forma de onda de pulso bipolar 6-300 a um diodo de laser pode suprimir uma cauda de emissão indesejada 6-172 (vide Figura 6-1C) em pulsos ópticos produzidos. Um pulso bipolar pode ser também usado para encurtar um pulso óptico de um LED. Um pulso bipolar pode compreender um primeiro pulso 6-310 de uma primeira polaridade seguido por um segundo pulso 6-312 de uma polaridade oposta. A magnitude do segundo pulso 6-312 pode ser diferente da magnitude do primeiro pulso. Em algumas modalidades, o segundo pulso pode ter uma magnitude que é aproximadamente igual a ou menos do que o primeiro pulso 6-310. Em outras modalidades, o segundo pulso 6-312 pode ter uma magnitude que é maior do que o primeiro pulso 6-310.

[00265] Em algumas modalidades, a magnitude do segundo pulso pode estar entre cerca de 10% da magnitude do primeiro pulso e cerca de 90% da magnitude do primeiro pulso. Em algumas implementações, a magnitude do segundo pulso pode estar entre cerca de 25% da magnitude do primeiro pulso e cerca de 90% da magnitude do primeiro pulso. Em alguns casos, a magnitude do segundo pulso pode estar entre cerca de 50% da magnitude do primeiro pulso e cerca de 90% da magnitude do primeiro pulso. Em algumas modalidades, uma quantidade de energia no segundo pulso pode estar entre cerca de 25% de uma quantidade de energia no primeiro pulso e cerca de 90% da energia no primeiro pulso. Em algumas implementações, uma quantidade de energia no segundo pulso pode estar entre cerca de 50% de uma quantidade de energia no primeiro pulso e cerca de 90% da energia no primeiro pulso.

[00266] O primeiro pulso acionador pode polarizar direto uma junção de diodo de laser e desta maneira gerar portadores na região ativa de diodo que podem recombinar para produzir um pulso óptico. O segundo pulso acionador 6-312, oposto em polaridade, pode polarizar inversa a junção de diodo e acelerar remoção de portadores da região ativa para terminar geração de fóton. Quando o segundo pulso elétrico 6-312 é cronometrado para ocorrer aproximadamente no mesmo tempo que, ou um pouco antes (por exemplo, dentro de cerca de 200 ps), o segundo pulso de oscilação de relaxamento (vide pulso 6-162 da Figura 6-1B), a concentração de portador que de outro modo produziria o segundo pulso óptico é diminuída de maneira que a cauda de emissão 6-172 é suprimida.

[00267] Várias configurações de circuito podem ser usadas para produzir formas de onda de pulso bipolar. A Figura 6-4A mostra apenas um exemplo de um circuito que pode ser usado para acionar um diodo de laser ou um ou mais LEDs com uma forma de onda de pulso bipolar. Em algumas modalidades, uma linha de transmissão 6-410 (por exemplo, uma montagem de condutor de stripline ou co-axial) pode ser configurada em um circuito de pulso 6-400 para administrar pulsos bipolares para um diodo de laser semicondutor 6-420 ou em pelo menos um LED. A linha de transmissão 6-410 pode ser formada em uma configuração em formato de U e polarizada em um primeiro condutor por uma fonte de tensão DC VDD através de um resistor de carregamento Rch. A linha de transmissão pode ter uma impedância que corresponde aproximadamente à impedância de um diodo de laser, de acordo com algumas modalidades. Em algumas modalidades, a impe- dância da linha de transmissão pode ser aproximadamente 50 ohms. Em algumas implementações, a impedância da linha de transmissão pode estar entre aproximadamente 20 ohms e aproximadamente 100 ohms. Em algumas implementações, a impedância da linha de trans- missão pode estar entre aproximadamente 1 ohm e aproximadamente 20 ohms.

[00268] O pulsador 6-400 pode incluir ainda um resistor de terminação Zterm conectado entre o segundo condutor da linha de transmissão em uma extremidade da linha de transmissão e um potencial de referência (por exemplo, aterrado no exemplo mostrado). A outra extremidade do segundo condutor da linha de transmissão pode ser conectada ao diodo de laser 6-420. As extremidades do primeiro condutor da linha de transmissão podem ser conectadas a um comutador M1 (por exemplo, um transistor de efeito de campo ou transistor de junção bipolar) que pode ser ativado para periodicamente fechar as extremidades do primeiro condutor para um potencial de referência (por exemplo, chão).

[00269] Em alguns casos, a impedância de terminação Zterm pode ser aproximadamente igual à impedância da linha de transmissão 6410 a fim de reduzir reflexos de volta para a linha. Alternativamente, a impedância de terminação Zterm pode ser menos do que a impedância da linha a fim de refletir um pulso negativo na linha (após fechamento pelo comutador M1) e para o diodo de laser 6-420. Em algumas implementações, a impedância de terminação Zterm pode incluir um componente capacitivo e/ou indutivo selecionado para controlar o formato do pulso negativo refletido. Um pulsador de linha de transmissão, como mostrado na Figura 6-4A, pode ser usado para produzir pulsos elétricos bipolares tendo uma taxa de repetição dentro de uma faixa entre cerca de 30 Hz a cerca de 200 MHz. De acordo com algumas modalidades, uma linha de transmissão 6-410 para um pulsador de linha de transmissão pode ser formada em uma placa de circuito impresso (PCB), como mostrado na Figura 6-5A.

[00270] A Figura 6-4B mostra uma modalidade de um circuito dire- cionador 6-401 conectado a um diodo semicondutor óptico 6-423 (por exemplo, um diodo de laser ou um ou mais LEDs) que pode ser formado usando componentes diferentes, e que pode ser integrado sobre um substrato (tal como um chip ou PCB). Em algumas modalidades, o circuito pode ser integrado sobre um mesmo substrato que um diodo de laser ou LED 6-423. O circuito direcionador de laser 6-401 pode compreender uma entrada de controle 6-405 conectada à porta ou base de um transistor M1. O transistor pode ser um CMOS FET, um transistor de junção bipolar ou um transistor de mobilidade de elétron alta (tal como um GaN pHEMT), embora outros transistores de manuseamento de corrente alta, alta velocidade, possam ser usados. O transistor pode ser conectado entre uma fonte de corrente 6-430 e um potencial de referência (por exemplo, um potencial da terra, embora outros valores de potencial de referência possam ser usados). O transistor M1 pode ser conectado em paralelo entre a fonte de corrente 6-430 e potencial de referência com o diodo de laser 6-423 (um ou mais LEDs) e um resistor R1 que está conectado em série com o diodo de laser. De acordo com algumas modalidades, o circuito de acionamento 6-401 pode incluir ainda um capacitor C1 conectado em paralelo com o resistir R1 entre o diodo de laser e potencial de referência. Embora um transistor M1 seja descrito, qualquer comutador controlável tendo um estado de condutividade alta e condutividade baixa pode ser usado.

[00271] Em operação, o circuito de acionamento 6-401 pode prover uma corrente que desvia do diodo de laser 6-423 quando o transistor M1 está ligado ou em um estado de condução. Desta maneira, não há nenhuma produção óptica a partir do diodo de laser. Quando o transistor M1 desliga, corrente pode fluir através do diodo de laser devido a um curso resistivo aumentado no transistor. A corrente liga o diodo de laser, até que o transistor seja ligado novamente. Pulsos leves podem ser gerados através de modulação da porta de controle do transistor entre estados ligado e desligado para prover pulsos de corrente para o diodo de laser. Esta abordagem pode reduzir a quantidade de tensão na alimentação e a tensão no transistor necessária para direcionar o laser comparado com algumas técnicas de pulsa- gem, que é um aspecto importante para implementação de tais circuitos de alta velocidade.

[00272] Devido à presença do resistir R1 e capacitor paralelo C1, a carga será formada no capacitor quando o diodo está conduzindo para a frente. Isto pode ocorrer quando o transistor M1 está em um estado "desligado", por exemplo, um estado de condução baixa ou não condução. Quando o transistor é ligado, a tensão armazenada através do capacitor polarizará inverso o diodo. A polarização inversa produz efetivamente um pulso negativo através do diodo de laser, o que pode reduzir ou eliminar a cauda de emissão 6-172 que de outra maneira ocorreria sem o pulso negativo. O valor do resistor R1 pode ser selecionado de maneira que substancialmente toda a carga no capacitor descarregará antes que o comutador seja subsequentemente aberto e/ou um pulso de luz subsequente seja gerado pelo diodo de laser. Por exemplo, a constante de tempo t1 = R1C1 pode ser engenheirada para ser menos do que mais ou menos a metade ou um terço do intervalo de repetição de pulso T. Em algumas implementações, a constante de tempo t1 = R1C1 pode estar entre aproximadamente 0,2 ns e aproximadamente 10 ns.

[00273] Em algumas implementações, o transistor M1 pode ser configurado para comutar para um estado de condução após um primeiro pico de um pulso de luz de saída do diodo de laser. Por exemplo, e se referindo à Figura 6-1B, um circuito de detecção óptica e lógica pode sentir a intensidade em decaimento do primeiro pulso 6-161 e atuar o transistor M1 para comutar para um estado condutor. Em algumas modalidades, o transistor M1 pode ser atuado para comutar para um estado de condução com base em um sinal de clock estável (por exemplo, atuado com referência a uma borda de clock de sincronização). Em algumas implementações, o transistor M1 pode ser atuado para comutar para um estado de condução de acordo com um tempo de retardo predeterminado medido a partir do tempo no qual o transistor M1 comuta para um estado de não condução. Comutação do transistor M1 para um estado de condução em um tempo selecionado pode reduzir a energia do laser um pouco depois do pulso de luz de pico, encurtar o pulso do laser e/ou reduzir a emissão de cauda do pulso.

[00274] Embora o circuito de acionamento mostrado na Figura 6-4B mostre a fonte de corrente 6-430 localizada no lado do anodo do laser, em algumas modalidades uma fonte de corrente pode estar localizada alternativamente, ou adicionalmente, no lado do catodo do laser (por exemplo, conectada entre o transistor M1, resistir R1 e um potencial de referência tal como a terra).

[00275] Outras modalidades do circuito de acionamento para produção de pulsos ultracurtos são possíveis. Por exemplo, um circuito de acionamento de pulso de corrente 6-402 para um diodo de laser ou LED pode compreender uma pluralidade de ramificações de direcionamento de corrente conectadas a um anodo de um diodo de laser, como mostrado na Figura 6-4C. O circuito de acionamento 6-402 pode ser formando usando componentes distintos ou integrados e integrados sobre um substrato (por exemplo, um chip ASIC ou PCB). Em algumas modalidades, o circuito de acionamento pode ser integrado sobre um mesmo substrato que um ou mais diodos semicondutores ópticos 6-425 (por exemplo, um diodo de laser ou um ou mais diodos de emissão de luz). Embora o desenho mostre o circuito de acionamento como conectado ao anodo do diodo de laser 6-425, em algumas modalidades, circuito de acionamento similar pode alternativamente, ou adicionalmente, ser conectado ao catodo do diodo de laser. Circuito de acionamento conectado ao lado do catodo do diodo de laser pode empregar transistores de um tipo oposto e fontes de tensão de polaridade oposta diferentes daqueles usados no lado do anodo do diodo de laser.

[00276] De acordo com algumas implementações, pode haver ramificações de circuito N (por exemplo, ramificações de circuito 6-432, 6434, 6-436) configuradas para aplicar pulsos de corrente polarização direta N a um diodo de laser 6-425 ou LED e ramificações de circuito M (por exemplo, ramificação de circuito 6-438) configuradas para aplicar pulsos de corrente de polarização inversa M ao diodo de laser. Na Figura 6-4C, N=3 e M=1, embora outros valores possam ser usados. Cada ramificação de corrente de polarização direta pode compreender uma fonte de tensão Vi configurada para administrar uma corrente direta ao diodo de laser. Cada ramificação de corrente de polarização reversa pode compreender uma fonte de tensão Vj configurada para administrar uma corrente de polarização inversa ao diodo de laser. Cada ramificação de circuito pode incluir ainda um resistir Ri conectado em série com um comutador ou transistor Mi. Cada ramificação de circuito pode incluir um capacitor Ci conectado em um lado a um nó entre o transistor Mi e o resistir Ri, e conectado no outro lado a um potencial de referência fixo. Em algumas modalidades, a capacitância Ci pode ser capacitância de junção associada com o transistor Mi (por exemplo, capacitância fonte-para-corpo), e um capacitor distinto separado pode não ser provido. Em algumas implementações, pelo menos um resistor adicional pode ser incluído em série com o diodo 6-425 para limitar a quantidade de corrente total administrada a partir das ramificações de circuito.

[00277] Em operação, sinais de controle cronometrados e pulsados podem ser aplicados às entradas de controle Si dos comutadores ou transistores Mi, de maneira a gerar uma sequência de pulsos de cor- rente de cada uma das ramificações de circuito que são somados e aplicados através da junção de diodo de laser. Os valores de componentes em cada ramificação (Vi, Vj, Ri, Ci) e o momento e duração do pulso de pulsos de controle aplicados às entradas de controle Si podem ser independentemente selecionados para produzir uma forma de onda de pulso de corrente bipolar desejada que é aplicada ao diodo de laser 6-425. Apenas como um exemplo, os valores de V1, V2 e V3 podem ser selecionados para ter valores diferentes. Os valores de R1, R2 e R3 podem ser iguais e os valores de C1, C2 e C3 podem ser iguais. Neste exemplo, o escalonamento de sinais pulsados para a entrada de controle Si pode produzir uma sequência escalonada de pulsos de corrente de sobreposição a partir das ramificações de circuito de polarização direta que têm durações de pulso similares, mas amplitudes de pulso diferentes. Um pulso cronometrado da ramificação de circuito de polarização inversa pode produzir um pulso de corrente de polaridade oposta que pode extinguir ou rapidamente desligar o pulso de polarização direta, e pode ainda produzir um pulso de polarização inversa que pode suprimir emissão de cauda a partir do diodo de laser. O pulso de polarização inversa pode ser cronometrado cuidadosamente, de maneira que ele pelo menos se sobreponha parcialmente temporariamente com um ou mais dos pulsos de polarização direta. Desta maneira, o circuito mostrado na Figura 6-4C pode ser usado para sintetizar pulsos de corrente bipolar como mostrado na Figura 6-3.

[00278] A Figura 6-4D mostra uma outra modalidade de um aciona- dor de pulso 6-403, que pode ser fabricado usando os componentes de radiofrequência (RF). Os componentes de RF podem ser projetados para lidar com sinais em frequências entre cerca de 50 MHz e cerca de 1 GHz, de acordo com algumas modalidades. Em algumas implementações, um acionador de pulso 6-403 pode compreender um bloco de DC de entrada 6-435, AC que acopla uma forma de onda de entrada (por exemplo, uma onda quadrada ou onda sinusoidal) ao driver. O bloco de DC pode ser seguido por um amplificador 6-440, que produz formas de onda de saída não invertidas e invertidas que prosseguem ao longo de cursos de circuito separados 6-440a, 6-440b, respectivamente. O primeiro curso de circuito 6-440a pode incluir um ou mais adaptadores 6-442. Um comutador de fase variável 6-445 pode estar incluído no segundo curso de circuito 6-440b para mudar de fase seletivamente o sinal no segundo curso com relação ao sinal no primeiro curso.

[00279] Os primeiro e segundo cursos de circuito podem se conectar a entradas de não inversão de uma porta lógica de RF 6-450 (por exemplo, uma porta AND ou outra porta lógica). Entradas de inversão da porta lógica 6-450 podem ser terminadas com terminadores de im- pedância correspondentes 6-446 para evitar reflexos de energia falsos na porta. As saídas de não inversão e inversão da porta lógica 6-450 podem ser conectadas a um combinador 6-460 ao longo de dois cursos de circuito 6-450a, 6-450b. O curso de circuito invertido 6-450b pode incluir um elemento de retardo 6-454 e atenuador 6-456, um ou ambos podem ser ajustáveis. O elemento de retardo pode ser usado para retardar o sinal invertido com relação ao sinal não invertido e o atenuador pode ser usado para ajustar a amplitude do sinal invertido.

[00280] O sinal invertido e o sinal não invertido resultantes da porta lógica podem então ser somados no combinador 6-460. A saída do combinador 6-460 pode ser conectada a um amplificador de RF 6-470 que provê pulsos bipolares de saída para drive um diodo de laser ou um ou mais LEDs. Os pulsos bipolares de saída podem ter uma forma de onda como mostrado na Figura 6-4E. Em operação, uma onda quadrada ou onda sinusoidal de entrada pode ser acoplada por AC ao driver e se dividir em dois cursos de circuito 6-440a, 6-440b como versões não invertidas e invertidas. O primeiro amplificador 6-440 pode ser um amplificador limitante que torna quadrada uma forma de onda sinusoidal, de acordo com algumas modalidades. No segundo curso de circuito 6-440b a forma de onda invertida pode ser mudada de fase com um comutador de fase ajustável 6-445 para temporariamente retardar a forma de onda invertida com relação à forma de onda não invertida. As formas de onda resultantes do primeiro amplificador 6-440 podem ser então processadas pela porta de lógica de RF 6-450 (por exemplo, uma porta AND) para produzir pulsos de RF curtos nas saídas de não inversão e inversão da porta lógica. A duração dos pulsos de RF curtos pode ser ajustada usando o comutador de fase 6-445, de acordo com algumas modalidades. Por exemplo, o comutador de fase pode ajustar um período de tempo durante o qual ambas a forma de onda não invertida e a forma de onda invertida na entrada para uma porta AND lógica 6-450 estão simultaneamente em um estado "ligado", o que determinará o comprimento dos pulsos de saída.

[00281] Com referência à Figura 6-4 E, os pulsos invertidos curtos 6-417 da porta lógica 6-450 podem ser retardados uma quantidade δ pelo elemento de retardo 6-454 com relação aos pulsos não invertidos 6-415 e atenuados pelo atenuador 6-456 para uma amplitude desejada antes de ser combinados com o pulso não invertido. Em algumas modalidades, a magnitude de pulso negativo IVp-I pode ser menos do que a amplitude de pulso positivo Vp+. O intervalo de separação de pulso T pode ser determinado pela frequência de entrada de onda sinusoidal ou quadrada no driver de pulso 6-403. A forma de onda de pulso de saída pode, ou não, incluir um deslocamento de DC. Embora a forma de onda de saída seja mostrada como tendo uma forma de onda de formato quadrado, capacitâncias e indutâncias nos componentes de RF e/ou cabeamento podem produzir pulsos de saída tendo formas de onda mais arredondadas, mais provável a forma de onda mostrada na Figura 6-3.

[00282] Como mencionado antes em conexão com a Figura 6-4C e a Figura 6-4B, a aplicação de corrente ou tensão a um diodo de laser ou LED pode ser a ambos o anodo e o catodo de um diodo em algumas modalidades. Um circuito de acionamento de pulso de radiofrequência 6-404 que pode aplicar um pulso de tensão ou corrente de divisão ou diferencial a ambos o catodo e anodo de um diodo é mostrado na Figura 6-4F. A extremidade frontal do circuito pode ser similar à extremidade frontal do circuito de acionamento de pulso 6-403 mostrado na Figura 6-4 D, de acordo com algumas modalidades. No entanto, no circuito de acionamento de pulso 6-404 as saídas não invertida e invertida da porta de lógica 6-450 podem não ser combinadas e ao invés disso aplicadas como um drive diferencial ao anodo e catodo do diodo de laser. Para simplificação, o circuito associado com produção de um pulso de polarização inversa negativo subsequente não é mostrado na Figura 6-4F.

[00283] Um exemplo de um acionamento de divisão ou diferencial produzido pelo circuito de acionamento de pulso diferencial 6-404 é mostrado na Figura 6-4G. Uma primeira saída da porta lógica 6-450 pode produzir um pulso positivo 6-416 de amplitude +Vp e uma segunda saída invertida da porta lógica 6-450 pode produzir um pulso negativo 6-418 de amplitude oposta -Vp. Os trens de pulso podem, ou não, ter um deslocamento de DC pequeno em algumas modalidades. A presença do pulso positivo 6-416 e pulso negativo 6-418 produz um pulso de polarização direta através do diodo de laser tendo uma amplitude efetiva 2Vp. Ao dividir a polarização através do diodo de laser e aplicar uma polarização parcial ao anodo e ao catodo, a amplitude dos pulsos de tensão manuseados pelo acionador de pulso 6-404 pode ser efetivamente reduzida por um fator de 2. Desta maneira, o acionador de pulso 6-404 pode operar em uma frequência maior e produz pulsos mais curtos do que seria de outro modo possível para obter pulsos de amplitude maior. Alternativamente, um circuito de acionamento de pulso 6-404 pode efetivamente duplicar a amplitude do pulso de acionamento aplicado através de um diodo de laser comparado com um circuito de acionamento que apenas provê um pulso de polarização +Vp ao anodo do diodo de laser. Em algumas modalidades, a saída de energia do diodo de laser pode ser aumentada.

[00284] Uma outra maneira que a potência aplicada ao diodo de laser e/ou velocidade de acionamento pode ser aumentada é mostrada na Figura 6-4H. De acordo com algumas modalidades, uma pluralidade de saídas de acionador de pulso 6-470 pode ser conectada a um anodo de um diodo de laser 6-425 ou LED. Neste exemplo, quatro acionador de pulsos estão conectados ao anodo do diodo de laser. Em algumas modalidades, em que circuito de acionador de pulso diferencial é usado, pode haver drivers múltiplos conectados ao catodo do diodo de laser também. Cada driver e seu cabeamento associado pode ter uma impe- dância Z0, e um diodo de laser 6-425 pode ter impedância ZL. Devido à sua conexão paralela, as impedâncias de saída dos drivers são divididas pelo número de drivers conectados ao diodo de laser. A energia administrada ao diodo pode ser aumentada quando as impedâncias combinadas dos drivers de pulso são aproximadamente correspondentes à impedância do diodo de laser 6-425 ou vice versa.

[00285] O gráfico na Figura 6-4I ilustra o aumento em eficiência de potência acoplada com o diodo de laser 6-425 para quatro fontes de acionamento como uma função da impedância do diodo de laser e do circuito de diodo de laser. No exemplo, os quatro drivers de pulso têm, cada um, uma impedância de linha de cerca de 50 ohms e são configurados para administrar um pulso de saída de 5 V de amplitude com uma corrente máxima de aproximadamente 100 mA. O gráfico mostra que a energia acoplada ao diodo de laser atinge um máximo quando a impedância do diodo de laser está em aproximadamente 10 ohms. Es- te valor é aproximadamente igual à impedância de saída paralela das quatro saídas de driver de pulso 6-470. Desta maneira, a impedância do diodo de laser 6-425 e seu circuito associado pode ser projetada para corresponder aproximadamente à impedância combinada de um ou mais drivers de pulso usados para direcionar o diodo de laser, de acordo com algumas modalidades.

[00286] Outras configurações de acionamento de circuito podem ser usadas para diodos de laser de pulso ou diodos de emissão de luz. De acordo com algumas modalidades, uma injeção de corrente em um diodo de emissão de luz pode ser pulsada para produzir pulsos de subnanossegundos usando um circuito pulsador descrito em "A simple sub-nanosecond ultraviolet light pulse generator with high repetition rate and peak power," de autoria de P. H. Binh e outros, Rev. Sci. Instr. Vol. 84, 083102 (2013) ou em "An ultraviolet nanosecond light pulse generator using a light emitting diode for test of photodetectors" de autoria de T. Araki e outros, Rev. Sci. Instr. Vol. 68, 1365 (1997).

[00287] Um outro exemplo de um circuito pulsador é mostrado na Figura 6-4J. De acordo com algumas modalidades, um circuito pulsa- dor pode compreender um gerador de pulso 6-480, que pode receber um ou mais sinais de clock a partir do clock do sistema, por exemplo, e produzir um trem de pulsos elétricos para um circuito de acionamento 6-490 que injeta pulsos de corrente em um diodo de laser ou diodo de emissão de luz responsivo aos pulsos elétricos recebidos do gerador de pulso. Desta maneira, os pulsos ópticos de saída podem ser sincronizados com o clock do sistema. O clock do sistema pode ser também usado para operar dispositivos eletrônicos de detecção (por exemplo, uma disposição de imagem).

[00288] De acordo com algumas modalidades, o gerador de pulso 6-480 pode ser formado a partir de uma combinação de componentes eletrônicos passivos e digitais e pode ser formado sobre uma primeira placa de circuito. Em alguns casos, um gerador de pulso pode incluir componentes de circuito análogos. Em outras modalidades, uma porção do gerador de pulso pode ser formada em uma mesma placa que o circuito de acionamento 6-490, e uma porção do gerador de pulso pode ser formada em uma placa separada remota do circuito de acionamento. O circuito de acionamento 6-490 pode ser formado a partir de componentes eletrônicos passivos, análogos e digitais e pode ser formado em uma mesma placa de circuito ou uma diferente que o gerador de pulso ou porção do gerador de pulso. Uma fonte óptica (diodo de laser ou diodo de emissão de luz) pode ser incluída em uma placa de circuito com o acionador de circuito ou pode estar localizada em um sistema e conectada ao circuito de acionamento 6-490 através de ca- beamento de alta velocidade (por exemplo, cabos SMA). Em algumas implementações, o gerador de pulso 6-480 e o circuito de acionamento 6-490 podem incluir elementos lógicos acoplados ao emissor. De acordo com algumas modalidades, o gerador de pulso 6-480, circuito de acionamento 6-490 e diodo semicondutor óptico 6-423 podem ser integrados em uma mesma placa de circuito impresso, laminado ou circuito integrado.

[00289] Um exemplo de um gerador de pulso 6-480 é mostrado na Figura 6-4K. Em algumas implementações, um gerador de pulso pode incluir um primeiro estágio que produz duas saídas de clock diferencias, uma retardada com relação à outra. O primeiro estágio pode receber uma entrada de clock e inclui um fan-out 6-481 e retardo 6-483. O fan-out pode compreender drivers lógicos e inversores lógicos dispostos para produzir duas cópias do sinal de clock e duas cópias invertidas do sinal de clock. De acordo com algumas modalidades, o clock pode ter um ciclo de trabalho simétrico, embora ciclos de trabalho assimétricos possam ser usados em outras modalidades. Uma cópia e uma cópia invertida podem formar uma saída de clock diferencial (c:c, e podem ser retardadas por um elemento de retardo 6-483 com relação a uma segunda cópia e segunda cópia invertida (c:<2, 2?:2). O elemento de retardo pode compreender qualquer elemento de retardo variável ou fixo adequado. Exemplos de elementos de retardo incluem linhas de retardo de RF e retardos de porta lógica. Em algumas implementações, o primeiro par de sinais de clock (c??i, c??i) é retardado pelo menos uma fração de um ciclo de clock com relação ao segundo par de sinais de clock (c:<2, 2?:2). Um retardo pode incluir um ou mais ciclos inteiros em adição a um ciclo fracional. Dentro de cada par de sinais de clock, o sinal invertido pode ser sincronizado com sua con- traparte de maneira que bordas ascendentes e descendentes dos clocks ocorrem essencialmente ao mesmo tempo.

[00290] Os inventores constataram que pulsagem ultracurta de um diodo de laser ou LED pode ser controlada mais confiavelmente ajustando um comprimento de um pulso de acionamento de corrente do gerador de pulso 6-480 e mantendo uma amplitude fixa ao invés de ajustar uma amplitude de um pulso de acionamento de corrente ultra- curto. Ajuste do comprimento do pulso de acionamento de corrente ajusta uma quantidade de energia administrada ao diodo de laser por pulso. Em algumas modalidades, circuitos de alta velocidade permitem controle de alta resolução de fase de sinal (por exemplo, através do ajuste de um retardo ou fase dentro de um elemento de retardo análogo ou digital 6-483), que pode ser usado para obter controle de alta resolução de comprimento de pulso, de acordo com algumas implementações.

[00291] Em alguns casos, o primeiro estágio do gerador de pulso 6480 pode compreender um clock de saída duplo ao invés do fan-out 6481 e retardo 6-483. Um clock de saída duplo pode gerar dois sinais de clock diferenciais e provê retardo de fase ajustável entre os dois sinais de clock diferenciais. Em algumas implementações, o retardo de fase ajustável pode ter uma resolução de tempo correspondente tão baixa quanto 3 ps.

[00292] Sem importar como os sinais de clock retardados CK1, CK3 e seus inversos são produzidos, os sinais podem ser transmitidos em linhas de transmissão de alta velocidade para uma porta lógica de alta velocidade 6-485. Para transmissão de sinal em cabos entre placas, os pulsos de clock podem se deteriorar devido a cabeamento. Por exemplo, largura de banda limitada de linhas de transmissão pode distorcer os pulsos de clock diferencialmente e resultar em tempo desigual. Em algumas implementações, um mesmo tipo de cabeamento ou linha de transmissão pode ser usado para todos os sinais de clock, de maneira que distorções de transmissão afetam os quatro sinais de clock igualmente. Por exemplo, quando distorções de sinal e deslocamentos de tempo são essencialmente iguais para os quatro sinais de clock, um pulso de acionamento resultante produzido pela porta lógica de recepção 6-485 será essencialmente igual como se não houvesse quaisquer distorções de sinal da transmissão dos sinais de clock. Desta maneira, transmissão de sinais de clock por distâncias de vários pés pode ser tolerada sem afetar a duração do pulso de acionamento. Isto pode ser útil para produção de pulso de acionamentos ultracurtos que são sincronizados com um clock do sistema e têm duração de pulso finamente ajustável (por exemplo, ajustável em aumentos de cerca de 3 ps). Se os sinais de clock forem produzidos localmente (por exemplo, na mesma placa que o circuito de acionamento 6-490), distorções de sinal associadas com transmissão dos sinais de clock podem não ser significantes e as linhas de transmissão podem diferir até certo ponto.

[00293] De acordo com algumas modalidades, os sinais de clock podem ser acoplados por AC com capacitores C1 e providos a entra- das de dados de uma porta lógica de alta velocidade 6-485. Os capaci- tores C1 podem ter uma capacitância entre cerca de 10 nF e cerca de 1 μF. De acordo com algumas modalidades, a porta lógica pode compreender uma porta AND/NAND diferencial, de duas entradas, lógica acoplada pelo emissor (ECL). Um exemplo de porta lógica 6-485 inclui modelo MC100EP05 disponível da ON Semicondutor of East Greenwich, Rhode Island. Os sinais acoplados a AC nas entradas de dados da porta lógica podem aparecer semelhantes aos sinais mostrados na Figura 6-4L, onde a linha horizontal pontilhada indica um nível de tensão zero. As representações na Figura 6-4L não incluem distorções introduzidas por linhas de transmissão. As distorções podem arredondar ou alterar os formatos dos perfis de sinal, mas podem não afetar as fases relativas dos sinais de clock quando um mesmo tipo e comprimento de cabeamento é usado para cada sinal de clock. O elemento de retardo 6-483 pode prover um retardo Δt indicado pelas linhas pontilhadas verticais, que podem ser ajustáveis em aumentos tão pequenos quanto 3 ps. Em algumas implementações, um elemento de retardo 6-483 pode prover um retardo ajustável em aumentos tendo um valor entre 1 ps e 10 ps. A porta lógica 6-485 pode processar os sinais de clock recebidos e produzir um sinal de saída em uma porta de saída Q correspondendo ao retardo introduzido pelo elemento de retardo 6-483. Com um pequeno retardo, a saída compreende uma sequência de pulsos curtos ou ultracurtos. Com uma porta lógica de alta velocidade 6-485, as durações de pulso podem estar entre cerca de 50 ps e cerca de 2 ns (FWHM) em algumas modalidades, entre cerca de 50 ps e cerca de 0,5 ns em algumas modalidades, entre cerca de 50 ps e cerca de 200 ps em algumas modalidades e ainda entre cerca de 50 ps e cerca de 100 ps em algumas modalidades. Os pulsos de acionamento da porta Q podem ter um perfil substancialmente quadrado devido a taxas de giro de alta velocidade da porta lógica ECL 6- 485. Um circuito de polarização 6-487 pode ser conectado à porta de saída Q e uma tensão V1 aplicada para lógica acoplada pelo emissor positiva. Pulsos de saída providos a partir de uma Pout terminal de saída do gerador de pulso 6-480 pode incluir uma um deslocamento de DC, de acordo com algumas modalidades.

[00294] Em algumas implementações, duas ou mais portas lógicas de alta velocidade 6-485 podem ser conectadas em paralelo entre os capacitores C1 e o circuito de polarização 6-487. As portas lógicas podem ser iguais e operar em paralelo para prover capacidade de acionamento de corrente maior em uma saída do gerador de pulso. Os inventores reconheceram e compreenderam que a porta lógica 6-485, ou portas, precisa prover comutação de alta velocidade (isto é, tempos de elevação e abaixamento rápidos para produzir pulsos de acionamento ultracurtos) e precisa prover corrente de saída suficiente para acionar um transistor de corrente alta M1 no circuito acionador 6-490. Em algumas implementações, portas lógicas de conexão 6-485 em paralelo proveem desempenho aperfeiçoado do circuito pulsador e permitem produção de pulsos ópticos de abaixo de 100-ps.

[00295] A Figura 6-4M mostra uma modalidade de um circuito acio- nador 6-490, que pode ser conectado a um diodo de laser ou LED 6423. Um circuito acionador pode incluir uma entrada acoplada a AC, tendo um capacitor C2 em série com um resistor R3, conectada a uma porta de um transistor de alta velocidade M1. Capacitância de C2 pode estar entre aproximadamente 0,1 μF e aproximadamente 10 μF, de acordo com algumas modalidades, e R3 pode ter um valor entre aproximadamente 10 ohms e aproximadamente 100 ohms. O transistor M1 pode compreender um transistor de efeito de campo de mobilidade de elétron alta (HEMT FET) capaz de comutar correntes altas (por exemplo, pelo menos um amper e, em alguns casos, até quatro amperes ou mais), de acordo com algumas modalidades. O transistor M1 pode ser um transistor de alta velocidade capaz de comutar correntes grandes em velocidades multi-gigahertz. De acordo com algumas modalidades, o transistor M1 pode comutar mais de 1 amp por uma duração de pulso elétrico entre cerca de 50 ps e cerca de 2 ns em uma taxa de repetição entre 30 Hz e aproximadamente 200 MHz. Um exemplo de transistor M1 inclui modelo ATF-50189-BLK disponível da Avago Technologies of San Jose, Califórnia. Elementos de circuito de polarização e filtragem (por exemplo, resistores R4, R7 e C3) podem ser conectados entre o capacitor C2 e a porta do transistor M1. O dreno do transistor M1 pode ser diretamente conectado a um catodo de um diodo de laser ou diodo de emissão de luz 6-423 e uma fonte de transistor M1 pode ser conectada a um potencial de referência (por exemplo, terra). O anodo do diodo 6-423 pode conectar à fonte de tensão de diodo VLD. Um resistor R6 e um capacitor C4 podem ser conectados em paralelo através do diodo 6-423. De acordo com algumas modalidades, o resistir R6 pode ter um valor entre aproximadamente 50 ohms e aproximadamente 200 ohms e C4 pode ter uma capacitância entre aproximadamente 5 pF e aproximadamente 50 pF. Um capacitor C5 (tendo um valor entre aproximadamente 1 μF e aproximadamente 5 μF) pode ser também conectado entre a fonte de tensão de diodo VLD e um potencial de referência (por exemplo, chão) em paralelo com o diodo 6-423 e transistor M1.

[00296] Em algumas modalidades, um diodo de proteção (não mostrado) pode ser conectado em uma direção inversa através do catodo e anodo do diodo de laser 6-423. O diodo de proteção pode proteger o diodo de laser de potencial de polarização inversa excessivo que poderia romper a junção de diodo de laser.

[00297] Em operação, um pulso do gerador de pulso 6-480 momentaneamente liga o transistor M1, permitindo que corrente seja injetada na região ativa de diodo de laser ou diodo de emissão de luz 6-423. Em algumas implementações, uma grande quantidade de corrente direta (por exemplo, até quatro amperes) flui através do transistor M1 rapidamente. A corrente direta injeta portadoras na junção de diodo e produz um pulso curto ou ultracurto de radiação óptica. Quando o transistor M1 desliga, indutâncias parasitas continuam o fluxo de corrente através do diodo de emissão de luz ou diodo de laser, formando carga no lado do catodo do diodo, até que ela possa ser dissipada pela rede de RC conectada em paralelo com o diodo de laser. Esta formação temporária de carga no catodo provê um pulso de polarização inversa para o diodo de laser e acelera a remoção de portadoras a partir da região ativa. Isto acelera o término do pulso óptico.

[00298] Os inventores constataram que a técnica de pulsagem óptica descrita para a modalidade da Figura 6-4M é superior às técnicas de pulsagem baseadas em pulsos de onda quadrada diferenciadores, porque ela pode prover um pulso de corrente maior e mais curto que pode ser requerido para ligar um diodo de laser.

[00299] Os inventores montaram vários circuitos de acionamento de pulso e os usaram para acionar diodos de laser. A Figura 6-5A mostra uma outra modalidade de um circuito pulsador montado 6-500. Esta modalidade implementa um pulsador 6-400 como mostrado na Figura 6-4A. No circuito montado, a linha de transmissão 6-410 é formada como uma stripline de placa paralela padronizada em uma configuração em formato de U em uma placa de circuito impresso, como mostrado na Figura. Um transistor GaN pHEMT foi usado como um interruptor de derivação M1 para encurtar duas extremidades da linha de transmissão de formato em U. O circuito pulsador 6-500 pode ser operado em taxas de repetição de até 100 MHz e usado para acionar uma carga de 50 ohm. Em algumas modalidades, um circuito pulsador pode ser operado em taxas de repetição entre aproximadamente 10 MHz e aproximadamente 1 GHz.

[00300] Uma forma de onda medida do pulsador 6-500 é mostrada na Figura 6-5B. A forma de onda mostra um pulso positivo tendo uma amplitude de aproximadamente 19,5 V seguido por um pulso negativo que atinge uma amplitude de aproximadamente -5 V seguindo o pulso positivo. A duração do pulso positivo é aproximadamente 1,5 nanos- segundo. Com referência novamente à Figura 6-4A, o pulsador 6-500 foi construído para ter um resistor de terminação Zterm de aproximadamente 50 ohms e um resistor pull-up (de aumento) ou carregamento Rch de aproximadamente 200 ohms. O valor de Zterm foi escolhido para reduzir os reflexos de energia da resistência de terminação de volta para a linha de transmissão. A polarização aplicada à linha de transmissão 6-410 foi 100 V, e o interruptor M1 foi acionado em uma taxa de repetição e 100 MHz. Aproximadamente -1,3 V de polarização de DC foi acoplado ao diodo através de um T de polarização, para ajustar o deslocamento relativo de polarização 0 V. O pulso acionador para o interruptor M1 era um sinal de onda quadrada oscilando entre aproximadamente 0 V e aproximadamente 2 V.

[00301] Um acionador de leito de teste comercial foi usado para acionar um diodo de laser comercial (Ushio modelo HL63133DG) para produzir pulsos ópticos abaixo de 100 ps. Medições de pulo óptico são mostradas na Figura 6-5C e Figura 6-5D. Como mostrado na Figura 65C, pulsos com emissão de cauda reduzida foram produzidos em uma taxa de repetição de 100 MHz. A energia média do diodo de laser foi medida ser cerca de 8,3 milliwatts. A duração do pulso, mostrada na Figura 6-5D, foi medida ser aproximadamente 84 picossegundos. A intensidade da emissão óptica do diodo de laser foi verificada ser reduzida em aproximadamente 24,3 dB aproximadamente 250 ps após o pico do pulso. Embora o diodo de laser tivesse um fio de ligação único para o diodo, pulsos de menos de 100 ps foram produzidos. Pulsos mais curtos (por exemplo, entre cerca de 25 ps e cerca de 75 ps) po- dem ser produzidos com fios de ligação múltiplos ou com mais aper-feiçoamentos no circuito pulsador.

[00302] A Figura 6-6A mostra um exemplo de um laser semicondutor 6-600 que pode ser usado para produzir pulsos ópticos através de comutação de ganho, de acordo com qualquer um dos aparelhos e técnicas de comutação de ganho descritos acima. O circuito de acionamento de laser e pulso pode ser produzida em massa e fabricado com custo baixo. Por exemplo, o laser pode ser microfabricado como um dispositivo de emissão de borda usando tecnologia de circuito integrado planar. Tal laser pode ser referido como um laser de guia de onda óptico acoplado à placa (SCOWL). O desenho mostra uma vista em elevação, com ponto final, do laser. O laser pode ser formado a partir de um sistema de material GaAs/AlGaAs (por exemplo, para emitir radiação nas regiões do verde, vermelho ou infravermelho do espectro óptico), mas outros sistemas de material (tal como GaN/AlGaN) podem ser usados em algumas implementações (por exemplo, para emitir radiação nas regiões do verde, azul ou ultravioleta do espectro). Diodos de laser podem ser fabricados de outros sistemas de material semicondutor que incluem, mas não estão limitados a: InP, AlInGaP, InGaP e InGaN.

[00303] De acordo com algumas modalidades, um SCOWL pode ser formado em um substrato do tipo n ou camada tampão 6-627 (por exemplo, um substrato de GaAs ou camada de GaAs que pode compreender Al). Por exemplo, uma camada tampão pode compreender AlxGa1-xAs onde x é entre aproximadamente 0,25 e aproximadamente 0,30. O índice refrativo da camada de substrato ou base pode ter um primeiro valor n1 que é entre cerca de 3,4 e 3,5, de acordo com algumas modalidades. Uma camada de transporte de elétron 6-617 de material semicondutor do tipo n com pouca dopagem pode ser formada no substrato 6-627. Em algumas modalidades, a camada de transporte de elétron 6-617 pode ser formada por crescimento epitaxial para compreender AlxGa1-xAs onde x é entre aproximadamente 0,20 e aproximadamente 0,25 e tem uma concentração de dopante do tipo n de aproximadamente 5x106 cm-3. A espessura h da camada de transporte de elétron pode estar entre cerca de 1 mícron e cerca de 2 mícrons. A camada de transporte 6-617 pode ter um segundo valor de índice de refração n2 que é maior do que n1. Uma região de cavidade quantum múltipla 6-620 pode então ser formada na camada de transporte de elétron 6-617. A região de camada quantum múltipla pode compreender camadas alternadas de materiais (por exemplo, camadas alternadas de AlGaAs/GaAs) tendo concentrações de dopagem diferentes que modulam lacunas de banda de energia na região MQW. As camadas na região de cavidade quantum 6-620 (que podem ter espessuras entre aproximadamente 20 nm e aproximadamente 200 nm) podem ser depositadas por epitaxia, deposição de camada atômica ou um processo de deposição por vapor adequado. A região de camada quantum múltipla pode ter um terceiro valor eficaz de índice refrativo n3 que é maior do que n2. Uma camada de orifício-transporte 6-615 de material dopado do tipo p pode ser formada adjacente à região de cavidade quantum, e tem um valor de índice refrativo n4 que é menos do que n2. Em algumas modalidades, os valores de índice refrativo para as regiões diferentes de um SCOWL podem ser como ilustrado na Figura 6-6B, de acordo com algumas modalidades. Em algumas modali-dades, um SCOWL pode compreender semicondutor de GaN e suas ligas ou semicondutor de InP e suas ligas.

[00304] Após as camadas do dispositivo de laser terem sido depositadas, valas 6-607 podem ser feitas nas camadas para formar uma região ativa do laser tendo uma largura w que é entre cerca de 0,25 mícron e cerca de 1,5 mícron. Um contato n 6-630 pode ser formado em uma primeira superfície do dispositivo, e um contato p 6-610 pode ser formado na camada de transporte do tipo p 6-615, adjacente à região ativa. Superfícies expostas das camadas de semicondutor podem ser passivadas com um óxido ou outra camada eletricamente isolante, de acordo com algumas modalidades.

[00305] As valas 6-607 adjacentes à região ativa e os valores de índices refrativos n1, n2, n3 e n4 confinam o modo óptico do laser a uma região de laser 6-625 que é adjacente às cavidades quantum e sob a viga central do dispositivo, como mostrado no desenho. Um SCOWL pode ser projetado para acoplar modos transversos de ordem maior, que poderiam de outro modo se formar e emitir laser na região de laser 6-625, a modos de placa de ordem maior com perda em regiões adjacentes. Quando projetados apropriadamente, todos os modos transversos de ordem maior da região de laser 6-625 têm perda relativa alta comparado com o modo fundamental na região de laser e não emitirão laser. Em algumas implementações, o modo óptico transverso do SCOWL 6-600 pode ser um modo transverso único. A largura do modo óptico pode ser entre aproximadamente 0,5 mícron e aproximadamente 6 mícrons. Um perfil de modo 6-622, obtido na direção x, pode ser moldado como mostrado na Figura 6-6B, de acordo com algumas modalidades. Em outras implementações, um SCOWL pode produzir modos transversos ópticos múltiplos que são providos a um instrumento analítico 1-100. O comprimento da região ativa (ao longo de uma dimensão na página) pode ser entre 20 mícrons e 10 mm, em algumas modalidades. A potência de saída do SCOWL pode ser aumentada selecionando um comprimento mais longo da região ativa. Em algumas modalidades, um SCOWL pode administrar uma energia de saída média de mais do que 300 mW.

[00306] Embora um laser semicondutor (por exemplo, um SCOWL) e circuito pulsador possam ser combinados para fazer um laser pulsado, ultrarrápido, de custo baixo, adequado para muitas aplicações, a taxa de desligamento mostrada na Figura 6-5D pode não ser adequada para algumas análises de tempo de vida fluorescente. Em alguns casos, um desligamento mais rápido pode ser necessário. Por exemplo, os inventores constataram que algumas medições com base em tempo de vida fluorescente podem requerer que a causa de pulso seja extinta para um nível entre aproximadamente 25 dB e aproximadamente 40 dB abaixo do pico de pulso dentro de 25 ps após o pico de pulso. Em alguns casos, a energia de pulso pode precisar cair para esta faixa de valores dentro de 100 ps após o pico de pulso. Em algumas implementações, a cauda de pulso pode precisar cair para um nível entre aproximadamente 40 dB e aproximadamente 80 dB abaixo do pico de pulso dentro de 250 ps após o pico de pulso. Em algumas implementações, a causa de pulso pode precisar cair para um nível entre aproximadamente 80 dB e aproximadamente 120 dB abaixo do pico de pulso dentro de 250 ps após o pico de pulso.

[00307] Uma abordagem para supressão adicional da cauda de emissão de um pulso é incluir um absorverdor saturável com um sistema de laser pulsado ou LED de brilho alto. De acordo com algumas modalidades, um absorvedor saturável semicondutor 6-665 pode ser incorporado a um mesmo substrato que um laser semicondutor 6-600 ou LED de brilho alto, como mostrado na Figura 6-6C. O laser semicondutor pode compreender uma estrutura de SCOWL que inclui uma região de cavidade quantum 6-620, de acordo com algumas modalidades. O SCOWL pode ser acionado com uma fonte pulsada 6-670, tal como um circuito pulsador 6-400 ou outro circuito de pulso descrito acima.

[00308] Adjacente a uma extremidade do SCOWL, um absorvedor saturável 6-665 pode ser formado. O absorvedor saturável 6-665 pode compreender uma região tendo uma lacuna de banda que é feita sob medida para absorver fótons a partir do laser semicondutor. Por exemplo, o absorvedor saturável pode compreender uma cavidade quantum única ou cavidades quantum múltiplas que têm pelo menos uma lacuna de banda de energia que é aproximadamente igual a uma energia característica da emissão óptica do laser. Em algumas modalidades, um absorvedor saturável pode ser formado através de implante de íon em uma região do diodo de laser, de maneira a isolar eletricamente a região dentro da cavidade de diodo de laser. Uma polarização negativa pode ser aplicada à região para encorajar absorção ao invés de ganho para a mesma estrutura de diodo de laser. Em alta fluência a partir do laser 6-600, a banda de valência do absorvedor sa- turável pode se tornar depletada de portadoras e a banda de condução pode encher, impedindo absorção adicional pelo absorvedor saturável. Como resultado, o absorvedor saturável fica limpo, e a quantidade de radiação absorvida a partir do laser é reduzida. Desta maneira, o pico de um pulso de laser pode "perfurar" o absorvedor saturável com uma atenuação menor em intensidade do que a cauda ou asas do pulso. A cauda do pulso pode então ser suprimida mais com relação ao pico do pulso.

[00309] De acordo com algumas modalidades, um refletor alto (não mostrado) pode ser formado ou localizado em uma extremidade do dispositivo. Por exemplo, o refletor alto pode estar localizado em uma extremidade do laser, mais distante do absorvedor saturável, de maneira a redirecionar emissão de laser através do absorvedor saturável e aumentar a energia de saída. De acordo com algumas modalidades, um revestimento antirreflexo pode ser aplicado a uma extremidade do absorvedor saturável e/ou SCOWL para aumentar a extração a partir do dispositivo.

[00310] De acordo com algumas modalidades, um absorvedor satu- rável pode incluir uma fonte de polarização 6-660. A fonte de polarização pode ser usada para varrer portadoras para fora da região ativa após cada pulso e aperfeiçoar a resposta do absorvedor saturável. Em algumas modalidades, a polarização pode ser modulada (por exemplo, na taxa de repetição de pulso) para tornar o tempo de recuperação saturável dependente do tempo. Esta modulação pode aperfeiçoar mais características de pulso. Por exemplo, um absorvedor saturável pode suprimir uma cauda de pulso através de absorção diferencialmente maior em intensidade baixa, se o tempo de recuperação do ab- sorvedor saturável for suficiente. Tal absorção diferencial pode também reduzir o comprimento do pulso. O tempo de recuperação de um absorvedor saturável pode ser ajustado aplicando ou aumentando uma polarização inversa ao absorvedor saturável.

II. E. Modulação Direta de Saída de Laser

[00311] Os inventores reconheceram a compreenderam que é também possível fazer pulsos ultrarrápidos a partir de um laser de onda contínua através de modulação direta da saída do laser. Modulação direta da saída do laser pode ser feita, em algumas modalidades, usando um arranjo de comutação 7-100 de comutadores ópticos em cascata, como mostrado na Figura 7-1A. de acordo com algumas modalidades, os comutadores ópticos 7-105 podem ser conectados por fibras ópticas ou guias de onda ópticos 7-102 e os sinais de controle podem ser aplicados a entradas de controle 7-103 dos comutadores ópticos. Em algumas implementações, o arranjo de comutação 7-100 pode ser integrado a um substrato único, por exemplo, como um arranjo integrado de guias de onda e comutadores eletro-ópticos tais como comutadores de niobato de lítio.

[00312] Os comutadores ópticos 7-105 no arranjo de comutação podem ser configurados para receber um sinal óptico em uma porta de entrada 7-101 e comutar o sinal óptico entre a primeira porta de saída P1 e uma segunda porta de saída P2 em um primeiro comutador S1. Em algumas modalidades, a comutação do sinal óptico pode ser im- plementada aplicando um sinal de acionamento em uma entrada de controle 7-103 do comutador óptico S1. Por exemplo, o sinal de acionamento pode aplicar um campo elétrico a um elemento eletro-óptico do comutador. Em algumas modalidades, um comutador óptico 7-105 pode incluir duas portas de entrada, embora apenas uma porta de entrada 7-101 seja mostrada no desenho.

[00313] Em algumas implementações, um comutador óptico 7-105 pode compreender um comutador interferométrico Mach-Zehnder que pode ser eletro-opticamente controlado, respondendo a um sinal de entrada de controle aplicado a uma porta de entrada 7-103. Por exemplo, um curso óptico do interferômetro Mach-Zehnder pode incluir um comprimento de niobato de lítio ao qual um campo elétrico é aplicado responsivo ao sinal de controle. O campo elétrico aplicado pode mudar o índice refrativo do niobato de lítio e desta maneira mudar o comprimento do curso óptico neste braço do interferômetro. Desta maneira, aplicação de um campo elétrico aplicado pode mudar um sinal de saída de uma primeira porta P1 para uma segunda porta P2, e desta maneira ser usado para comutar a energia óptica de entrada para a frente e para trás entre as duas portas de saída rapidamente.

[00314] De acordo com algumas modalidades, um sinal de controle aplicado a uma entrada de controle 7-103 pode ser uma onda quadrada, por exemplo, embora em algumas modalidades sinais de controle sinusoidais possam ser usados. A aplicação da onda quadrada a um comutador óptico pode modular eficazmente a energia de saída que flui de uma das suas portas de saída (por exemplo, uma vez que luz é direcionada para e para longe da porta). Declarado de maneira alternativa e com referência à Figura 7-1B, a perda de inserção do comutador, como visto através de uma porta de saída, modula entre um valor baixo (por exemplo, um estado ligado 7-131) e um valor alto (por exemplo, um estado desligado 7-132) responsivo a sinal de controle aplicado. Tais modulações em perda como visto a partir de uma porta de saída são mostradas na Figura 7-1B para comutadores ópticos S1, S2, S4, S8, S9 ao longo de uma ramificação superior do arranjo 7-100. Neste exemplo, comutadores S4, S8 e S9 são mostrados como sendo controlados juntos e escalonados em tempo das modulações de comutadores S1 e S2.

[00315] Em algumas modalidades, um comutador óptico em um estado ligado 7-131 pode exibir uma perda de inserção entre cerca de 0 dB e cerca de 3 dB. Em algumas implementações, um comutador óptico em um estado desligado 7-132 pode aumentar a perda de inserção em cerca de 20 dB ou mais. De acordo com algumas modalidades, um comutador óptico em um estado desligado 7-132 pode exibir uma perda entre cerca de 15 dB e cerca de 25 dB.

[00316] As modulações de perdas de inserção para os comutadores leva a modulações correspondentes em intensidades de saída das portas do arranjo de comutação 7-100, como mostrado na Figura 71C. Por exemplo, a aplicação de uma onda quadrada a um primeiro comutador S1 pode modular a saída de intensidade de sua primeira porta P1 entre um valor baixo e um valor alto, como mostrado no traço superior da Figura 7-1C. Em operação, a intensidade recebida na porta de entrada 7-101 do primeiro comutador S1 alterna como pulsos de saída 7-135 entre as duas portas de saída P1 e P2 devido à ação de comutação. De acordo com algumas implementações, o tempo dos sinais de controle para sucessivas comutações ao longo de um curso de cascata pode ser diferente do tempo para um comutador precedente. Por exemplo, o tempo para o sinal de controle para o segundo comutador S2 pode ser retardado em tempo com relação ao sinal de controle para o primeiro comutador S1, como indicado na Figura 7-1B. O segundo comutador S2 pode operar da mesma maneira que o primeiro comutador, no entanto, sua ação de comutação pode ser deslo- cada em tempo com relação ao primeiro comutador S1. Como resultado, o segundo comutador S2 alternará a energia recebida em sua entrada (da porta de saída P1 do comutador S1) entre suas portas de saída P3 e P4.

[00317] O tempo de modulação de perda (como visto através da Porta P3) para o segundo comutador S2 é mostrado no traço do meio da Figura 7-1B e mostra o deslocamento de tempo das modulações do primeiro comutador S1. A intensidade correspondente de luz que é recebida a partir da porta de saída P3 do segundo comutador é mostrada no traço do meio da Figura 7-1C. De uma maneira similar, o tempo de um sinal de controle aplicado ao terceiro comutador S4 no curso óptico é deslocado em tempo como mostrado na Figura 7-1B no traço inferior. Desta maneira, o pulso óptico recebido a partir de uma porta de saída P8 do arranjo de comutação 7-100 é encurtado mais como mostrado na Figura 7-1C no traço inferior. Como indicado pelos dese-nhos, a cascata dos dois comutadores com sinais de controle de des-locamento e modulações reduz o comprimento do pulso de um pulso de entrada recebido aproximadamente pela metade para cada comutação sucessiva em um curso óptico para comutadores operando com ciclos de trabalho iguais.

[00318] Nos diagramas da Figura 7-1B e Figura 7-1C, a razão de ligado-para-desligado ou razão de extinção dos comutadores foi artificialmente reduzida para mostrar um nível de ruído de base 7-140. Na prática, a razão de extinção dos comutadores ópticos pode ser apreciavelmente maior do que aquela mostrada nos desenhos. Por exemplo, cada comutador óptico pode exibir uma razão de extinção de 20 dB ou mais.

[00319] Em algumas modalidades, a razão de extinção do comutador 7-105 pode não ser alta o suficiente para prover uma razão de desligamento desejada de um pulso. Por exemplo, a intensidade da cauda 7-150 de um pulso pode ser muito alta para algumas aplicações. Os inventores reconheceram e compreenderam que adição de comutadores de atenuação 7-120 em uma porta de saída pode reduzir mais a intensidade de uma cauda 7-150 na porta de saída. Um comutador óptico de atenuação 7-120 pode compreender um comutador óptico do mesmo tipo (por exemplo, um comutador óptico Mach- Zender) que é comutado em uníssono com um comutador óptico a montante 7-105. O comutador óptico de atenuação pode ter uma porta de saída que é descarregada em um bloco de feixe 7-110, por exemplo. Ao adicionar comutadores ópticos de atenuação 7-120 a uma porta de saída, a razão de extinção de um comutador óptico a montante (por exemplo, comutador S4) pode ser aumentada como o produto das razões de extinção dos comutadores ópticos (S4, S8, S9) que são comutados em uníssono.

[00320] O exemplo descrito em conexão com a Figura 7-1B e a Figura 7-1C utiliza entradas de sinal de controle operando em uma mesma frequência para todos os comutadores ópticos no arranjo de comutador 7-1000, mas que são escalonados em tempo com relação um ao outro. Em algumas modalidades, o tempo do sinal de controle de comutação pode ser acionado e/ou sincronizado a partir de um os- cilador máster, por exemplo, um relógio que roda em uma frequência que é um múltiplo da frequência de comutação. Em algumas modalidades, frequências diferentes podem ser aplicadas aos comutadores ópticos diferentes ao longo de cada curso óptico. Por exemplo, duplicação de frequência de um sinal controle pode ser implementada para comutadores sucessivos ao longo de um curso óptico do arranjo 7100.

[00321] Como um exemplo de comutação em frequências diferentes, um primeiro comutador óptico S1 pode ser acionado em uma primeira frequência de comutação f1, como mostrado no traço superior da Figura 7-1D. Um segundo comutador óptico S2 no curso óptico pode ser acionado em uma frequência f2 que é o dobro da primeira frequência. Um terceiro comutador S4 no curso óptico pode ser acionado em uma frequência f3 que é o dobro da frequência do segundo comutador óptico S2. Em algumas implementações, os sinais de acionamento de todos os comutadores ópticos ao longo do curso óptico podem ser sincronizados com sinal de acionamento do primeiro comutador. Os pulsos de saída correspondentes das sucessivas portas de saída P1, P3, P8 para tal modalidade são mostrados na Figura 7-1E. Novamente, o pulso de saída é reduzido por um fator de dois para cada comutador sucessivo, embora esta modalidade requeira frequências de clock maiores para comutadores sucessivos.

[00322] Uma vantagem de acionar os comutadores ópticos 7-105 em frequências diferentes é que o desligamento de um pulso pode ser aumentado comparado com o método descrito acima em conexão com a Figura 7-1B e Figura 7-1C. Por exemplo e se referindo à Figura 7- 1E, a cauda 7-150 do pulso de saída de uma porta de saída P8 pode ser suprimida pelo desligamento combinado (produto de razões de extinção) dos comutadores ópticos S1, S2 e S4 no curso a montante. Este efeito pode ser visto a partir da modulação de perda de traços na Figura 7-1D, que mostra que cada um dos comutadores S1, S2 e S4 é comutado para um estado desligado na cauda do pulso a partir da porta de saída P7. Comutadores de atenuação adicionados 7-120 podem, ou não, ser adicionados à saída P7, em algumas modalidades. Uma desvantagem de aplicação de frequências diferentes a comutadores ópticos diferentes é que sinais de acionamento de frequência maior serão necessários para o arranjo de comutação 7-100. Por exemplo, uma frequência requerida no último comutador óptico pode estar na ordem da duração de pulso de saída, em algumas modalidades.

[00323] Em algumas modalidades, uma combinação das técnicas descritas em conexão com Figura 7-1B, Figura 7-1C e Figura 7-1D, Figura 7-1E pode ser empregada. Por exemplo, um primeiro conjunto de comutadores ópticos em um curso óptico pode ser acionado com frequências diferentes como indicado na Figura 7-1D. Subsequentemente, um segundo conjunto de comutadores ópticos 7-105 no mesmo curso óptico pode ser acionado com a mesma frequência de acionamento, onde cada sinal de acionamento é escalonado no tempo com relação a um sinal de acionamento anterior para um comutador óptico anterior, como indicado na Figura 7-1B.

III. Acoplamento de Pulsos Ópticos a um Chip Bio-optoeletrônico

[00324] De acordo com algumas implementações, um laser pulsado 1-110 pode ser montado em um instrumento analítico portátil 1-100 e uma saída do laser pulsado pode ser usada para excitar amostras biológicas ou químicas em uma ou mais câmaras de reação localizadas dentro do instrumento. O instrumento pode ter componentes ópticos adicionais entre o laser pulsado e câmaras de reação dispostas para guiar um feixe de saída do laser pulsado para a uma ou mais câmaras de reação. Como descrito acima, um instrumento pode ser configurado para receber um chip bio-optoeletrônico 1-140 que inclui um ou mais guias de onda e pelo menos um acoplador óptico (por exemplo, um acoplador de rede) disposto no chip para acoplar pulsos ópticos a um ou mais guias de onda. Os guias de onda podem administrar radiação a partir dos pulsos ópticos para uma pluralidade de câmaras de reação, como mostrado na Figura 1-3. Acoplamento de luz a um guia de onda óptico em um chip pode requerer alinhamento preciso de um feixe de laser com um acoplador óptico no chip. Em alguns casos, um módulo de guia de feixe pode ser usado para alinhar, de uma maneira automática, um feixe de laser para um acoplador óptico em um chip bio-optoeletrônico.

[00325] Um exemplo de um módulo de guia de feixe 1-150 é mostrado na Figura 8-1. De acordo com algumas modalidades, um módulo de guia de feixe pode compreender um chassi sólido 8-110 que é configurado para apoiar atuadores e componentes ópticos do módulo de guia de feixe. O chassi pode ser formado ou montado de metal e/ou um compósito de expansão térmica baixa. Em alguns casos, o chassi pode ser usinado ou fundido de alumínio. O chassi 8-110 pode ser reto ou angulado (como mostrado) e pode montar um quadro ou chassi 1-102 de um instrumento ao qual o laser pulsado 1-110 é incorporado.

[00326] Os inventores reconheceram e compreenderam que o chassi do módulo de guia de feixe 8-110 pode prover ainda apoio a um PCB 1-130 sobre o qual um chip bio-optoeletrônico 1-140 pode ser montado. Por exemplo, o chassi 8-110 pode ser preso ao chassi ou quadro do instrumento 1-102 em vários locais, e uma região central do PCB 1-130 pode ser presa ao chassi do módulo de guia de feixe 8-110 para reduzir movimento relativo (por exemplo, movimento de vibrações mecânicas) entre o módulo de guia de feixe e o chip bio-optoeletrônico 1-140.

[00327] Em algumas modalidades, atuadores de um módulo de guia de feixe podem compreender motores de passo dispostos para girar os componentes ópticos do módulo de guia de feixe. Para reduzir a altura do módulo de guia de feixe, os atuadores podem ser montados de maneira que seus eixos se encontrem aproximadamente no mesmo plano, como mostrado no desenho. Em algumas implementações, um motor de passo (por exemplo, como descrito no pedido de patente provisório U.S. 62/289.019) que é fabricado em parte no PCB 1-130, ou um PCB separado que monta no PCB 1-130, pode ser usado para girar um componente óptico do módulo de guia de feixe em um eixo que é perpendicular ao PCB 1-130.

[00328] De acordo com algumas modalidades, um módulo de guia de feixe 1-150 pode incluir um primeiro plano óptico 8-131, uma lente de foco 8-133, um segundo plano óptico 8-135 e um terceiro plano óptico 8-137. Os planos ópticos e lentes podem ser revestidos de modo antirreflexivo para reduzir reflexos Fresnel indesejados a partir da lente. Em algumas modalidades, pode haver um espelho giratório 8-134 localizado dentro do módulo de guia de feixe, embora em alguns casos um curso de feixe através de um módulo de guia de feixe possa ser reto e nenhum espelho giratório seja usado. De acordo com algumas implementações, o espelho giratório 8-134 pode ser dicroico, de modo que ele passa um comprimento de onda fundamental do laser pulsado 1-110 para um coletor de feixe e/ou fotodetector e reflete o comprimento de onda de frequência duplicada para o chip bio-optoeletrônico 1-140.

[00329] O primeiro plano óptico 8-131 pode ser girado por um primeiro atuador 8-121 em um eixo que é paralelo ao PCB 1-130 para mudar o feixe de laser em uma direção x. O segundo plano óptico 8135 pode ser girado por um segundo atuador 8-122 em um eixo que é perpendicular ao PCB 1-130 para mudar o feixe de laser na direção y. Uma conexão flexural (não mostrada) pode se estender do segundo atuador 8-122 para o segundo plano óptico 8-135 para girar o segundo plano óptico. O terceiro plano óptico 8-137 pode ser girado por um terceiro atuador 8-123 em um eixo que é paralelo ao PCB 1-130 para mudar o feixe de laser em uma direção x. Em algumas modalidades, pode haver um quarto plano óptico montado antes da lente 8-133 e atuador que é preparado para girar o quarto plano óptico em um eixo que é perpendicular ao PCB 1-130 para comutar o feixe de laser na direção z. Ao girar os planos ópticos, um feixe óptico passando pelo módulo de guia de feixe pode ser lateralmente e verticalmente traduzido e seu ângulo incidente no chip 1-140 pode ser mudado.

[00330] Os efeitos de tradução de um feixe óptico no módulo de guia de feixe 1-150 podem ser compreendidos a partir da Figura 8-2. Traduções do feixe óptico por lentes giratórias localizadas após a lente de foco 8-133 resulta em traduções x, y em uma superfície 8-240 (por exemplo, uma superfície de um chip bio-optoeletrônico) que pode estar localizada em um ponto focal da lente 8-133. Por exemplo, um feixe de laser 8-250 pode passar por uma lente de foco 8-133 e ser focado em um acoplador óptico no chip bio-optoeletrônico 1-140 (por exemplo, focado em um acoplador de rede 1-310). Rotação do segundo plano óptico 8-135 em um eixo paralelo ao eixo y indicado no desenho pode traduzir o feixe focado na superfície 8-240 em uma direção paralela ao eixo x. Rotação do terceiro plano óptico 8-137 em um eixo paralelo ao eixo x pode traduzir o feixe focado na superfície 8-240 em uma direção paralela ao eixo y.

[00331] Traduções do feixe óptico 8-250 por lentes giratórias localizadas antes da lente de foco 8-133 resultam em mudança dos ângulos de incidência do feixe na superfície 8-240 sem mudar sensivelmente a localização x-y do feixe na superfície 8-240. Por exemplo, rotação do primeiro plano óptico 8-131 em um eixo paralelo ao eixo y pode deslocar o feixe de laser em uma direção paralela ao eixo x na lente de foco 8-133. Tal movimento do feixe de laser na lente de foco mudará um ângulo incidente θi do feixe de laser com relação ao eixo z no plano x-z na superfície 8-240. Em algumas modalidades, rotação de um quarto plano óptico 8-132 (não mostrado na Figura 8-1) em um eixo paralelo ao eixo x pode mudar um ângulo incidente Φi na superfície 8-240 em uma direção se estendendo no plano y-z. Devido ao fato da superfície 8-240 estar localizada aproximadamente a distância focal f da lente 8133, mudanças em ângulo incidente através de tradução do feixe 8250 antes da lente não afetarão sensivelmente a localização x-y do feixe focado na superfície 8-240.

[00332] Em algumas modalidades, pode haver um espelho giratório (não mostrado na Figura 8-2) localizado entre a superfície 8-240 de um chip bio-optoeletrônico 1-140 e o módulo de guia de feixe 1-150 para defletir o feixe na direção -x, de maneira que o chip 1-140 pode ser orientado com sua superfície 8-240 paralela ao feixe de laser de entrada 8-250. Isso permitiria que o chip 1-140 fosse montado paralelo a um PCB de base 1-130, como mostrado na Figura 8-1. Em alguns casos, o espelho giratório pode ser formado em custo baixo a partir de uma porção pequena (por exemplo, menos do que 5 mm quadrados) de uma pastilha de silício, revestido com um material refletivo e montado dentro de uma embalagem contendo o chip bio-optoeletrônico 1140.

[00333] Com referência novamente à Figura 1-3 e Figura 8-1, a posição x-y de um feixe de laser em um acoplador de rede 1-310 em uma superfície do chip bio-optoeletrônico pode ser ajustada operando atuadores 8-122 e 8-123 para girar planos ópticos 8-135 e 8-137 localizados após a lente de foco 8-133. Quando um acoplador estrela ou acoplador MMI é usado para distribuir uma entrada óptica a uma pluralidade de guias de onda, a posição x-y do feixe de entrada no acoplador de rede 1-310 pode ser ajustada até que luz acople aproximadamente igualmente a todos os guias de onda conectados ao acoplador estrela ou acoplador MMI. Subsequentemente, o ângulo incidente do feixe θi no plano x-z pode ser ajustado operando o atuador 8-121 para girar o primeiro plano óptico 8-131. Este ajuste pode aumentar uma quantidade de energia acoplada ao guia de onda 1-312.

[00334] inicialmente, foi antecipado que mudanças em ângulo incidente de um feixe Φi no plano y-z (um plano correndo paralelo ao dente de rede do acoplador de rede 2-310) não afetariam sensivelmente eficiência de acoplamento no guia de onda 1-312. No entanto, os inventores constataram surpreendentemente que mudanças neste ângulo incidente podem ter um efeito tão grande sobre eficiência de acoplamento quanto mudanças em Φi. A sensibilidade maior do que esperado é acreditada resultar de efeitos de interferência óptica entre o acoplador de rede e uma camada refletiva de base (não mostrado na Figura 1-3), que é adicionada para aumentar eficiência de acoplamento no guia de onda 1-312. De acordo com algumas modalidades, um módulo de guia de feixe pode incluir um quarto plano óptico 8-132 localizado antes da lente de foco 8-133 que é preparado para realizar mudanças no ângulo incidente do feixe Φi no acoplador de rede.

[00335] Um aspecto vantajoso do módulo de guia de feixe 1-150 é que ajustes de ângulo incidente em θi e Φi podem ser feitos substancialmente independentes de ajustes de x, y para a posição do feixe focado na superfície 8-240. Por exemplo, energia óptica do feixe de laser incidente 8-250 que é acoplada a um ou mais guias de onda 1-312 através de um acoplador de rede 1-310 pode ser monitorada com um ou mais fotodiodos 1-324 em uma extremidade oposta do um ou mais guias de onda durante um procedimento de alinhamento que otimiza a posição do feixe. Subsequentemente, ângulo de incidência de feixe pode ser otimizado sem mudar sensivelmente a posição do feixe no acoplador de rede.

[00336] De acordo com algumas modalidades, um procedimento de alinhamento automatizado pode ser usado para alinhar o feixe de laser de um laser pulsado 1-110 para um acoplador 1-310 em um chip bio- optoeletrônico 1-140. Um procedimento de alinhamento pode compreender execução de uma procura espiral pelo acoplador de rede 1-310, como mostrado na Figura 8-3. A pesquisa espiral pode ser executada girando o segundo plano óptico 8-135 e o terceiro plano óptico 8-137 para traduzir o feixe focado 8-250 nas direções de x e y na superfície do chip. Por exemplo, após um chip 1-140 ser carregado em um instrumento 1-100 e o laser pulsado ligado, o feixe de laser pode atingir a superfície do chip no local marcado "A" na Figura 8-3. Neste local, pode não haver nenhum sinal detectado pelo detector quad 1-320. Um curso de pesquisa espiral 8-310 pode ser executado, enquanto sinais do detector quad são monitorados. No local "B" o detector quad pode começar a registrar sinais de posição x, y do feixe a partir de seus detectores. Circuito de controle pode então determinar a localização do feixe com relação a um centro do detector quad, cancelar a execução do curso espiral e operar os atuadores 8-122 e 8-123 para guiar o feixe para um centro do detector quad 1-320, ponto "C". O acoplador de rede 1-310 pode estar localizado aproximadamente centralmente no detector quad. Subsequentemente, ajustes finos de posição e ângulo incidente podem ser feitos para aumentar uma quantidade de energia óptica acoplada ao guia de onda 1-312 ou guias de onda. Em algumas modalidades, as energias ópticas de fotodiodos integrados múltiplos 1324 nas extremidades de guias de onda múltiplos 1-312 são monitoradas, de maneira que ajustes finos podem ser feitos no feixe de laser no acoplador de rede para aumentar a uniformidade das energias acopladas aos guias de onda ópticos múltiplos.

[00337] Outros métodos e aparelhos podem ser usados para procurar o detector quad 1-320 e alinhar o feixe focado 8-250 ao acoplador de rede 1-310. Em algumas modalidades, a sensibilidade do detector quad 1-320 pode ser aperfeiçoada para expandir a faixa na qual o feixe de laser pode ser detectado. Por exemplo, sinais do detector quad com a energia de laser em uma energia alta (por exemplo, totalmente ligado) podem ser comparados com sinais do detector quad com a energia de laser em um ambiente fraco (por exemplo, desligado). Ainda, os sinais podem ser integrados durante períodos de tempo mais longos para melhorar a sensibilidade de localização-detecção do detector quad, quando o feixe de laser pode estar localizado em uma distância apreciável do detector quad.

[00338] Em algumas modalidades, elementos de difração de luz (não mostrados na Figura 8-3) podem ser fabricados no chip 1-140 ao redor do detector quad 1-320. Quando o feixe focado está desalinhado e em uma localização periférica distante do detector quad, os elementos de difração podem realizar difração de luz a partir do feixe focado em direção ao detector quad 1-320. A luz que sofreu difração detectada pode então indicar uma posição do feixe.

[00339] Em algumas implementações, um elemento de difração linear, estreito, ou detector de linha, similar em largura ao tamanho de feixe focado antecipado, pode ser posto através do centro do detector quad (ou em qualquer orientação adequada com relação ao detector quad) e se estender significantemente além das bordas opostas do detector quad (por exemplo, a uma distância maior do que uma expectativa razoável de erro de deslocamento de feixe inicial). Uma vez que a orientação deste elemento ou detector é conhecida pelo projeto, o feixe focado 8-250 pode ser primeiro escaneado em uma direção perpendicular ao elemento até que o feixe atinja o elemento ou detector e seja positivamente detectado, ou através de di- fração para o detector quad 1-320 ou diretamente pelo detector de linha. Então, o feixe pode ser escaneado na outra direção para encontrar o detector quad 1-320.

[00340] De acordo com algumas modalidades, o feixe de laser pode ser incialmente expandido na superfície 8-240 do chip 1-140 (por exemplo, desfocando o feixe ao mover as lentes 8-133 com um atua- dor ou usando outros meios). A pegada do feixe no chip pode então ser aumentada bastante (por exemplo, por um fator de 10 ou mais) de maneira que qualquer processo de escaneamento pode usar etapas maiores entre posições de feixe quando procurando pelo detector quad 1-320 (por exemplo, deslocamentos maiores entre alças radiais em uma varredura espiral). Este e os métodos de procura alternativos acima podem reduzir o tempo de procura associado com alinhamento do feixe de foco 8-250 para o acoplador de rede 1-310.

[00341] Após alinhamento, o feixe de laser incidente pode ser mantido ativamente em uma posição alinhada. Por exemplo, uma posição x, y do feixe determinada após o alinhamento inicial com relação ao detector quad 1-320 pode ser ativamente mantida usando feedback do detector quad e ativação dos atuadores 8-122 e 8-123 para manter o feixe em uma localização aproximadamente fixa. Em algumas modalidades, ângulos incidentes do feixe óptico na superfície podem não ser ajustados após um alinhamento inicial para otimizar energia acoplada ao guia de onda. Ainda, uma quantidade de energia acoplada aos guias de onda pode ser mantida em um nível aproximadamente constante através das medições.

[00342] Potência administrada aos guias de onda pode ser mantida em níveis aproximadamente constantes através do monitoramento dos sinais do fotodiodo 1-324 a partir das extremidades opostas dos guias de onda e alimentação deste sinal para um controlador que opera um atuador 2-162 que controla uma orientação de uma placa de meia onda 2-160 do sistema de laser pulsado 1-110 (com referência à Figura 2-1A). Rotação da placa de meia onda 2-160 muda a polarização dos pulsos ópticos que entram no cristal de duplicação de frequência 2170, e desta maneira muda a eficiência de conversão para o comprimento de onda mais curto usado para excitar fluoróforos nas câmaras de reação.

[00343] Circuito exemplar para alinhamento de feixe e estabilização de potência é mostrado na Figura 8-4, de acordo com algumas modalidades. O detector quad 1-320 é representado como quatro fotodiodos e um fotodiodo de guia de onda 1-324 é representado como um quinto fotodiodo. Em algumas implementações, pode haver uma grande pluralidade de guias de onda aos quais energia óptica é acoplada a partir de um acoplador de rede único. Desta maneira, pode haver uma grande pluralidade de fotodiodos de guia de onda 1-324 na extremidade do guia de onda que têm saídas de sinal conectadas ao circuito de controle 8-430. Circuito de amplificação 8-410 pode ser preparado para detectar tensões produzidas por fotocondução dos diodos. O circuito de amplificação 8-410 pode compreender componentes eletrônicos CMOS (por exemplo, FETs, circuitos de amostragem, conversores análogo-para-digital) que convertem um sinal analógico em um digital, de acordo com algumas modalidades. Em outras modalidades, sinais analógicos podem ser providos a partir do circuito de amplificação para o circuito de controle 8-430.

[00344] Em algumas modalidades, circuito de controle pode compreender um ou uma combinação dos elementos que seguem: circuitos análogo e digital, um ASIC, um FPGA, um DSP, um microcontrola- dor e um microprocessador. O circuito de controle 8-430 pode ser configurado para processar sinais recebidos do um ou mais fotodiodos de guia de onda para determinar um nível de energia óptica em cada guia de onda. O circuito de controle 8-430 pode ser ainda configurado para processar sinais recebidos do detector quad 1-320 para determinar uma localização x, y do feixe óptico com relação ao detector quad. Em algumas implementações, o circuito de controle 8-430 é configurado para detectar energia acoplada a cada guia de onda, e provê um sinal de controle para os atuadores para mover o feixe de laser de maneira que a energia é equalizada nos guias de onda ou tem uma uniformidade maior através dos guias de onda.

[00345] Uma posição do feixe de laser na direção x pode ser determinada, por exemplo, pelo circuito de controle 8-430 adaptado para executar o algoritmo que segue: Sx = [(VQ2 + VQ3) — (VQI + VQ4)]/VT onde Sx é um nível de sinal normalizado correspondendo à direção x, VQn é um nível de sinal (por exemplo, tensão) recebido do nésimo fotodiodo do detector quad e VT é o nível de sinal total recebido somando o sinal de todos os quatro fotodiodos. Ainda, uma posição do feixe de laser na direção y pode ser determinada, por exemplo, usando o algoritmo que segue: Sy = [(VQ3 + VQ4) — (VQI + VQ2)]/VT.

[00346] Uma potência média acoplada a todos os guias de onda no chip 1-140 pode ser determinada somando sinais de todos os fotodio- dos 1-324 preparados para detectar energia em cada um dos guias de onda no chip.

[00347] Sinais de controle podem ser gerados por circuito de controle 8-430 responsivo à posição de feixe detectada em x e y e res- ponsivo a níveis de energia detectados em um ou mais guias de onda do chip bio-optoeletrônico 1-140. Os sinais de controle podem ser providos como sinais digitais em links de comunicação (SM1, SM2, SM3) para aturadores do módulo de guia de feixe 1-150 e um link de comunicação WP para um atuador 1-162 do sistema de laser pulsado 1-110 que controla a rotação da placa de meia onda 2-160.

[00348] Para ilustrar mais a operação do laser pulsado 1-110 e instrumento 1-100, um método exemplar 8-500 para alinhamento e manutenção de alinhamento do feixe de laser pulsado para um acoplador óptico (por exemplo, um acoplador de rede) em um chip bio- optoeletrônico 1-140 é ilustrado na Figura 8-5. De acordo com algumas modalidades, circuito de controle 8-430 dentro do instrumento 1100 pode ser configurado para detectar (ato 8-505) a carga de um chip bio-optoeletrônico no instrumento. Quando um novo chip é carregado, seu acoplador óptico pode não ser alinhado com o feixe de laser do laser pulsado. Responsivo à detecção da carga, o circuito de controle 80-430 pode operar no módulo de guia de feixe 1-150 para executar (ato 8-510) varredura espiral (ou qualquer outro método de varredura adequado descrito acima) do feixe de laser pulsado na superfície do chip bio-optoeletrônico, como mostrado na Figura 8-3, por exemplo. O circuito de controle pode operar os atuadores 8-122, 8123 do módulo de guia de feixe 1-150 para mover o feixe em um curso espiral 8-310 ou qualquer outro curso adequado. Enquanto o feixe de laser pulsado está sendo escaneado na superfície do chip, sinais de um detector quad 1-320 podem ser monitorados (ato 8-515) pelo circuito de controle 8-430 para determinar se uma posição no feixe de laser é detectada.

[00349] Se sinais do detector quad indicaram (ato 8-520) que uma posição do feixe de laser pulsado não foi detectada, então o circuito de controle pode continuar o escaneamento (ato 8-510) do feixe de laser na superfície do chip bio-optoeletrônico. Alternativamente, se a posição do feixe tiver sido detectada, a varredura espiral pode ser parada e os atuadores do módulo de guia de feixe podem ser acionados para aproximadamente centralizar (ato 8-525) o feixe de laser pulsado no detector quad 1-320. De acordo com algumas modalidades, um acoplador de rede 1-310 pode ser aproximadamente centrado no detector quad, de maneira que centralização do feixe de laser no detector quad alinha aproximadamente o feixe com o acoplador de rede. Com o feixe de laser pulsado na localização aproximada do acoplador de rede, o circuito de controle pode acionar os atuadores 8-122, 8-123 do módulo de guia de feixe 1-150 para executar (ato 8-530) uma varredura x-y na vizinhança imediata do acoplador de rede. Por exemplo, o módulo de guia de feixe pode executar uma varredura linear sequencial na direção x para encontrar um primeiro valor de acoplamento ótimo e então uma varredura linear na direção y para encontrar um segundo valor de acoplamento ótimo. Enquanto o feixe de laser está sendo escaneado, sinais de saída do detector quad 1-320 e um ou mais fotodiodos de guia de onda 1-324 podem ser monitorados (ato 8-535).

[00350] Uma vez que o feixe de laser pulsado é escaneado na vizinhança do acoplador de rede, energia detectada a partir de um ou mais fotodiodos de guia de onda 1-324 pode aumentar e diminuir. Em algumas modalidades, pode haver um máximo em energia total acoplada a guias de onda (detectado por um ou mais fotodiodos de guia de onda 1-324) correspondendo a uma primeira posição x1, y1 do feixe de laser pulsado (conforme determinado pelo detector quad 1-320). Em alguns casos, pode haver uma segunda posição x2, y2 do feixe de laser pulsado para a qual níveis de energia detectados em uma plura-lidade de guias de onda conectados ao acoplador de rede são aproxi-madamente iguais (por exemplo, dentro de ± 20% ou até mesmo dentro de ± 10%). Na segunda posição, a energia total acoplada aos guias de onda pode ser menos do que a quantidade acoplada a guias de onda na primeira posição.

[00351] De acordo com algumas modalidades, o circuito de controle 8-430 pode ser adaptado para mover o feixe de laser pulsado até uma energia total mais alta acoplada a guias de onda dentro de uma uniformidade predeterminada (por exemplo, ± 15%) através dos guias de onda ser obtida. A localização correspondente pode ser uma primeira localização otimizada x3, y3, que pode ser diferente da primeira posição x1, y1 e segunda posição x2, y2. Em algumas implementações, variações de energia maiores nos guias de onda podem ser toleradas (por exemplo, normalizadas dos dados resultantes). Em tais implementações, a primeira localização otimizada x3, y3 pode ser uma localização na qual energia total nos guias de onda é maximizada.

[00352] Se circuito de controle 8-430 determinar (ato 8-540) que uma primeira localização otimizada x3, y3 não foi encontrada, circuito de controle pode continuar a operação dos atuadores do módulo de guia de feixe para executar (ato 8-530) uma varredura x-y do feixe de laser pulsado na vizinhança do acoplador de rede 1-310. Se uma lo- calização de acoplamento otimizada tiver sido encontrada, então circuito de controle 8-430 pode manter (ato 8-545) a posição do feixe de laser através da operação dos atuadores 8-122 e 8-123 para manter o feixe de laser em uma localização fixa sentida pelo detector quad 1320. O circuito de controle pode então atuar o atuador 8-121 e opcionalmente um atuador adicional do módulo de guia de feixe para varrer (ato 8-550) ângulos de feixe incidentes no acoplador óptico no chip bio-optoeletrônico. Conforme os ângulos de feixe incidentes estão sendo escaneados, níveis de sinal dos fotodiodos de guia de onda 1324 em um ou mais guias de onda podem ser monitorados (ato 8-555). Os ângulos de feixe incidentes podem ser escaneados até que o circuito de controle 8-430 determine (ato 8-560) que uma segunda orientação de acoplamento otimizada foi encontrada. A segunda orientação de acoplamento otimizada pode corresponder a ângulos de incidência de feixe que proveem uma quantidade mais alta de energia acoplada a um ou mais guias de onda no chip bio-optoeletrônico 1-140 ou uma energia mais alta acoplada aos guias de onda com uma uniformidade predeterminada de energia através dos guias de onda.

[00353] Se uma segunda orientação de acoplamento otimizada não foi identificada (ato 8-560), então o circuito de controle pode continuar a varredura (ato 8-550) de ângulos de feixe incidentes. Se a segunda orientação de acoplamento otimizada tiver sido identificada, então o circuito de controle 8-430 pode manter (ato 8-565) a posição x-y do feixe de laser pulsado bem como seus ângulos incidentes. Com a posição do feixe de laser pulsado e os ângulos incidentes mantidos, uma medição do chip bio-optoeletrônico 1-140 pode começar.

[00354] Em algumas modalidades, a posição do feixe de laser pulsado pode ser mantida com relação ao detector quad 1-320 durante uma medição, que poderia durar 10's de muitos ou mais longo. Por exemplo, feedback ativo pode ser empregado para captar a posição do feixe no acoplador óptico (com detector quad 1-320) e manter o feixe de laser pulsado na posição captada (por exemplo, operando os atuadores 8-122 e 8-123 para compensar flutuações ou vibrações no sistema).

[00355] Assim que uma medição começa, os níveis de energia óptica nas câmaras de reação podem ser também mantidos (ato 8-570). De acordo com algumas modalidades, manutenção do nível de energia óptica pode compreender monitoramento dos níveis de energia de guia de onda com um ou mais fotodiodos de guia de onda 1-324 localizados na extremidade de um ou mais guias de onda, e compensação de mudanças em energia óptica através de atuação dos atuadores 2162 do sistema de laser pulsado 1-110. Operação do atuador fará girar a placa de meia-onda 2-160, que gira a polarização óptica no cristal de duplicação de frequência 2-170 e muda a eficiência de conversão para o comprimento de onda de frequência duplicada. Desta maneira, flutu-ações de energia que de outro modo ocorreriam nas câmaras de reação podem ser significantemente reduzidas.

[00356] Em algumas modalidades, o circuito de controle 8-430 pode receber um sinal de final de medição a partir do chip bio-optoeletrônico 1-140 na conclusão de uma medição. Se o circuito de controle não detectar (ato 8-575) um sinal de final de medição, a orientação de feixe aos níveis de energia podem ser mantidos. Se o circuito de controle detectar (ato 8-575) um sinal de final de medição, o processo pode terminar. Em algumas modalidades, finalização do processo pode compreender diminuir de energia do laser pulsado 1-110 e atuadores do módulo de guia do feixe.

IV. Geração de Clock e Sincronização de Sistema

[00357] Com referência novamente à Figura 1-1, sem importar o método e aparelho que é usado para produzir pulsos curtos ou ultra- curtos, um sistema -110 pode incluir circuito configurado para sincroni- zar pelo menos algumas operações elétricas (por exemplo, aquisição de dados e processamento de sinal) de um sistema analítico 1-160 com taxa de repetição de pulsos ópticos 1-122 da fonte óptica 1-110. Há pelo menos duas maneiras de sincronizar a taxa de repetição de pulso para eletrônicos no sistema analítico 1-160. De acordo com uma primeira técnica, um clock máster pode ser usado como uma fonte de temporização para atuar ambas geração de pulsos na fonte óptica pulsada e dispositivos eletrônicos do instrumento. Em uma segunda técnica, um sinal de tempo pode ser derivado da fonte óptica pulsada e usado para atuar dispositivos eletrônicos do instrumento.

[00358] A Figura 9-1 mostra um sistema onde um clock 9-110 provê um sinal de temporização em uma frequência de sincronização fsync para ambas uma fonte óptica pulsada 1-110 (por exemplo, um laser pulsado de ganho comutado ou LED) e para um sistema analítico 1-160 que pode ser configurado para detectar e processar sinais que resultam das interações entre cada pulso de excitação 1-120 e matéria biológica, química ou outra física. Apenas como um exemplo, cada pulso de excitação pode excitar uma ou mais moléculas fluorescentes de uma amostra biológica que são usadas para analisar uma propriedade da amostra biológica (por exemplo, incorporação de nu- cleotídeo para sequenciamento de DNA, infecção cancerosa ou não cancerosa, viral ou bacteriana, nível de glicose no sangue). Por exemplo, células não cancerosas podem exibir um tempo de vida fluorescente característico de um primeiro valor TI, enquanto células cancerosas podem exibir um tempo de vida de um segundo valor T2 que é diferente de e pode ser distinguido do primeiro valor de tempo de vida. Como um outro exemplo, um tempo de vida fluorescente detectado de uma amostra de sangue pode ter um valor de tempo de vida e/ou valor de intensidade (relativo a um outro marcador estável) que é dependente do nível de glicose no sangue. Após cada pulso ou uma sequência de vários pulsos, o sistema analítico 1-160 pode detectar e processar sinais fluorescentes para determinar uma propriedade da amostra. Em algumas modalidades, o sistema analítico pode produzir uma imagem de uma área examinada pelos pulsos de excitação que compreende um mapa bi- ou tridimensional da área indicando uma ou mais propriedades de regiões dentro da área com imagem obtida.

[00359] Sem importar o tipo de análise sendo feita, dispositivos eletrônicos de detecção e processamento do sistema analítico 1-160 pode precisar ser cuidadosamente sincronizada com a chegada de cada pulso de excitação óptico. Por exemplo, quando avaliando o tempo de vida fluorescente, é benéfico conhecer o tempo de excitação de uma amostra precisamente, de maneira que momento de eventos de emissão possa ser registrado corretamente.

[00360] Um arranjo de sincronização mostrado na Figura 9-1 pode ser adequado para sistemas onde pulsos ópticos são produzidos através de métodos ativos (por exemplo, controle externo). Sistemas pulsados ativos podem incluir, mas não estão limitados as, lasers de ganho comutado e LEDs pulsados. Em sistemas deste tipo, um clock 9110 pode prover um sinal de clock digital que é usado para atuar produção de pulso (por exemplo, comutação de ganho ou injeção de corrente em uma junção de LED) na fonte óptica pulsada 1-110. O mesmo clock pode também prover o mesmo sinal digital ou sincronizado para o sistema analítico 1-160, de maneira que operações eletrônicas no instrumento podem ser sincronizadas para os tempos de chegada de pulso no instrumento.

[00361] O clock 9-110 pode ser qualquer dispositivo de produção de clock adequado. Em algumas modalidades, o clock pode compreender um oscilador de cristal ou um oscilador baseado em MEMS. Em algumas implementações, o clock pode compreender um oscilador em anel de transistor.

[00362] A frequência fsync de um sinal de clock provido pelo clock 9110 não precisa estar na mesma frequência que a taxa de repetição de pulso R. A taxa de repetição de pulso pode ser dada por R = 1/T, onde T é o intervalo de separação de pulso. Na Figura 9-1, os pulsos ópticos 1-120 são mostrados como sendo espacialmente separados por uma distância D. Esta distância de separação corresponde ao tempo T entre a chegada de pulsos no sistema analítico 1-160 de acordo com a relação T = D/c onde c é a velocidade de luz. Na prática, o tempo T entre pulsos pode ser determinado com um fotodiodo ou um osciloscópio. De acordo com algumas modalidades, T= fsync/N onde N é um inteiro maior do que ou igual a 1. Em algumas implementações, T= Nfsync onde N é um inteiro maior do que ou igual a 1.

[00363] A Figura 9-2 mostra um sistema onde um cronômetro 9-220 provê um sinal de sincronização para o sistema analítico 1-160. Em algumas modalidades, o cronômetro 9-220 pode derivar um sinal de sincronização da fonte óptica pulsada 1-110, e o sinal derivado é usado para prover um sinal de sincronização para o sistema analítico 1160.

[00364] De acordo com algumas modalidades, o cronômetro 9-220 pode receber um sinal análogo ou digitalizado de um fotodiodo que detecta pulsos ópticos a partir da fonte de pulso 1-110. O cronômetro 9-200 pode usar qualquer método adequado para formar ou atuar um sinal de sincronização a partir do sinal análogo ou digitalizado. Por exemplo, o cronômetro pode usar um atuador Schmitt ou comparador para formar um trem de pulsos digitais a partir dos pulsos ópticos detectados. Em algumas implementações, o cronômetro 9-220 pode usar ainda uma alça de retardo travado ou alça de fase travada para sincronizar um sinal de clock estável para um trem de pulsos digitais produzidos a partir dos pulsos ópticos detectados. O trem de pulsos digitais ou o sinal de clock estável travado pode ser provido ao sistema analítico 1-160 para sincronizar dispositivos eletrônicos no instrumento com os pulsos ópticos.

[00365] Os inventores reconheceram e compreenderam que coordenação de operação do laser pulsado 1-110 (por exemplo, para administrar pulsos ópticos de excitação às câmaras de reação 1-330), dispositivos eletrônicos de aquisição de sinal (por exemplo, operação de fotodetectores de início de tempo 1-322) e leitura de dados a partir do chip bio-optoeletrônico 1-140 impõem desafios técnicos. Por exemplo, a fim de que os sinais agrupados de tempo coletados nas câmaras de reação sejam representações precisas de características de decaimento fluorescente, cada um do fotodetector de agrupamento de tempo 1-322 deve ser atuado com cronometragem precisa após a chegada de cada pulso óptico de excitação nas câmaras de reação. Ainda, os dados devem ser lidos a partir do chip bio-optoeletrônico 1-140 em sincronicidade aproximada com aquisição de dados nas câmaras de reação para evitar excesso de dados e dados faltantes. Os dados fal- tantes poderiam ser prejudiciais em alguns casos, por exemplo, causando um reconhecimento errôneo de uma sequência de gene. Os inventores reconheceram e compreenderam que cronometragem de sistema é ainda complicada pelas características de operação naturais de lasers de modo passivamente travado, por exemplo, propensos a flutuações em amplitude de pulso, flutuações em intervalo T de pulso- para-pulso e quedas de pulso ocasionais.

[00366] Os inventores conceberam e desenvolveram circuito de geração de clock que pode ser usado para gerar um sinal de clock e acionar dispositivos eletrônicos de aquisição de dados em um instrumento portátil 1-100. Um exemplo de circuito de geração de clock 9-300 é mostrado na Figura 9-3. De acordo com algumas modalidades, circuito de geração de clock pode incluir estágios de detecção de pulso, amplificação de sinal com controle de ganho automático, digitalização de clock e bloqueio de fase de clock.

[00367] Um estágio de detecção de pulso pode compreender um fotodiodo de alta velocidade 9-310 que é de polarização inversa e conectado entre um potencial de polarização e um potencial de referência (por exemplo, um potencial de terra), de acordo com algumas modalidades. Uma polarização inversa do fotodiodo pode ser qualquer valor adequado e pode ser fixada usando resistores de valor fixo ou pode ser ajustável. Em alguns casos, um capacitor C pode ser conectado entre um catodo do fotodiodo 9-310 e um potencial de referência. Um sinal do anodo do fotodiodo pode ser provido para um estágio de amplificação. Em algumas modalidades, o estágio de detecção de pulso pode ser configurado para detectar pulsos ópticos tendo um nível de energia médio entre cerca de 100 microwatts e cerca de 25 milliwatts. O estágio de detecção de pulso do circuito de geração de clock 9-300 pode ser montado no ou próximo do laser pulsado 1-110 e disposto para detectar pulsos ópticos do laser.

[00368] Um estágio de amplificação pode compreender um ou mais amplificadores análogos 9-320 que podem incluir ajustes de ganho variáveis e atenuação ajustável, de maneira que níveis de saída de pulso dos amplificadores de ganho análogos podem ser ajustados dentro de uma faixa predeterminada. Um estágio de amplificação do circuito de geração de clock 9-300 pode incluir ainda um amplificador de controle de ganho automático 9-340. Em alguns casos, circuito de filtragem análogo 9-330 pode ser conectado a uma saída dos amplificadores análogos 9-320 (por exemplo, para remover ruído de alta frequência (por exemplo, maior do que cerca de 500 MHz) e/ou de baixa frequência (por exemplo, menos do que cerca de 100 Hz)). A saída filtrada ou não filtrada dos um ou mais amplificadores de ganho 9-320 pode ser provida a um amplificador de controle de ganho automático 9-340, de acordo com algumas modalidades.

[00369] De acordo com algumas modalidades, um sinal de produção final a partir de um ou mais amplificadores análogos pode ser positivo. Os inventores reconheceram e compreenderam que um amplificador de controle de ganho automático subsequente (AGC) opera mais confiavelmente quando ele insere pulsos para tensão positiva ao invés de tensão negativa. O amplificador de controle de ganho automático pode variar seu ganho interno para compensar as flutuações em amplitude no trem de pulso eletrônico recebido. O trem de pulso de saída do amplificador de controle de ganho automático 9-340 pode ter amplitude aproximadamente constante, como mostrado no desenho, enquanto a entrada para o amplificador de controle de ganho automático 9-340 pode ter flutuações nas amplitudes pulso-para- pulso. Um exemplo de amplificador de controle de ganho automático é modelo AD8368 disponível da Analog Devices, Inc. de Norwood, Massachussetts.

[00370] Em um estágio de digitalização de clock, uma saída do amplificador de controle de ganho automático pode ser provido para um comparador 9-350 para produzir um trem de pulso digital, de acordo com algumas implementações. Por exemplo, o trem de pulso do AGC pode ser provido a uma primeira entrada do comparador 9-350 e um potencial de referência (que pode ser ajustável pelo usuário em algumas modalidades) pode ser conectado a uma segunda entrada do comparador. O potencial de referência pode estabelecer o ponto de atuação para a borda de elevação de cada pulso digital produzido.

[00371] Como pode ser compreendido, flutuação em amplitude de pulso levaria a flutuações em amplitude dos pulsos eletrônicos antes do amplificador AGD 9-340. Sem amplificador AGC, essas flutuações em amplitude levariam a variações em tempo nas bordas em elevação de pulsos no trem de pulso digitalizado do comparador 9-350. Ao nivelar as amplitudes de pulso com o amplificador AGC, a variação em pulso após o comparador é significantemente reduzida. Por exemplo, variação em tempo pode ser reduzida para menos do que cerca de 50 picossegundos com o amplificador AGC. Em algumas implementações uma saída do comparador pode ser provida para o circuito lógico 9370 que é configurado para mudar o ciclo de trabalho do trem de pulso digitalizado para aproximadamente 50%.

[00372] Um estágio de bloqueio de fase do circuito de geração de clock 9-300 pode compreender um circuito de alça de fase travada (PLL) 9-380 que é usado para produzir um ou mais sinais de clock de saída estáveis para cronometragem e sincronização de operações de instrumento. De acordo com algumas modalidades, uma saída do estágio de digitalização de clock pode ser provida para uma primeira entrada (por exemplo, uma entrada de feedback) de um circuito PLL 9-380 e um sinal de um oscilador eletrônico ou eletromecânico 9-360 pode ser provido a uma segunda entrada (por exemplo, uma entrada de referência) para o PLL. Um oscilador eletrônico ou eletromecânico pode ser altamente estável contra perturbações mecânicas e contra variações de temperatura em alguns casos. De acordo com algumas modalidades, uma fase do sinal de clock estável do oscilador eletrônico ou eletrome- cânico 9-360 é travado, pelo PLL, para um sinal de clock digitalizado derivado do laser de modo travado, que pode ser menos estável. Desta maneira, o oscilador eletrônico ou eletromecânico 9-360 pode passar por instabilidades a curto prazo (por exemplo, variação de pulso, quedas de pulso) do laser pulsado 1-110, e ainda ser aproximadamente sincronizado para o trem de pulso óptico. O circuito de alça de fase travada 9-380 pode ser configurado para produzir um ou mais sinais de clock de saída estáveis que são derivados do sinal de fase travado do oscilador eletro ou eletromecânico 9-360. Um circuito exemplar que pode ser usado para implementar o PLL é chip IC Si5338, que é disponível da Silicon Laboratories Inc. da Austin, Texas.

[00373] De acordo com algumas modalidades, um ou mais sinais de clock produzidos a partir do circuito PLL 9-380 podem ser providos ao chip bio-optoeletrônico 1-140 para dispositivo eletrônico de aquisição de dados no chip. Em alguns casos, o circuito PLL 9-380 pode incluir circuito de ajuste de fase 9-382, 9-384 em suas saídas de clock ou circuitos de ajuste de fase separados podem ser conectados a saídas de clock da alça de fase travada. Em algumas implementações, o chip bio-optoeletrônico 1-140 pode prover um sinal de chegada de pulso 1-142 de um ou mais fotodetectores no chip que indicam a chegada de pulsos de excitação ópticos a partir do laser pulsado 1-110. O sinal de chegada de pulso pode ser avaliado e usado para ajustar a fase ou fases de sinais de clock providos para o chip bio-optoeletrônico 1-140. Em algumas modalidades, o sinal de chegada de pulso pode ser provido de volta apara o circuito de alça de fase travada 9-380 e processado para ajustar automaticamente a fase do sinal(is) de clock provi- do(s) para o chip, de maneira que uma borda de atuação de um sinal de clock provido para acionar aquisição de dados no chip bio- optoeletrônico 1-140 (por exemplo, momento de aquisição de sinal pelos fotodetectores de agrupamento de tempo 1-322) é ajustada para ocorrer em um tempo predeterminado após a chegada de um pulso de excitação óptico nas câmaras de reação.

[00374] De acordo com algumas modalidades, um sinal de clock do circuito PLL 9-380 pode ser também provido a um ou mais arranjos de porta programáveis no campo (FPGAs) 9-390 incluídos no instrumento 1-100. O FPGAs pode ser usado para várias funções no instrumento, tal como acionamento de leitura de dados a partir do chip bio- optoeletrônico 1-140, processamento de dados, transmissão de dados, armazenamento de dados, etc.

[00375] Os inventores reconheceram e compreenderam que pode haver uma interação entre a largura de banda da alça do amplificador AGC 9-340 e a largura de faixa de alça da alça de fase travada 9-390. Por exemplo, se a largura de faixa de alça da alça de fase travada for muito alta, o PLL pode responder à variação introduzida pelo amplificador AGC e comparador no trem de pulso digitalizado, e não rastrear precisamente o tempo de pulso óptico. Por outro lado, se uma ou ambas das larguras de faixa de alça de AGC e PLL forem muito baixas, os sinais de clock resultantes produzidos a partir do PLL não rastrea- rão com precisão o tempo de pulso óptico. Os inventores constataram que uma constante de tempo de integração com a largura de banda de alça do PLL 9-390 deve ser entre cerca de 30 pulso e cerca de 80 pulsos do trem de pulso óptico do laser de modo travado 1-110. Ainda, uma constante de tempo de integração associada com a largura de banda de alça do amplificador AGC 9-340 não deve exceder mais do que cerca de 20% da constante do tempo de integração para o PLL.

[00376] Em algumas implementações, um ou mais sinais do estágio de amplificação podem ser usados para propósitos adicionais no instrumento 1-100. Por exemplo, um sinal análogo 9-332 pode ser dividido antes do amplificador AGC 9-340 e usado para monitorar a qualidade de modo de bloqueio no laser pulsado 1-110. Por exemplo, o sinal análogo 9-332 pode ser analisado eletronicamente no domínio de frequência e/ou tempo para detectar características que são indicativas do início de comutação Q pelo laser pulsado. Se as características (e início de comutação Q) forem detectadas, o sistema pode automaticamente fazer ajustes na óptica dentro do laser de modo travado (por exemplo, óptica de alinhamento de cavidade) para evitar comutação Q ou o sistema pode indicar um erro e/ou desligamento do laser pulsado.

[00377] Em algumas modalidades, um amplificador de AGC pode prover um sinal de saída 9-342 (análogo ou digital) que é representativo de ajustes de ganho de tempo real que são necessários para nivelar as amplitudes dos pulsos de saída. Os inventores reconheceram e com- preenderam que este sinal de saída 9-342 pode ser usado para avaliar qualidade de modo de bloqueio do laser pulsado. Por exemplo, seu espectro pode ser analisado para detectar o início de comutação Q.

[00378] Embora geração e sincronização de clock tenham sido descritas usando um amplificador de controle de ganho automático e uma alça de fase bloqueada, aparelho alternativo pode ser usado em outras modalidades para as quais uma quantidade maior de variação de clock (por exemplo, até cerca de 300 ps) pode ser tolerada. Em algumas implementações, um amplificador no estágio de amplificação de pulso pode ser acionado para saturação para prover um sinal de atuação de borda em elevação. Um ponto de atuação para um clock pode ser ajustado em algum valor na borda em elevação. Devido ao fato do amplificador saturar, variações em amplitude de pulso têm menos de um efeito sobre o tempo de atuação do que para um amplificador não saturado. A borda em elevação pode ser usada para alternar um circuito de clock flip-flop, tais como aqueles implementados em arranjos de porta programáveis em campo (FPGAs). A borda em decaimento a partir do amplificador saturado retornando de volta para zero pode ter apreciavelmente mais variabilidade de tempo, dependendo de quando a saída do amplificador é liberada de saturação. No entanto, a borda em decaimento não é detectada pelo circuito de clock flip-flop e não tem nenhum efeito sobre o clocking.

[00379] Muitos FPGAs incluem alças de bloqueio de retardo (DLL) digitais que podem ser usadas ao invés de um PLL para travar um os- cilador estável para o sinal de clocking gerado por laser do flip-flop. Em algumas modalidades, o flip-flop de recepção divide a taxa de clocking do trem de pulso óptico por dois, o que pode prover um sinal de clock de ciclo de trabalho 50% para o DLL em metade da taxa de repetição de pulso. O DLL pode ser configurado para gerar um clock de frequência duplicada para ser sincronizado com o trem de pulso óptico. Clocks de frequência maior, sincronizados adicionais podem ser também gerados pelo DLL e FPGA.

[00380] Em algumas modalidades, duas ou mais fontes ópticas pulsadas 1-110a, 1-110b podem ser necessárias para fornecer pulsos ópticos em dois ou mais comprimentos de onda diferentes a um sistema analítico 1-160, como mostrado na Figura 9-4. Em tais modalidades, pode ser necessário sincronizar taxas de repetição de pulso das fontes ópticas e operações eletrônicas no sistema analítico 1-160. Em algumas implementações, se duas fontes óticas pulsadas usarem métodos ativos (por exemplo, comutação de ganho) para produzir pulsos, as técnicas descritas acima em conexão com a Figura 9-1 podem ser usadas. Por exemplo, um clock 9-110 pode fornecer um clock ou sinal de sincronização em uma frequência de sincronização fsync para acionar circuitos para ambas as fontes ópticas pulsadas 1-110a-1-110b, e para o sistema analítico 1-160. Se uma fonte de pulso óptico 1-110b produzir pulsos usando métodos passivos, então as técnicas descritas em conexão com a Figura 9-2 podem ser usadas para acionar um sinal de sincronização a partir da fonte de pulso passivo. O sinal de sincronização pode então ser provido à fonte de pulso ativo 1-110a para sincronizar produção de pulso por esta fonte e para o instrumento 1-160 para sincronizar dispositivos eletrônicos e operações do instrumento.

[00381] Quando pulsos são produzidos ativamente em cada fonte óptica, pode ser ou não necessário ajustar dinamicamente o comprimento de uma cavidade de laser usando um sistema de controle de feedback para produção de pulso estável e sincronizada. Se pulsos forem produzidos através de comutação de ganho de um meio de ganho de laser, então ajuste do comprimento da cavidade do laser pode não ser necessário. Se pulsos forem produzidos através de técnicas de modo de bloqueio ativo, então um ajuste de comprimento de cavidade de laser dinâmico pode ser necessário para produzir um trem estável de pulsos ópticos. Há várias técnicas eletromecânicas através das quais ajustes de comprimento de cavidade de laser podem ser feitos. Por exemplo, um espelho de cavidade (tal como um par de espelho de extremidade de cavidade e espelho giratório) pode ser posicionado usando um transdutor piezelétrico que é controlado de acordo com um sinal de feedback. O sinal de feedback pode ser derivado de uma diferença entre uma taxa de repetição de pulso produzida pela cavidade de laser e uma outra taxa de repetição de pulso ou sinal de clock produzido externamente. Em alguns casos, um comprimento de laser de fibra pode ser estendido usando um material pie- zelétrico de acordo com um sinal de feedback. Em algumas implementações, um espelho de cavidade pode ser um espelho baseado em microeletromecânica que é controlado de acordo com um sinal de feedback.

[00382] De acordo com algumas modalidades, duas fontes de pulso óptico 1-110a, 1-110b podem ambas produzir pulsos ópticos passivamente (por exemplo, através de bloqueio de modo passivo). Em tais modalidades, um sinal de sincronização pode ser derivado de uma ou mais fontes óticas pulsadas, como descrito em conexão com a Figura 9-3, para sincronização de pulso entre laser e de dispositivos eletrônicos. Medições adicionais podem ser necessárias para sincronizar pulsos a partir da segunda fonte de pulso óptico com pulsos da primeira fonte de pulso óptico. Por exemplo, um sinal de cronometragem pode ser também derivado da segunda fonte de pulso óptico e usado com um circuito de feedback eletromecânico para controlar o comprimento de uma cavidade da segunda fonte de pulso óptico. Ao controlar o comprimento da cavidade da segunda fonte de pulso óptico, o sinal de cronometragem derivado da segunda fonte de pulso óptico pode ser travado em frequência e fase (por exemplo, através de uma alça de fase travada) para um sinal de clock derivado da primeira fonte de pul- so óptico. Desta maneira, um trem de pulso de uma segunda fonte de pulso óptico pode ser sincronizado para um trem de pulso da primeira fonte de pulso óptico, e operações de instrumento e dispositivos eletrônicos podem ser também sincronizadas para a primeira fonte de pulso óptico.

[00383] Em algumas implementações, pode ser benéfico intercalar pulsos em tempo a partir de duas fontes ópticas pulsadas, como mostrado na Figura 95-A e Figura 9-5B. Quando pulsos são intercalados, um pulso 9-120a de uma primeira fonte 1-110a pode excitar uma ou mais amostras no sistema analítico 1-160 com um primeiro comprimento de onda característico Ài em um primeiro tempo ti. Dados representativos da interação do primeiro pulso com a uma ou mais amostras podem ser então coletados pelo instrumento. Em um tempo posterior t2, um pulso 9-120b de uma segunda fonte 1-110b pode excitar uma ou mais amostras no sistema analítico 1-160 com um segundo comprimento de onda À2 característico. Dados representativos da interação do segundo pulso com a uma ou mais amostras podem então ser coletados pelo instrumento. Ao intercalar os pulsos, efeitos de interações de pulso-amostra em um comprimento de onda podem não se intermisturar com os efeitos de interações de pulso-amostra em um segundo comprimento de onda. Ainda, características associadas com dois ou mais marcadores fluorescentes podem ser detectadas.

[00384] Pulsos podem ser intercalados com circuito de temporização e sincronização, como mostrado na Figura 9-5A. Métodos descritos em conexão com a Figura 9-4 podem ser usados para sincronizar trens de pulso das duas fontes ópticas pulsadas 1-110a, 1-110b e sincronizar dispositivos eletrônicos e operações do sistema analítico 1-160 com a chegada de pulso. Para intercalar os pulsos, pulsos de uma fonte óptica pulsada podem ser de fase travada ou atuados fora de fase com pulsos da outra fonte óptica pulsada. Por exemplo, pulsos de uma primeira fon- te óptica pulsada 1-110a podem ser de fase travada usando uma alça de fase travada ou alça de retardo travada) ou atuada para estar 180 graus fora de fase com pulsos da segunda fonte óptica pulsada 1-110b, embora outras relações de fase ou ângulo possam ser usadas em algumas modalidades. Em algumas implementações, um retardo de tempo pode ser adicionado a um sinal de atuação provido para uma das fontes ópticas pulsadas. O retardo de tempo pode retardar uma borda de atuação aproximadamente metade do intervalo de separação de pulso T. De acordo com algumas modalidades, um sinal de sincronização de frequência duplicada pode ser gerado por um temporizador 9-220 e provido para o instrumento 9-160 para sincronização de dispositivos eletrônicos e operações do instrumento com a chegada de pulsos intercalados a partir de fontes ópticas pulsadas.

[00385] Os inventores conceberam métodos e técnicas adicionais através dos quais trens de pulsos ópticos em dois ou mais comprimentos de onda característicos diferentes podem ser produzidos e sincronizados. A Figura 9-6a mostra um sistema de dois lasers 9-600 que empregam material óptico não linear para gerar dois trens de pulso sincronizados 0-120c, 9-120d nos comprimentos de onda característicos desejados Ài/2 e À3. De acordo com algumas modalidades, um primeiro laser 1-110a pode produzir um primeiro trem de pulsos ópticos 9-120a em um primeiro comprimento de onda característico Ài. Por exemplo, o primeiro laser pode ser um laser de modo passivamente travado (por exemplo, um laser Nd:YVO4 ou Nd:GdVO4) que produz pulsos a i064 nm. O primeiro laser i-ii0a pode compreender qualquer sistema de cavidade de laser descrito em conexão com a Figura 3-3A ou Figura 5-i até Figura 5-3. O primeiro trem de pulsos ópticos 9- i20a pode ser de frequência duplicada pela segunda geração harmônica (SHG) em um primeiro elemento óptico não linear 9-6i0 (por exemplo, um cristal KTP ou BBO) para produzir um terceiro trem de pulsos ópticos 9-120c em metade do comprimento de onda (por exemplo, Ài/2 = 532 nm) do trem de pulso do primeiro laser. A segunda geração harmônica não converterá toda a energia de pulso para a segunda frequência harmônica, de maneira que um trem de pulso atenuado no comprimento de onda fundamental Ài emergirá a partir do primeiro elemento óptico não linear 9-610.

[00386] Ainda, um segundo laser de modo passivamente bloqueado 1-110b pode produzir um segundo trem de pulsos ópticos 9-120b em um segundo comprimento de onda característico À2. Em algumas modalidades, o segundo laser pode também compreender um laser de modo passivamente travado (por exemplo, um Nd: YVO4 ou Nd: GdVO4) que produz pulsos em um segundo comprimento de onda (por exemplo, 1342 nm) que é uma segunda transição de emissão de laser apoiada pelo mesmo tipo de meio de ganho, embora outros materiais de emissão de laser possam ser usados em outras modalidades. Um primeiro espelho dicroico DC1 pode ser usado para direcionar pulsos a partir do primeiro laser 1-110a para um segundo espelho dicroico DC2 onde trens de pulso dos dois lasers serão combinados e direcionados para um segundo elemento óptico não linear 9-620 (por exemplo, um cristal KTP ou BBO). No segundo elemento não linear, os campos ópticos dos dois trens de pulso interagem, contanto que os pulsos cheguem juntos, para gerar um terceiro comprimento de onda À3 através de um processo conhecido como geração de soma de frequência (SFG). Neste processo, o comprimento de onda resultante é dado pela relação que segue.

[00387] De acordo com o exemplo acima, o terceiro comprimento de onda À3 pode ser produzido em cerca de 593,5 nm. Como resultado, o sistema de dois lasers pode produzir um terceiro trem de pulso 9- 120c a 532 nm e um quarto trem de pulso 9-120d a 593,5 nm. Em al- gumas modalidades, o quarto trem de pulso pode conter pulsos nos comprimentos de onda fundamentais Ài e À2, mas esta radiação pode ser filtrada fora do trem de pulso usando um filtro infravermelho, por exemplo.

[00388] Em algumas implementações, um quinto trem de pulso em um quarto comprimento de onda característico À4 (não mostrado) pode ser produzido. Por exemplo, radiação do segundo laser 1-100b em seu comprimento de onda À2 fundamental pode emergir do segundo elemento óptico não linear 9-620 e ser de frequência duplicada em um terceiro elemento óptico não linear (não mostrado). De acordo com o exemplo acima, o quarto comprimento de onda característico seria cerca de 670 nm. Ainda, esses pulsos seriam sincronizados em tempo com os pulsos ópticos nos terceiro e quarto trens de pulso.

[00389] Como mencionado acima, os pulsos dos dois lasers 1- 100a, 1-110b devem chegar no segundo elemento óptico não linear 9620 ao mesmo tempo e ser espacialmente sobrepostos o máximo possível no elemento. Desta maneira, os dois lasers devem ser sincronizados. Sincronização dos dois lasers, e com dispositivos eletrônicos do instrumento, pode ser feita usando um circuito de controle de tempo e eletromecânico 9-220, como descrito em conexão com a Figura 9-5, por exemplo. O circuito de controle 9-200 pode, em algumas modalidades, comparar as taxas de repetição de pulso dos dois lasers para produzir um sinal de feedback que é usado para controlar o com-primento de cavidade de um laser. Um comprimento de cavidade pode ser controlado através de um atuador eletromecânico, tal como um transdutor piezelétrico. O circuito de controle 9-220 pode ainda gerar, ou travar fase para, um sinal de clock que é usado para sincronizar operações eletrônicas de um instrumento 1-160 que analisa interações dos pulsos com matéria.

[00390] Pulsos sincronizados em comprimentos de onda caracte- rísticos múltiplos gerados pelo sistema de emissão de laser da Figura 9-6a, ou outros sistemas de emissão de laser ou combinações de sistemas de emissão de laser descritos aqui, podem ser desejáveis para excitação de fluoróforos para sistemas bioanalíticos. Em algumas implementações, sinais representativos de emissão óptica detectados a partir de fluoróforos excitados podem ser processados para distinguir o tipo de fluoróforo, de acordo com métodos descritos nas aplicações relacionadas. Em alguns casos, a análise dos sinais detectados pode distinguir os fluoróforos com base em seus tempos de vida e/ou característica espectral. Em algumas modalidades, distinção de fluoró- foros com base em tempo de vida favorece o uso de comprimentos de onda de excitação múltiplos na amostra, porque os fluoróforos diferentes a serem distinguidos podem ter faixas de absorção diferen-tes. Pulsos de excitação em comprimentos de onda múltiplos podem assegurar que cada fluoróforo, quando presente na amostra, será excitado.

[00391] Em alguns casos, quando comprimentos de onda de excitação múltiplos estão disponíveis, fluoróforos podem ser distinguidos com base em se ou não uma fonte de excitação excita um fluoróforo. Apenas como um exemplo, quatro fluoróforos podem ser usados em um aparelho de sequenciamento de gene de molécula única para detectar incorporação de nucleotídeo em um gene ou fragmento de gene. Os quatro fluoróforos podem ser selecionados, de maneira que eles tenham sobreposição reduzida em suas faixas de absorção. Quatro comprimentos de onda de excitação, correspondentes em faixas de absorção, de duas ou mais fontes de laser pulsado podem ser usados para excitar os fluoróforos. Os pulsos podem ser intercalados no tempo, de maneira que os pulsos chegam em uma amostra dentro de intervalos de tempo diferentes para cada comprimento de onda característico. Se um fluoróforo tendo uma faixa de absorção correspondente a um comprimento de onda de excitação estiver presente, ele emitirá durante um intervalo de tempo associado com um pulso no comprimento de onda de excitação correspondente. Desta maneira, a crono- metragem ou fase de sinais detectados a partir de uma amostra pode identificar o tipo de fluoróforo presente.

[00392] Em algumas modalidades, uma combinação de métodos de discriminação de fluoróforo pode ser usada. Por exemplo, em uma mesma análise de amostra, alguns fluoróforos podem ser distinguidos com base em tempo de vida e alguns podem ser distinguidos com base em comprimento de onda de excitação - correspondência de banda de absorção. Comprimentos de onda de excitação múltiplos podem ser produzidos por um sistema de laser único, como descrito em conexão com a Figura 9-6a ou por uma combinação de sistemas de laser (por exemplo, um laser semicondutor de ganho comutado e laser de modo passivamente travado).

[00393] Uma outra modalidade de um sistema de dois lasers 9-602 é mostrada na Figura 9-6B. Neste sistema, geração de soma de frequência é realizada antes da segunda geração harmônica. Por exemplo, os trens de pulso de saída 9-120a, 9-120b de um primeiro laser 1- 110a e segundo laser 1-110b são combinados em um espelho dicroico DC1 e direcionados a um primeiro elemento óptico não linear em que SFG ocorre. Um trem de pulso de saída pode então ser dividido (usando um TC1 tricroico ou divisor dicroico) para direcionar pelo menos o primeiro comprimento de onda para um segundo elemento óptico não linear onde SHG ocorre. Desta maneira, um terceiro trem de pulso 9-120c em Ài/2 e um quarto trem de pulso 9-120d em À3 podem ser gerados. Sincronização dos dois trens de pulso pode ser feita usando um circuito de controle de feedback de sincronização e eletro- mecânico 9-200.

V. Configurações

[00394] Como pode ser compreendido, pode haver muitas configurações e modalidades diferentes de um laser pulsado 1-110 e instrumento analítico 1-100 e métodos de operação. Algumas configurações e modalidades são dadas abaixo, mas a invenção não é limitada às configurações e modalidades listadas.

[00395] (1) Um laser de modo bloqueado compreendendo uma placa base tendo um comprimento de borda máximo de não mais do que 350 mm, um meio de ganho montado na placa base, um primeiro espelho de extremidade montado na placa base localizada na primeira extremidade de uma cavidade de laser e um espelho saturável- absorvedor montado na placa base e formando um segundo espelho de extremidade para a cavidade de laser, onde o laser de modo bloqueado é configurado para produzir pulsos ópticos através de bloqueio de modo passivo em uma taxa de repetição entre 50 MHz e 200 MHz.

[00396] (2) O laser de modo bloqueado da configuração (1), com preendendo ainda um chip bio-opticoeletrônico disposto para receber pulsos de excitação do laser de modo bloqueado, onde o chip bio- opticoeletrônico apoia incorporação sequencial de nucleotídeos ou análogos de nucleotídeo a um filamento em formação que é complementar a um ácido nucleico alvo, óptica de direcionamento de feixe disposta para direcionar os pulsos de excitação em um comprimento de onda característico único em direção ao chip bio-opticoeletrônico e um processador de sinal configurado para receber sinais representativos de emissão fluorescente induzida pelos pulsos de excitação no comprimento de onda característico único e processar os sinais recebidos para determinar a identidade de quatro nucleotídeos diferentes ou análogos de nucleotídeo incorporados ao filamento em formação, onde os sinais recebidos correspondem à incorporação sequencial de nucleotídeos ou análogos de nucleotídeo ao filamento em formação.

[00397] (3) O laser de modo bloqueado da configuração (1) ou (2), caracterizado pelo fato de que compreende um espelho ajustável montado na cavidade de laser que é disposto para prover apenas dois graus de liberdade em ajuste de um feixe de laser dentro da cavidade de laser enquanto o laser de modo bloqueado está operando, que são os únicos dois graus de liberdade providos por uma montagem óptica na cavidade de laser para ajustar do feixe de laser enquanto o laser de modo bloqueado está operando.

[00398] (4) O laser de modo bloqueado de qualquer um de (1)-(3), compreendendo ainda uma primeira óptica de focagem montada na placa base e localizada ao longo de um eixo óptico intracavidade entre o meio de ganho e o espelho saturável-absorvedor e uma segunda óptica de focagem montada na placa base e localizada ao longo do eixo óptico intracavidade entre a primeira óptica de focagem e o espelho saturável-absorvedor, onde um ajuste na posição da primeira óptica de focagem ao longo do eixo óptico intracavidade muda um tamanho de ponto focal de um feixe de laser intracavidade no espelho satu- rável-absorvedor mais do que uma mesma quantidade de ajuste para a posição da segunda óptica de focagem ao longo do eixo óptico intra- cavidade.

[00399] (5) O laser de modo bloqueado de qualquer um de (1)-(4), caracterizado pelo fato de que compreende ainda elementos de controle de temperatura acoplados a pelo menos dois lados do meio de ganho e configurados para produzir um gradiente térmico assimétrico através do meio de ganho que direciona um feixe de laser intracavidade.

[00400] (6) O laser de modo bloqueado de qualquer um de (1)-(5), compreendendo ainda uma primeira óptica de focagem montada na placa base e localizada ao longo de um eixo óptico intracavidade entre o meio de ganho e o espelho saturável-absorvedor, uma segunda óptica de focagem montada na placa base e localizada ao longo do eixo óptico intracavidade entre a primeira óptica de focagem e o espelho saturável-absorvedor e um módulo de direcionamento de feixe intraca- vidade montado entre a primeira óptica de focagem e o espelho satu- rável-absorvedor.

[00401] (7) O laser de modo bloqueado de (6), compreendendo ain da um fotodetector disposto para detectar uma potência média do laser de modo bloqueado circuito de controle em comunicação com o fotodetector e o módulo de direcionamento de feixe intracavidade, onde o circuito de controle é configurado para prover sinais para reali- nhar um feixe de laser intracavidade no espelho saturável-absorvedor com base em um nível de sinal detectado pelo fotodetector.

[00402] (8) O laser de modo bloqueado de (6), compreendendo ain da um fotodetector e processador de sinal dispostos para detectar uma ou mais características associadas com comutação Q do laser pulsado e circuito de controle em comunicação com o processador de sinal e o módulo de direcionamento de feixe intracavidade, onde o circuito de controle é configurado para prover sinais para realinhar um feixe de laser intracavidade no espelho saturável-absorvedor responsivo à detecção de uma ou mais características associadas com comutação Q.

[00403] (9) O laser de modo bloqueado de qualquer um de (1)-(8), compreendendo ainda uma pluralidade de espelhos que se estende um comprimento da cavidade de laser e estão localizados entre o meio de ganho e o espelho saturável-absorvedor e um recurso de montagem formado na placa base e localizado entre o meio de ganho e a pluralidade de espelhos, onde o recurso de montagem é configurado para receber um espelho de extremidade ou fixação para sustentar um espelho de extremidade que encurta a cavidade do laser.

[00404] (10) O laser de modo bloqueado de qualquer um de (1)-(9), compreendendo ainda pelo menos uma vala formada na placa base que corre em uma direção do eixo óptico intracavidade e é configurada para receber um ou mais componentes ópticos do laser de modo bloqueado.

[00405] (11) O laser de modo bloqueado de (10), incluindo ainda uma montagem óptica integrada formada na placa base, a montagem óptica integrada compreendendo duas superfícies coplanares se apoiando em lados opostos da pelo menos uma vala e orientadas essencialmente perpendiculares ao eixo óptico intracavidade e duas superfícies inclinadas formadas nos lados opostos da pelo menos uma vala e se inclinado em direção às duas superfícies coplanares.

[00406] (12) O laser de modo bloqueado de qualquer um de (1) (11), compreendendo ainda um fotodetector disposto para detectar pulsos ópticos a partir do laser de modo bloqueado e um circuito de geração de clock configurado para sincronizar um sinal de clock eletrônico a partir de um oscilador estável com pulsos ópticos produzidos pelo laser de modo bloqueado.

[00407] (13) O laser de modo bloqueado de qualquer um de (1) (12), onde o primeiro espelho de extremidade compreende um acoplador de saída tendo uma transmissão entre aproximadamente 10% e aproximadamente 25%.

[00408] (14) O laser de modo bloqueado de qualquer um de (1)(13), onde uma duração de largura à meia altura dos pulsos ópticos é entre cerca de 5 ps e cerca de 30 ps.

[00409] (15) O laser de modo bloqueado de qualquer um de (1) (14), onde uma intensidade de cauda dos pulsos ópticos permanece 20 dB abaixo de uma intensidade de pico dos pulsos ópticos após 250 ps da intensidade de pico dos pulsos ópticos.

[00410] (16) O laser de modo bloqueado de qualquer um de (1) (15), compreendendo ainda um componente de duplicação de sequência montado na placa base que converte pulsos de saída a partir do laser de um primeiro comprimento de onda de laser para pulsos tendo metade do comprimento de onda de laser.

[00411] (17) O laser de modo bloqueado de qualquer um de (1) (15), compreendendo ainda um componente de duplicação de sequência montado na placa base e disposto para receber uma saída do laser de modo bloqueado e um circuito de feedback configurado para receber um sinal representativo de uma quantidade de potência em um comprimento de onda de frequência duplicada administrado a partir do componente de duplicação de frequência para um chip bio- opticoeletrônico e provê um sinal para mudar a quantidade de potência em um comprimento de onda de frequência duplicada com base em um nível do sinal recebido.

[00412] (18) O laser de modo bloqueado de (16) ou (17), compre endendo ainda um rotator de polarização disposto para mudar uma polarização da saída do laser de modo bloqueado que é administrado ao componente de duplicação de frequência e um atuador conectado ao circuito de feedback que controla uma orientação do rotator de polarização.

[00413] (19) O laser de modo bloqueado de qualquer um de (1) (18), compreendendo ainda um módulo de fonte de bomba de diodo montado na placa base com prendedores de isolamento térmico.

[00414] (20) O laser de modo bloqueado de (19), onde o módulo de fonte de bomba de diodo é montado através de um orifício na placa base e está localizado em um lado da placa base oposto à cavidade de laser.

[00415] (21) Um método para sequenciamento de DNA, o método compreendendo atos de produção de energia de excitação pulsada em um comprimento de onda característico único; direcionamento da energia de excitação pulsada na direção de um chip bio- optoeletrônico, onde o chip bio-optoeletrônico apoia incorporação sequencial de nucleotídeos ou análogos de nucleotídeo a um filamento em formação que é complementar a um ácido nucleico alvo; recebimento de sinais representativos de emissão fluorescente induzida pela energia de excitação pulsada no comprimento de onda característico único, onde os sinais correspondem à incorporação sequência de nu- cleotídeos ou análogos de nucleotídeo ao filamento em formação; e processamento dos sinais recebidos para determinar a identidade de quatro nucleotídeos diferentes ou análogos de nucleotídeo incorporados ao filamento em formação.

[00416] (22) O método da modalidade (21), onde produção de energia de excitação pulsada compreende produção de pulsos ópticos com um laser de modo bloqueado operando em um comprimento de onda característico único.

[00417] (23) O método de (21), onde produção de energia de exci tação pulsada compreende produção de pulsos ópticos com um laser de ganho comutado operando em um comprimento de onda caraterístico único.

[00418] (24) O método de qualquer um de (21)-(23), onde proces samento dos sinais recebidos compreende distinção entre pelo menos dois valores de decaimento de emissão fluorescente diferentes para identificar pelo menos dois nucleotídeos ou análogos de nucleotídeo diferentes dos quatro nucleotídeos ou análogos de nucleotídeo.

[00419] (25) O método de qualquer um de (21)-(24), compreenden do ainda produção de um sinal de disparo eletrônico que é sincronizado com a energia de excitação pulsada; e provisão do sinal de disparo eletrônico para coleta de tempo dos sinais representativos de emissão fluorescente no chip bio-opticoeletrônico.

[00420] (26) O método de (25), compreendendo ainda coleta de tempo dos sinais representativos de emissão fluorescente para ocorrer quando a energia de excitação pulsada está em um estado desligado que segue um estado ligado.

[00421] (27) O método de qualquer um de (21)-(26), onde direcio namento da energia de excitação pulsada compreende acoplamento da energia de excitação pulsada a um guia de onda no chip bio- opticoeletrônico.

[00422] (28) O método de (27), onde o acoplamento compreende recebimento de um primeiro sinal de feedback a partir do chip bio- opticoeletrônico que indica um grau de alinhamento de um feixe da energia de excitação pulsada com uma porta de entrada conectada ao guia de onda; e direcionamento do feixe com base no primeiro sinal de feedback.

[00423] (29) O método de (27) ou (28), onde o acoplamento com preende ainda recebimento de um segundo sinal de feedback a partir do chip bio-opticoeletrônico que indica uma quantidade de potência administrada ao ácido nucleico alvo; e ajuste de uma quantidade de energia na energia de excitação pulsada com base no segundo sinal de feedback.

[00424] (30) Um instrumento bioanalítico compreendendo um sis tema de laser pulsado configurado para produzir pulsos de excitação óptica em um comprimento de onda característico único, um receptáculo para recebimento de um chip bio-opticoeletrônico e produção de conexões elétricas e um acoplamento óptico com o chip bio- opticoeletrônico, onde o chip bio-opticoeletrônico apoia incorporação sequencial de nucleotídeos ou análogos de nucleotídeo a um filamento em formação que é complementar a um ácido nucleico alvo, óptica de direcionamento de feixe disposta para direcionar os pulsos de excitação em direção ao receptáculo e um processador de sinal configurado para receber sinais representativos de emissão fluorescente induzida pelos pulsos de excitação no comprimento de onda característico úni-co e processar os sinais recebidos para determinar a identidade de quatro nucleotídeos ou análogos de nucleotídeo diferentes incorpora- dos ao filamento em formação, onde os sinais recebidos correspondem à incorporação sequencial de nucleotídeos ou análogos de nucle- otídeo ao filamento em formação.

[00425] (31) O instrumento bioanalítico da configuração (30), onde o sistema de laser pulsado compreende um laser de modo bloqueado.

[00426] (32) O instrumento bioanalítico de (31), onde o laser de modo bloqueado compreende uma placa base, um meio de ganho montado na placa base, um primeiro espelho de extremidade montado na placa base localizado na primeira extremidade de uma cavidade de laser; e um espelho saturável-absorvedor montado na placa base e formando um segundo espelho de extremidade para a cavidade de laser.

[00427] (33) O instrumento bioanalítico de (31) ou (32), onde o laser de modo bloqueado compreende um laser de fibra.

[00428] (34) O instrumento bioanalítico de (31) ou (32), onde o laser de modo bloqueado compreende um diodo de laser de modo bloqueado.

[00429] (35) O instrumento bioanalítico de (31) ou (32), onde o laser de modo bloqueado compreende um laser bombeado de diodo tendo um elemento de duplicação de frequência intracavidade.

[00430] (36) O instrumento bioanalítico de (30), onde o sistema de laser pulsado compreende um laser de ganho comutado.

[00431] (37) O instrumento bioanalítico de (36), onde o laser de ga nho comutado compreende um diodo de laser.

[00432] (38) O instrumento bioanalítico de (36), onde o laser de ga nho comutado compreende um diodo de laser e um circuito condutor de corrente configurado para prover um pulso de corrente bipolar para o diodo de laser, onde o pulso de corrente bipolar compreende um primeiro pulso tendo uma primeira amplitude e primeira polaridade que é seguido por um segundo pulso de polaridade oposta tendo uma segunda amplitude menos do que a primeira amplitude.

[00433] (39) O instrumento bioanalítico de (38), onde o circuito con dutor inclui um transistor acoplado a um terminal do diodo de laser, onde o circuito condutor é configurado para receber um pulso unipolar e aplicar um pulso elétrico bipolar ao diodo semicondutor responsivo à recepção do pulso unipolar.

[00434] (40) O instrumento bioanalítico de (30), onde o sistema de laser pulsado compreende um laser de onda contínua e uma disposição de comutadores ópticos interconectados que modulam uma saída do laser de onda contínua.

[00435] (41) O instrumento bioanalítico de qualquer um de (30) (40), compreendendo ainda circuito de sincronização que controla coleta dos sinais representativos de emissão fluorescente para ocorrer em um momento quando os pulsos de excitação estão em um estado essencialmente desligado no chip bio-opticoeletrônico.

[00436] (42) O instrumento bioanalítico de (41), onde o circuito de sincronização compreende um circuito de geração de clock configurado para sincronizar um primeiro sinal de clock a partir de um oscilador eletrônico ou eletromecânico com um segundo sinal de clock produzido a partir da detecção dos pulsos de excitação e prover o primeiro sinal de clock sincronizado para aquisição de dados de tempo pelo instrumento bioanalítico.

[00437] (43) O instrumento bioanalítico de (42), onde o circuito de geração de clock inclui amplificação de controle de ganho automático para aumentar as amplitudes de pulsos eletrônicos gerados a partir dos pulsos ópticos.

[00438] (44) O instrumento bioanalítico de (42), onde o circuito de geração de clock inclui amplificação saturada para aumento das amplitudes de pulsos eletrônicos gerados a partir dos pulsos ópticos.

[00439] (45) Um instrumento bioanalítico compreendendo um laser configurado para produzir energia de excitação pulsada em um com- primento de onda característico único e um circuito de geração de clock configurado para sincronizar um primeiro sinal de clock a partir de um oscilador eletrônico ou eletromecânico com um segundo sinal de clock produzido a partir da detecção de pulsos ópticos a partir do laser e prover o primeiro sinal de clock sincronizado para aquisição de dados de tempo pelo instrumento bioanalítico.

[00440] (46) O instrumento bioanalítico da configuração (45), onde o circuito de geração de clock inclui amplificação de controle de ganho automático para aumentar amplitudes de pulsos eletrônicos gerados a partir de pulsos ópticos.

[00441] (47) O instrumento bioanalítico de (45), onde o circuito de geração de clock inclui amplificação saturada para aumentar amplitudes de pulsos eletrônicos gerados a partir dos pulsos ópticos.

[00442] (48) O instrumento bioanalítico de qualquer um de (45) (47), onde o circuito de geração de clock inclui uma alça de fase bloqueada que bloqueia a fase do primeiro sinal de clock para o segundo sinal de clock.

[00443] (49) O instrumento bioanalítico de qualquer um de (45) (47), onde o circuito de geração de clock inclui uma alça bloqueada de retardo que bloqueia a fase do primeiro sinal de clock para o segundo sinal de clock.

[00444] (50) Um sistema compreendendo um laser pulsado, um la ser de onda contínua, um primeiro elemento óptico não linear e um segundo elemento óptico não linear, onde o sistema é configurado para produzir um primeiro trem de pulso gerado a partir do primeiro elemento óptico não linear em um primeiro comprimento de onda característico e um segundo trem de pulso a partir do segundo elemento óptico não linear em um segundo comprimento de onda característico.

[00445] (51) Sistema da configuração (50), onde o segundo ele mento óptico não linear está em uma cavidade de laser do laser de onda contínua.

[00446] (52) O sistema de (50) ou (51), onde o segundo trem de pulso é sincronizado com o primeiro trem de pulso.

[00447] (53) O sistema de qualquer um de (50)-(52), onde o segun do trem de pulso é produzido por geração de soma de frequência no segundo elemento óptico não linear.

[00448] (54) O sistema de qualquer um de (50)-(53), onde os pri meiro e segundo comprimentos de onda característicos estão entre 500 nm e 700 nm.

[00449] (55) O sistema de qualquer um de (50)-(54), compreenden do ainda um instrumento bioanalítico configurado para conter uma amostra e óptica de direcionamento de feixe disposta para direcionar radiação do primeiro trem de pulso e segundo trem de pulso para a amostra.

[00450] (56) O sistema (55), onde o instrumento bioanalítico é con figurado para detectar emissão a partir da amostra e distinguir dois ou mais fluoróforos com base em tempos de vida fluorescente.

[00451] (57) Um método de provisão de pulsos ópticos sincroniza dos, o método compreendendo operação de um laser pulsado em um primeiro comprimento de onda característico; operação de um laser de onda contínua em um segundo comprimento de onda característico; acoplamento de um primeiro trem de pulso a partir do laser de pulso em uma cavidade de laser do laser de onda contínua; e geração de um segundo trem de pulso em um terceiro comprimento de onda característico na cavidade de laser do laser de onda contínua.

[00452] (58) O método da modalidade (57), onde geração do se gundo trem de pulso compreende geração de soma de frequência.

[00453] (59) O método de (57) ou (58), compreendendo ainda du plicação de sequência de um trem de pulso a partir do laser pulsado para gerar um terceiro trem de pulso em um quarto comprimento de onda característico.

[00454] (60) O método de (59), compreendendo ainda provisão do segundo trem de pulso e terceiro trem de pulso a um instrumento bio- analítico.

[00455] (61) O método de (60) compreendendo ainda excitação de pelo menos dois fluoróforos em uma amostra no instrumento bioanalí- tico com pulsos dos segundo e terceiro trens de pulso; e distinção dos pelo menos dois fluoróforos com base em tempos de vida de fluorescência.

[00456] (62) Um sistema compreendendo um primeiro um primeiro laser pulsado, um segundo laser pulsado, um primeiro elemento óptico não linear e um segundo elemento óptico não linear, onde o sistema é configurado para produzir um primeiro trem de pulso gerado a partir do primeiro elemento óptico não linear em um primeiro comprimento de onda característico e um segundo trem de pulso através da geração de soma de frequência a partir do segundo elemento óptico não linear em um segundo comprimento de onda característico.

[00457] (63) O sistema de configuração (62), onde o segundo trem de pulso é sincronizado com o primeiro trem de pulso.

[00458] (64) O sistema de (62) ou (63), compreendendo ainda um instrumento bioanalítico configurado para conter uma amostra e radiação direta a partir do primeiro trem de pulso e segundo trem de pulso sobre a amostra.

[00459] (65) O sistema de (64), onde o instrumento bioanalítico é configurado para detectar emissão a partir da amostra e distinguir dois ou mais fluoróforos com base em tempos de vida fluorescente.

[00460] (66) O sistema de qualquer um de (62)-(65), compreenden do ainda um terceiro elemento óptico não linear, onde o sistema é configurado para produzir um terceiro trem de pulso gerado a partir do terceiro elemento óptico não linear em um terceiro comprimento de onda característico.

[00461] (67) O sistema de (66), onde o terceiro trem de pulso é sin cronizado com os primeiro e segundo trens de pulso.

[00462] (68) O sistema de qualquer um de (62-(67), onde os primei ro, segundo e terceiro comprimentos de onda característicos estão entre 500 nm e 700 nm.

[00463] (69) Um método de provisão de pulsos ópticos sincroniza dos, o método compreendendo operação de um primeiro laser pulsado em um primeiro comprimento de onda característico; operação de um segundo laser pulsado em um segundo comprimento de onda característico; sincronização do primeiro laser pulsado com o segundo laser pulsado; pulsos de duplicação de frequência a partir do primeiro laser pulsado para produzir um primeiro trem de pulso em um terceiro comprimento de onda característico; acoplamento de pulsos do primeiro laser pulsado e segundo laser pulsado a um elemento óptico não linear; e geração, através de geração de soma de frequência, de um segundo trem de pulso em um quarto comprimento de onda característico.

[00464] (70) O método da modalidade (69), compreendendo ainda provisão do primeiro trem de pulso e segundo trem de pulso a um instrumento bioanalítico.

[00465] (71) O método de (70), compreendendo ainda excitação de pelo menos dois fluoróforos em uma amostra no instrumento bio- analítico com pulsos dos primeiro e segundo trens de pulso; e distinção de pelo menos dois fluoróforos com base em tempo de vida fluorescente.

[00466] (72) O método de qualquer um de (69)-(71), compreenden do ainda pulsos de duplicação de frequência a partir do segundo laser pulsado para produzir um terceiro trem de pulso em um quinto comprimento de onda característico.

[00467] (73) O método de (72), onde os terceiro, quarto e quinto comprimentos de onda característicos estão entre 500 e 700 nm.

[00468] (74) Um sistema compreendendo um primeiro laser pulsado e um segundo laser pulsado que inclui um espelho saturável- absorvedor intracavidade, onde o sistema é configurado para direcionar pulsos a partir do primeiro laser pulsado sobre o espelho saturável- absorvedor do segundo laser pulsado.

[00469] (75) O sistema de configuração (74), onde o segundo laser pulsado é de modo passivamente bloqueado.

[00470] (76) O sistema de (74) ou (75), compreendendo ainda um primeiro elemento óptico não linear e um segundo elemento óptico não linear, onde o sistema é configurado para produzir um primeiro trem de pulso gerado a partir do primeiro elemento óptico não linear em um primeiro comprimento de onda característico e um segundo trem de pulso do segundo elemento óptico não linear em um segundo comprimento de onda característico.

[00471] (77) O sistema de qualquer um de (74)-(76), compreenden do ainda um instrumento bioanalítico configurado para conter uma amostra e direcionar radiação do primeiro trem de pulso e segundo trem de pulso sobre a amostra.

[00472] (78) O sistema de (77), onde o instrumento bioanalítico é configurado para detectar emissão a partir da amostra e distinguir dois ou mais fluoróforos com base em tempo de vida fluorescente.

[00473] (79) Método para modo de bloqueio de dois lasers, o méto do compreendendo operação de um primeiro laser pulsado em um primeiro comprimento de onda característico; e acoplamento de um trem de pulso a partir do primeiro laser pulsado a um espelho saturável- absorvedor em uma cavidade de laser de um segundo laser pulsado.

[00474] (80) O método da modalidade (79), compreendendo ainda bloquear de modo passivamente o segundo laser pulsado em um segundo comprimento de onda característico.

[00475] (81) O método de (80) ou (81), compreendendo ainda pul sos de duplicação de frequência a partir do primeiro laser pulsado para produzir um primeiro trem de pulso em um terceiro comprimento de onda característico; e pulsos de duplicação de sequência a partir do segundo laser pulsado para produzir um segundo trem de pulso em um quarto comprimento de onda característico.

[00476] (82) O método de (81), compreendendo ainda excitação de pelo menos dois fluoróforos em uma amostra em um instrumento bio- analítico com pulsos dos primeiro e segundo trens de pulso; e distinção de pelo menos dois fluoróforos com base em tempos de vida fluorescente.

[00477] (83) Um sistema de laser pulsado compreendendo um pri meiro laser de modo bloqueado tendo uma primeira cavidade de laser configurada para produzir pulsos tendo um primeiro comprimento de onda característico em uma primeira taxa de repetição, um segundo laser tendo uma segunda cavidade de laser configurada para produzir radiação de onda contínua, um elemento óptico não linear dentro da segunda cavidade de laser e elementos ópticos que direcionam uma saída do primeiro laser de modo bloqueado para o elemento óptico não linear.

[00478] (84) O sistema de laser pulsado da configuração (83), com preendendo ainda um instrumento bioanalítico configurado para conter uma amostra e direcionar uma saída do segundo laser em um segundo comprimento de onda característico sobre a amostra.

[00479] (85) O sistema de (84), onde o segundo comprimento de onda característico é entre 500 nm e 700 nm.

[00480] (86) O sistema de (84) ou (85), onde o instrumento bioanalí- tico é configurado para detectar emissão a partir da amostra e distinguir dois ou mais fluoróforos com base em tempo de vida fluorescente.

[00481] (87) O sistema de laser pulsado de qualquer um de (83)- (86), compreendendo ainda uma estrutura de base sobre a qual o primeiro laser de modo bloqueado e o segundo laser são montados e um elemento de retardo óptico localizado dentro do primeiro laser de modo bloqueado que se estende um comprimento óptico da primeira cavidade de laser para um comprimento maior do que qualquer dimensão transversal da estrutura de base.

[00482] (88) O sistema de laser pulsado de (87), onde o elemento de retardo óptico compreende dois espelhos configurados para refletir um feixe de laser intracavidade mais de duas vezes entre os dois espelhos em uma passagem única através do elemento de retardo óptico.

[00483] (89) O sistema de laser pulsado de (87), onde o elemento de retardo óptico compreende um bloco sólido de material óptico onde um feixe de laser intracavidade é refletido mais de duas vezes em uma passagem única através do elemento de retardo óptico.

[00484] (90) O sistema de laser pulsado de (87), onde o elemento de retardo óptico compreende um comprimento de fibra óptica.

[00485] (91) O sistema de laser pulsado de qualquer um de (83) (86), compreendendo ainda uma estrutura de base sobre a qual o laser de modo bloqueado e segundo laser são montados e uma fonte de bomba de diodo sobre uma plataforma na estrutura de base e disposto para excitar um meio de ganho no primeiro laser de modo bloqueado, onde a fonte de bomba de diodo provê radiação de bomba entre aproximadamente 450 nm e aproximadamente 1100 nm.

[00486] (92) O sistema de laser pulsado de (91), onde a plataforma compreende uma área da estrutura de base que foi parcialmente separada da estrutura de base por uma ou mais valas se estendendo através da estrutura de base.

[00487] (93) O sistema de laser pulsado de (91), compreendendo ainda membros de flexão conectando a plataforma à estrutura de base.

[00488] (94) O sistema de laser pulsado da configuração (83)-(90), compreendendo ainda um espelho saturável-absorvedor configurado para refletir um feixe de laser intracavidade da primeira cavidade de laser e um acoplador de saída localizado na extremidade da cavidade de laser.

[00489] (95) O sistema de laser pulsado de qualquer um de (83) (94), incluindo ainda um elemento de conversão de comprimento de onda montado dentro da estrutura de base, onde o elemento de conversão de comprimento de onda converte um comprimento de onda de laser do primeiro laser de modo bloqueado para um comprimento de onda de saída de frequência duplicada.

[00490] (96) O sistema de laser pulsado de (95), onde o compri mento de onda de saída é entre cerca de 500 nm e cerca de 700 nm e uma duração de pulso de saída é menos do que aproximadamente 100 picossegundos.

[00491] (97) O sistema de laser pulsado de (95), onde a estrutura de base compreende uma cavidade onde a cavidade de laser é disposta, e uma dimensão de borda da estrutura de base não é maior do que cerca de 200 nm e uma dimensão de altura não é maior do que cerca de 60 mm.

[00492] (98) O sistema de laser pulsado de qualquer um de (83) (97), onde o primeiro laser de modo bloqueado é configurado para laser em aproximadamente 1064 nm e o segundo laser é configurado para laser em aproximadamente 1342 nm.

[00493] (99) O sistema de laser pulsado de (98), onde o elemento óptico não linear é alinhado dentro da segunda cavidade de laser para gerar pulsos em um comprimento de onda de aproximadamente 594 nm através de geração de soma de frequência.

[00494] (100) Um método de produção de pulsos ópticos em com primentos de onda característicos múltiplos, o método compreendendo produção de pulsos ópticos em um primeiro laser de modo bloqueado tendo uma primeira cavidade de laser em um primeiro comprimento de onda característico, operação de um segundo laser tendo uma segunda cavidade de laser em modo de onda contínua em um segundo comprimento de onda característico, injeção de pulsos a partir do primeiro laser de modo bloqueado em um elemento óptico não linear na segunda cavidade de laser e geração, através de geração de soma de frequência, de pulsos ópticos no elemento óptico não linear em um terceiro comprimento de onda caraterístico.

[00495] (101) O método da modalidade (100), onde o mesmo meio de ganho é usado para ambos o laser de modo bloqueado e o segundo laser.

[00496] (102) O método de (101), compreendendo ainda bombea- mento de diodo do meio de ganho em cada laser.

[00497] (103) O método de (101) ou (102), onde o meio de ganho é Nd:YVO4.

[00498] (104) O método de qualquer um de (100)-(103), compreen dendo ainda provisão de pulsos ópticos a partir do segundo laser para um instrumento bioanalítico configurado para manter uma amostra e direcionar os pulsos ópticos sobre a amostra.

[00499] (105) O método de qualquer um de (100)-(104), onde o ter ceiro comprimento de onda característico é entre 500 nm e 700 nm.

[00500] (106) O método de (104) ou (105), compreendendo ainda detecção, com o instrumento bioanalítico, de emissão a partir da amostra; e distinção de dois ou mais fluoróforos com base em tempos de vida fluorescentes.

[00501] (107) O método de qualquer um de (104)-(106), compreen dendo ainda derivação de um sinal de clock a partir dos pulsos ópticos do primeiro laser de modo bloqueado e provisão do sinal de clock para o instrumento bioanalítico.

[00502] (108) O método de qualquer um de (100)-(107), onde pro dução de pulsos ópticos em um primeiro laser de modo bloqueado compreende modo de bloqueio passivamente do primeiro laser de modo bloqueado.

[00503] (109) O método de qualquer um de (100)-(108), onde o primeiro comprimento de onda característico é de aproximadamente 1064 nm, o segundo comprimento de onda característico é de aproximadamente 1342 e o terceiro comprimento de onda característico é de aproximadamente 594 nm.

[00504] (110) O método de qualquer um de (100)-(109), compreen dendo ainda pulsos ópticos de duplicação de frequência a partir do primeiro laser de modo bloqueado.

[00505] (111) Um laser pulsado compreendendo uma estrutura de base, uma fonte de bomba de diodo montada dentro da estrutura de base e uma cavidade de laser dentro da estrutura de base que inclui um meio de ganho e é configurada para produzir pulsos ópticos, onde a fonte de bomba de diodo e meio de ganho são cada um montados em uma plataforma que é parcialmente termicamente e mecanicamente isolada da estrutura de base.

[00506] (112) O laser pulsado da configuração (111), compreen dendo ainda um elemento de retardo óptico localizado dentro da cavidade de laser pulsado que se estende um comprimento óptico da cavidade de laser para um comprimento maior do que uma dimensão transversal da estrutura de base.

[00507] (113) O laser pulsado de (112), onde o elemento de retardo óptico compreende dois espelhos configurados para refletir um feixe de laser intracavidade múltiplas vezes entre os dois espelhos.

[00508] (114) O laser pulsado de (112), onde o elemento de retardo óptico compreende um bloco sólido de material óptico onde um feixe de laser intracavidade é refletido múltiplas vezes.

[00509] (115) O laser pulsado de (112), onde o elemento de retardo óptico compreende um comprimento de fibra óptica.

[00510] (116) O laser pulsado de qualquer um de (111)-(1115), on de a fonte de bomba de diodo provê radiação de bomba entre aproxi-madamente 450 nm e aproximadamente 1100 nm.

[00511] (117) O laser pulsado de qualquer um de (111)-(116), com preendendo ainda um par de lentes cilíndricas cruzadas dispostas para dar outro formato a um feixe da fonte de bomba de diodo.

[00512] (118) O laser pulsado de qualquer um de (111)-(117), com preendendo ainda um espelho saturável-absorvedor dentro da estrutura de base e configurado para refletir um feixe de laser intracavidade e um acoplador de saída localizado em uma extremidade da cavidade de laser.

[00513] (119) O laser pulsado de qualquer um de (111)-(118), inclu indo ainda um elemento de conversão de comprimento de onda montado dentro da estrutura de base, onde o elemento de conversão de comprimento de onda converte um comprimento de onda de laser do meio de ganho para um comprimento de onda de saída.

[00514] (120) O laser pulsado de (119), onde o comprimento de on da de saída é entre cerca de 500 nm e cerca de 700 nm e uma duração de pulso de saída é menos do que aproximadamente 10 picosse- gundos.

[00515] (121) O laser pulsado de qualquer um de (111)-(120), com preendendo ainda um instrumento bioanalítico configurado para conter uma amostra e direcionar uma saída do laser pulsado no comprimento de onda de saída sobre a amostra.

[00516] (122) O laser pulsado de (121), onde o instrumento bioa- nalítico é configurado para detectar emissão a partir da amostra e distinguir dois ou mais fluoróforos com base nos tempos de vida fluorescente.

[00517] (123) O laser pulsado de qualquer um de (119)-(122), onde a estrutura de base compreende uma cavidade onde a cavidade de laser é disposta e uma dimensão de borda da estrutura de base não é maior do que cerca de 200 nm e uma dimensão de altura não é maior do que cerca de 60 mm.

[00518] (124) O laser pulsado de qualquer um de (111)-(123), onde a plataforma compreende uma área da estrutura de base que foi parcialmente separada da estrutura de base por uma ou mais valas se estendendo através da estrutura de base.

[00519] (125) O laser pulsado de (124), compreendendo ainda membros flexurais conectando a plataforma à estrutura de base.

[00520] (126) O laser pulsado de qualquer um de (111)-(124), onde a estrutura de base compreende alumínio.

[00521] (127) O laser pulsado de qualquer um de (111)-(126), onde a cavidade de laser pulsado incluir um meio de ganho que apoia emissão de laser em dois comprimentos de onda e onde o espelho saturá- vel-absorvedor provê absorção saturável nos dois comprimentos de onda.

[00522] (128) O laser pulsado de (127), onde um primeiro compri mento de onda de laser é de aproximadamente 1064 nm e um segundo comprimento de onda de laser é de aproximadamente 1342 nm.

[00523] (129) O laser pulsado de (127) ou (128), onde o espelho absorvedor-saturável compreende um refletor, uma primeira estrutura de cavidade quantum múltipla espaçada uma primeira distância do refletor e tendo uma primeira lacuna de banda de energia e uma segunda estrutura de cavidade quantum múltipla espaçada uma segunda distância do refletor que é maior do que a primeira distância e tendo uma segunda lacuna de banda de energia.

[00524] (130) O laser pulsado de (129), onde a segunda lacuna de banda de energia é maior do que a primeira lacuna de banda de energia.

[00525] (131) O laser de modo bloqueado de qualquer um de (1) (20), onde uma razão de uma cintura de feixe mínima no meio de ganho para uma cintura de feixe focado no espelho saturável-absorvedor é entre 4:1 e 1:2.

[00526] (132) O laser de modo bloqueado de qualquer um de (1) (20) e (131), onde um raio de feixe no meio de ganho é entre 20 mí- crons e 200 mícrons. VI. Conclusão

[00527] Tendo então descrito vários aspectos de várias modalidades de um laser pulsado, deve ser compreendido que várias alterações, modificações e aperfeiçoamentos ocorrerão prontamente àqueles versados na técnica. Tais alterações, modificações e aperfeiçoamentos pretendem ser parte da presente invenção e pretendem estar dentro do espírito e escopo da invenção. Embora os presentes ensinamentos tenham sido descritos em conjunto com várias modalidades e exemplos, não é pretendido que os presentes ensinamentos sejam limitados a tais modalidades ou exemplos. Pelo contrário, os presentes ensinamentos compreendem várias alternativas, modificações e equivalentes, como será compreendido por aqueles versados na técnica.

[00528] Por exemplo, as modalidades podem ser modificadas para incluir mais ou menos componentes ópticos em uma cavidade de laser do que descrito acima. Além disso, as configurações de cavidade de laser podem diferir daquelas mostradas com algumas cavidades de laser que têm mais ou menos voltas ou dobras no curso óptico.

[00529] Embora várias modalidades da invenção tenham sido descritas e ilustradas, aqueles de habilidade comum na técnica vão prontamente imaginar uma variedade de outros meios e/ou estruturas para realização da função e/ou obtenção dos resultados e/ou uma ou mais das vantagens descritas, e cada uma de tais variações e/ou modificações é considerada estar dentro do escopo das modalidades inventi- vas descritas. De um modo mais geral, aqueles versados na técnica compreenderão prontamente que todos os parâmetros, dimensões, materiais e configurações descritos pretendem ser exemplos e que os parâmetros, dimensões, materiais e/ou configurações reais dependerão da aplicação ou aplicações específicas para as quais os ensinamentos da invenção é/são usados. Aqueles versados na técnica reconhecerão, ou serão capazes de determinar usando não mais do que experimentação de rotina, muitos equivalentes para as modalidades específicas descritas da invenção. Deve, desta maneira, ser então compreendido que as modalidades acima são apresentadas a título de exemplo apenas e que, dentro do escopo das reivindicações apensas e equivalentes das mesmas, modalidades da invenção podem ser praticadas de outro modo que não especificamente descrito e reivindicado. As modalidades inventivas da presente invenção podem ser direcionadas a cada característica, sistema, atualização de sistema e/ou método descrito individual. Ainda, qualquer combinação de dois ou mais tais características, sistemas e/ou métodos, se tais características, sistemas, atualização de sistema e/ou métodos forem mutuamente inconsistentes, está incluída no escopo inventivo da presente invenção.

[00530] Ainda, embora algumas vantagens da presente invenção possam ser indicadas, deve ser compreendido que nem toda modalidade da invenção incluirá toda vantagem descrita. Algumas modalidades podem não implementar quaisquer características descritas como vantajosas. Desta maneira, a descrição e desenhos acima são apenas a título de exemplo.

[00531] Toda literatura e material similar citados no presente pedido incluindo, mas não limitado a, patentes, pedidos de patente, artigos, livros, tratados e páginas da web, sem importar o formato de tal literatura e materiais similares, são expressamente incorporados a título de referência em sua totalidade. No caso de uma ou mais da literatura incorporada e materiais similares diferirem de ou contradizerem o presente pedido, incluindo os, mas não limitado aos, termos definidos, uso de tempo, técnicas descritas ou similar, o presente pedido prevalece.

[00532] Os cabeçalhos de seção usados são para propósitos de organização apenas e não pretendem ser considerados como limitan- tes da matéria objeto descrita de modo algum.

[00533] Também, a tecnologia descrita pode ser concretizada como um método, cujo pelo menos um exemplo foi provido. Os atos realizados como parte do método podem ser ordenados de qualquer maneira adequada. Desta maneira, podem ser construídas modalidades em que atos são realizados em uma ordem diferente da ilustrada, o que pode incluir realização de alguns atos simultaneamente, embora mostrados como atos sequenciais em modalidades ilustrativas.

[00534] Todas as definições, como definido e usado, devem ser compreendidas controlar em relação às definições do dicionário, definições em documentos incorporados a título de referência e/ou significados comuns dos termos definidos.

[00535] Valores e faixas numéricos podem ser descritos não relatório e reivindicações como valores ou faixas aproximados ou exatos. Por exemplo, em alguns casos, os termos "cerca de", "aproximadamente" e "substancialmente" podem ser usados em referência a um valor. Tais referências pretendem compreender o valor referido bem como variações mais ou menos razoáveis do valor. Por exemplo, uma expressão "entre cerca de 10 e cerca de 20" pretende significar "entre exatamente 10 e exatamente 20" em algumas modalidades, bem como "entre 10 e ±δ1 e 20 ±δ2" em algumas modalidades. A quantidade de variação δ1, δ2 para um valor pode ser menos do que 5% do valor em algumas modalidades, menos do que 10% do valor em algumas modalidades, e ainda menos do que 20% do valor em algumas modalida- des. Em modalidades onde uma faixa de valores maior é dada, por exemplo, uma faixa incluindo duas ou mais ordens de magnitude, a quantidade de variação δ1, δ2 para um valor poderia ser tão alta quanto 50%. Por exemplo, se uma faixa operável se estender de 2 a 200, "aproximadamente 80" pode compreender valores entre 40 e 120 e a faixa pode ser tão grande quanto entre 1 e 300. Quando valores exatos são pretendidos, o termo "exatamente" é usado, por exemplo, "entre exatamente 2 e exatamente 200".

[00536] O termo "adjacente" pode se referir a dois elementos dispostos dentro de proximidade grande um com o outro (por exemplo, dentro de uma distância que é menos do que cerca de um quinto de uma dimensão transversal ou vertical de um maior dos dois elementos). Em alguns casos pode haver estruturas ou camadas intervenientes entre elementos adjacentes. Em alguns casos elementos adjacentes podem ser imediatamente adjacentes um ao outro sem quaisquer estruturas ou elementos intervenientes.

[00537] Os artigos definidos "um" e "uma", como usado no relatório e nas reivindicações, a menos que de outro modo claramente indicado o contrário, devem ser compreendidos significar "pelo menos um".

[00538] A expressão "e/ou", como usado no relatório e nas reivindicações, deve ser compreendida significar "um ou ambos" dos elementos então unidos, isto é, elementos que estão presentes em conjunto em alguns casos e separadamente presentes em outros casos. Elementos múltiplos listados com "e/ou" devem ser considerados da mesma maneira, isto é, "um ou mais" dos elementos então unidos. Outros elementos podem opcionalmente estar presentes que não outros elementos especificamente identificados pela cláusula "e/ou", sejam relacionados ou não relacionados a esses elementos especificamente identificados. Desta maneira, como um exemplo não limitante, uma referência a "A e/ou B", quando usada em conjunto com linguagem aberta tal como "compreendendo", pode se referir, em uma modalidade, a apenas A (opcionalmente incluindo elementos outros que não B); em uma outra modalidade, a apenas B (opcionalmente incluindo elementos outros que não A); e em ainda uma outra modalidade, a ambos A e B (opcionalmente incluindo outros elementos); etc.

[00539] Como usado no relatório e nas reivindicações, "ou" deve ser compreendido ter o mesmo significado que "e/ou" como acima definido. Por exemplo, quando separando itens em uma lista, "ou" e "e/ou" devem ser interpretados como sendo inclusivos, isto é, a inclusão de pelo menos um, mas também incluindo mais de um, de vários ou lista de elementos e, opcionalmente, itens não listados adicionais. Apenas termos claramente indicados ao contrário, tais como "apenas um de" ou "exatamente um de", quando usados nas reivindicações, "consistindo em", se referirão à inclusão de exatamente um elemento de vários ou lista de elementos. Em geral, o termo "ou" como usado deve ser apenas interpretado como indicando alternativas exclusivas (isto é, "um ou o outro, mas não ambos") quando precedido por termos de exclusividade, tal como "ou", "um de", "apenas um de" ou "exatamente um de". "Consistindo essencialmente em", quando usados nas reivindicações, deve ter seus significados comuns como usado no campo de lei de patente.

[00540] Como usado no relatório descritivo e reivindicações, a expressão "pelo menos um", em referência a uma lista de um ou mais elementos, deve ser compreendida significar pelo menos um elemento selecionado de qualquer um ou mais dos elementos na lista de elementos, mas não incluindo necessariamente pelo menos um de cada um e todo elemento especificamente listado na lista de elementos e não excluindo quaisquer combinações de elementos na lista de elementos. Esta definição também permite que elementos possam estar opcionalmente presentes outros que não elementos especificamente identificados dentro da lista de elementos aos quais a expressão "pelo menos um" se refere, sejam relacionados ou não relacionados a àqueles elementos especificamente identificados. Desta maneira, como um exemplo não limitante, "pelo menos um de A e B" (ou, equivalentemente, "pelo menos um de A ou B" ou, equivalentemente, "pelo menos um de A e/ou B") pode se referir, em uma modalidade, a pelo menos um, opcionalmente incluindo mais de um A, com nenhum B presente (e incluindo opcionalmente elementos outros que não B); em uma outra modalidade, a pelo menos um, opcionalmente incluindo mais de um, B, sem nenhum A presente (e opcionalmente incluindo elementos que não A); em ainda uma outra modalidade, a pelo menos um, incluindo opcionalmente mais de um, A, e pelo menos um, opcionalmente incluindo mais de um, B (e incluindo opcionalmente outros elementos), etc.

[00541] Nas reivindicações, bem como no relatório acima, todas as expressões de transição tais como "compreendendo", "incluindo", "car-regando", "tendo", "contendo", "envolvendo", "encerrando", "composto de" e similar devem ser compreendidos ser abertos, isto é, significar incluindo, mas não limitado a. Apenas as expressões de transição "consistindo em" e "consistindo essencialmente em" deve ser expressões de transição mais fechadas ou semifechadas, respectivamente.

[00542] As reivindicações não devem ser lidas como limitadas à ordem ou elementos descritos a menos que declarado para este efeito. Deve ser compreendido que várias mudanças na forma e detalhes podem ser feitas por um versado comum na técnica sem se afastar do espírito e escopo das reivindicações apensas. Todas as modalidades que estiverem dentro do espírito e escopo das reivindicações que seguem e seus equivalentes são reivindicadas.

Claims

1. Laser de modo bloqueado, caracterizado pelo fato de que compreende: uma placa base tendo um comprimento de borda máximo entre aproximadamente 20 cm e aproximadamente 40 cm; um meio de ganho montado na placa base; um primeiro espelho de extremidade montado na placa base localizada na primeira extremidade de uma cavidade de laser; um espelho saturável-absorvedor montado na placa base e formando um segundo espelho de extremidade para a cavidade de laser, e pelo menos um componente opticamente reflexivo montado na placa base fornecendo uma pluralidade de reflexos que se estende o comprimento da cavidade de laser, de modo que o laser de modo bloqueado é configurado para produzir pulsos ópticos através de bloqueio de modo passivo em uma taxa de repetição entre 50 MHz e 200 MHz.

2. Laser de modo bloqueado, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda: um chip bio-opticoeletrônico disposto para receber pulsos de excitação do laser de modo bloqueado, em que o chip bio- opticoeletrônico apoia incorporação sequencial de nucleotídeos ou análogos de nucleotídeo a um filamento em formação que é complementar a um ácido nucleico alvo; óptica de direcionamento de feixe disposta para direcionar os pulsos de excitação em um comprimento de onda característico único em direção ao chip bio-opticoeletrônico; e um processador de sinal configurado para receber sinais representativos de emissão fluorescente induzida pelos pulsos de excitação no comprimento de onda característico único e processar os si- nais recebidos para determinar a identidade de quatro nucleotídeos diferentes ou análogos de nucleotídeo incorporados ao filamento em formação, em que os sinais recebidos correspondem à incorporação sequencial de nucleotídeos ou análogos de nucleotídeo ao filamento em formação.

3. Laser de modo bloqueado, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende um espelho ajustado montado na cavidade de laser que é disposto para prover apenas dois graus de liberdade em ajuste de um feixe de laser dentro da cavidade de laser enquanto o laser de modo bloqueado está operando, que são os únicos graus de liberdade providos por uma montagem óptica na cavidade de laser para ajustar do feixe de laser enquanto o laser de modo bloqueado está operando.

4. Laser de modo bloqueado, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda: uma primeira óptica de focagem montada na placa base e localizada ao longo de um eixo óptico intracavidade entre o meio de ganho e o espelho saturável-absorvedor; uma segunda óptica de focagem montada na placa base e localizada ao longo do eixo óptico intracavidade entre a primeira óptica de focagem e o espelho saturável-absorvedor, em que um ajuste na posição da primeira óptica de focagem ao longo do eixo óptico intraca- vidade muda um tamanho de ponto focal de um feixe de laser intraca- vidade no espelho saturável-absorvedor mais do que uma mesma quantidade de ajuste para a posição da segunda óptica de focagem ao longo do eixo óptico intracavidade.

5. Laser de modo bloqueado, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda elementos de controle de temperatura acoplados a pelo menos dois lados do meio de ganho e configurados para produzir um gradiente térmico assimétrico atra- vés do meio de ganho que direciona um feixe de laser intracavidade.

6. Laser de modo bloqueado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que compreende ainda: uma primeira óptica de focagem montada na placa base e localizada ao longo de um eixo óptico intracavidade entre o meio de ganho e o espelho saturável-absorvedor; uma segunda óptica de focagem montada na placa base e localizada ao longo do eixo óptico intracavidade entre a primeira óptica de focagem e o espelho saturável-absorvedor; e um módulo de direcionamento de feixe intracavidade montado entre a primeira óptica de focagem e o espelho saturável- absorvedor.

7. Laser de modo bloqueado, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que compreende ainda: um fotodetector disposto para detectar uma potência média do laser de modo bloqueado; e circuito de controle em comunicação com o fotodetector e o módulo de direcionamento de feixe intracavidade, em que o circuito de controle é configurado para prover sinais para realinhar um feixe de laser intracavidade no espelho saturável-absorvedor com base em um nível de sinal detectado pelo fotodetector.

8. Laser de modo bloqueado, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que compreende ainda: um fotodetector e processador de sinal dispostos para detectar uma ou mais características associadas com comutação Q do laser pulsado; e circuito de controle em comunicação com o processador de sinal e o módulo de direcionamento de feixe intracavidade, em que o circuito de controle é configurado para prover sinais para realinhar um feixe de laser intracavidade no espelho saturável-absorvedor responsivo à detecção de uma ou mais características associadas com comutação Q.

9. Laser de modo bloqueado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que compreende ainda: um recurso de montagem formado na placa base e localizado entre o meio de ganho e a pluralidade de espelhos, em que o recurso de montagem é configurado para receber um espelho de extremidade ou fixação para sustentar um espelho de extremidade que encurta a cavidade do laser, em que o pelo menos um componente opti- camente reflexivo montado compreende uma pluralidade de espelhos localizados entre o meio de ganho e o espelho saturável-absorvedor.

10. Laser de modo bloqueado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que compreende ainda pelo menos uma vala formada na placa base que corre em uma direção do eixo óptico intracavidade e é configurada para receber um ou mais componentes ópticos do laser de modo bloqueado.

11. Laser de modo bloqueado, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que compreende ainda uma montagem óptica integrada formada na placa base, em que a montagem óptica compreende: duas superfícies coplanares se apoiando em lados opostos da pelo menos uma vala e orientadas essencialmente perpendiculares ao eixo óptico intracavidade; e duas superfícies inclinadas formadas nos lados opostos da pelo menos uma vala e se inclinado em direção às duas superfícies coplanares.

12. Laser de modo bloqueado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que compreende ainda: um fotodetector disposto para detectar pulsos ópticos a partir do laser de modo bloqueado; e um circuito de geração de clock configurado para sincronizar um sinal de clock eletrônico a partir de um oscilador estável para pulsos ópticos produzidos pelo laser de modo bloqueado.

13. Laser de modo bloqueado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que o primeiro espelho de extremidade compreende um acoplador de saída tendo uma transmissão entre aproximadamente 10% e aproximadamente 25%.

14. Laser de modo bloqueado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que uma duração metade-máximo de largura integral dos pulsos ópticos é entre cerca de 5 ps e cerca de 30 ps.

15. Laser de modo bloqueado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que uma intensidade de cauda dos pulsos ópticos permanece 20 dB abaixo de uma intensidade de pico dos pulsos ópticos após 250 ps da intensidade de pico dos pulsos ópticos.

16. Laser de modo bloqueado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um componente de duplicação de sequência montado na placa base que converte pulsos de saída a partir do laser de um primeiro comprimento de onda de laser para pulsos tendo metade do comprimento de onda de laser.

17. Laser de modo bloqueado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que compreende ainda: um componente de duplicação de sequência montado na placa base e disposto para receber uma saída do laser de modo bloqueado; e um circuito de feedback configurado para receber um sinal representativo de uma quantidade de potência em um comprimento de onda de frequência dupla administrado a partir do componente de duplicação de frequência para um chip bio-opticoeletrônico e provê um sinal para mudar a quantidade de potência em um comprimento de onda de frequência duplicada com base em um nível do sinal recebido.

18. Laser de modo bloqueado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um módulo de fonte de bomba de diodo montado na placa base com prendedores de isolamento térmico, em que o módulo de fonte de bomba de diodo é montado através de um orifício na placa base e está localizado em um lado da placa base oposto à cavidade de laser.

19. Método para sequenciamento de DNA, caracterizado pelo fato de que compreende: produzir pelo laser de modo bloqueado como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 18, energia de excitação pulsada em um comprimento de onda característico único; direcionar a energia de excitação pulsada na direção de um chip bio-optoeletrônico, em que o chip bio-optoeletrônico apoia incorporação sequencial de nucleotídeos ou análogos de nucleotídeo a um filamento em formação que é complementar a um ácido nucleico alvo; receber os sinais representativos de emissão fluorescente induzida pela energia de excitação pulsada no comprimento de onda característico único, em que os sinais correspondem à incorporação sequencial de nucleotídeos ou análogos de nucleotídeo ao filamento em formação; e processar os sinais recebidos para determinar a identidade de quatro nucleotídeos diferentes ou análogos de nucleotídeo incorporados ao filamento em formação.

20. Método, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que produção de energia de excitação pulsada compreende produção de pulsos ópticos com um laser de modo bloqueado operando em um comprimento de onda característico único.

21. Método, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que o processamento dos sinais recebidos compreende distinção entre pelo menos dois valores de decaimento de emissão fluorescente diferentes para identificar pelo menos dois nucleotídeos ou análogos de nucleotídeo diferentes dos quatro nucleotídeos ou análogos de nucleotídeo.

22. Instrumento bioanalítico, caracterizado pelo fato de que compreende: um laser configurado para produzir energia de excitação pulsada em um comprimento de onda característico único,como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 18; e um circuito de geração de clock configurado para sincronizar um primeiro sinal de clock a partir de um oscilador eletrônico ou eletromecânico com um segundo sinal de clock produzido a partir da detecção dos pulsos ópticos a partir do laser e prover o primeiro sinal de clock sincronizado para aquisição de dados de tempo pelo instrumento bioanalítico.