BR112017024605B1 - Fonte óptica pulsada e método com a finalidade de produzir um pulso óptico com uma fonte óptica pulsada - Google Patents
Fonte óptica pulsada e método com a finalidade de produzir um pulso óptico com uma fonte óptica pulsada Download PDFInfo
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Abstract
UNIDADE DE ENTREGA PARA UM DISPOSITIVO PARA FAZER UMA BEBIDA E DISPOSITIVO QUE COMPREENDE A UNIDADE DE ENTREGA. A presente invenção refere-se às fontes ópticas compactas e aos métodos com a finalidade de produzir os pulsos ópticos curtos e ultracurtos. Um laser ou LED semicondutor pode ser conduzido com uma forma de onda bipolar com a finalidade de gerar os pulsos ópticos com durações de FWHM tão baixas quanto aproximadamente 85 ps com a emissão da extremidade suprimida. As fontes ópticas pulsadas podem ser usadas para a análise fluorescente de vida útil de amostras biológicas e imagens de tempo de voo, entre outras aplicações.
Description
[001] O presente Pedido de Patente reivindica prioridade ao Pedido de Patente Provisório U.S. n. ° 62/164.485 intitulado "Laser pulsado" depositado em 20 de maio de 2015, para o pedido de Patente U.S. n° 14/821,656, depositado em 7 de agosto de 2015, intitulado "Dispositivo Integrado para Armazenamento Temporal dos Fótons Recebidos", para o pedido de Patente Provisório U.S. n° 62/296,546, depositado em 17 de fevereiro de 2016, intitulado "Sensor e Dispositivo para Aplicações de Vida e Detecção de Vida", e ao Pedido de Patente Provisório U.S. n° 62/310,398 intitulado "Laser Pulsado e Sistema" de-positado em 18 de março de 2016, cada um dos quais é incorporado por meio de referência na sua totalidade.
[002] A presente pedido refere-se aos dispositivos e aos métodos com a finalidade de produzir os pulsos ópticos curtos e ultracurtos para as aplicações de domínio do tempo que incluem as aplicações fluorescentes de vida útil e de tempo de voo.
[003] Os pulsos ópticos de ultratransição (isto é, pulsos ópticos inferiores a cerca de 100 picossegundos) são úteis em várias áreas de pesquisa e desenvolvimento, bem como as aplicações comerciais que envolvem as análises no domínio do tempo. Por exemplo, os pulsos ópticos ultracurtos podem ser úteis para a espectroscopia de domínio do tempo, variação óptica, imagens de domínio do tempo (TDI) e to- mografia de coerência óptica (OCT). Os pulsos de ultracurtos também podem ser úteis para as aplicações comerciais, incluindo os sistemas de comunicação óptica, aplicações médicas e testes de dispositivos e materiais optoeletrônicos.
[004] Os lasers bloqueados em modo convencional foram desenvolvidos com a finalidade de produzir os pulsos ópticos ultracurtos, e uma variedade de tais lasers estão atualmente disponíveis comercialmente. Por exemplo, alguns lasers de estado sólido e lasers de fibra foram desenvolvidos para fornecer os pulsos com durações bem abaixo de 200 femtossegundos. No entanto, para algumas aplicações, essas durações de pulsos podem ser menores do que é necessário para obter os resultados úteis, e o custo desses sistemas de laser pode ser proibitivamente elevado. Além disso, esses sistemas de laser podem ser sistemas autônomos que têm uma pegada considerável (por exemplo, na ordem de 1 pé2 ou maior) e peso apreciável e podem não ser facilmente portáteis. Tais sistemas de laser e seus eletrônicos de condução podem ser difíceis de incorporar em um instrumento como um módulo substituível, ou mesmo podem ser incapazes de serem incorporados em um dispositivo de mão. Como resultado, os lasers pulsados ultracurtos são frequentemente fabricados como um instrumento independente separado a partir do qual um feixe de saída pode ser acoplado a outro instrumento para uma aplicação específica.
[005] A tecnologia descrita na presente invenção refere-se aos aparelhos e aos métodos com a finalidade de produzir os pulsos ópticos curtos e ultracurtos com diodos a laser (LDs) ou diodos emissores de luz (LEDs). Os pulsos curtos são pulsos com perfis temporais de largura total e meio-máximo (FWHM) entre cerca de 100 picossegun- dos e cerca de 10 nanossegundos. Os pulsos ultracurtos são pulsos com perfis temporais FWHM inferiores a cerca de 100 picossegundos. As técnicas de comutação de ganhos e circuitos relacionados são descritas as quais podem ser implementadas em sistemas a laser compactos e de baixo custo com a finalidade de produzir os pulsos com durações inferiores a cerca de 2 nanossegundos em algumas modalidades, e menos do que cerca de 100 picossegundos em alguns casos. Os inventores reconheceram e apreciaram que um sistema a laser pulsado compacto e de baixo custo pode ser incorporado na instrumentação (por exemplo, os dispositivos fluorescentes de imagem ao longo da vida, os instrumentos bioanalíticos os quais fazem uso da detecção fluorescente resolvida ao longo da vida, os instrumentos de tempo de voo, os instrumentos de tomografia de coerência óptica) que podem permitir que essa instrumentação se torne facilmente portátil e produzida a um custo consideravelmente menor do que é possível para esses sistemas os quais fazem uso do sistemas a laser convencionais de pulsos ultracurtos. Uma portabilidade elevada pode tornar tais instrumentos mais úteis para pesquisas, desenvolvimento, clínicas, comerciais e aplicações domésticas.
[006] Algumas modalidades referem-se a uma fonte óptica pulsada que compreende um diodo semicondutor configurado para emitir luz e um circuito de condução que inclui um transistor acoplado a um terminal do diodo semicondutor, em que o circuito de condução está configurado para receber um pulso unipolar e aplicar um pulso elétrico bipolar para o diodo semicondutor responsivo ao recebimento do pulso unipolar.
[007] Algumas modalidades referem-se a métodos de produção de um pulso óptico. Um método pode compreender atos de recepção de pelo menos um sinal de relógio, produzindo um pulso elétrico a partir do pelo menos um sinal de relógio, conduzindo um terminal de porta de um transistor com o pulso elétrico, em que um terminal de transporte de corrente do transistor é conectado a um semicondutor diodo que está configurado para emitir luz e aplicando um pulso de corrente bipolar ao diodo semicondutor com a finalidade de produzir um pulso óptico que responde à ativação do transistor por meio do pulso elétrico.
[008] Algumas modalidades referem-se a um sistema de análise de vida útil fluorescente que compreende um diodo semicondutor configurado para emitir luz, um circuito de condução configurado para aplicar um pulso de corrente bipolar ao diodo semicondutor com a finalidade de produzir um pulso óptico, um sistema óptico disposto para libertar o pulso óptico para uma amostra e um fotodetector configurado para discriminar os tempos de chegada de fótons em pelo menos duas caixas de tempo durante um único intervalo de acumulação de carga do fotodetector.
[009] Algumas modalidades referem-se a uma fonte óptica pulsada que compreende, um diodo semicondutor configurado para emitir luz, uma primeira porta lógica configurada para formar um primeiro pulso em uma saída da primeira porta lógica e um circuito de acionamento acoplado ao primeira porta lógica, em que o circuito de condução está configurado para receber o primeiro pulso e aplicar um pulso elétrico bipolar ao diodo semicondutor com a finalidade de produzir um pulso óptico que responda à recepção do primeiro pulso.
[0010] Algumas modalidades referem-se a uma fonte óptica pulsada que compreende um diodo semicondutor configurado para emitir luz e um circuito de condução que inclui um transistor acoplado a um terminal do diodo semicondutor, em que o circuito de condução está configurado para receber um pulso unipolar e aplicar um pulso elétrico bipolar para o diodo semicondutor responsivo à recepção do pulso unipolar, em que o transistor é conectado em paralelo com o diodo semicondutor entre uma fonte de corrente e um potencial de referência.
[0011] Algumas modalidades referem-se a uma fonte óptica pulsada que compreende um diodo semicondutor configurado para emitir luz, e vários primeiros ramos de circuito conectados a um primeiro terminal do diodo semicondutor, cada ramo de circuito que compreen- de um transistor com os seus terminais portadores de corrente conectados entre um potencial de referência e o primeiro terminal do diodo semicondutor.
[0012] Algumas modalidades referem-se a uma fonte óptica pulsada que compreende um amplificador de radiofrequência que fornece um sinal e um sinal invertido, uma porta lógica configurada para receber o sinal e um sinal invertido com deslocamento de fase e produzir um pulso e um pulso invertido, um combinador configurado para combinar o pulso e o pulso invertido em uma saída comum, e um diodo semicondutor acoplado à saída comum e configurado com a finalidade de produzir um pulso óptico que responde à recepção do pulso e do pulso invertido.
[0013] Algumas modalidades referem-se a uma fonte óptica pulsada que compreende uma porta lógica de radiofrequência configurada para receber um primeiro sinal e uma versão invertida do primeiro sinal e produzir um pulso e uma versão invertida do pulso, e um diodo semicondutor se conecta à porta lógica de radiofrequência e disposta para receber o pulso em um primeiro terminal do diodo semicondutor e a versão invertida do pulso em um segundo terminal do diodo semicondutor e emitir um pulso óptico.
[0014] Os anteriores 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.
[0015] A pessoa que é versada na técnica compreenderá que as figuras, descritas na presente invenção, são apenas para fins ilustrativos. Deve ser entendido que, em alguns casos, vários aspectos da presente invenção podem ser mostrados exagerados ou ampliados para facilitar a compreensão da presente invenção. Nos desenhos, como os caracteres de referência, geralmente se referem a características similares, elementos funcionalmente similares e/ou estruturalmente similares ao longo das várias figuras. Os desenhos não são necessariamente dimensionados, enfocando-se, em vez disso, em ilustrar os princípios dos ensinamentos. Os desenhos não se destinam a limitar o alcance dos ensinamentos atuais de qualquer maneira.
[0016] A FIGURA 1-1 descreve um sistema a laser pulsado incorporado com um instrumento analítico, de acordo com algumas modalidades.
[0017] A FIGURA 1-2 representa um trem de pulsos ópticos ultra- curtos, de acordo com algumas modalidades.
[0018] A FIGURA 2-1A ilustra a bomba óptica e os pulsos de saída para troca de ganhos, de acordo com algumas modalidades.
[0019] A FIGURA 2-1B ilustra as oscilações de relaxamento, de acordo com algumas modalidades.
[0020] A FIGURA 2-1C representa um pulso de saída óptica que mostra uma cauda, de acordo com algumas modalidades.
[0021] A FIGURA 2-2A representa um diodo laser semicondutor pulsado, de acordo com algumas modalidades.
[0022] A FIGURA 2-2B representa um esquema de circuito de pulso para pulsar um diodo laser ou diodo emissor de luz, de acordo com uma modalidade.
[0023] A FIGURA 2-2C ilustra as melhorias na corrente entregue a um diodo laser, de acordo com algumas modalidades.
[0024] A FIGURA 2-3 representa uma forma de onda de transmissão atual para troca de ganhos de um diodo laser, de acordo com algumas modalidades.
[0025] A FIGURA 2-4A representa um circuito de pulso com a finalidade de dirigir um diodo laser ou diodo emissor de luz, em algumas modalidades.
[0026] A FIGURA 2-4B representa um esquema de circuito de pulso com a finalidade de dirigir um diodo laser ou diodo emissor de luz, de acordo com algumas modalidades.
[0027] A FIGURA 2-4C representa um esquema de circuito de pulso com a finalidade de dirigir um diodo laser ou diodo emissor de luz, de acordo com algumas modalidades.
[0028] A FIGURA 2-4D representa um controlador de RF para pulsar um diodo laser ou diodo emissor de luz, de acordo com algumas modalidades.
[0029] A FIGURA 2-4E ilustra uma forma de onda de acionamento produzida por meio do circuito da FIGURA 2-4D, de acordo com algumas modalidades.
[0030] A FIGURA 2-4F representa um controlador de RF para pulsar um diodo laser ou diodo emissor de luz, de acordo com algumas modalidades.
[0031] A FIGURA 2-4G ilustra as formas de onda de transmissão produzidas por meio do circuito da FIGURA 2-4F, de acordo com algumas modalidades.
[0032] A FIGURA 2-4H representa um esquema de circuito de pulso com a finalidade de dirigir um diodo laser ou diodo emissor de luz, de acordo com algumas modalidades.
[0033] A FIGURA 2-4I ilustra a eficiência do acoplamento de potência a um diodo laser, de acordo com algumas modalidades.
[0034] A FIGURA 2-4J representa um circuito de pulsos e excita- dores para emissão óptica pulsante de um diodo laser ou diodo emissor de luz, de acordo com algumas modalidades.
[0035] A FIGURA 2-4K representa um circuito de pulsação com a finalidade de produzir um trem de pulsos, de acordo com algumas modalidades.
[0036] A FIGURA 2-4L ilustra as entradas de dados para uma por ta lógica em um circuito de pulso, de acordo com algumas modalidades.
[0037] A FIGURA 2-4M representa um circuito de excitador com a finalidade de dirigir um diodo laser ou diodo emissor de luz com pulsos elétricos, de acordo com algumas modalidades.
[0038] A FIGURA 2-5A representa um circuito de pulso para comutação de ganhos de um diodo laser, de acordo com algumas modalidades.
[0039] A FIGURA 2-5B ilustra uma tensão de acionamento a partir de um circuito de pulso, de acordo com algumas modalidades.
[0040] A FIGURA 2-5C e FIGURA 2-5D ilustram as medidas de exemplo de pulsos ópticos ultrarrápidos produzidos a partir de um diodo laser com comutação de ganho, de acordo com algumas modalidades.
[0041] A FIGURA 2-6A representa um laser semicondutor de guia de ondas ópticas acoplado as placas que pode ser comutado por ganho ou Q-comutado, de acordo com algumas modalidades.
[0042] A FIGURA 2-6B ilustra um perfil de modo óptico em um laser de guia de onda óptica acoplado as placas, de acordo com algumas modalidades.
[0043] A FIGURA O 2-6C representa um laser semicondutor de comutação de ganhos integrado e absorvente saturável acoplado, de acordo com algumas modalidades.
[0044] A FIGURA 3-1 representa um sistema para sincronizar o tempo de pulsos ópticos para a eletrônica do instrumento, de acordo com algumas modalidades.
[0045] A FIGURA 3-2 representa um sistema para sincronizar a temporização de pulsos ópticos para a eletrônica do instrumento, de acordo com algumas modalidades.
[0046] A FIGURA 3-3 representa um sistema para sincronizar a temporização de pulsos ópticos de duas fontes de pulsos para a eletrônica do instrumento, de acordo com algumas modalidades.
[0047] A FIGURA 3-4A representa um sistema para sincronizar sincronização intercalada de pulsos ópticos de duas fontes de pulsos para eletrônica de instrumento, de acordo com algumas modalidades.
[0048] A FIGURA 3-4B representa trens de pulso entrelaçados e sincronizados a partir de duas fontes ópticas pulsadas, de acordo com algumas modalidades.
[0049] A FIGURA 4-1 representa um instrumento para analisar as vidas útieis fluorescentes de uma amostra, de acordo com algumas modalidades.
[0050] A FIGURA 4-2 representa probabilidades de emissão para moléculas fluorescentes com diferentes vidas de emissão.
[0051] A FIGURA 4-3 retrata a detecção de emissão fluorescente de moléculas fluorescentes.
[0052] A FIGURA 4-4 representa um fotodetector binário, de acordo com algumas modalidades.
[0053] A FIGURA 4-5A representa múltiplos pulsos de excitação seguidos por emissão fluorescente e sinais binários correspondentes, de acordo com algumas modalidades.
[0054] A FIGURA 4-5B representa um histograma produzido a partir de sinais binários para um fluoróforo particular, de acordo com algumas modalidades.
[0055] As características e vantagens da presente invenção tornar- se-ão mais evidentes a partir da descrição detalhada apresentada abaixo quando tomada em conjunto com os desenhos. Ao se descrever as modalidades em referência aos desenhos, podem ser usadas referências direcionais ("acima", "abaixo", "superior", "inferior", "esquerda", "direita", "horizontal", "vertical" etc.). Tais referências destinam-se apenas a um auxílio ao leitor que vê os desenhos em uma ori- entação normal. Essas referências direcionais não se destinam a descrever uma orientação preferida ou única de um dispositivo incorporado. Um dispositivo pode ser incorporado em outras orientações.
[0056] Os inventores reconheceram e apreciaram que as fontes ópticas de pulsação ultracurtos convencionais com taxas de repetição de pulsos abaixo de 1 GHz são geralmente grandes, dispendiosas e inadequadas para muitas aplicações móveis. Por exemplo, os lasers convencionais de ultracurtos pulsados podem não ser incorporados em instrumentação compacta e portátil. Os inventores reconheceram e apreciaram que uma fonte óptica pequena, curta ou ultracurta pulsada pode permitir dispositivos novos e úteis para uma ampla gama de aplicações de domínio do tempo. Tais aplicações incluem, mas não se limitam a imagens de tempo de voo, variações, análises fluorescentes e ao longo da vida, análises biológicas ou químicas, tomografia de coerência óptica (OCT) e instrumentação de ponto-de-cuidado médico (POC). Em alguns casos, a instrumentação POC pode compreender aparelhos para detectar a fluorescência a partir de uma amostra biológica e analisar a fluorescência para determinar uma propriedade da amostra biológica. Uma fonte óptica pulsada pode ser usada para excitar a fluorescência em tal instrumentação. Os inventores conceberam as fontes e os sistemas ópticos compactos, curtos e ultracurtos pulsados que podem produzir os pulsos ópticos em vários comprimentos de onda com durações de pulso abaixo de 2 nanossegundos e até menos de 100 picossegundos, de acordo com algumas modalidades.
[0057] Na visão geral, a FIGURA 1-1 representa uma fonte óptica pulsada 1-110 que pode ser incorporada em um instrumento analítico 1-100, como um instrumento POC ou OCT que excita e detecta a fluorescência ou um instrumento de imagem de tempo de voo. O instru- mento pode incluir um sistema óptico 1-140 e um sistema analítico 1160. O sistema óptico 1-140 pode incluir um ou mais componentes ópticos (por exemplo, lente, espelho, filtro óptico, atenuador) e ser configurado para operar e/ou entregar os pulsos ópticos a partir da fonte óptica 1-110 para o sistema analítico 1- 160. O sistema analítico pode incluir um ou mais componentes (por exemplo, lente, espelho, filtro óptico, atenuador, fotodetector) dispostos para receber um sinal óptico (por exemplo, fluorescência, radiação retransmitida) a partir de uma amostra 1-170 a ser analisada e produzir uma energia elétrica sinal representativo do sinal óptico recebido. Em algumas modalidades, o sistema analítico 1-160 pode incluir ainda os componentes eletrônicos configurados para processar o sinal elétrico.
[0058] De acordo com algumas modalidades, a fonte óptica pulsada 1-110 pode compreender pelo menos um diodo laser (LD) que é comutado de ganho. Em algumas modalidades, a fonte óptica pulsada 1-110 pode compreender pelo menos um diodo emissor de luz (LED) que é acionado com pulsos de corrente curtos. Um circuito de pulso 1112 que gera os pulsos de corrente de nanossegundos ou mais curtos pode ser incluído com um instrumento analítico 1-100 para conduzir a fonte óptica 1-110.
[0059] Quando configurado como um diodo laser, uma fonte óptica pulsada 1-110 pode compreender um meio de ganho 1-105 (por exemplo, qualquer junção semicondutora adequada que pode ou não incluir os múltiplos poços quânticos) e pelo menos dois espelhos de cavidade 1 -102, 1-104 (ou facetas reflexivas de um diodo laser) os quais definem as extremidades de uma cavidade laser óptica. Em algumas modalidades, pode haver um ou mais elementos ópticos adicionais na cavidade do laser para fins de moldagem do feixe, controle de polarização, seleção do comprimento de onda e/ou formação de pulsos. As ópticas de coleta de luz podem ser incluídas com um diodo laser e configuradas para concentrar a emissão do diodo laser em um feixe. O feixe de um diodo laser pode ou não ser colimado pela ótica coletora de luz. Quando o laser opera no modo de troca de ganho, um pulso óptico pode se acumular dentro da cavidade do laser entre os espelhos de extremidade da cavidade 1-102, 1-104, responsivo à aplicação de um pulso de corrente através da junção do diodo do laser. Um dos espelhos de cavidade 1-104 (muitas vezes referido como um acoplador de saída) pode transmitir, de forma parcial, uma porção do pulso, de modo que um pulso óptico 1-122 é emitido por meio do laser pulsado 1-110. Quando os pulsos de direção atuais são repetidamente aplicados ao diodo laser, um trem de pulsos 1-122 (apenas um mostrado) pode ser emitido a partir da cavidade laser em sucessão rápida. Este trem de pulsos pode ser referido como um raio laser que pode ser caracterizado por uma cintura w do feixe. O raio laser pode ser coli- mado (indicado pelas linhas tracejadas paralelas), parcialmente coli- mado ou pode não ser colimado. A cintura do feixe representa uma dimensão transversal do feixe de laser emitido (por exemplo, valores de ± 1/e2 do perfil de intensidade transversal para um feixe gaussiano ou um valor de largura total e meia-máxima (FWHM) para outros perfis de feixe de intensidade transversal) e pode mudar de valor com a distância do acoplador de saída. A colimação e a cintura do feixe podem depender da geometria da cavidade do laser e das propriedades ópticas e se quaisquer elementos ópticos (por exemplo, lentes de colima- ção) estão incluídos na cavidade do laser.
[0060] Quando configurado como um diodo emissor de luz, uma fonte óptica de pulsos 1-110 pode compreender qualquer junção semi- condutora adequada que esteja configurada para emitir luz incoerente ou parcialmente coerente. As ópticas de coleta de luz podem ser incluídas e dispostas para concentrar a emissão do LED em um feixe de saída. O feixe de um LED pode ou não ser colimado por meio da ópti- ca de coleta de luz. Ao operar, um LED gera um pulso óptico de fótons principalmente emitidos espontaneamente respondendo à aplicação de um pulso de corrente através da junção LED, embora algumas emissões estimuladas possam estar presentes na saída como emissão espontânea amplificada. Normalmente, uma largura de banda espectral emitida por um diodo emissor de luz é da ordem de 10 de na- nômetros, enquanto que uma largura de banda espectral emitida por um LD pode ser inferior a dois nanômetros.
[0061] Um comprimento de onda característico emitido por um LD ou LED pode ser selecionado por meio de uma escolha de materiais semicondutores e/ou impurezas adicionadas aos materiais semicondutores. Os semicondutores e as suas ligas à base de fosfito de índio podem ser usadas para comprimentos de onda mais longos nas regiões vermelha e infravermelha do espectro. Os semicondutores à base de fósforo de gálio e as suas ligas podem ser usados para os comprimentos de onda mais curtos na região amarela do espectro. O fosfito de alumínio-gálio ou o nitrito de gálio e suas ligas podem ser usados para as regiões verde e azul do espectro.
[0062] De acordo com algumas modalidades, um material semicondutor particular pode ser selecionado para uma fonte óptica pulsada 1-110 de um instrumento que excita e detecta fluorescência (por exemplo, um instrumento de imagem de vida útil fluorescente POC) com a finalidade de produzir os pulsos possuindo um ou mais dos seguintes comprimentos de onda característicos: 270 nm, 280 nm, 325 nm, 340 nm, 370 nm, 380 nm, 400 nm, 405 nm, 410 nm, 450 nm, 465 nm, 470 nm, 490 nm, 515 nm, 640 nm, 665 nm, 808 nm e 980 nm. Em algumas implementações, um semicondutor pode ser selecionado para uma fonte óptica pulsada 1-110 de um instrumento com a finalidade de produzir os pulsos com um intervalo ou distribuição espectral de comprimentos de onda caindo dentro de uma das seguintes faixas de comprimentos de onda: aproximadamente 270 nm a aproximadamente 370 nm, aproximadamente 340 nm a aproximadamente 400 nm, aproximadamente 380 nm a aproximadamente 490 nm, e aproximadamente 410 nm a aproximadamente 470 nm.
[0063] Para referência, a frase "comprimento de onda característico" ou "comprimento de onda" pode referir-se a um comprimento de onda central ou predominante dentro de uma largura de banda limitada de radiação. Em alguns casos, pode referir-se a um comprimento de onda de pico dentro de uma largura de banda de radiação. A expressão "energia característica" ou "energia" pode referir-se a uma energia associada a um comprimento de onda característico. O termo "óptico" pode se referir a bandas espectrais de infravermelho ultravioleta, visível, infravermelho e curto-comprimento.
[0064] Em algumas modalidades, um sistema óptico 1-140 pode operar sobre um feixe de pulsos 1 122 emitido a partir da fonte óptica pulsada 1-110. Por exemplo, o sistema óptico pode incluir uma ou mais lentes para remodelar o feixe e/ou alterar a divergência do feixe. A remodelação do feixe pode incluir aumentar ou diminuir o valor da cintura do feixe e/ou alterar uma forma de seção transversal do feixe (por exemplo, elíptica a circular, circular a elíptica, etc.). Alterar a divergência do feixe pode compreender aumentar ou diminuir a divergência do feixe. Em algumas implementações, o sistema óptico 1-140 pode incluir um atenuador ou amplificador óptico para alterar a quantidade de energia do feixe. Em alguns casos, o sistema óptico pode incluir os elementos de filtragem de comprimento de onda. Em algumas implementações, o sistema óptico pode incluir elementos de moldagem de pulsos, por exemplo, um esticador de pulso e/ou compressor de pulso. Em algumas modalidades, o sistema óptico pode incluir um ou mais elementos ópticos não lineares, tais como um absorvente sa- turável para reduzir um comprimento de pulso ou um cristal não linear para converter o comprimento de onda do pulso para um comprimento de onda mais curto por meio da duplicação de frequência ou um comprimento de onda mais longo através de amplificação paramétrica. De acordo com algumas modalidades, o sistema óptico 1-140 pode incluir um ou mais elementos que alteram, selecionam e/ou controlam a polarização dos pulsos da fonte óptica 1-110.
[0065] Embora a fonte óptica pulsada 1-110 e o sistema óptico 1140 sejam mostrados como elementos separados do sistema analítico 1-160 na FIGURA 1-1, a fonte óptica pulsada e o sistema óptico podem ser fabricados como um módulo compacto e substituível que pode ser alojado dentro do sistema analítico 1-160, de acordo com algumas modalidades. Em algumas modalidades, o circuito de pulso 1-112 e a fonte óptica de pulso 1-110 podem ser integrados em uma mesma placa (por exemplo, uma mesma placa de circuito impresso) ou um mesmo substrato (por exemplo, um mesmo substrato semicondutor).
[0066] Em várias modalidades, os pulsos 1-122 emitidos a partir de uma fonte óptica pulsada podem ter perfis de intensidade temporal como representado na FIGURA 1-2. 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, como um perfil sech2, possam ser possíveis. Em alguns casos, os pulsos podem não ter perfis temporários simétricos e podem ter outras formas temporais. Em algumas modalidades, a dinâmica de ganhos e/ou perda dentro da fonte óptica 1-110 pode produzir os pulsos com perfis assimétricos, conforme descrito abaixo em conexão com a FIGURA 2-1C. A duração de cada pulso pode ser caracterizada por meio de um valor de largura total-meio-máximo (FWHM), como indicado na FIGURA 1-2. Os pulsos ópticos ultracurtos podem ter valores FWHM inferiores a 100 picossegundos. Os pulsos ópticos curtos podem ter valores de FWHM inferiores a aproximada- mente 10 nanossegundos.
[0067] Os pulsos emitidos a partir de uma fonte óptica 1-110 podem ser espaçados no tempo por intervalos regulares T, às vezes referidos como o intervalo de separação de pulsos. Em algumas modalidades, T pode ser determinado por ganho ativo e/ou taxas de modulação de perda em um laser. Por exemplo, a taxa de repetição na qual um diodo laser é comutado por ganho ou corrente aplicada na junção de um diodo emissor de luz pode determinar o intervalo de separação de pulsos T. De acordo com algumas modalidades, o intervalo de separação de pulsos T pode estar entre cerca de 1 ns e cerca de 100 ns. Em algumas implementações, o intervalo de separação de pulso T pode ser longo, por exemplo, para repetir a uma taxa de quadros de um dispositivo de imagem. Em alguns casos, o intervalo de separação de pulsos T pode estar entre cerca de 100 ns e cerca de 50 ms.
[0068] O perfil espacial transversal dos pulsos 1-122 pode ser gaussiano de modo único em algumas modalidades, no entanto, a presente invenção não está limitada a tais perfis. Em algumas implementações, o perfil espacial transversal dos pulsos 1-122 pode ser multimodal, por exemplo, tendo múltiplos picos de intensidade distintos. Para uma fonte multimodal, o sistema óptico 1-140 pode incluir ótica de difusão que homogeneiza o perfil de intensidade transversal dos pulsos. Ao permitir o uso de uma fonte multimodal, podem ser obtidas energias de pulso superiores a partir de um diodo laser. Por exemplo, a região ativa do diodo laser pode ser ampliada em uma direção transversal ao eixo óptico do laser para aumentar sua saída óptica.
[0069] Quando usado para excitar a fluorescência, os pulsos 1-122 a partir de uma fonte óptica pulsada podem ser referidos como "pulsos de excitação".
[0070] O termo "moléculas fluorescentes" pode ser usado para re- ferir as etiquetas fluorescentes, marcadores fluorescentes que podem estar ligados a sondas moleculares, fluoróforos e moléculas autofluo- rescentes. O termo "fluorescência" pode ser usado para se referir à luz emitida a partir de etiquetas fluorescentes, marcadores fluorescentes que podem ser ligados a sondas moleculares, fluoróforos e moléculas autofluorescentes. II. Fontes ópticas pulsadas
[0071] Os inventores conceberam circuitos de pulsador e técnicas com a finalidade de produzir os pulsos ópticos curtos e ultracurtos de diodos de laser e diodos emissores de luz. Os circuitos e técnicas de pulsação têm sido empregados, em algumas implementações, para cometerem os lasers semicondutores de comutação de ganhos e produzir um trem de pulsos de aproximadamente 85 picossegundos (FWHM) com poderes de pico de aproximadamente 1 W a taxas de repetição de até 100 MHz (T tão curto como 10 nanossegundos). Em algumas modalidades, uma forma de onda de corrente unipolar ou bipolar pode ser produzida por meio de um circuito de pulso e usada para impulsionar o meio de ganho de um diodo laser de maneira a excitar pulsos ópticos e suprimir a emissão nas caudas dos pulsos. Em algumas modalidades, uma forma de onda de corrente unipolar ou bipolar pode ser produzida por meio de um circuito de pulso e pode ser usada para impulsionar um ou mais diodos emissores de luz com a finalidade de produzir os pulsos ópticos curtos ou ultracurtos.
[0072] Para fins de descrição de comutação de ganhos em diodos de laser, as FIGURAS 2-1A a 2-1C estão incluídas para ilustrar a dinâmica do laser associada à troca de ganho. A FIGURA 2-1A ilustra uma curva de potência de bomba 2-110 que é representativa da potência da bomba aplicada a um meio de ganho de um laser de ganho de ganho, de acordo com algumas modalidades. Conforme ilustrado, a potência da bomba pode ser aplicada por um período breve (represen- tado como aproximadamente 0,6 microssegundo) ao meio de ganho em uma cavidade laser. Para um diodo laser semicondutor, a aplicação da potência da bomba pode compreender a aplicação de uma corrente de polarização em uma junção p-n-junção ou múltiplos poços quânticos (MQWs) do diodo laser. O pulso de potência da 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.
[0073] Durante a aplicação do pulso de potência da bomba, o ganho óptico na cavidade do laser aumenta até o ganho começar a exceder as perdas ópticas na cavidade. Após este ponto, o laser pode começar a aumentar (ou seja, amplificar os fótons que passam através do meio de ganho pelo processo de emissão estimulada). O processo de amplificação resulta em um aumento rápido na luz laser e na de- pleção de estados excitados no meio de ganho com a finalidade de produzir pelo menos um pulso de saída 2-130 como representado. Em algumas modalidades, o pulso de potência da bomba 2-110 é temporizado para desligar aproximadamente ao mesmo tempo em que o pico do pulso de saída ocorre. Desligar o pulso de energia da bomba termina mais a laser, de modo que o pulso de saída 2-130 se apaga. Em algumas modalidades, o pulso de saída 2-130 pode ter uma duração mais curta do que o pulso de bomba 2-110, conforme representado no desenho. Por exemplo, um pulso de saída 2-130 produzido por troca de ganho pode ser inferior a 1/5 da duração do pulso de bomba 2-110.
[0074] Se o pulso de potência da bomba não estiver desligado, então as dinâmicas representadas na FIGURA 2-1B pode ocorrer. Neste caso, a curva de potência da bomba (mostrada como densidade da corrente da bomba) 2-140, representada como uma função de etapa, representa a densidade de corrente aplicada a um laser semicondutor. O gráfico mostra que o meio de ganho é excitado por meio de uma densidade de corrente de bombeamento, que produz uma densidade de suporte N na região de ganho do diodo laser. A densidade de corrente da bomba I de cerca de duas vezes a densidade de corrente de limiar de laser Ith, é aplicada no tempo t = 0 e é então deixada em funcionamento. O gráfico mostra o aumento na densidade de suporte N para a região de ganho de semicondutores até o ganho óptico do laser exceder a perda na cavidade. Após este ponto, um primeiro pulso 2 161 se acumula, esgotando a densidade do portador e o ganho óptico para um valor menor do que a perda da cavidade e é emitido. Posteriormente, um segundo pulso 2-162 se acumula, esgota a densidade do veículo N e é emitido. A acumulação e o esgotamento da densidade do veículo repetem-se por vários ciclos até o laser se estabilizar em operação de onda contínua (por exemplo, após cerca de 7 nanossegundos neste exemplo). O ciclo de pulsos (pulso 2-161, pulso 2-162 e pulsos subsequentes) é referido como oscilações de relaxamento do laser.
[0075] Os inventores reconheceram e apreciaram que um desafio quando a troca de ganhos de um laser com a finalidade de produzir os pulsos ultracurtos é evitar os efeitos deletérios das oscilações de relaxamento continuadas. Por exemplo, se um pulso de potência da bomba 2-110 não for terminado rapidamente o suficiente, pelo menos um segundo pulso óptico 2-162 (devido à oscilação de relaxamento) pode começar a se acumular na cavidade do laser e adicionar uma extremidade 2-172 a uma o pulso de saída com comutação de ganho 2-170, como representado na FIGURA 2-1C. Os inventores reconheceram e apreciaram que tal cola pode ser indesejável em algumas aplicações, como aplicações que visam distinguir as moléculas fluorescentes com base em vida fluorescente. Se a extremidade de um pulso de excitação não for reduzida de forma suficiente rápida, a radiação de excitação pode sobrecarregar um detector a menos que seja empregada a filtragem de comprimento de onda. De uma forma alternativa ou adicional, uma extremidade em um pulso de excitação pode continuar a excitar uma molécula fluorescente e pode complicar a detecção da vida útil fluorescente.
[0076] Se a extremidade de um pulso de excitação for reduzida de forma suficiente rápida, pode haver radiação de excitação insignificante presente durante a emissão fluorescente. Em tais implementações, a filtragem da radiação de excitação durante a detecção de emissão fluorescente pode não ser necessária para detectar a emissão fluorescente e distinguir as vidas das moléculas fluorescentes. Em alguns casos, a eliminação da filtração de excitação pode simplificar de forma significativa 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 a emissão fluorescente, a fonte de excitação e o detector fluorescente podem estar localizados próximo demais (por exemplo, em uma placa de circuito ou dispositivo integrado, e mesmo dentro de mícrons um do outro).
[0077] Os inventores também reconheceram e apreciaram que, em alguns casos, uma extremidade em um pulso de excitação pode ser tolerada. Por exemplo, um sistema analítico 1-160 pode ter uma configuração óptica que permite facilmente a incorporação de um filtro de comprimento de onda em um caminho óptico de detecção. O filtro de comprimento de onda pode ser selecionado para rejeitar os comprimentos de onda de excitação, de modo que um detector receba a fluorescência quantificável de uma amostra biológica. Como resultado, a radiação de excitação da fonte óptica pulsada não sobrepõe a fluorescência detectada.
[0078] Em algumas modalidades, o tempo de vida de emissão de uma molécula fluorescente T 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, semivida de emissão, etc.). A precisão da determinação da vida de uma molécula fluorescente é melhorada quando um pulso de excitação, usado para excitar a molécula fluorescente, tem uma duração inferior à vida útil da molécula fluorescente. De preferência, o pulso de excitação tem uma duração de FWHM menor que a duração de emissão da molécula fluorescente em pelo menos um fator de três. Um pulso de excitação que tem uma duração mais longa ou uma extremidade 2-172 com energia apreciável pode continuar a excitar a molécula fluorescente durante um tempo em que a emissão de decomposição está sendo avaliada e complicar a análise da vida útil da molécula fluorescente. Para melhorar a determinação da vida útil fluorescente nesses casos, as técnicas de desconvolução podem ser usadas para desconvolver o perfil de pulso de excitação da fluorescência detectada.
[0079] Em alguns casos, pode ser preferido se fazer uso dos pulsos ultracurtos para excitar as moléculas fluorescentes para reduzir a extinção da molécula fluorescente ou da amostra. Verificou-se que o bombeamento prolongado de uma molécula fluorescente pode lixiviar e/ou danificar a molécula fluorescente ao longo do tempo, enquanto que as intensidades mais elevadas para durações mais curtas (mesmo que para uma mesma quantidade total de energia na molécula) possam não ser tão prejudiciais para a molécula fluorescente como a exposição prolongada com menor intensidade. Reduzir o tempo de exposição pode evitar ou reduzir o dano induzido pela foto às moléculas fluorescentes e aumentar a quantidade de tempo ou número de medidas para as quais as moléculas fluorescentes podem ser usadas em um sistema analítico 1-160.
[0080] Em algumas aplicações, os inventores acharam desejável que o pulso de excitação termine rapidamente (por exemplo, dentro de cerca de 250 ps do pico do pulso) para um nível de potência que é pelo menos cerca de 40 dB abaixo do nível de potência de pico do pulso. Algumas modalidades podem tolerar quantidades menores de redução de potência, por exemplo, entre cerca de 20 dB e redução de cerca de 40 dB dentro de cerca de 250 ps. Algumas modalidades podem exigir quantidades semelhantes ou maiores de redução de potência 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, estes níveis de redução de potência podem ser necessários dentro de cerca de 100 ps do pico do pulso de bombeamento.
[0081] De acordo com algumas modalidades, o intervalo de separação de pulsos T (vide a figura 1-2) também pode ser um aspecto importante de um sistema a laser pulsado. Por exemplo, ao usar um laser pulsado para avaliar e/ou distinguir as vidas de emissão das moléculas fluorescentes, o tempo entre os pulsos de excitação é, de preferência, maior do que qualquer vida útil das emissões das espécies fluorescentes examinadas, de modo a permitir uma determinação suficientemente precisa de uma vida de emissão. Por exemplo, um pulso subsequente não deve chegar antes que uma molécula fluorescente excitada ou um conjunto de moléculas fluorescentes excitadas de um pulso anterior tenham (ou tenham) uma quantidade razoável de tempo para fluorescer. Em algumas modalidades, o intervalo T precisa ser suficientemente longo para determinar um tempo entre um pulso de excitação que excita uma molécula fluorescente e um fóton subsequente emitido pela molécula fluorescente após o término do pulso de excitação e antes do próximo pulso de excitação.
[0082] Embora o intervalo entre os pulsos de excitação T deve ser suficientemente longo para determinar as propriedades de decaimento das espécies fluorescentes, também é desejável que o intervalo de separação de pulsos T seja suficientemente curto para permitir que muitas medições sejam feitas em um curto período de tempo . A título de exemplo e não de limitação, as vidas 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 nanossegun- dos. Portanto, dependendo das moléculas fluorescentes usadas, pode ser usado um intervalo de separação de pulso tão curto quanto cerca de 200 ps, enquanto que para moléculas fluorescentes de vida útil mais longas pode ser usado um intervalo de separação de pulsos T superior a cerca de 20 nanossegundos. Consequentemente, os pulsos de excitação usados para excitar a fluorescência para a análise de vida útil fluorescente podem ter durações de FWHM entre cerca de 25 picossegundos e cerca de 2 nanossegundos, de acordo com algumas modalidades.
[0083] Em algumas aplicações, tais como imagens de vida útil fluorescentes, onde uma matriz de imagem de domínio do tempo integrada é usada para detectar fluorescência e fornecer dados para análise de vida e exibição visual, o intervalo de separação de pulso T pode não precisar ser menor do que uma taxa de quadros do sistema de imagem. Por exemplo, se houver um sinal fluorescente adequado após um único pulso de excitação, a acumulação de sinal sobre múltiplos pulsos de excitação para um quadro de imagem pode não ser necessária. Em algumas modalidades, uma taxa de repetição de pulsos Rp da fonte óptica pulsada 1-110 pode ser sincronizada com uma taxa de quadros Rf do sistema de imagem, de modo que uma taxa de repetição de pulso pode ser tão lenta como cerca de 30 Hz. Em outras modalidades, a taxa de repetição do pulso pode ser sensivelmente superior à taxa de quadros, e os sinais de decaimento fluorescente para cada pixel em uma imagem podem ser valores integrados após pulsos de excitação múltiplos.
[0084] Um exemplo de uma fonte óptica pulsada 2-200 é representado na FIGURA 2-2A. De acordo com algumas modalidades, uma fonte óptica pulsada 2-200 pode compreender um diodo laser semicondutor comercial ou personalizado 2-201 (ou um ou mais LEDs) formados em um substrato 2-208. Um diodo laser ou LED pode ser embalado em uma caixa 2-212 que inclui um conector elétrico 2-224. Pode haver um ou mais elementos ópticos 2-205 (por exemplo, uma ou mais lentes) incluídos com a embalagem para remodelar e/ou alterar a divergência de um feixe de saída do laser ou LED. O diodo laser 2-201 (ou um ou mais LEDs) pode ser acionado por meio de um circuito de pulso 2-210 que pode proporcionar uma sequência de pulsos de corrente através de um cabo de ligação 2-226 e pelo menos um fio 2220 ao diodo 2 -201. A corrente de acionamento do circuito de pulso 2210 pode produzir um trem de pulsos ópticos 2-222 emitidos a partir do diodo laser ou LED.
[0085] Uma vantagem de usar LEDs é o seu menor custo comparado aos diodos laser. Além disso, os LEDs fornecem uma saída espectral mais ampla, geralmente incoerente, que pode ser mais adequada para aplicações de imagem (por exemplo, um LED pode produzir menos artefatos de interferência óptica). Para um diodo laser, a radiação coerente pode introduzir o espéculo a menos que sejam tomadas medidas para evitar manchas nas imagens coletadas. Além disso, os LEDs podem prolongar os comprimentos de onda de excitação no ultravioleta (por exemplo, até cerca de 240 nm) e podem ser usados para excitação de autofluorescência em amostras biológicas.
[0086] De acordo com algumas modalidades, um diodo laser 2201 pode compreender uma junção semicondutora que compreende uma primeira camada 2-202 tendo um primeiro tipo de condutividade por exemplo, tipo p) e uma segunda camada 2-206 com um tipo de condutividade oposto . Pode haver uma ou mais camadas intermediá- rias 2-204 formadas entre as primeira e segunda camadas. Por exemplo, as camadas intermediárias podem compreender as camadas de poço quântico múltiplo (MQW) nas quais os veículos injetados a partir das primeira e segunda camadas se recombinam com a finalidade de produzir fótons. Em algumas modalidades, as camadas intermediárias podem incluir as camadas de bloqueio de elétrons e/ou orifícios. O diodo laser pode compreender os materiais inorgânicos e/ou materiais semicondutores orgânicos 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 nitrito III podem ser usadas para o lasers que emitem em comprimentos de onda inferiores a cerca de 500 nm, e as composições de III-arseneto ou III-fosfito podem ser usadas para laser que emite em comprimentos de onda superiores a cerca de 500 nm. Qualquer tipo adequado de diodo laser 2-201 pode ser usado incluindo, mas não limitado a, um laser de emissão de superfície de cavidade vertical (VCSEL), um diodo laser emissor de borda ou um laser de guia de onda óptica acoplado a laje (SCOWL).
[0087] De acordo com algumas modalidades, podem ser usados um ou mais LEDs em vez de um diodo laser. Um diodo emissor de luz pode ter uma intensidade menor do que uma DL, então vários LEDs podem ser usados. Como um LED não sofre oscilações de relaxamento ou dinâmica associada à ação de laser, seus pulsos de saída podem ter uma duração maior e ter uma largura de banda espectral mais larga do que seria para um laser. Por exemplo, os pulsos de saída podem estar entre cerca de 50 ps e cerca de 2 ns, e a largura de banda espectral pode ser de cerca de 20 nm ou maior. Em algumas implementações, os pulsos de saída de um LED podem estar entre cerca de 100 ps e cerca de 500 ps. Os pulsos de excitação mais longos podem ser aceitáveis para moléculas fluorescentes com tempos de decaimen- to mais longos. Além disso, um LED pode produzir um feixe de saída não polarizado ou parcialmente polarizado. As modalidades dos circuitos de pulsador descritos abaixo podem ser usadas para conduzir um ou mais LEDs em algumas implementações de fontes ópticas pulsadas.
[0088] Os inventores reconheceram que alguns sistemas de diodos laser convencionais compreendem os circuitos de condutor de corrente que podem ser modelados como representado na FIGURA 2-2B. Por exemplo, o controlador de corrente 2-210 pode compreender uma fonte de tensão pulsada 2-230 configurada para fornecer os pulsos de corrente para um diodo laser. A conexão ao diodo laser geralmente é feita através de um cabo 2-226, adaptador ou conector 2-224, e um único fio 2-220 que está ligado a uma almofada de contato no diodo laser 2-210. A conexão entre o adaptador 2-224 e o diodo laser pode incluir uma indutância de série L1 e a resistência da série R1. A conexão também pode incluir capacitâncias de junção pequenas (não mostradas) associadas com contatos e/ou a junção de diodo.
[0089] Os inventores reconheceram e apreciaram que o aumento do número de ligações de fio (por exemplo, entre o conector 2-224 e o diodo laser 2-201) pode reduzir a indutância e/ou a resistência da conexão a um diodo laser 2-201. Tal redução na indutância e/ou resistência pode permitir uma maior modulação de corrente de velocidade do diodo laser e pulsos de saída mais curtos. De acordo com algumas modalidades, uma única ligação de fio 2-220 pode ser substituída por múltiplas ligações de fio paralelo para melhorar a velocidade de um diodo laser. Por exemplo, o número de ligações de fio pode ser aumentado para três ou mais. Em algumas implementações, pode haver até 50 ligações de fio para um diodo laser.
[0090] Os inventores investigaram os efeitos de aumentar o número de ligações de fio 2-220 em um diodo laser comercial. Um exemplo de laser comercial considerado foi um diodo laser Oclaro, modelo HL63133DG, agora disponível da Ushio, de Cypress, Califórnia. Os resultados de simulações numéricas de aumentar um número de ligações de fio são ilustrados na FIGURA 2-2C. A simulação aumentou o número de ligações de fio de uma única ligação para o dispositivo comercial (curva 2-250) para trilhos de três fios (curva 2-252) e para ligações de 36 fios (curva 2-254). A corrente de transmissão média entregue ao diodo laser para um pulso fixo de 18V foi determinada em uma faixa de frequências para os três casos diferentes. Os resultados indicam que um maior número de ligações de fio permite que mais corrente seja entregue ao diodo laser em frequências mais altas. Por exemplo, a 1 GHz, o uso de apenas três ligações de fio (curva 2-252) permite que mais de quatro vezes mais corrente seja entregue ao diodo laser do que para uma única ligação de arame. Uma vez que os pulsos curtos e ultrapassados requerem maior largura de banda (componentes de maior frequência para formar o pulso curto), a adição de ligações de fio múltiplas permite que os componentes de maior frequência conduzam o diodo laser em um pulso mais curto do que uma única ligação de arame. Em algumas implementações, as ligações de fio múltiplas podem se estender entre uma única almofada de contato ou várias almofadas de contato em um diodo laser e um adaptador ou conector 2-224 em uma embalagem de diodo laser. O conector pode ser configurado para conexão a um cabo externo, padronizado (por exemplo, a um cabo BNC ou SMA de 50 ohms).
[0091] Em algumas modalidades, o número de ligações de fio e a configuração de ligação de fio podem ser selecionados para coincidir com uma impedância do adaptador e/ou cabo conectado ao diodo laser. Por exemplo, a impedância das ligações do fio pode ser adaptada à impedância de um conector 2-224 para reduzir as reflexões de energia do diodo laser para o driver atual, de acordo com algumas modali- dades. Em outras modalidades, a impedância das ligações de fio pode ser seletivamente incompatível para gerar um pulso negativo entre os pulsos positivos de condução de corrente. Selecionar um método de embalagem para um diodo laser (por exemplo, selecionar um número de ligações de fio para um diodo laser a partir de um adaptador) pode melhorar a modulação de corrente fornecida ao diodo laser em frequências mais altas. Isso pode tornar o diodo laser mais sensível aos sinais de comutação de ganho de alta velocidade e pode permitir os pulsos ópticos mais curtos, redução mais rápida da potência óptica após o pico de pulso e/ou taxas de repetição de pulso aumentadas.
[0092] Com referência agora à FIGURA 2-3, os inventores reconheceram e apreciaram ainda que a aplicação de uma forma de onda de pulso bipolar 2-300 a um diodo laser pode suprimir uma extremidade de emissão não desejada 2-172 (vide figura 2-1C) nos pulsos ópticos produzidos. Um pulso bipolar também pode ser usado para encurtar um pulso óptico de um LED. Um pulso bipolar pode compreender um primeiro pulso 2 310 de uma primeira polaridade seguida por um segundo pulso 2-312 de uma polaridade oposta. A magnitude do segundo pulso 2-312 pode ser diferente da magnitude do primeiro pulso. Em algumas modalidades, o segundo pulso pode ter uma magnitude que é aproximadamente igual ou inferior ao primeiro pulso 2-310. Em outras modalidades, o segundo pulso 2-312 pode ter uma magnitude que é maior que o primeiro pulso 2-310.
[0093] 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.
[0094] O primeiro pulso de impulsão pode encaminhar a polarização de uma junção de diodo laser e assim gerar os veículos na região ativa de diodos que podem se recombinar com a finalidade de produzir um pulso óptico. O segundo pulso de impulsão 2-312, oposto em polaridade, pode inverter a junção de diodo e acelerar a remoção de veículos da região ativa para finalizar a geração de fótons. Quando o segundo pulso elétrico 2-312 é cronometrado para ocorrer aproximadamente ao mesmo tempo que, ou apenas antes (por exemplo, dentro de cerca de 200 ps), o segundo pulso de oscilação de relaxamento (vide o pulso 2-162 da Figura 2-1B) a concentração do veículo que de outro modo produziria o segundo pulso óptico é diminuída de modo a que a extremidade de emissão 2-172 seja suprimida.
[0095] Várias configurações de circuito podem ser usadas com a finalidade de produzir formas de onda de pulso bipolares. A FIGURA 2-4A representa apenas um exemplo de um circuito que pode ser usado com a finalidade de dirigir um diodo laser ou um ou mais LEDs com uma forma de onda de pulso bipolar. Em algumas modalidades, uma linha de transmissão 2-410 (por exemplo, uma linha de tira ou conjunto de condutor coaxial) pode ser configurada em um circuito de pulso 2 400 para fornecer os pulsos bipolares para um diodo laser semicondutor 2-420 ou pelo menos um LED. A linha de transmissão 2-410 pode ser formada em uma configuração em forma de U e polarizada em um primeiro condutor por uma fonte de tensão DC VDD através de uma resistência de carga Rch. A linha de transmissão pode ter uma impe- dância que corresponde aproximadamente à impedância de um diodo laser, de acordo com algumas modalidades. Em algumas modalidades, a impedância da linha de transmissão pode ser de 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 transmissão pode estar entre aproximadamente 1 ohm e aproximadamente 20 ohms.
[0096] O pulsador 2-400 pode ainda incluir uma resistência de terminação Zterm ligada entre o segundo condutor da linha de transmissão em uma extremidade da linha de transmissão e um potencial de referência (por exemplo, triturado no exemplo representado). A outra extremidade do segundo condutor da linha de transmissão pode ser conectada ao diodo laser 2-420. As extremidades do primeiro condutor da linha de transmissão podem se conectar a um interruptor M1 (por exemplo, um transistor de efeito de campo ou transistor de junção bipolar) que pode ser ativado para conectar periodicamente as extremidades do primeiro condutor para um potencial de referência (por exemplo, terra).
[0097] Em alguns casos, a impedância de terminação Zterm pode ser aproximadamente igual à impedância da linha de transmissão 2410 para reduzir as reflexões de volta para a linha. De uma maneira alternativa, a impedância de terminação Zterm pode ser inferior à impe- dância da linha para refletir um pulso negativo na linha (após a derivação pelo interruptor M1) e para o diodo laser 2-420. Em algumas implementações, a impedância de término Zterm pode incluir um componente capacitivo e/ou indutivo selecionado para controlar a forma do pulso negativo refletido. Um pulsador de linha de transmissão, conforme representado na FIGURA 2-4A, pode ser usado com a finalidade de produzir os pulsos bipolares elétricos com uma taxa de repetição dentro de uma faixa entre cerca de 30 Hz e cerca de 200 MHz. De acordo com algumas modalidades, uma linha de transmissão 2-410 para um pulsador de linha de transmissão pode ser formada em uma placa de circuito impresso (PCB), como representado na FIGURA 2- 5A.
[0098] A FIGURA 2-4B representa uma modalidade de um circuito de excitador 2-401 conectado a um diodo semicondutor óptico 2-423 (por exemplo, um diodo laser ou um ou mais LEDs) que podem ser formados usando os componentes discretos e que podem ser integrados a um substrato (como um chip ou PCB). Em algumas modalidades, o circuito pode ser integrado em um mesmo substrato como um diodo laser ou LED 2-423. O circuito de excitador de laser 2-401 pode compreender uma entrada de controle 2-405 conectada aa porta ou base de um transistor M1. O transistor pode ser um FET CMOS, um transistor de junção bipolar ou um transistor de mobilidade de elétrons altos (como um pHEMT de GaN), embora outros transistores de alta velocidade e alto controle de corrente possam ser usados. O transistor pode ser conectado entre uma fonte de corrente 2-430 e um potencial de referência (por exemplo, um potencial de aterramento, embora outros valores de potencial de referência possam ser usados). O transistor M1 pode ser conectado em paralelo entre a fonte de corrente 2-430 e o potencial de referência com o diodo laser 2-423 (ou um ou mais LEDs) e um resistor R1 que está conectado em série com o diodo laser. De acordo com algumas modalidades, o circuito de excitador 2401 pode ainda incluir um capacitor C1 conectado em paralelo com o resistor R1 entre o diodo laser e o potencial de referência. Embora seja descrito um transistor M1, pode ser usado qualquer interruptor controlável adequado com um estado de condução elevada e de baixa condução.
[0099] Em operação, o circuito de excitador 2-401 pode fornecer uma corrente que ignora o diodo laser 2-423 quando o transistor M1 está ligado ou em um estado condutor. Portanto, não há saída óptica do diodo laser. Quando o transistor M1 desliga-se, a corrente pode fluir através do diodo laser devido ao aumento do caminho resistivo no transistor. A corrente liga o diodo laser, até que o transistor seja ligado novamente. Os pulsos de luz podem ser gerados modulando a porta de controle do transistor entre os estados de ligar e desligar para fornecer os pulsos de corrente ao diodo laser. Esta abordagem pode reduzir a quantidade de tensão no fornecimento e a tensão no transistor necessário para conduzir o laser em comparação com algumas técnicas de pulsação, o que é um aspecto importante para a implementação de tais circuitos de alta velocidade.
[00100] Devido à presença do resistor R1 e do capacitor C1 paralelo, a carga irá se acumular no capacitor quando o diodo estiver conduzindo a frente. Isto pode ocorrer quando o transistor M1 está em um estado "desligado", por exemplo, um estado baixo ou não condutor. Quando o transistor é ligado, a tensão armazenada em todo o capacitor inverte a polarização do diodo laser. O viés inverso produz, de forma eficaz, um pulso negativo através do diodo laser, o que pode reduzir ou eliminar a extremidade de emissão 2-172 que de outra forma ocorreria sem o pulso negativo. O valor da resistência R1 pode ser selecionado de tal forma que substancialmente toda a carga no capacitor irá descarregar antes do interruptor ser subsequentemente aberto e/ou um pulso de luz subsequente é gerado pelo diodo laser. Por exemplo, a constante de tempo t1 = R1C1 pode ser projetada para ser inferior a cerca de 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.
[00101] Em algumas implementações, o transistor M1 pode ser con- figurado para mudar para um estado condutor após um primeiro pico de um pulso de luz de saída do diodo laser. Por exemplo, e referindo- se à FIGURA 2-1B, um circuito de detecção e lógica óptica pode detectar a intensidade de decaimento do primeiro pulso 2-161 e desencadear o transistor M1 para mudar para um estado condutor. Em algumas modalidades, o transistor M1 pode ser desencadeado para mudar para um estado condutor com base em um sinal de relógio estável (por exemplo, desencadeado com referência a uma borda de relógio de sincronização). Em algumas implementações, o transistor M1 pode ser disparado para alternar para um estado condutor de acordo com um tempo de atraso predeterminado medido a partir do momento em que o transistor M1 muda para um estado não condutor. Alternar o transistor M1 para um estado condutor em um momento selecionado pode reduzir a potência do laser logo após o pulso da luz do pico, encurtar o pulso do laser e/ou reduzir a emissão da extremidade do pulso.
[00102] Embora o circuito de acionamento mostrado na FIGURA 24B mostra a fonte de corrente 2-430 localizada no lado do anodo do laser, em algumas modalidades, uma fonte de corrente pode estar localizada de uma maneira alternativa, ou de uma maneira adicional, no lado do catodo do laser (por exemplo, conectado entre o transistor M1, resistor R1, e um potencial de referência, como o solo).
[00103] Outras modalidades dos circuitos de acionamento com a finalidade de produzir os pulsos ultracurtos são possíveis. Por exemplo, um circuito de acionamento de pulsos de corrente 2-402 para um diodo laser ou LED pode compreender uma pluralidade de ramos de acionamento de corrente ligados a um nó de um diodo laser, como representado na FIGURA 2-4C. O circuito de excitador 2-402 pode ser formado usando componentes discretos ou integrados e integrado em um substrato (por exemplo, um chip ASIC ou PCB). Em algumas mo- dalidades, o circuito de excitador pode ser integrado em um mesmo substrato como um ou mais diodos semicondutores ópticos 2-425 (por exemplo, um diodo laser ou um ou mais diodos emissores de luz). Embora o desenho mostre o circuito de excitador conectado ao anodo do diodo laser 2-425, em algumas modalidades, os circuitos de acionamento semelhantes podem de uma maneira alternativa ou, de uma maneira adicional, ser conectados ao catodo do diodo laser. Os circuitos de acionamento conectados ao lado do catodo do diodo laser podem empregar transistores de um tipo oposto e fontes de tensão de polaridade oposta que as usadas no lado anodo do diodo laser.
[00104] De acordo com algumas implementações, pode haver N ramos de circuito (por exemplo, ramos de circuito 2-432, 2-434, 2-436) configurados para aplicar N pulsos de corrente de polarização direta para um diodo laser 2-425 ou LED e M ramos de circuito (por exemplo, circuito de ramal 2-438) configurado para aplicar M pulsos de corrente de polarização reversa para o diodo laser. Na FIGURA 2-4C, N = 3 e M = 1, embora outros valores possam ser usados. Cada ramo de corrente de polarização direta pode compreender uma fonte de tensão Vi configurada para fornecer uma corrente de polarização direta ao diodo laser. Cada ramo de corrente de polarização inversa pode compreender uma fonte de tensão Vj configurada para fornecer uma corrente de polarização reversa ao diodo laser. Cada ramo de circuito pode ainda incluir uma resistência Ri conectada em série com um interruptor ou transistor Mi. Cada ramo de circuito pode incluir um capacitor Ci conectado de um lado a um nó entre o transistor Mi e o resistor Ri e conectado do outro lado a um potencial de referência fixo. Em algumas modalidades, a capacitância Ci pode ser capacitância de junção associada ao transistor Mi (por exemplo, capacitância de fonte para corpo), e um condensador discreto separado pode não ser fornecido. Em algumas implementações, pelo menos um resistor adicional pode ser inclu- ído em série com o diodo 2-425 para limitar a quantidade de corrente total entregue dos ramos do circuito.
[00105] Em operação, os sinais de controle temporizados e pulsados podem ser aplicados às entradas de controle Si dos interruptores ou transistores Mi, de modo a gerar uma sequência de pulsos de corrente de cada um dos ramos de circuito que são somados e aplicados através do diodo laser junção. Os valores dos componentes em cada ramo (Vi, Vi, Ri, Ci) e a temporização e duração do pulso dos pulsos de controle aplicados às entradas de controle Si podem ser selecionados independentemente com a finalidade de produzir uma forma de onda de pulso de corrente bipolar desejada que é aplicada ao diodo laser 2425. Como apenas 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 os mesmos, e os valores de C1, C2 e C3 podem ser os mesmos. Neste exemplo, o escalonamento de sinais pulsados para as entradas de controle Si pode produzir uma sequência escalonada de pulsos de corrente sobrepostos dos ramos do circuito de polarização direta que possuem as durações de pulso semelhantes, mas amplitudes de pulso diferentes. Um pulso temporizado do ramo do circuito de polarização reversa pode produzir um pulso de corrente de polaridade oposta que pode apagar ou desligar rapidamente o pulso de polarização direta, e pode ainda produzir um pulso de polarização inversa que pode suprimir a emissão de extremidade do diodo laser. O pulso de polarização inversa pode ser temporizado cuidadosamente, de modo que ele se sobrepõe, pelo menos parcialmente, temporariamente com um ou mais dos pulsos de polarização direta. Consequentemente, o circuito representado na FIGURA 2-4C pode ser usado para sintetizar os pulsos de corrente bipolar como representado na FIGURA 2-3.
[00106] A FIGURA 2-4D representa outra modalidade de um controlador de pulso 2-403, que pode ser fabricado usando os componentes de radiofrequência (RF). Os componentes de RF podem ser projetados para manipular sinais em frequências entre cerca de 50 MHz e cerca de 1 GHz, de acordo com algumas modalidades. Em algumas implementações, um controlador de pulsos 2-403 pode compreender um bloco DC de entrada 2-435, que CA acopla uma forma de onda de entrada (por exemplo, uma onda quadrada ou onda sinusoidal) ao condutor. O bloco de CC pode ser seguido por um amplificador 2-440, que produz as formas de onda de saída não invertidas e invertidas que se processam em circuitos de circuito separados 2-440a, 2-440b, respectivamente. O primeiro caminho de circuito 2-440a pode incluir um ou mais adaptadores 2-442. Um disjuntor de fase variável 2-445 pode ser incluído no segundo caminho de circuito 2-440b para deslocar de forma seletiva o sinal no segundo caminho em relação ao sinal no primeiro caminho.
[00107] O primeiro e o segundo caminho de circuito podem se conectar a entradas não inversoras de uma porta lógica de RF 2-450 (por exemplo, uma porta AND ou outra porta lógica). As entradas de inversão da porta lógica 2 450 podem ser terminadas com terminadores adequados de impedância 2-446 para evitar reflexos de energia espúrios na porta. As saídas não inversoras e inversoras da porta lógica 2450 podem se conectar a um combinador 2-460 ao longo de dois caminhos de circuito 2-450a, 2-450b. O caminho do circuito invertido 2450b pode incluir um elemento de atraso 2-454 e o atenuador 2-456, um ou ambos os quais podem ser ajustáveis. O elemento de atraso pode ser usado para atrasar o sinal invertido em relação ao sinal não invertido, e o atenuador pode ser usado para ajustar a amplitude do sinal invertido.
[00108] O sinal invertido resultante e o sinal não invertido da porta lógica podem então ser somados no combinador 2-460. A saída do combinador 2-460 pode ser conectada a um amplificador RF 2-470 que fornece pulsos bipolares de saída com a finalidade de dirigir um diodo laser ou um ou mais LEDs. Os pulsos bipolares de saída podem ter uma forma de onda como representado na FIGURA 2-4E.
[00109] Em operação, uma onda quadrada de entrada ou onda sinusoidal pode ser AC acoplada no driver e dividida nos dois caminhos de circuito 2-440a, 2-440b como versões não invertidas e invertidas. O primeiro amplificador 2-440 pode ser um amplificador limitante que acumula uma forma de onda sinusoidal, de acordo com algumas modalidades. No segundo caminho de circuito 2-440b, a forma de onda invertida pode ser deslocada de fase com um disjuntor de fase ajustá- vel 2-445 para retardar temporariamente a forma de onda invertida em relação à forma de onda não invertida. As formas de onda resultantes do primeiro amplificador 2-440 podem então ser processadas por meio da porta lógica RF 2-450 (por exemplo, uma porta AND) com a finalidade de produzir os pulsos de RF curtos nas saídas não inversoras e inversoras da porta lógica. A duração dos pulsos de RF curtos pode ser ajustada usando o disjuntor de fase 2-445, de acordo com algumas modalidades. Por exemplo, o disjuntor de fase pode ajustar um período de tempo durante o qual tanto a forma de onda não invertida como a forma de onda invertida na entrada para uma porta AND lógica 2-450 estão simultaneamente em um estado "ligado", que determinará o comprimento da saída de pulsos.
[00110] Com referência à FIGURA 2-4E, os pequenos pulsos invertidos 2-417 da porta lógica 2-450 podem atrasar uma quantidade δ pelo elemento de atraso 2-454 em relação aos pulsos não invertidos 2415 e atenuados pelo atenuador 2-456 a uma amplitude desejada antes de ser combinada com o pulso não invertido. Em algumas modalidades, a magnitude do pulso negativo | Vp- | pode ser inferior à amplitude de pulso positivo Vp +. O intervalo de separação de pulso T pode ser determinado por meio da frequência da entrada de onda sinusoidal ou quadrada no controlador de pulsos 2-403. A forma de onda do pulso de saída pode, ou não, incluir um deslocamento DC. Embora a forma de onda de saída seja representada como tendo uma forma de onda em forma de quadrado, as capacitâncias e as indutâncias nos componentes de RF e/ou cabos podem produzir os pulsos de saída com formas de onda mais arredondadas, mais como a forma de onda representada na FIGURA 2-3.
[00111] Como mencionado anteriormente em conexão com a FIGURA 2-4C e FIGURA 2-4B, a aplicação de corrente ou tensão a um diodo laser ou LED pode ser tanto para o anodo como para o catodo de um diodo em algumas modalidades. Um circuito de excitador de pulso de radiofrequência 2-404 que pode aplicar um pulso de tensão ou de corrente diferencial ou de corrente tanto para o catodo como para o anodo de um diodo é representado na FIGURA 2-4F. A extremidade dianteira do circuito pode ser semelhante à extremidade dianteira do circuito de excitador de pulsos 2-403 representado na FIGURA 2-4D, de acordo com algumas modalidades. No entanto, no circuito de controle de pulso 2-404, as saídas não invertidas e invertidas da porta lógica 2-450 podem não ser combinadas e, em vez disso, aplicadas como uma unidade diferencial para o anodo e o catodo do diodo laser. Para simplificação, o circuito associado com a produção de um pulso subsequente de polarização negativa ou inversa não é mostrado na FIGURA 2-4F.
[00112] Um exemplo de uma unidade dividida ou diferencial produzida por meio do circuito de excitador de pulsos diferenciais 2-404 é representado na FIGURA 2-4G. Uma primeira saída da porta lógica 2450 pode produzir um pulso positivo 2-416 de amplitude + Vp, e uma segunda saída invertida da porta lógica 2-450 pode produzir um pulso negativo 2-418 de amplitude oposta -Vp. Os trens de pulso podem, ou não, ter um pequeno deslocamento DC em algumas modalidades. A presença do pulso positivo 2-416 e o pulso negativo 2-418 produzem um pulso de polarização direta através do diodo laser com uma amplitude eficaz de 2Vp. Ao dividir a polarização através do diodo laser e aplicar uma polarização parcial ao anodo e ao catodo, a amplitude dos pulsos de tensão manipulados pelo excitador de pulsos 2-404 pode ser efetivamente reduzida por um fator de 2. De acordo com isso, o exci- tador de pulsos 2 -404 pode operar a uma frequência mais alta e produzir os pulsos mais curtos do que poderia ser capaz de alcançar para pulsos de amplitude superior. De uma maneira alternativa, um circuito de excitador de pulsos 2-404 pode dobrar, de maneira eficaz, a amplitude do pulso de direção aplicado em um diodo laser em comparação com um circuito de direção que apenas fornece um pulso de polarização + Vp para o anodo do diodo laser. Em tais modalidades, a saída de potência do diodo laser pode ser aumentada.
[00113] Outra maneira em que a potência aplicada ao diodo laser e/ou velocidade de condução pode ser aumentada é representada na FIGURA 2-4H. De acordo com algumas modalidades, uma pluralidade de saídas do pulsor-driver 2-470 pode ser conectada a um anodo de um diodo laser 2-425 ou LED. Neste exemplo, quatro drivers de pulso estão conectados ao anodo do diodo laser. Em algumas modalidades, em que o circuito diferencial do excitador de pulso é usado, pode haver múltiplos drivers conectados ao catodo do diodo laser também. Cada driver e seu cabeamento associado podem ter uma impedância Z0, e um diodo laser 2-425 pode ter sido impedância ZL. Devido à sua conexão paralela, as impedâncias de saída dos drivers são divididas pelo número de drivers conectados ao diodo laser. A potência fornecida no diodo pode ser aumentada quando as impedâncias combinadas dos pulsos de pulsos são aproximadamente correspondentes à impe- dância do diodo laser 2-425 ou vice-versa.
[00114] O gráfico na FIGURA 2-4I ilustra o aumento da eficiência do poder acoplado ao diodo laser 2-425 para quatro fontes de direção em função da impedância do diodo laser e do circuito do diodo laser. No exemplo, os quatro pulsos de pulsos têm uma impedância de linha de cerca de 50 ohms e estão configurados para fornecer um pulso de saída de 5 V de amplitude com uma corrente máxima de aproximadamente 100 mA. O gráfico mostra que o poder acoplado ao diodo laser atinge um máximo quando a impedância do diodo laser é de aproximadamente 10 ohms. Esse valor é aproximadamente igual à impedân- cia de saída paralela das quatro saídas do driver de pulso 2-470. Consequentemente, a impedância do diodo laser 2-425 e seus circuitos associados podem ser projetados para combinar aproximadamente a impedância combinada de um ou mais drivers de pulso usados com a finalidade de dirigir o diodo laser, de acordo com algumas modalidades.
[00115] Outras configurações do driver de circuito podem ser usadas para diodos laser de pulso ou diodos emissores de luz. De acordo com algumas modalidades, uma injeção de corrente em um diodo emissor de luz pode ser pulsada com a finalidade de produzir os pulsos de nanossegundo usando um circuito de pulso descrito em “A simple sub-nanosecond ultraviolet light pulse generator with high repetition rate and peak power", autoria de PH Binh et al., Rev. Sci. Instr. Vol. 84, 083102 (2013), ou em “An ultraviolet nanosecond light pulse generator using a light emitting diode for test of photodetectors", autoria de T. Araki et al., Rev. Sci. Instr. Vol. 68, 1365 (1997).
[00116] Outro exemplo de um circuito de pulso é representado na FIGURA 2-4J. De acordo com algumas modalidades, um circuito de pulso pode compreender um gerador de pulsos 2-480, que pode receber um ou mais sinais de relógio de um relógio do sistema, por exemplo, e produzir um trem de pulsos elétricos para um circuito de driver 2490 que injeta a corrente pulsa em um diodo laser ou diodo emissor de luz que responde aos pulsos elétricos recebidos do gerador de pulsos. Consequentemente, os pulsos ópticos de saída podem ser sincronizados com o relógio do sistema. O relógio do sistema também pode ser usado para operar eletrônicos de detecção (por exemplo, uma matriz de imagem).
[00117] De acordo com algumas modalidades, o gerador de pulsos 2-480 pode ser formado a partir de uma combinação de componentes eletrônicos passivos e digitais, e pode ser formado em uma primeira placa de circuito. Em alguns casos, um gerador de pulso pode incluir componentes do circuito analógico. Em outras modalidades, uma porção do gerador de pulsos pode ser formada em uma mesma placa que o circuito de excitador 2-490, e uma porção do gerador de pulsos pode ser formada em uma placa separada remota do circuito de excitador. O circuito de excitador 2-490 pode ser formado a partir de componentes eletrônicos passivos, analógicos e digitais e pode ser formado em uma placa de circuito idêntica ou diferente do gerador de pulsos ou parte do gerador de pulsos. Uma fonte óptica (diodo laser ou diodo emissor de luz) pode ser incluída em uma placa de circuito com o circuito do driver ou pode estar localizada em um sistema e conectada ao circuito de driver 2-490 por cabos de alta velocidade (por exemplo, cabos SMA). Em algumas implementações, o gerador de pulsos 2-480 e o circuito de excitador 2-490 podem incluir elementos de lógica acoplados ao emissor. De acordo com algumas modalidades, o gerador de pulsos 2-480, o circuito de excitador 2-490 e o diodo óptico semicondutor 2-423 podem ser integrados a uma mesma placa de circuito impresso, laminado ou circuito integrado.
[00118] Um exemplo de um gerador de pulsos 2-480 é representado na FIGURA 2-4K. Em algumas implementações, um gerador de pulso pode incluir um primeiro estágio que produz duas saídas de relógio diferencial, uma atrasada em relação à outra. O primeiro estágio pode receber uma entrada de relógio e incluir uma saída de ventilação 2-481 e atrasar 2-483. O ventilador pode incluir os drivers lógicos e inversores lógicos dispostos com a finalidade de produzir duas cópias do sinal de relógio e duas cópias invertidas do sinal de relógio. De acordo com algumas modalidades, o relógio pode ter um ciclo de trabalho simétrico, embora os ciclos de trabalho assimétricos possam ser usados em outras modalidades. Uma cópia e uma cópia invertida po- CKT dem formar uma saída de relógio diferencial (CK1, ) e podem ser atrasadas por um elemento de atraso 2-483 em relação a uma segun- CK2 da cópia e uma segunda cópia invertida (CK2, ). O elemento de atraso pode compreender qualquer elemento de retardo variável ou fixo adequado. Exemplos de elementos de atraso incluem linhas de atraso de RF e atrasos de portas lógicas. Em algumas implementa- OKI ções, o primeiro par de sinais de relógio (CK1, ) é atrasado pelo menos uma fração de um ciclo de relógio em relação ao segundo par CK2 de sinais de relógio (CK2, ). Um atraso pode incluir um ou mais ciclos completos além de um ciclo fracionário. Dentro de cada par de sinais de relógio, o sinal invertido pode ser sincronizado com a sua contraparte, de modo que as bordas ascendentes e descendentes dos relógios ocorram essencialmente ao mesmo tempo.
[00119] Os inventores descobriram que o pulso ultracurto de um diodo laser ou LED pode ser controlado de forma mais confiável ajustando o comprimento de um pulso de direção de corrente do gerador de pulsos 2-480 e mantendo uma amplitude fixa ao invés de ajustar uma amplitude de uma corrente ultracurtos - pulso de condução. Ajustar o comprimento do pulso de direção atual ajusta uma quantidade de energia entregue ao diodo laser por pulso. Em algumas modalidades, os circuitos de alta velocidade permitem o controle de alta resolução da fase do sinal (por exemplo, ajustando um atraso ou fase com um elemento de atraso analógico ou digital 2-483), que pode ser usado para obter controle de pulso de alta resolução comprimento, de acordo com algumas implementações.
[00120] Em alguns casos, a primeira etapa do gerador de pulsos 2480 pode incluir um relógio de saída dupla em vez do ventilador 2-481 e atraso 2-483. Um relógio de saída dupla pode gerar dois sinais de relógio diferencial e proporcionar um atraso de fase ajustável entre os dois sinais de relógio diferencial. Em algumas implementações, o atraso de fase ajustável pode ter uma resolução de tempo correspondente de apenas 3 ps.
[00121] Independentemente de como os sinais de relógio atrasados CK1, CK2 e seus inversos são produzidos, os sinais podem ser transmitidos através de linhas de transmissão de alta velocidade para uma porta lógica de alta velocidade 2-485. Para transmissão de sinal através de cabos entre placas, os pulsos de relógio podem deteriorar-se devido ao cabeamento. Por exemplo, a largura de banda limitada das linhas de transmissão pode distorcer os pulsos de relógio de forma diferente e resultar em sincronia desigual. Em algumas implementações, um mesmo tipo de cabo ou linha de transmissão pode ser usado para todos os sinais de relógio, de modo que as distorções de transmissão afetem os quatro sinais de relógio igualmente. Por exemplo, quando as distorções de sinal e os deslocamentos de temporização são essencialmente os mesmos para os quatro sinais de relógio, um pulso de condução resultante produzido por meio da porta lógica de recepção 2-485 será essencialmente o mesmo que seria se não houvesse distorções de sinal da transmissão de os sinais de relógio. Consequentemente, a transmissão de sinais de relógio através de distâncias de vários pés pode ser tolerada sem afetar a duração do pulso de condução. Isto pode ser útil com a finalidade de produzir os pulsos de condução ultracurtos que são sincronizados com um relógio do sistema e têm duração de pulso finamente ajustável (por exemplo, ajustável em incrementos de cerca de 3 ps). Se os sinais de relógio são produzidos de maneira local (por exemplo, em uma mesma placa que o circuito de excitador 2-490), as distorções de sinal associadas à transmissão dos sinais de relógio podem não ser significativas e as linhas de transmissão podem variar de alguma forma.
[00122] De acordo com algumas modalidades, os sinais de relógio podem ser AC acoplados aos capacitores C1 e fornecidos às entradas de dados de um portão lógico de alta velocidade 2-485. Os condensadores 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 lógica (ECL), duas entradas, diferencial AND/NAND. Um exemplo de porta lógica 2-485 inclui o modelo MC100EP05 disponível da ON Semiconductor de East Greenwich, Rhode Island. Os sinais acoplados a CA nas entradas de dados para a porta lógica podem parecer semelhantes aos sinais representados na FIGURA 2-4L, onde a linha tracejada horizontal indica um nível de tensão zero. As repre-sentações na FIGURA 2-4L não incluem as distorções introduzidas pelas linhas de transmissão. As distorções podem arredondar e alterar as formas dos perfis de sinal, mas não podem afetar as fases relativas dos sinais de relógio quando um mesmo tipo e comprimento de cabo são usados para cada sinal de relógio. O elemento de atraso 2-483 pode fornecer um atraso Δt indicado pelas linhas tracejadas verticais, que podem ser ajustadas em incrementos tão pequenos quanto 3 ps. Em algumas implementações, um elemento de atraso 2-483 pode fornecer um atraso ajustável em incrementos com um valor entre 1 ps e 10 ps. A porta lógica 2-485 pode processar os sinais de relógio recebidos e produzir um sinal de saída na saída Q correspondente ao atraso introduzido pelo elemento de atraso 2-483. Com um pequeno atraso, a saída compreende uma sequência de pulsos curtos ou ultracurtos. Com uma porta lógica de alta velocidade 2-485, as durações de pulsos 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 condução da porta Q podem ter um perfil substancialmente quadrado devido a taxas de rotação de alta velocidade do portal de lógica ECL 2-485. Um circuito de polarização 2-487 pode ser conectado à porta de saída Q e uma tensão V1 aplicada para lógica de acoplamento do emissor positivo. Os pulsos de saída fornecidos a partir de um terminal de saída Pout do gerador de pulsos 2-480 podem incluir um deslocamento DC, de acordo com algumas modalidades.
[00123] Em algumas implementações, duas ou mais portas lógicas de alta velocidade 2-485 podem ser conectadas em paralelo entre os condensadores C1 e o circuito de polarização 2-487. As portas lógicas podem ser iguais e operam em paralelo para fornecer maior capacidade de condução atual em uma saída do gerador de pulsos. Os inventores reconheceram e apreciaram que a porta lógica 2-485, ou portas, precisa fornecer uma troca de alta velocidade (ou seja, tempos de aumento rápido e queda com a finalidade de produzir os pulsos de direção ultracurtos) e precisa fornecer uma corrente de saída suficiente para gerar uma alta corrente transistor M1 no circuito de excitador 2490. Em algumas implementações, a conexão de portas lógicas 2-485 em paralelo proporciona um desempenho melhorado do circuito de pulso e permite a produção de pulsos ópticos sub-100-ps.
[00124] A FIGURA 2-4M representa uma modalidade de um circuito de excitador 2-490, que pode ser conectado a um diodo laser ou LED 2-423. Um circuito de excitador pode incluir uma entrada acoplada a AC, possuindo um capacitor C2 em série com uma resistência R3, co- nectada a um portão de um transistor de alta velocidade M1. A capaci- tância 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 grande eletronicidade (HEMT FET) capaz de comutar as correntes elevadas (por exemplo, pelo menos um ampere e, em alguns casos, até quatro amps ou mais), de acordo com algumas modalidades. O transistor M1 pode ser um transistor de alta velocidade capaz de trocar correntes tão grandes em velocidades de vários gigahertz. De acordo com algumas modalidades, o transistor M1 pode mudar mais de 1 amp para uma duração de pulso elétrico entre cerca de 50 ps e cerca de 2 ns a uma taxa de repetição entre 30 Hz e aproximadamente 200 MHz. Um exemplo do transistor M1 inclui o modelo ATF-50189-BLK disponível na Avago Technologies de San Jose, Califórnia. Os elementos do circuito de polarização e filtragem (por exemplo, resistências R4, R7 e C3) podem ser conectados entre o capacitor C2 e a porta do transistor M1. O dreno do transistor M1 pode estar diretamente ligado a um ca- todo de um diodo laser ou diodo emissor de luz 2-423, e uma fonte do transistor M1 pode ligar a um potencial de referência (por exemplo, terra). O anodo do diodo 2-423 pode se conectar a uma fonte de tensão de diodo VLD. Um resistor R6 e capacitor C4 podem ser conectados em paralelo através do diodo 2-423. De acordo com algumas modalidades, o resistor 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 (que tem um valor entre aproximadamente 1 μF e aproximadamente 5 μF) também pode ser conectado entre a fonte de tensão VLD de diodo e um potencial de referência (por exemplo, terra) em paralelo com o diodo 2-423 e o transistor M1.
[00125] Em algumas modalidades, um diodo de proteção (não mostrado) pode ser conectado na direção inversa através do catodo e anodo do diodo laser 2-423. O diodo de proteção pode proteger o diodo laser do potencial de polarização reversa excessiva que pode quebrar a junção do diodo laser.
[00126] Na operação, um pulso do gerador de pulsos 2-480 liga momentaneamente o transistor M1, permitindo que a corrente seja injetada na região ativa do diodo laser ou diodo emissor de luz 2-423. Em algumas implementações, uma grande quantidade de corrente direta (por exemplo, até quatro amps) flui através do transistor M1 brevemente. A corrente direta injeta os suportes na junção do diodo laser e produz um pulso curto ou ultracurto de radiação óptica. Quando o transistor M1 desliga-se, as indutâncias parasitas continuam o fluxo de corrente através do diodo ou diodo laser emissor de luz, acumulando carga no lado do catodo do diodo, até que ele possa ser dissipado pela rede RC conectada em paralelo com o diodo laser. Esta acumulação temporária de carga no catodo fornece um pulso de polarização reversa ao diodo laser e acelera a remoção de veículos da região ativa. Isso acelera o término do pulso óptico.
[00127] Os inventores descobriram que a técnica de pulsação óptica descrita para a modalidade da FIGURA 2-4M é superior às técnicas pulsantes com base em pulsos diferenciadores de onda quadrada, pois pode fornecer um pulso de corrente mais alto e mais curto que pode ser necessário para ligar um diodo laser.
[00128] Os inventores montaram vários circuitos de impulsão de pulsos e os usaram para conduzir diodos laser. A FIGURA 2-5A representa outra modalidade de um circuito de pulso ensaiado 2 500. Esta modalidade implementa um pulsador 2-400 como representado na FIGURA 2-4A. No circuito montado, a linha de transmissão 2-410 é formada como uma linha de tira de placas paralelas padronizada em uma configuração em forma de U em uma placa de circuito impresso, conforme representado na figura. Um transistor GaN pHEMT foi usado como um interruptor de derivação M1 para curtas duas extremidades da linha de transmissão em forma de U. O circuito de pulsação 2-500 pode ser operado a taxas de repetição de até 100 MHz e usado para conduzir uma carga de 50 ohms. Em algumas modalidades, um circuito de pulso pode ser operado a taxas de repetição entre aproximadamente 10 MHz e aproximadamente 1 GHz.
[00129] Uma forma de onda medida a partir do pulsador 2-500 está representada na FIGURA 2-5B. A forma de onda mostra um pulso positivo com uma amplitude de aproximadamente 19,5 V seguido de um pulso negativo que atinge uma amplitude de aproximadamente -5 V seguindo o pulso positivo. A duração do pulso positivo é de aproximadamente 1,5 nanossegundo. Referindo-se novamente à FIGURA 2- 4A, o pulsador 2-500 foi construído para ter um resistor de terminação Zterm de aproximadamente 50 ohms e uma resistência de elevação ou carga Rch de aproximadamente 200 ohms. O valor de Zterm foi escolhido para reduzir as reflexões de energia da resistência de terminação de volta para a linha de transmissão. O viés aplicado à linha de transmissão 2-410 foi de 100 V e o interruptor M1 foi conduzido a uma taxa de repetição de 100 MHz. Aproximadamente -1,3 V de polarização DC foi acoplado ao diodo através de um t de polarização, para afinar o deslocamento relativo de polarização de 0 V. O pulso de condução para o interruptor M1 foi um sinal de onda quadrada oscilando entre aproximadamente 0 V e aproximadamente 2 V.
[00130] Foi usado um controlador de cama de teste comercial para conduzir um diodo laser comercial (Modelo Ushio HL63133DG) com a finalidade de produzir os pulsos ópticos sub-100-ps. As medições de pulsos ópticos são mostradas na FIGURA 2-5C e FIGURA 2-5D. Como mostrado na FIGURA 2-5C, os pulsos com redução da emissão da extremidade foram produzidos a uma taxa de repetição de 100 MHz. A potência média do diodo laser foi medida em torno de 8,3 milliwatts. A duração do pulso, mostrada na FIGURA 2-5D, foi medido para aproximadamente 84 picossegundos. A intensidade da emissão óptica do diodo laser foi reduzida em aproximadamente 24,3 dB aproximadamente 250 ps após o pico do pulso. Mesmo que o diodo laser tivesse um único fio de ligação ao diodo, produziram-se pulsos sub-100-ps. Os pulsos mais curtos (por exemplo, entre cerca de 25 ps e cerca de 75 ps) podem ser produzidos com múltiplos fios de ligação ou com melhorias adicionais ao circuito de pulso.
[00131] A FIGURA 2-6A representa um exemplo de um laser semicondutor 2-600 que pode ser usado com a finalidade de produzir os pulsos ópticos por troca de ganho, de acordo com qualquer um dos aparelhos e técnicas de comutação de ganhos acima descritos. Os circuitos de controle de laser e pulso podem ser produzidos em massa e fabricados a baixo custo. Por exemplo, o laser pode ser microfabri- cado como um dispositivo emissor de borda usando tecnologia de circuito integrado planar. Esse laser pode ser referido como um laser de guia de onda óptico acoplado a laje (SCOWL). O desenho mostra uma visão de alinhamento final do laser. O laser pode ser formado a partir de um sistema de material GaAs/AlGaAs (por exemplo, para emitir radiação nas regiões verde, vermelha ou infravermelha do espectro ópti-co), mas outros sistemas de material (como GaN/AlGaN) podem ser usados em algumas implementações (por exemplo, para emitir radiação nas regiões verde, azul ou ultravioleta do espectro). Os diodos laser podem ser fabricados a partir de outros sistemas de materiais semicondutores que incluem, mas não estão limitados a: InP, AlInGaP, InGaP e InGaN.
[00132] De acordo com algumas modalidades, um SCOWL pode ser formado em um substrato de tipo n ou camada tampão 2-627 (por exemplo, um substrato de GaAs ou uma camada de GaAs que compreende Al). Por exemplo, uma camada tampão pode incluir AlxGa1- xAs em que x está entre aproximadamente 0,25 e aproximadamente 0,30. O índice de refracção do substrato ou da camada de base pode ter um primeiro valor n1 que está entre cerca de 3,4 e 3,5, de acordo com algumas modalidades. Uma camada de transporte de elétrons 2617 de material semicondutor de tipo n de dopagem baixa pode ser formada no substrato 2 627. Em algumas modalidades, a camada de transporte de elétrons 2-617 pode ser formada por crescimento epitaxial para compreender AlxGa1-xAs onde x está entre aproximadamente 0,20 e aproximadamente 0,25 e tem uma concentração de dopante do tipo n de aproximadamente 5 x 1016 cm -3. A espessura h da camada de transporte de elétrons pode estar entre cerca de 1 mícron e cerca de 2 mícrons. A camada de transporte 2-617 pode ter um segundo valor do índice de refração n2 que é maior que n1. Uma região de poço quântico múltiplo 2-620 pode então ser formada na camada de transporte de elétrons 2-617. A região do poço quântico múltiplo pode compreender camadas alternadas de materiais (por exemplo, camadas alternadas de AlGaAs/GaAs) com diferentes concentrações de dopa- gem que modulam bandas de energia na região de MQW. As camadas na região do poço quântico 2-620 (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 de vapor adequado. A região dos poços quânticos múltiplos pode ter um terceiro valor efetivo do índice de refração n3 que é maior que n2. Uma camada de transporte de buracos 2 615 de material dopado de tipo p pode ser formada adjacente à região do poço quântico e tem um valor de índice de refração n4 inferior a n2. Em algumas modalidades, os valores do índice de refracção para as diferentes regiões de um SCOWL podem ser como ilustrado na FIGURA 2- 6B, de acordo com algumas modalidades. Em algumas modalidades, um SCOWL pode compreender semicondutor de GaN e suas ligas ou semicondutor InP e suas ligas.
[00133] O termo "adjacente" pode referir-se a dois elementos dispostos em proximidade um do outro (por exemplo, a uma distância que é inferior a cerca de um quinto de uma dimensão transversal ou vertical de um maior dos dois elementos). Em alguns casos, podem existir estruturas ou camadas intermediárias entre elementos adjacentes. Em alguns casos, elementos adjacentes podem ser imediatamente adjacentes uns aos outros sem estruturas ou elementos intermediários.
[00134] Após a deposição das camadas do dispositivo laser, as trincheiras 2-607 podem ser gravadas nas camadas para formar uma região ativa do laser com uma largura w que está entre cerca de 0,25 mícron e cerca de 1,5 mícron. Um n-contato 2-630 pode ser formado em uma primeira superfície do dispositivo, e um contato p 2-610 pode ser formado na camada de transporte do tipo p 2-615, adjacente à região ativa. As superfícies expostas das camadas semicondutoras podem ser passivadas com um óxido ou outra camada eletricamente iso- lante, de acordo com algumas modalidades.
[00135] As trincheiras 2-607 adjacentes à região ativa e os valores dos índices de refração n1, n2, n3 e n4 limitam o modo óptico do laser a uma região de laser 2-625 que é adjacente aos poços quânticos e sob a costela central dos dispositivos, conforme ilustrado no desenho. Um SCOWL pode ser projetado para acoplar modos transversais de ordem superior, que de outra forma poderiam formar e atuar na região de raios 2-625, para modos de laje de ordem superior em regiões adjacentes. Quando projetado adequadamente, todos os modos transversais de ordem superior da região de ração 2-625 têm uma perda relativa alta em comparação com o modo fundamental na região de laser e não vai funcionar. Em algumas implementações, o modo óptico transversal do SCOWL 2-600 pode ser um único modo transversal. A largura do modo óptico pode estar entre aproximadamente 0,5 mícron e aproximadamente 6 mícrons. Um perfil de modo 2-622, tomado na direção x, pode ser moldado como representado na FIGURA 2-6B, de acordo com algumas modalidades. Em outras implementações, um SCOWL pode produzir vários modos transversais ópticos para iluminar uma região de interesse. 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 ao selecionar um comprimento mais longo da região ativa. Em algumas modalidades, um SCOWL pode fornecer uma potência de saída média de mais de 300 mW.
[00136] Embora um laser semicondutor (por exemplo, um SCOWL) e um circuito de pulso possam ser combinados para fazer um laser pulsado ultrarrápido, de baixo custo adequado para muitas aplicações, a taxa de desligamento mostrada na FIGURA 2-5D pode não ser adequada para algumas análises fluorescentes ao longo da vida. Em alguns casos, pode ser necessário um desligamento mais rápido. Por exemplo, os inventores descobriram que algumas medições que têm como base a vida útil fluorescente podem exigir que a extremidade do pulso extingue para um nível entre aproximadamente 25 dB e aproximadamente 40 dB abaixo do pico de pulso dentro de 250 ps após o pico de pulso. Em alguns casos, o poder de pulso pode precisar cair para essa gama de valores dentro de 100 ps após o pico de pulso. Em algumas implementações, a extremidade do pulso pode precisar cair para um nível entre aproximadamente 40 dB e aproximadamente 80 dB abaixo do pico do pulso dentro de 250 ps após o pico do pulso. Em algumas implementações, a extremidade do pulso pode precisar cair para um nível entre aproximadamente 80 dB e aproximadamente 120 dB abaixo do pico do pulso dentro de 250 ps após o pico do pulso.
[00137] Uma abordagem para a supressão adicional da extremidade de emissão de um pulso é incluir um absorvente saturável com um laser pulsado ou um sistema LED de alto brilho. De acordo com algumas modalidades, um absorvedor saturativo semicondutor 2-665 pode ser incorporado em um mesmo substrato como um laser de semicondutor 2-600 ou LED de alto brilho, como representado na FIGURA 26C. O laser semicondutor pode compreender uma estrutura SCOWL que inclui uma região de poço quântico 2-620, de acordo com algumas modalidades. O SCOWL pode ser conduzido com uma fonte pulsada 2-670, como um circuito de pulso 2-400 ou outro circuito pulsante descrito acima.
[00138] Adjacente a uma extremidade do SCOWL, pode ser formado um absorvente saturável 2-665. O absorvente saturável 2-665 pode compreender uma região com um intervalo de banda que é adaptado para absorver fótons a partir do laser semicondutor. Por exemplo, o absorvente saturável pode compreender um único poço quântico ou múltiplos poços quânticos que possuem pelo menos um espaço de banda de energia que é aproximadamente igual a uma energia característica da emissão óptica do laser. Em algumas modalidades, um absorvente saturável pode ser formado por meio do implante de íons de uma região do laser de diodo, de modo a isolar eletricamente a região dentro da cavidade do laser de diodo. Um viés negativo pode ser apli-cado na região para incentivar a absorção em vez de ganhar para a mesma estrutura de diodo laser. A alta fluência do laser 2-600, a banda de valência do absorvente saturável pode se tornar esgotada dos portadores e a banda de condução pode preencher, impedindo a absorção pelo absorvente saturável. Como resultado, os branqueadores absorventes são saturáveis, e a quantidade de radiação absorvida pelo laser é reduzida. Desta forma, o pico de um pulso laser pode "penetrar" o absorvente saturável com uma atenuação menor em intensida- de do que a extremidade ou as asas do pulso. A extremidade do pulso pode então ser suprimida ainda mais em relação ao pico do pulso.
[00139] De acordo com algumas modalidades, um refletor elevado (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, o mais distante do absorvente saturável, de modo a redirecionar a emissão do laser através do absorvente saturá- vel e aumentar a potência de saída. De acordo com algumas modalidades, um revestimento antirreflexo pode ser aplicado a uma extremidade do absorvente saturável e/ou SCOWL para aumentar a extração do dispositivo.
[00140] De acordo com algumas modalidades, um absorvente satu- rável pode incluir um fornecimento de polarização 2-660. O fornecimento de polarização pode ser usado para varrer os suportes da região ativa após cada pulso e melhorar a resposta do absorvente saturá- vel. Em algumas modalidades, a polarização pode ser modulada (por exemplo, na taxa de repetição do pulso) para tornar o tempo de recuperação saturável dependente do tempo. Essa modulação pode melhorar ainda mais as características do pulso. Por exemplo, um absorvente saturável pode suprimir uma extremidade de pulso por meio da absorção diferencialmente maior de baixa intensidade, se o tempo de recuperação do absorvente saturável for suficiente. Essa absorção di-ferencial também pode reduzir o comprimento do pulso. O tempo de recuperação de um absorvente saturável pode ser ajustado aplicando ou aumentando a polarização reversa para o absorvente saturável.
[00141] Fazendo referência mais uma vez à FIGURA 1-1, independentemente do método e aparelho que é usado com a finalidade de produzir os pulsos curtos ou ultracurtos, um sistema 1-100 pode incluir os circuitos configurados para sincronizar pelo menos algumas opera- ções eletrônicas (por exemplo, aquisição de dados e processamento de sinal) de um sistema analítico 1-160 com a taxa de repetição de pulsos ópticos da fonte óptica. Há pelo menos duas maneiras de sincronizar a taxa de repetição de pulso com a eletrônica no sistema analítico 1-160. De acordo com uma primeira técnica, um relógio mestre pode ser usado como fonte de tempo para desencadear a geração de pulsos na fonte óptica pulsada e na eletrônica do instrumento. Em uma segunda técnica, um sinal de temporização pode ser derivado da fonte óptica pulsada e pode ser usado para disparar a eletrônica do instrumento.
[00142] A FIGURA 3-1 representa um sistema em que um relógio 3110 fornece um sinal de temporização a uma frequência de sincronização fsync tanto para uma fonte óptica pulsada 1-110 (por exemplo, um laser pulsado com ganho de ganho ou LED pulsado) como para um sistema analítico 1 -160 que pode ser configurado para detectar e processar sinais que resultam de interações entre cada pulso de excitação 1-120 e biológico, químico ou outra matéria física. Como apenas 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, infecção cancerígena ou não cancerosa, viral ou bacteriana, nível de glicose no sangue). Por exemplo, as células não cancerosas podem exibir uma vida útil fluorescente característica de um primeiro valor TI, enquanto que as células cancerosas podem exibir uma vida útil de um segundo valor t2 que é diferente e pode ser distinguido do primeiro valor vitalício. Como outro exemplo, uma vida útil fluorescentedetectada a partir de uma amostra de sangue pode ter um valor de vida e/ou intensidade (em relação a 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 fluo- rescentes para determinar uma propriedade da amostra. Em algumas modalidades, o sistema analítico pode produzir uma imagem de uma área sondada por meio dos pulsos de excitação que compreende um mapa de duas ou tridimensional da área que indica uma ou mais propriedades de regiões dentro da área de imagem.
[00143] Independentemente do tipo de análise que está sendo feita, a eletrônica de detecção e processamento no sistema analítico 1-160 pode precisar ser cuidadosamente sincronizada com a chegada de cada pulso de excitação óptica. Por exemplo, ao avaliar a vida útil fluorescente, é benéfico conhecer com precisão o tempo de excitação de uma amostra, de modo que o tempo de eventos de emissão possa ser gravado corretamente.
[00144] Um arranjo de sincronização representado na FIGURA 3-1 pode ser adequado para os sistemas nos quais os pulsos ópticos são produzidos por meio dos métodos ativos (por exemplo, controle externo). Os sistemas pulsados ativos podem incluir, mas não estão limitados a lasers com ganho de giro e LEDs pulsados. Em tais sistemas, um relógio 3-110 pode fornecer um sinal de relógio digital que é usado para desencadear a produção de pulsos (por exemplo, troca de ganho ou injeção de corrente em uma junção de LED) na fonte óptica pulsada 1-110. O mesmo relógio também pode fornecer o mesmo sinal digital sincronizado para um sistema analítico 1-160, de modo que as operações eletrônicas no instrumento podem ser sincronizadas com os tempos de chegada do pulso no instrumento.
[00145] O relógio 3-110 pode ser qualquer dispositivo de sincronização adequado. Em algumas modalidades, o relógio pode compreender um oscilador de cristal ou um oscilador baseado em MEMS. Em algumas implementações, o relógio pode compreender um oscilador de anel de transistor.
[00146] A frequência fsync de um sinal de relógio fornecido pelo reló- gio 3-110 não precisa ser uma mesma frequência que a taxa de repetição de pulso R. A taxa de repetição de pulso pode ser dada por R = 1/T, em que T é o pulso- intervalo de separação. Na FIGURA 3-1, os pulsos ópticos 1-120 são representados como 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 da luz. Na prática, o tempo T entre pulsos pode ser determinado com um fotodiodo e um osciloscópio. De acordo com algumas modalidades, T = fsync/N onde N é um inteiro maior ou igual a 1. Em algumas implementações, T = Nfsync onde N é um número inteiro maior ou igual a 1.
[00147] A FIGURA 3-2 representa um sistema no qual um temporizador 3-220 fornece um sinal de sincronização para o sistema analítico 1-160. Em algumas modalidades, o temporizador 3-220 pode derivar um sinal de sincronização da fonte óptica pulsada 1-110, e o sinal derivado é usado para fornecer um sinal de sincronização ao sistema analítico 1-160.
[00148] De acordo com algumas modalidades, o temporizador 3220 pode receber um sinal analógico ou digitalizado de um fotodiodo que detecta pulsos ópticos da fonte de pulsos 1-110. O temporizador 3-220 pode usar qualquer método adequado para formar ou desencadear um sinal de sincronização a partir do sinal analógico ou digitalizado recebido. Por exemplo, o temporizador pode usar um gatilho ou comparador de Schmitt para formar um trem de pulsos digitais a partir de pulsos ópticos detectados. Em algumas implementações, o temporizador 3-220 pode ainda usar um ciclo de bloqueio de atraso ou loop bloqueado em fase para sincronizar um sinal de relógio estável para um trem de pulsos digitais produzidos a partir dos pulsos ópticos detectados. O trem de pulsos digitais ou o sinal de relógio estável bloqueado podem ser fornecidos ao sistema analítico 1-160 para sincro- nizar eletrônicos no instrumento com os pulsos ópticos.
[00149] Em algumas modalidades, podem ser necessárias duas ou mais fontes ópticas pulsadas 1-110a, 1-110b para fornecer os pulsos ópticos em dois ou mais comprimentos de onda diferentes para um sistema analítico 1-160, conforme representado na FIGURA 3-3. Em tais modalidades, pode ser necessário sincronizar as taxas de repetição de pulso das fontes ópticas e operações eletrônicas no sistema analítico 1-160. Em algumas implementações, se duas fontes ópticas pulsadas usam os métodos ativos com a finalidade de produzir os pulsos, as técnicas descritas acima em conexão com a FIGURA 3-1 podem ser usados. Por exemplo, um relógio 3-110 pode fornecer um sinal de relógio ou de sincronização a uma frequência de sincronização fsync para ambas as fontes ópticas pulsadas 1-110a, 1-110b e para o sistema analítico 1-160.
[00150] Em algumas implementações, pode ser benéfico intercalar pulsos no tempo a partir de duas fontes ópticas pulsadas, como representado na FIGURA 3-4A e FIGURA 3-4B. Quando os pulsos são entrelaçados, um pulso 3-120a 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 na primeira vez ti. Os dados representativos da interação do primeiro pulso com uma ou mais amostras podem então ser coletados por meio do elo instrumento. Mais tarde, t2, um pulso 3-i20b de uma segunda fonte i-ii0b pode excitar uma ou mais amostras no sistema analítico i-i60 com um segundo comprimento de onda característico À2. Os dados representativos da interação do segundo pulso com uma ou mais amostras podem então ser coletados por meio do instrumento. Ao intercalar os pulsos, os efeitos das interações pulso - amostra em um comprimento de onda podem não se misturar com os efeitos das interações pulso - amostra em um segundo comprimento de onda. Além disso, as características associadas com dois ou mais marcadores fluorescentes podem ser detectadas.
[00151] Os pulsos podem ser entrelaçados com circuitos de temporização e sincronização, como representado na FIGURA 3-4A. Os métodos descritos em conexão com a FIGURA 3-3 podem ser usados para sincronizar os trens de pulso a partir das duas fontes ópticas pulsadas 1-110a, 1-110b, e para sincronizar os eletrônicos e as operações no sistema analítico 1-160 com a chegada de pulsos. Para intercalar os pulsos, os pulsos de uma fonte óptica pulsada podem ser bloqueados em fase ou podem ser desencadeados fora de fase com pulsos da outra fonte óptica pulsada. Por exemplo, os pulsos de uma primeira fonte óptica pulsada 1-110a podem ser bloqueados em fase (usando um loop de bloqueio de fase ou loop bloqueado por atraso) ou desencadeados para serem 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 atraso de temporização pode ser adicionado a um sinal de disparo fornecido a uma das fontes ópticas pulsadas. O atraso de temporização pode atrasar um limite de gatilho em aproximadamente metade do intervalo de separação de pulsos T. De acordo com algumas modalidades, um sinal de sincronização duplicado em frequência pode ser gerado por um temporizador 3-220 e fornecido ao instrumento 3-160 para sincronizando a eletrônica do instrumento e as operações com a chegada de pulsos entrelaçados das fontes ópticas pulsadas.
[00152] As fontes ópticas pulsadas descritas acima são úteis para várias aplicações de domínio do tempo. Em algumas modalidades, as fontes ópticas pulsadas podem ser usadas em sistemas configurados para detectar e/ou caracterizar uma condição ou propriedade de uma amostra biológica com base em tempos de vida fluorescentes, comprimentos de onda fluorescentes, intensidades fluorescentes ou uma combinação destes. As fontes ópticas pulsadas também podem ser usadas em sistemas de tempo de voo. Os sistemas de tempo de voo podem incluir os sistemas de imagem e sistemas de alcance que iluminam um alvo com um pulso óptico curto ou ultracurtos e, em seguida, detectam radiação retro difundida do alvo para formar uma imagem tridimensional do alvo ou determinar uma distância para o alvo.
[00153] Em uma aplicação de domínio do tempo que usa a fluorescência, uma fonte óptica pulsada que opera a um primeiro comprimento de onda característico pode excitar uma ou mais moléculas fluorescentes em uma amostra e o sistema analítico pode detectar e analisar a emissão fluorescente da amostra em um ou mais comprimentos de onda que são diferentes do comprimento de onda da fonte óptica pulsada. De acordo com algumas modalidades, uma ou mais propriedades de uma amostra biológica podem ser determinadas com base em uma análise das vidas útieis fluorescentes de uma ou mais moléculas fluorescentes presentes na amostra. Em algumas implementações, características adicionais de emissão fluorescente (por exemplo, comprimento de onda, intensidade) podem ser analisadas para facilitar a determinação de uma ou mais propriedades de uma amostra biológica. Os sistemas que determinam as propriedades de amostras biológicas com base em vida útil fluorescente podem ser sistemas de imagem ou não imagem. Quando configurado como um sistema de imagem, um conjunto de pixels pode ser usado para a detecção fluorescente, e a óptica de imagem pode ser colocada entre a amostra e o conjunto de pixels para formar uma imagem de pelo menos uma porção da amostra na matriz de pixels. Em algumas implementações, um sistema de não imagem pode usar uma matriz de pixels para detectar a fluorescência de uma pluralidade de amostras em paralelo.
[00154] Um instrumento 4-100 para determinar propriedades de amostras biológicas com base, pelo menos em parte, na análise de vida útil fluorescente e usando as fontes ópticas pulsadas é representado na FIGURA 4-1, de acordo com algumas modalidades. Um tal instrumento pode compreender uma ou mais fontes ópticas pulsadas 4-120, um fotodetector binário 4-150, um sistema óptico 4-130 (que pode ser uma ou mais lentes, e pode incluir um ou mais filtros ópticos) e uma janela transparente 4-140 que pode ser pressionada contra um indivíduo ou sobre a qual uma amostra biológica pode ser colocada. A fonte ou as fontes ópticas pulsadas e o sistema óptico podem ser dispostos de modo que os pulsos ópticos da fonte ou fontes iluminem uma área através da janela 4-140. A emissão fluorescente que é excitada por meio dos pulsos ópticos de excitação pode ser coletada por meio do sistema óptico 4-130 e direcionada para o fotodetector 4-150 que pode discernir as vidas de uma ou mais moléculas fluorescentes, conforme descrito abaixo. Em algumas implementações, o fotodetector 4-150 pode ser sem imagem. Em algumas implementações, o fotode- tector 4-150 pode compreender uma matriz de pixels, cada um com capacidade de tempo de armazenamento, para formar as imagens de uma amostra. Os dados da imagem podem incluir as informações fluorescentes armazenadas espacialmente, bem como as informações convencionais sobre imagens. Os componentes do instrumento podem ser montados em uma caixa 4-105, que pode ser de tamanho pequeno para que o instrumento possa ser operado como um dispositivo de mão. A(s) fonte(s) óptica(s) 4-120 e o fotodetector 4-150 podem ou não ser montados em uma mesma placa de circuito 4-110. Em algumas modalidades, o instrumento 4-100 pode incluir um microprocessador ou micro controlador e/ou pode incluir hardware de comunicação de dados para que os dados possam ser transmitidos para um dispositivo externo (por exemplo, um telefone inteligente, laptop, PC) para processamento e/ou armazenamento de dados.
[00155] Os sistemas configurados para analisar as amostras com base em tempos de vida fluorescentes podem detectar as dife-renças nas vidas útieis fluorescentes entre as diferentes molécu-las fluorescentes e/ou diferenças entre as vidas das mesmas moléculas fluorescentes em diferentes ambientes que afetam as vidas útieis fluorescentes. A título de explicação, a FIGURA 4-2 traça duas curvas de probabilidade de emissão fluorescente di-ferentes (A e B), que podem ser representativas da emissão flu-orescente de duas moléculas fluorescentes diferentes, por exemplo, ou uma mesma molécula fluorescente em diferentes ambientes. Com referência à curva A, depois de ser excitado por um pulso óptico curto ou ultracurtos, uma probabilidade de pA(t) de uma emissão fluorescente de uma primeira molécula pode decair com o tempo, conforme ilustrado. Em alguns casos, a diminuição da probabilidade de um fóton ser emitido ao longo do tempo pode ser representada por uma função exponencial de decaimento "/? '"'", onde PAO é uma probabilidade de emissão inicial e TA é uma Parâmetro temporal associado à primeira molécula fluorescente que caracteriza a probabilidade de decaimento das emissões. tA pode ser referido como a "vida útil da fluorescência", "tempo de vida da emissão" ou "vida útil" da primeira molécula fluorescente. Em alguns casos, o valor de tA pode ser alterado por meio de um ambiente local da molécula fluorescente. Outras moléculas fluorescentes podem ter características de emissão diferentes do que a mostrada na curva A. Por exemplo, outra molécula fluorescente pode ter um perfil de decaimento que difere de uma única desintegração exponencial e sua vida útil pode ser caracterizada por um valor de meia-vida ou alguma outra métrica.
[00156] Uma segunda molécula fluorescente pode ter um perfil de decaimento que é exponencial, mas tem um TB de vida diferente mensurável, como representado para a curva B na FIGURA 4-2. Diferentes moléculas fluorescentes podem ter vida ou valores de vida útil variando de cerca de 0,1 ns a cerca de 20 ns, em algumas modalidades. No exemplo mostrado, a vida útil da segunda molécula fluorescente da curva B é menor do que a vida útil da curva A, e a probabilidade de emissão é maior antes da excitação da segunda molécula do que para a curva A.
[00157] Os inventores reconheceram e apreciaram que as diferenças nas horas de vida das emissões fluorescentes podem ser usadas para discernir entre a presença ou a ausência de moléculas fluorescentes diferentes e/ou para discernir entre diferentes ambientes ou condições em uma amostra que afeta a vida útil de uma molécula fluorescente ou moléculas. Em alguns casos, as moléculas fluorescentes exigentes com base na duração (em vez do comprimento de onda de emissão, por exemplo) podem simplificar alguns aspectos de um sistema analítico 1-160. Como exemplo, as ópticas discriminadoras de comprimento de onda (como filtros de comprimento de onda, detectores dedicados para cada comprimento de onda, fontes ópticas pulsadas dedicadas em diferentes comprimentos de onda e/ou ótica difrati- va) podem ser reduzidas em número ou eliminadas quando discernem as moléculas fluorescentes com base na vida útil. Em alguns casos, uma única fonte óptica pulsada pode ser usada para excitar as diferentes moléculas fluorescentes que emitem dentro de uma mesma região de comprimento de onda do espectro óptico, mas que tenham vidas de duração mensurável diferentes. 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 para operar e manter, mais compacto e pode ser fabricado em menor custo.
[00158] Embora os sistemas analíticos baseados na análise de vida útil fluorescente possam ter certos benefícios, a quantidade de informação obtida por meio de um sistema analítico pode ser aumentada ao permitir as técnicas de detecção adicionais. Por exemplo, alguns sistemas analíticos 1-160 podem ser de uma maneira adicional configurados para discernir uma ou mais propriedades de uma amostra com base no comprimento de onda fluorescente e/ou intensidade fluorescente.
[00159] Fazendo referência mais uma vez à FIGURA 4-2, de acordo com algumas modalidades, diferentes tempos de vida fluorescentes podem ser distinguidos com um fotodetector que é configurado para os eventos de emissão fluorescente de tempo binário após a excitação de uma molécula fluorescente. O tempo binário pode ocorrer durante um único ciclo de acumulação de carga para o fotodetector. O conceito de determinar a vida útil fluorescente pelo tempo binário de eventos de emissão é representado graficamente na FIGURA 4-3. No tempo t1 ou apenas antes de t1, uma molécula fluorescente ou conjunto de moléculas fluorescentes de um mesmo tipo (por exemplo, o tipo correspondente à curva B da Figura 4-2) é excitado por meio de um pulso óptico curto ou ultracurto. Para um conjunto de moléculas, a intensidade da emissão pode ter um perfil de tempo, conforme representado na FIGURA 4-3.
[00160] No entanto, para uma única molécula ou um pequeno número de moléculas, a emissão de fótons fluorescentes ocorre de acordo com as estatísticas da curva B na FIGURA 4-2. Um fotodetector de tempo binário 4-150 pode acumular os eventos de emissão em caixas de tempo discretas (três indicadas na Figura 4-3) que são medidas em relação ao tempo de excitação da (s) molécula (s) fluorescente (s). Quando um grande número de eventos de emissão são somados, as caixas de tempo resultantes podem se aproximar da curva de intensidade de decaimento mostrada na FIGURA 4-3, e os sinais binários podem ser usados para distinguir entre as diferentes moléculas fluorescentes ou os diferentes ambientes nos quais uma molécula fluorescente está localizada.
[00161] Exemplos de um fotodetector tempo binário são descritos no pedido internacional n° PCT/US2015/044360, que é incorporado na presente invenção por meio de referência, e uma modalidade de um tal fotodetector para fins de explicação é representada na FIGURA 4-4. Um único fotodetector de tempo binário 4-400 pode compreender uma região 4-402 de absorção - fótons/geração de portadora, uma região de viagem - veículo 4-406 e uma pluralidade de caixas de armazenamento - suporte 4-408a, 4-408b, 4-408c todos formados em um substrato semicondutor. A região de transporte de transporte pode estar ligada à pluralidade de recipientes de armazenamento de suporte pelos canais de transporte-veículo 4-407. Apenas três caixas de armazenamento-portador são mostradas, mas pode haver mais. Pode haver um canal de leitura 4-410 conectado às caixas de armazenamento- portador. A região de absorção - fótons/região de geração - portador 4402, região de transporte - veículo 4-406, caixas de armazenamento - suporte 4-408a, 4-408b, 4-408c e canal de leitura 4-410 pode ser formada por meio do dopamento do semicondutor localmente e/ou a formação de regiões isolantes adjacentes para proporcionar capacidade de fotodetecção e veículos de confinamento. Um fotodetector de tempo binário 4-400 também pode incluir uma pluralidade de eletrodos 4420, 4-422, 4-432, 4-434, 4-436, 4-440 formados no substrato que estão configurados para gerar os campos elétricos em o dispositivo para transportar os veículos através do dispositivo.
[00162] Em operação, os fótons fluorescentes podem ser recebidos na região de absorção - fótons/região de geração - portador 4-402 em momentos diferentes e podem gerar veículos. Por exemplo, em aproximadamente o instante t1, três fótons fluorescentes podem gerar três elétrons veículos em uma região de depleção da região de absorção - fótons/região de geração - portador 4-402. Um campo elétrico no dispositivo (devido ao dopamento e/ou uma polarização aplicada externamente aos eletrodos 4-420 e 4-422, e opcionalmente ou de uma maneira alternativa a 4-432, 4-434, 4-436) pode mover os veículos para a região de viagem - veículo 4-406. Na região de viagem - veículo, a distância da viagem se traduz em um tempo após a excitação das moléculas fluorescentes. Mais tarde, t5, um outro fóton fluorescente pode ser recebido na região de absorção - fótons/região de geração - portador 4-402 e pode gerar um veículo adicional. Neste momento, os pri-meiros três veículos viajaram para uma posição na região de viagem - veículo 4-406 adjacente ao segundo compartimento de armazenamento 4-408b. Mais tarde, t7, uma polarização elétrica pode ser aplicada entre os eletrodos 4-432, 4-434, 4-436 e o eletrodo 4-440 para transportar lateralmente os veículos da região de viagem - veículo 4-406 para os compartimentos de armazenamento. Os três primeiros veícu-los podem então ser transportados e retidos no primeiro compartimento 4-408a e o veículo gerado mais tarde pode ser transportado para e retido no terceiro compartimento 4-408c. Em algumas implementações, os intervalos de tempo correspondentes a cada compartimento de armazenamento estão na escala de tempo de sub-nanometano, embora possam ser usadas escalas de tempo mais longas em algumas modalidades (por exemplo, em modalidades em que os fluorófo- ros têm tempos de decaimento mais longos).
[00163] O processo de geração e veículos de tempo binário após um evento de excitação (por exemplo, pulso de excitação de uma fonte óptica pulsada) pode ocorrer uma vez após um único pulso de exci tação ou pode ser repetido várias vezes após múltiplos pulsos de excitação durante uma única acumulação de carga ciclo para o fotodetec- tor 4-400. Após a acumulação de carga estar completa, os suportes podem ser lidos das caixas de armazenamento através do canal de leitura 4-410. Por exemplo, uma sequência de polarização adequada pode ser aplicada ao pelo menos eletrodo 4-440 e um eletrodo a jusante (não mostrado) para remover veículos das caixas de armazenamento 4-408a, 4-408b, 4-408c.
[00164] Os aspectos da aquisição do sinal são representados em maior detalhe para múltiplos pulsos de excitação na FIGURA 4-5A e a FIGURA 4-5B. Na FIGURA 4-5A, os pulsos de excitação múltiplos são aplicados a uma amostra às vezes te1, te2, te3, ... Após cada pulso de excitação, um ou mais eventos de emissão fluorescente podem ocorrer às vezes tfn, o que leva ao acúmulo de veículos para os diferentes transdutores, compartimentos de armazenamento dependendo de quando ocorre o evento de emissão. Após uma série de eventos de excitação, o sinal acumulado em cada compartimento de armazenamento portador pode ser lido para fornecer uma sequência de sinal, que pode ser representada como um histograma 4-510 (representado na figura 4-5B). A sequência de sinal pode indicar uma série de fótons detectados durante cada intervalo de tempo ajustado após a excitação do (s) fluoróforo (s) em uma amostra, e é representativo de uma taxa de decaimento da emissão fluorescente. A sequência de sinal, ou histograma, pode ser usada para distinguir entre as diferentes moléculas fluorescentes ou os ambientes diferentes nos quais existe uma molécula fluorescente.
[00165] Como um exemplo de distinguir as diferentes moléculas fluorescentes, um fotodetector com três recipientes de tempo, como representado na FIGURA 4-3B e FIGURA 4-4, pode produzir três valores de sinal (35, 9, 3.5), que são representados pelo histograma para bin1 a bin3 da FIGURA 4-5B e correspondem à curva B na FIGURA 42. Estes valores de sinal binários podem ter valores relativos e/ou absolutos diferentes do que os valores de sinal binários registrados a partir de uma molécula fluorescente diferente, tal como um correspondente à curva A na FIGURA 4-2, que pode produzir os valores binados (18, 12, 8). Ao comparar a sequência de sinais de valores binados com um padrão de calibração, é possível distinguir entre as duas ou mais moléculas fluorescentes ou ambientes que afetam a vida útil fluorescente. Pode ser benéfico que várias moléculas e/ou ambientes fluorescentes diferentes possam ser distinguidos com base em informações de vida útil usando uma fonte óptica pulsada operando apenas em um único comprimento de onda característico.
[00166] De acordo com algumas modalidades, um compartimento de excitação (por exemplo, bin 0) pode ser incluído em pelo menos um fotodetector de tempo binário para registrar um nível de sinal para o pulso de excitação (por exemplo, acumulam veículos gerados diretamente pelo pulso de excitação). O nível de sinal gravado pode ser usado para normalizar os níveis de sinal fluorescente, o que pode ser útil para distinguir moléculas fluorescentes com base na intensidade.
[00167] Em algumas modalidades, os valores de sinal das caixas de armazenamento 4-408 podem ser usados para ajustar uma curva de decomposição de emissão (por exemplo, uma única desintegração exponencial) e determinar uma vida útil detectada. Em algumas modalidades, os valores do sinal binário podem ser adequados a decomposições exponenciais múltiplas, como por exemplo, os exponenciais duplos ou triplos. Um processo de decomposição de Laguerre pode ser usado para analisar as decomposições exponenciais múltiplas. Em algumas implementações, os valores do sinal podem ser tratados como um vetor ou local e mapeados para o espaço M-dimensional, e a análise de agrupamento pode ser usada para determinar a vida útil detectada. Uma vez que a vida foi determinada, o tipo de molécula flu-orescente ou uma propriedade do ambiente em que uma molécula fluorescente está localizada pode ser identificada.
[00168] Embora o exemplo descrito em ligação com a FIGURA 4-3 e FIGURA 4-4 representa três caixas de tempo, um fotodetector de tempo binário pode ter menos ou mais caixas de tempo. Por exemplo, o número de caixas de tempo pode ser 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 ou mais. Em alguns casos, pode haver 16, 32, 64 ou mais caixas de tempo. De acordo com algumas modalidades, uma série de caixas de tempo em um fotodetector pode ser reconfigurável. Por exemplo, uma ou mais caixas adjacentes podem ser combinadas durante a leitura.
[00169] Embora a discussão da FIGURA 4-3 refere-se a detectar a emissão de um único tipo de molécula fluorescente de cada vez, em alguns casos, uma amostra pode conter duas ou mais moléculas fluorescentes diferentes com vidas diferentes. Onde várias moléculas fluorescentes diferentes contribuem para um perfil de emissão temporal, uma vida de fluorescência média pode ser usada para representar o conjunto. Em algumas modalidades, um sistema analítico 1-160 pode ser configurado para discernir entre combinações de moléculas fluorescentes. Por exemplo, uma primeira combinação de moléculas fluorescentes pode exibir uma duração média diferente de uma segunda combinação de moléculas fluorescentes.
[00170] De acordo com algumas modalidades, os fotodetectores de tempo binário podem ser usados em uma matriz de imagem, e a óptica de imagem pode ser incluída entre a matriz de fotodetectores de tempo binário e uma amostra. Por exemplo, cada pixel de imagem de uma matriz de imagem pode compreender um fotodetector de tempo binário 4-400. A óptica de imagem pode formar uma imagem de uma região da amostra na matriz de fotodetectores. Cada pixel na matriz de foto- detectores pode gravar os valores de sinal binários que são analisados para determinar uma vida útil fluorescente para a porção da região de imagem correspondente ao pixel. Consequentemente, essa matriz de imagem pode fornecer as informações de imagem de vida útil fluorescentes resolvidas espacialmente para discernir diferentes regiões em uma imagem com diferentes características de vida útil fluorescentes. Em algumas implementações, os mesmos fotodetectores binários de tempo podem ser usados para obter uma imagem convencional da mesma região, por exemplo, somando todas as caixas em cada pixel ou construindo uma imagem do compartimento de pulsos de excitação (bin0). As variações de vida útil fluorescentes podem ser exibidas como um mapa codificado por cores sobreposto em uma imagem de escala de cinza ou colorida convencional. Em alguns casos, o mapeamento ao longo da vida pode permitir que um médico realize um procedimento para identificar uma região anormal ou doente de tecido (por exemplo, cancerosa ou pré-cancerosa).
[00171] Os inventores reconheceram e apreciaram que as fontes ópticas compactas, pulsadas e fotodetectores de tempo binário para detectar vidas útieis fluorescentes podem ser combinadas em instrumentos de baixo custo, portáteis e de ponto de atendimento (POC) que podem ter aplicações em contextos clínicos ou em casa. Tais instrumentos podem ser imagens ou não imagens, e podem usar análises de vida útil fluorescente para determinar uma ou mais propriedades de uma amostra biológica (por exemplo, tecido humano). Em alguns casos, um instrumento 4-100 para determinar propriedades de amostras biológicas pode ser usado no campo para análise de substâncias biológicas (por exemplo, para análise de material potencialmente perigoso). Alguns aspectos dos instrumentos POC e análise de amostras usando vidas útieis fluorescentes são descritos abaixo.
[00172] Os inventores reconheceram e apreciaram que algumas moléculas biológicas endógenas florescem com as vidas da assinatura que podem ser analisadas para determinar a condição de um paciente ou uma condição do tecido ou órgão de um paciente. Consequentemente, algumas moléculas biológicas nativas podem servir como moléculas fluorescentes endógenas para uma região de um paciente e fornecer os repórteres sem etiquetas para essa região do paciente. Exemplos de moléculas fluorescentes endógenas podem incluir hemoglobina, colágeno, fosfato de dinucleotídeo de nicotinamida adenina (NAD (P) H), retinol, riboflavina, colecalciferol, ácido fólico, piridoxina, tirosina, dityrosina, adução de glicação, idolamina, lipofuscina, polife- nol, triptofano, flavina, e melanina, a título de exemplo e não de limitação.
[00173] As moléculas fluorescentes endógenas podem variar no comprimento de onda da luz que elas emitem e sua resposta à energia de excitação. Os comprimentos de onda de excitação e fluorescência para algumas moléculas fluorescentes endógenas exemplificativas são fornecidos na Tabela 1. As moléculas fluorescentes endógenas adicionais e os seus comprimentos de onda fluorescentes característicos incluem: retinol - 500 nm, riboflavina - 550 nm, colecalciferol - 380-460 nm e piridoxina - 400 nm. Tabela 1: Moléculas Fluorescentes Endógenas
[00174] As moléculas fluorescentes endógenas também podem ter diferentes vidas útieis fluorescentes e/ou vidas útieis fluorescentes que são sensíveis a um ambiente circundante. Os fatores ambientais que podem afetar as vidas útieis fluorescentes das moléculas fluorescentes endógenas incluem as mudanças na arquitetura dos tecidos, morfologia, oxigenação, pH, vascularização, estrutura celular e/ou estado metabólico das células. Em alguma modalidade, uma vida útil fluorescente (ou média de vidas combinadas) para um tecido saudável pode ser diferente do que para um tecido não saudável. A análise das vidas úti- eis fluorescentes detectadas a partir do tecido de um paciente que foi iluminado com um pulso óptico curto ou ultracurto pode permitir que um clínico detecte um estágio anterior de uma doença no paciente do que outras técnicas de avaliação. Por exemplo, alguns tipos de câncer de pele podem ser detectados em estágio inicial com análise de vida útil fluorescenteantes do câncer ser visível a olho nu.
[00175] Em algumas modalidades, a presença e/ou as concentrações relativas de certas moléculas biológicas podem ser detectadas para determinar a condição de um paciente. Para algumas moléculas biológicas, o estado de oxidação da molécula pode fornecer uma indicação da condição do paciente. Uma vida útil fluorescente para a molécula pode ser alterada com base em um estado de oxidação da molécula. A análise das vidas útieis fluorescentes detectadas pode ser usada para determinar as concentrações relativas de um estado oxidado e um estado reduzido de uma molécula biológica no tecido de um paciente. As concentrações relativas podem indicar uma condição do paciente. Em alguns casos, algumas moléculas biológicas (por exemplo, NADH) podem se ligar a outras moléculas (por exemplo, proteínas) em uma célula, bem como ter um estado de solução livre ou não ligado. Os estados vinculados e não vinculados podem ter diferentes vidas útieis fluorescentes. A avaliação de uma célula ou tecido pode incluir a determinação de concentrações relativas de moléculas em formas livres versus encadernadas com base em vidas útieis fluorescentes.
[00176] Certas moléculas biológicas podem fornecer uma indicação de uma variedade de doenças e condições incluindo câncer (por exemplo, melanoma), tumores, infecção bacteriana, infecção virial e diabetes. Como exemplo, as células e tecidos cancerosos podem ser diferenciados de células e tecidos saudáveis através da análise das vidas útieis fluorescentes de certas moléculas biológicas (por exemplo, NAD (P) H, riboflavina, flavina). Um tecido canceroso pode ter uma maior concentração de uma ou mais dessas moléculas biológicas do que um tecido saudável. Como outro exemplo, a diabetes em indivíduos pode ser avaliada através da detecção de vidas útieis fluorescentes associadas a moléculas biológicas que são indicativas de concentração de glicose, como hexoquinase e aduto de glicogênio. Como outro exemplo, as mudanças gerais devido ao envelhecimento podem ser avaliadas por meio da detecção de concentrações de colágeno e lipofuscina com base em vida útil fluorescente.
[00177] Em algumas modalidades, moléculas fluorescentes exógenas podem ser incorporadas em uma região de tecido e ser usadas de uma maneira alternativa, ou em adição a, moléculas fluorescentes endógenas. Em alguns casos, os marcadores fluorescentes exógenos podem ser incluídos com uma sonda ou proporcionados como um marcador para identificar a presença de um alvo (por exemplo, uma molécula particular, bactéria ou vírus) na amostra. Exemplos de moléculas fluorescentes exógenas incluem manchas fluorescentes, corantes orgânicos, proteínas fluorescentes, enzimas e/ou pontos quânticos. Tais moléculas exógenas podem ser conjugadas com uma sonda ou grupo funcional (por exemplo, molécula, íon e/ou ligando) que se liga especificamente a um alvo ou componente particular suspeitado de estar presente na amostra. A ligação de uma molécula fluorescente exógena a uma sonda pode permitir a identificação do alvo, detectando uma vida útil fluorescente indicativa da molécula fluorescente exógena. Em algumas modalidades, moléculas fluorescentes exógenas podem ser incluídas em uma composição (por exemplo, gel ou líquido) que pode ser facilmente aplicada a um paciente (por exemplo, aplicação tópica na pele, ingestão de imagem do trato gastrointestinal).
[00178] Como pode ser apreciado, um instrumento de imagem POC compacto pode permitir que um clínico avalie e/ou diagnostique a condição de um paciente de uma maneira não invasiva. Ao imaginar uma região de tecido acessível com um dispositivo de imagem em vez de extrair uma amostra biológica de um paciente, as avaliações do paciente podem ser realizadas de uma maneira que reduz a quantidade de tempo envolvida na obtenção de resultados, reduz a invasividade de um procedimento, reduz o custo e/ou facilita a capacidade dos clínicos para tratar pacientes sem mover o paciente para um local de teste remoto ou enviar uma amostra de um paciente para uma instalação de teste.
[00179] Mais uma aplicação para imagens de vida útil fluorescente durante o tempo é na área de microscopia. A microscopia de imagem de vida útil fluorescente (FLIM) pode ser realizada excitando uma amostra vista microscopicamente com um pulso óptico curto ou ultra- curtos e detectando a fluorescência da amostra com uma matriz de fotodetectores com tempo binário. A fluorescência detectada pode ser analisada no nível de pixel para determinar as vidas para as correspondentes porções de imagem no campo de visão do microscópio, e os dados de vida útil podem ser mapeados para uma imagem resultante da amostra. Consequentemente, as propriedades da amostra podem ser determinadas no nível microscópico com base nas vidas útieis fluorescentes.
[00180] As fontes ópticas pulsadas e as matrizes de fotodetectores com a também podem ser usadas em aplicações de domínio do tempo que não envolvem análise de vida útil fluorescente. Uma dessas aplicações inclui as imagens de tempo de voo (TOF). Em imagens de TOF, os pulsos ópticos podem ser usados para iluminar um objeto distante. A ótica de imagem pode ser usada para coletar a radiação retro- difundida dos pulsos e formar uma imagem do objeto distante em uma matriz de fotodetectores com tempo binário. Em cada pixel na matriz, o tempo de chegada dos fótons pode ser determinado (por exemplo, determinando quando ocorre um pico de um pulso retrodispersado). Uma vez que o tempo de chegada é proporcional à distância entre o objeto e a matriz de fotodetectores, um mapa tridimensional do objeto pode ser criado que mostra a topografia de superfície do objeto gravado.
[00181] Podem ser implementadas várias configurações e modalidades do aparelho e dos métodos. Algumas configurações de exemplo são descritas nesta seção, mas a presente invenção não se limita apenas a configurações e modalidades listadas. (1) Uma fonte óptica pulsada que compreende um diodo semicondutor configurado para emitir luz e um circuito de direção que inclui um transistor acoplado a um terminal do diodo semicondutor, em que o circuito de direção está configurado para receber um pulso unipolar e aplicar um pulso elétrico bipolar para o diodo semicondutor responsivo ao recebimento do pulso unipolar. (2) A fonte óptica pulsada de acordo com a configuração (1), em que o pulso elétrico bipolar compreende um primeiro pulso que possui uma primeira magnitude e uma primeira polaridade que é seguida por meio de um segundo pulso de polaridade oposta com uma segunda magnitude diferente da primeira magnitude. (3) A fonte óptica pulsada de acordo com (2), em que a segunda magnitude está entre 25% e 90% da primeira magnitude. (4) A fonte óptica pulsada de acordo com qualquer um dos (1) - (3), que compreende ainda as ligações de múltiplos fios ligadas a um terminal do diodo semicondutor. (5) A fonte óptica pulsada de acordo com qualquer um dos (1) - (4), que compreende ainda um gerador de pulsos acoplado ao circuito de condução e configurado para formar o pulso unipolar e emitir o pulso unipolar para o circuito de condução. (6) A fonte óptica pulsada de acordo com (5), em que o gerador de pulsos, o circuito de condução e o diodo semicondutor estão localizados em uma mesma placa de circuito impresso. (7) A fonte óptica pulsada de acordo com (5), em que o gerador de pulsos, o circuito de condução e o diodo semicondutor estão localizados em um mesmo substrato. (8) A fonte óptica pulsada de acordo com qualquer um dos (1) - (7), em que um comprimento de pulso do pulso unipolar está entre 50 ps e 500 ps. (9) A fonte óptica pulsada de acordo com qualquer um dos (5) - (8), em que o gerador de pulsos compreende uma primeira porta lógica que forma o pulso unipolar de dois sinais de relógio diferencial. (10) A fonte óptica pulsada de acordo com (9), em que a primeira porta lógica compreende uma porta lógica de acoplamento emissor. (11) A fonte óptica pulsada de acordo com (9) ou (10), em que o gerador de pulsos compreende ainda uma porta de saída de ventilação configurada para receber um único sinal de relógio e produzir quatro sinais de relógio para a primeira porta lógica. (12) A fonte óptica pulsada de acordo com qualquer um dos (9) - (11), em que o gerador de pulsos compreende ainda um elemento de atraso ajustável configurado para variar um comprimento de pulso do pulso unipolar em incrementos entre 1 ps e 5 ps . (13) A fonte óptica pulsada de acordo com qualquer um dos (9) - (12), em que o transistor tem terminais portadores de corrente conectados entre um catodo do diodo semicondutor e um potencial de referência e tem um terminal de portão acoplado à primeira porta lógica. (14) A fonte óptica pulsada de acordo com (13), que compreende ainda um capacitor conectado entre o terminal de porta do transistor e uma saída da primeira porta lógica. (15) A fonte óptica pulsada de acordo com qualquer um dos (1) - (14), em que o transistor compreende um transistor de efeito de campo de grande eletronicidade. (16) A fonte óptica pulsada de acordo com qualquer um dos (1) - (15), em que o transistor é configurado para mudar até 4 amperes através do diodo semicondutor por um período entre 50 ps e 2 ns. (17) A fonte óptica pulsada de acordo com qualquer um dos (9) - (13), que compreende ainda uma segunda porta lógica conectada em paralelo com a primeira porta lógica e disposta para formar um segundo pulso unipolar a partir dos dois sinais de relógio diferencial , em que uma saída da segunda porta lógica é acoplada ao terminal da porta do transistor. (18) A fonte óptica pulsada de acordo com qualquer um dos (1) - (17), em que um terminal de drenagem do transistor se liga, de maneira direta, a um catodo do diodo semicondutor. (19) A fonte óptica pulsada de acordo com (18), que compreende ainda um primeiro capacitor e resistência conectados em paralelo ao terminal de drenagem. (20) A fonte óptica pulsada de acordo com (18) ou (19), que compreende ainda um segundo capacitor ligado entre um anodo do diodo semicondutor e um terminal de origem do transistor. (21) A fonte óptica pulsada de acordo com qualquer um dos (5) - (20), em que o gerador de pulsos e o circuito de condução são configurados para modular o diodo semicondutor com o pulso elétrico bipolar com uma taxa de repetição entre cerca de 30 Hz e cerca de 200 MHz. (22) A fonte óptica pulsada de qualquer um de (1) - (21), em que um pulso óptico com uma duração máxima de largura total entre 50 ps e 500 ps é emitido a partir do diodo semicondutor responsivo ao aplicativo do pulso elétrico bipolar.
[00182] A fonte óptica pulsada de qualquer um de (1) - (21), em que o pulso óptico tem um comprimento de onda característico selecionado do seguinte grupo: 270 nm, 280 nm, 325 nm, 340 nm, 370 nm 380 nm 400 nm 405 nm 410 nm 450 nm 465 nm 470 nm 490 nm 515 nm 640 nm 665 nm 808 nm e 980 nm.
[00183] A fonte óptica pulsada de acordo com qualquer um dos (1) - (23), em que uma extremidade do pulso óptico permanece abaixo de pelo menos 20 dB a partir do pico do pulso após 250 ps do pico do pulso . (25) A fonte óptica pulsada de acordo com qualquer um dos (1) - (24), em que o diodo semicondutor compreende um diodo laser. (26) A fonte óptica pulsada de acordo com (25), em que o diodo laser inclui os múltiplos poços quânticos. (27) A fonte óptica pulsada de acordo com qualquer um dos (1) - (26), em que o diodo semicondutor é um diodo emissor de luz. (28) A fonte óptica pulsada de acordo com qualquer um dos (1) - (27), em que o diodo semicondutor é um diodo laser de guia de onda óptica acoplado. (29) A fonte óptica pulsada de acordo com qualquer um dos (1) - (28), que compreende ainda um absorvente saturável disposto para receber um pulso óptico a partir do diodo semicondutor. (30) A fonte óptica pulsada de acordo com qualquer um dos (1) - (29), em que o absorvente saturável é formado em um mesmo substrato que o diodo semicondutor. (31) A fonte óptica pulsada de acordo com qualquer um dos (1) - (4), (15), (16), (18) e (22) - (30), em que o circuito de condução compreende uma transmissão de gerador de pulso de linha. (32) A fonte óptica pulsada de acordo com (31), que compreende ainda uma linha de transmissão que é formada na forma de U. (33) A fonte óptica pulsada de acordo com a reivindicação (31) ou (32), em que o diodo semicondutor está ligado a uma primeira extremidade da linha de transmissão e que compreende ainda uma impedância de terminação que está ligada a uma segunda extremidade da transmissão linha. (34) A fonte óptica pulsada de acordo com a reivindicação (33), que compreende ainda um transistor de curto-circuito que está disposto para cortar a primeira extremidade e a segunda extremidade da linha de transmissão para um potencial de referência. (35) A fonte óptica pulsada de acordo com qualquer um dos (1) - (34), que compreende ainda uma matriz fotodetectora tendo uma pluralidade de pixels que estão configurados para discriminar os tempos de chegada dos fótons em pelo menos duas caixas de tempo durante um único intervalo de acumulação de carga e um sistema óptico configurado para formar uma imagem de um objeto, que é iluminado por meio da fonte óptica pulsada, na matriz de fotodetectores. (36) A fonte óptica pulsada de acordo com (35), em que a disposição fotodetectora está disposta com a finalidade de produzir sinais representativos da vida útil fluorescente de pelo menos uma molécula fluorescente localizada no objeto distante. (37) A fonte óptica pulsada de acordo com (35) ou (36), que compreende ainda eletrônica de processamento de sinal que está configurada para receber os sinais representativos da vida útil fluorescente da matriz fotodetectora e gerar os dados digitais para uma imagem eletrônica do objeto, em que a imagem eletrônica indica pelo menos uma característica do objeto com base na vida útil da fluorescência. (38) Um método de produção de um pulso óptico, o método que compreende atos de recepção de pelo menos um sinal de relógio, produzindo um pulso elétrico a partir do pelo menos um sinal de relógio, conduzindo um terminal de porta de um transistor com o pulso elétrico, em que um terminal de transporte de corrente do transistor é ligado a um diodo semicondutor que está configurado para emitir luz e aplicando um pulso de corrente bipolar ao diodo semicondutor com a finalidade de produzir um pulso óptico sensível à ativação do transistor por meio do pulso elétrico. (39) O método de acordo com a modalidade (38), em que o pulso elétrico é um pulso unipolar. (40) O método de acordo com (38) ou (39), que compreende ainda o ajuste de uma duração de pulso e não uma amplitude de pulso do pulso unipolar para controlar uma amplitude do pulso óptico. (41) O método de acordo com qualquer um dos (38) - (40), em que o pulso óptico tem uma duração máxima de metade da largura máxima entre 50 ps e 2 ns. (42) O método de acordo com qualquer um dos (38) - (40), em que o pulso óptico tem uma duração máxima de metade da largura máxima entre 50 ps e 500 ps. (43) O método de acordo com qualquer um dos (38) - (42), em que o pulso óptico tem um comprimento de onda característico selecionado do seguinte grupo: 270 nm, 280 nm, 325 nm, 340 nm, 370 nm, 380 nm, 400 nm, 405 nm, 410 nm, 450 nm, 465 nm, 470 nm, 490 nm, 515 nm, 640 nm, 665 nm, 808 nm e 980 nm. (44) O método de acordo com qualquer um dos (38) - (43), que compreende ainda a repetição dos atos de recepção, produção, condução e aplicação com a finalidade de produzir uma série de pulsos ópticos a uma taxa de repetição entre 30 Hz e 200 MHz. (45) O método de acordo com qualquer um dos (38) - (44), em que o pulso de corrente bipolar compreende um primeiro pulso com uma primeira amplitude e um segundo pulso tendo uma segunda amplitude de polaridade oposta e uma magnitude diferente do primeiro pulso. (46) O método de acordo com (38) - (45), em que o diodo semicondutor compreende um diodo laser ou diodo emissor de luz. (47) O método de acordo com qualquer um dos (38) - (46), que compreende ainda a atenuação diferencial de uma porção do pulso óptico com um absorvente saturável. (48) O método de acordo com qualquer um dos (38) - (47), em que o ato de receber pelo menos um sinal de relógio compreende a recepção de dois sinais de relógio diferencial em uma porta lógica acoplada ao terminal de porta do transistor. (49) O método de acordo com qualquer um dos (38) - (47), em que o ato de receber pelo menos um sinal de relógio compreende a recepção de dois sinais de relógio diferencial em duas portas lógicas acopladas em paralelo ao terminal de porta do transistor. (50) O método de acordo com qualquer um dos (38) - (49), em que o ato de produzir o pulso elétrico compreende o processamento de dois sinais de relógio diferencial com uma porta lógica acoplada ao terminal de porta do transistor para formar o elétrico pulso. (51) O método de acordo com (50), que compreende ainda a configuração de um comprimento do pulso elétrico por um atraso de fase entre os dois sinais de relógio diferencial. (52) O método de acordo com qualquer um dos (38) - (51), em que o ato de produzir o pulso elétrico compreende o processamento de dois sinais de relógio diferencial com duas portas lógicas acopladas em paralelo ao terminal de porta do transistor para formar o pulso elétrico. (53) O método de acordo com qualquer um dos (38) - (52), que compreende ainda a iluminação de uma amostra com pulsos ópticos a partir do diodo semicondutor e a detecção de tempos de vida fluorescentes a partir da amostra. (54) O método de acordo com (53), que compreende ainda distinguir entre pelo menos duas vidas útieis fluorescentes diferentes possuindo diferentes taxas de decaimento associadas a duas moléculas ou ambientes fluorescentes diferentes nos quais as moléculas estão localizadas, em que os pulsos ópticos são a um único comprimento de onda característico. (55) O método de acordo com (53) ou (54), que compreende ainda a determinação de pelo menos uma propriedade da amostra com base nas vidas de fluorescência detectadas. (56) O método de acordo com (55), que compreende ainda a produção de uma imagem eletrônica de uma região da amostra e indicando pelo menos uma característica que se baseia na vida útil da fluorescência na imagem. (57) O método de acordo com qualquer um dos (38) - (52), que compreende ainda a iluminação de uma amostra com pulsos ópticos a partir do diodo semicondutor e discriminando os tempos de chegada de fótons dispersos da amostra para dentro de pelo menos duas caixas horárias com um único fotodetector durante um único intervalo de acumulação de carga para o fotodetector único. (58) O método de acordo com (57), que compreende ain- da a produção de uma imagem electrónica tridimensional da amostra com base nos tempos de chegada discriminados. (59) Um sistema de análise de vida útil fluorescente que compreende um diodo semicondutor configurado para emitir luz, um circuito de condução configurado para aplicar um pulso de corrente bipolar ao diodo semicondutor com a finalidade de produzir um pulso óptico, um sistema óptico disposto para fornecer o pulso óptico para uma amostra e um fotodetector configurado para discriminar tempos de chegada de fótons em pelo menos duas caixas de tempo durante um único intervalo de acumulação de carga do fotodetector. (60) O sistema de acordo com (59), que compreende ainda um gerador de pulsos disposto para proporcionar um pulso elétrico ao circuito de condução de corrente, em que o circuito de condução de corrente está configurado para aplicar um pulso bipolar ao diodo semicondutor em resposta à recepção do pulso elétrico. (61) O sistema de acordo com (60), em que o pulso elétrico é um pulso unipolar com uma duração entre 50 ps e 2 ns. (62) O sistema de acordo com (60) ou (61), em que o circuito de condução de corrente compreende um transistor com um terminal de portão acoplado a uma saída do gerador de pulsos e tendo terminais de suporte de corrente conectados entre um terminal do semicondutor diodo e um potencial de referência. (63) O sistema de acordo com (62), que compreende ainda uma primeira resistência e um primeiro capacitor conectados em paralelo entre um anodo e um catodo do diodo semicondutor, e um segundo resistor e segundo capacitor conectados em paralelo entre um terminal de portão de o transistor e um potencial de referência. (64) O sistema de acordo com qualquer um dos (59) - (63), em que o diodo semicondutor compreende um diodo laser ou diodo emissor de luz. (65) O sistema de acordo com qualquer um dos (59) - (63), que compreende ainda ligações de fio múltiplas ligadas a um terminal do diodo semicondutor. (66) O sistema de acordo com qualquer um dos (59) - (63), em que o pulso óptico tem uma duração máxima de metade da largura máxima entre 50 ps e 500 ps. (67) O sistema de acordo com qualquer (59) - (63), em que o pulso óptico possui um comprimento de onda característico selecionado do seguinte grupo: 270 nm, 280 nm, 325 nm, 340 nm, 370 nm, 380 nm, 400 nm, 405 nm, 410 nm, 450 nm, 465 nm, 470 nm, 490 nm, 515 nm, 640 nm, 665 nm, 808 nm e 980 nm. (68) O sistema de acordo com qualquer um dos (59) - (63), que compreende ainda uma matriz de fotodetectores em que o fotodetector está localizado, a matriz de fotodetectores configurada para a fluorescência de caixa de tempo da amostra durante uma única carga - Intervalo de acumulação para o pulso óptico. (69) O sistema de acordo com (68), que compreende ainda a óptica de imagem localizada entre a amostra e o conjunto de fo- todetectores, em que a óptica de imagem está disposta de modo a formar uma imagem no conjunto de fotodetectores de uma região da amostra iluminada pela óptica de pulso. (70) O sistema de acordo com (69), em que a imagem formada na matriz fotodetectora é uma imagem de uma região microscópica da amostra. (71) Uma fonte óptica pulsada que compreende um diodo semicondutor configurado para emitir luz, uma primeira porta lógica configurada para formar um primeiro pulso em uma saída da primeira porta lógica, um circuito de direção acoplado à primeira porta lógica, em que a o circuito de condução está configurado para receber o primeiro pulso e aplicar um pulso elétrico bipolar ao diodo semicondutor com a finalidade de produzir um pulso óptico que responda à recepção do primeiro pulso. (72) A fonte óptica pulsada de acordo com (71), em que o primeiro pulso é um pulso unipolar. (73) A fonte óptica pulsada de acordo com (72), que compreende ainda uma porta de ventilação e um elemento de atraso acoplado à primeira porta lógica, em que o elemento de atraso atrasa pelo menos uma saída da porta de ventilação. (74) A fonte óptica pulsada de acordo com (73), em que o elemento de atraso está configurado para variar um comprimento de pulso do pulso unipolar em incrementos entre 1 ps e 5 ps. (75) A fonte óptica pulsada de acordo com qualquer um dos (71) - (74), em que a primeira porta lógica está configurada para formar o primeiro pulso a partir de dois sinais de relógio diferencial. (76) A fonte óptica pulsada de acordo com qualquer um dos (71) - (75), em que o pulso elétrico bipolar compreende um primeiro pulso com uma primeira magnitude e primeira polaridade que é seguida por um segundo pulso de polaridade oposta possuindo uma segunda magnitude diferente da primeira magnitude. (77) A fonte óptica pulsada de acordo com (76), em que a segunda magnitude está entre 25% e 90% da primeira magnitude. (78) A fonte óptica pulsada de acordo com qualquer um dos (71) - (77), que compreende ainda ligações de múltiplos fios ligadas a um terminal do diodo semicondutor. (79) A fonte óptica pulsada de acordo com qualquer um dos (75) - (78), que compreende ainda uma segunda porta lógica configurada para formar um segundo pulso a partir dos dois sinais de relógio diferencial, em que a segunda porta lógica está conectada em paralelo com a primeira porta lógica e uma saída da segunda porta lógica é acoplada ao circuito de condução. (80) A fonte óptica pulsada de acordo com qualquer um dos (71) - (79), que compreende ainda um transistor dentro do circuito de acionamento possuindo terminais portadores de corrente ligados entre o diodo semicondutor e um potencial de referência. (81) A fonte óptica pulsada de acordo com (80), em que o pulso óptico tem uma duração entre 50 ps e 2 ns. (82) Uma fonte óptica pulsada que compreende um diodo semicondutor configurado para emitir luz e um circuito de condução que inclui um transistor acoplado a um terminal do diodo semicondutor, em que o circuito de condução está configurado para receber um pulso unipolar e aplicar um pulso elétrico bipolar para o diodo semicondutor responsivo à recepção do pulso unipolar, em que o transistor é conectado em paralelo com o diodo semicondutor entre uma fonte de corrente e um potencial de referência. (83) A fonte óptica pulsada de acordo com (82) possuindo opcionalmente características de qualquer (2) - (4), (15) e (22) - (30), excluindo características de (1), além disso que compreende um resistor e um capacitor conectado em paralelo entre o diodo semicondutor e o potencial de referência. (84) A fonte óptica pulsada de acordo com (82) ou (83), em que o transistor é configurado para ser normalmente condutor e é pulsado com o pulso unipolar. (85) A fonte óptica pulsada de qualquer um de (82) - (84), que compreende ainda uma matriz de fotodetectores tendo uma pluralidade de pixels que estão configurados cada um para discriminar tempos de chegada de fótons em pelo menos duas caixas de tempo durante um único intervalo de acumulação de carga e um sistema óptico configurado para formar uma imagem de um objeto, que é iluminado pela fonte óptica pulsada, na matriz de fotodetectores. (86) Uma fonte óptica pulsada que compreende um diodo semicondutor configurado para emitir luz e vários ramos de primeiro circuito conectados a um primeiro terminal do diodo semicondutor, cada ramo de circuito que compreende um transistor com seus terminais portadores de corrente conectados entre uma referência potencial e o primeiro terminal do diodo semicondutor. (87) A fonte óptica pulsada de acordo com (86) possuindo opcionalmente características de qualquer (4), (15), (16) e (22) - (30), excluindo características de (1), em que uma o primeiro potencial de referência em um primeiro ramo de circuito do plural primeiro circuito de ramos tem um valor diferente de um segundo potencial de referência em um segundo ramo de circuito dos vários primeiros ramos de circuito. (88) A fonte óptica pulsada de acordo com (86) ou (87), em que um primeiro potencial de referência em um primeiro ramo de circuito dos vários primeiros ramos de circuito tem um valor positivo e um segundo potencial de referência em um segundo ramo de circuito de o plural primeiro circuito ramos tem um valor negativo. (89) A fonte óptica pulsada de acordo com qualquer um dos (86) - (88), que compreende ainda, em cada circuito, um raio de uma resistência conectada entre um terminal que transporta a corrente do transistor e o potencial de referência. (90) A fonte óptica pulsada de acordo com qualquer um dos (86) - (89), que compreende ainda em cada circuito uma ramificação de um capacitor conectado entre um terminal de transporte de corrente do transistor e um potencial de aterramento. (91) A fonte óptica pulsada de acordo com qualquer um dos (86) - (90), que compreende ainda uma matriz de fotodetectores tendo uma pluralidade de pixels que estão, cada um, configurados para discriminar os tempos de chegada do fóton em pelo menos duas caixas de tempo durante um único intervalo de acumulação de carga e um sistema óptico configurado para formar uma imagem de um objeto, que é iluminado pela fonte óptica pulsada, na matriz de fotodetectores. (92) Uma fonte óptica pulsada que compreende um amplificador de radiofrequência que fornece um sinal e um sinal invertido, uma porta lógica configurada para receber o sinal e um sinal invertido de deslocamento de fase e produzir um pulso e um pulso invertido, um combinador configurado para combinar o pulso e o pulso invertido em uma saída comum, e um diodo semicondutor acoplado à saída comum e configurado com a finalidade de produzir um pulso óptico que responda à recepção do pulso e do pulso invertido. (93) A fonte óptica pulsada de acordo com (92) possuindo opcionalmente características de qualquer (4), (15), (16) e (22) - (30), excluindo características de (1), que compreende ainda um atenuador variável disposto para atenuar o pulso ou o pulso invertido. (94) A fonte óptica pulsada de acordo com (92) ou (93), que compreende ainda um elemento de atraso disposto para retardar temporariamente o pulso ou o pulso invertido. (95) A fonte óptica pulsada de acordo com qualquer um dos (92) - (94), que compreende ainda um bloco DC, liga-se a uma entrada do amplificador de radiofrequência. (96) A fonte óptica pulsada de acordo com qualquer um dos (92) - (95), que compreende ainda uma matriz fotodetectora tendo uma pluralidade de pixels que estão configurados para discriminar os tempos de chegada do fóton em pelo menos duas caixas de tempo durante um único intervalo de acumulação de carga e um sistema óptico configurado para formar uma imagem de um objeto, que é iluminado pela fonte óptica pulsada, na matriz de fotodetectores. (97) Uma fonte óptica pulsada que compreende uma porta lógica de radiofrequência configurada para receber um primeiro sinal e uma versão invertida do primeiro sinal e produzir um pulso e uma ver- são invertida do pulso, e um diodo semicondutor se conecta à porta lógica de radiofrequência e dispostas para receber o pulso em um primeiro terminal do diodo semicondutor e a versão invertida do pulso em um segundo terminal do diodo semicondutor e emitir um pulso óptico. (98) A fonte óptica pulsada de acordo com (97) possuindo opcionalmente características de qualquer (4), (15), (16) e (22) - (30), excluindo características de (1), que compreende ainda um primeiro amplificador disposto para receber um sinal periódico e emitir o primeiro sinal e a versão invertida do primeiro sinal e um disjuntor de fase disposto para variar uma fase do primeiro sinal ou a versão invertida do primeiro sinal. (99) A fonte óptica pulsada de acordo com (97) ou (98), que compreende ainda uma matriz de fotodetectores tendo uma pluralidade de pixels que estão configurados cada um para discriminar os tempos de chegada do fóton em pelo menos duas caixas de tempo durante uma única acumulação de carga intervalo e um sistema óptico disposto para formar uma imagem de um objeto, que é iluminado pela fonte óptica pulsada, na matriz fotodetectora.
[00184] Tendo descrito, dessa maneira, os vários aspectos de várias modalidades de um laser pulsado, deve ser apreciado que várias alterações, modificações e melhorias ocorrerão facilmente para as pessoas que são versadas na técnica. Tais alterações, modificações e melhorias são destinadas a fazer parte desta descrição e destinam-se a estar dentro do espírito e alcance da presente invenção. Embora os presentes ensinamentos tenham sido descritos em conjunto com várias modalidades e exemplos, não se pretende que os ensinamentos presentes sejam limitados a tais modalidades ou exemplos. Pelo contrário, os presentes ensinamentos abrangem várias alternativas, modificações e equivalentes, como serão apreciados por meio das pessoas que são versadas na técnica.
[00185] Embora várias modalidades inventivas tenham sido descritas e ilustradas, as pessoas que são versadas na técnica irão facilmente visualizar uma variedade de outros meios e/ou estruturas para executar a função e/ou obter os resultados e/ou uma ou mais das vantagens descritas, e cada uma de tais variações e/ou modificações é considerada como sendo dentro do escopo das modalidades descritas da presente invenção. De um modo mais geral, as pessoas que são versadas na técnica apreciarão facilmente que todos os parâmetros, dimensões, materiais e configurações descritos devem ser exemplos e que os parâmetros, dimensões, materiais e/ou configurações reais dependerão da aplicação específica ou dos aplicativos para que os ensi-namentos inventivos são/sejam usados. As pessoas que são versadas na técnica reconhecerão, ou serão capazes de verificar usando apenas uma experimentação de rotina, muitos equivalentes às modalidades inventivas específicas descritas. Por conseguinte, deve ser entendido que as modalidades anteriores são apresentadas apenas a título de exemplo e que, no âmbito das reivindicações anexas e seus equivalentes, as modalidades inventivas podem ser praticadas de outra forma que não especificamente descritas e reivindicadas. As modalidades inventivas da presente descrição podem ser dirigidas a cada característica individual, sistema, atualização do sistema e/ou método descrito. Além disso, qualquer combinação de dois ou mais desses recursos, sistemas e/ou métodos, se tais características, sistemas, atualização do sistema e/ou métodos não forem mutuamente inconsistentes, está incluído no escopo inventivo da presente descrição.
[00186] Além disso, embora algumas vantagens da presente invenção possam ser indicadas, deve ser apreciado que nem todas as modalidades da presente invenção incluirão todas as vantagens descritas. Algumas modalidades podem não implementar quaisquer caracte- rísticas descritas como vantajosas. Consequentemente, a descrição e os desenhos anteriores são apenas a título de exemplo.
[00187] Os valores e intervalos numéricos podem ser descritos no relatório descritivo e reivindicações como valores ou intervalos aproximados ou exatos. Por exemplo, em alguns casos, os termos "sobre", "aproximadamente" e "substancialmente" podem ser usados em referência a um valor. Tais referências destinam-se a abranger o valor referenciado, bem como variações mais e menos razoáveis do valor. Por exemplo, uma frase "entre cerca de 10 e cerca de 20" pretende significar" entre exatamente 10 e exatamente 20" em algumas modalidades, bem como "entre 10 ± δ1 e 20 ± δ2" em algumas modalidades. A quantidade de variação δ1, δ2 para um valor pode ser inferior a 5% do valor em algumas modalidades, menos de 10% do valor em algumas modalidades, e ainda menos de 20% do valor em algumas modalidades. Em modalidades em que é dada uma grande gama de valores, por exemplo, um intervalo que inclui duas ou mais ordens de magnitude, a quantidade de variação δ1, δ2 para um valor pode ser tão elevada quanto 50%. Por exemplo, se um intervalo operável se estender de 2 a 200, "aproximadamente 80" pode abranger valores entre 40 e 120 e o alcance pode ser tão grande quanto entre 1 e 300. Quando os valores exatos são destinados, o termo "exatamente" é usado, por exemplo, "entre exatamente 2 e exatamente 200".
[00188] Toda a literatura e material similar citado neste pedido, incluindo, mas não limitado a, patentes, pedidos de patentes, artigos, livros, tratados e páginas da web, independentemente do formato dessa literatura e materiais similares, são expressamente incorporados por meio de referência na sua totalidade. No caso de uma ou mais da literatura incorporada e materiais similares diferir ou contradizer esta aplicação, incluindo, mas não limitado a termos definidos, uso do termo, técnicas descritas ou similares, esta aplicação controla.
[00189] Os títulos de seção usados são apenas para fins organizacionais e não devem ser interpretados como limitando o assunto descrito de qualquer maneira.
[00190] Além disso, a tecnologia descrita pode ser incorporada como um método, do qual pelo menos um exemplo foi fornecido. Os atos realizados como parte do método podem ser ordenados de qualquer maneira adequada. Consequentemente, podem ser construídas modalidades em que os atos são realizados em uma ordem diferente da ilustrada, o que pode incluir a realização de alguns atos simultaneamente, mesmo que seja mostrado como atos sequenciais em modalidades ilustrativas.
[00191] Todas as definições, como definidas e usadas, devem ser entendidas para controlar as definições de dicionário, definições em documentos incorporados por meio de referência e/ou significados comuns dos termos definidos.
[00192] Os artigos indefinidos "um" e "uma", tal como usados no relatório descritivo e nas reivindicações, a menos que claramente indicado em contrário, devem ser entendidos como significando "pelo menos um".
[00193] A frase "e/ou", como usado no relatório descritivo e nas rei-vindicações, deve ser entendida como significando "um ou ambos" dos elementos assim conjugados, ou seja, elementos que estão conjuntamente presentes em alguns casos e presentes não de forma conjunta em outros casos. Múltiplos elementos listados com "e/ou" devem ser interpretados da mesma forma, ou seja, "um ou mais" dos elementos assim reunidos. Outros elementos podem opcionalmente estar presentes, além dos elementos especificamente identificados pela cláusula "e/ou", relacionados ou não relacionados aos elementos especificamente identificados. Dessa maneira, como um exemplo não limitativo, uma referência para "A e/ou B", quando usada em conjunto com lin guagem de linguagem aberta tal como "que compreende", pode se referir, em uma modalidade, apenas para A (incluindo, de forma opcional, elementos que não sejam B); em uma outra modalidade, apenas para B (incluindo, de forma opcional, elementos diferentes de A); ainda em uma outra modalidade, tanto para A como para B (incluindo, de forma opcional, outros elementos); etc.
[00194] Como usado no relatório descritivo e nas reivindicações, "ou" deve ser entendido como tendo o mesmo significado que "e/ou" como definido acima. Por exemplo, ao separar itens em uma lista, "ou" ou "e/ou" devem ser interpretados como inclusivos, isto é, a inclusão de pelo menos um, mas também incluindo mais de um, de um número ou lista de elementos, e, opcionalmente, itens adicionais não listados. Somente os termos claramente indicados em contrário, como "apenas um de" ou "exatamente um de", ou, quando usado nas reivindicações, "consistindo em", referirá a inclusão de exatamente um elemento de um número ou lista de elementos. Em geral, o termo "ou", conforme usado, deve ser interpretado apenas como indicando alternativas exclusivas (ou seja, "um ou outro, mas não ambos") quando precedido por termos de exclusividade, como "qualquer um", "um de", "apenas um" ou "exatamente um de". "Consistir essencialmente em", quando usado nas reivindicações, deve ter seu significado comum como usado no campo da lei de patentes.
[00195] Como usado no relatório descritivo e nas reivindicações, a frase "pelo menos uma", em referência a uma lista de um ou mais elementos, deve ser entendida como significando pelo menos um elemento selecionado de qualquer um ou mais dos elementos na lista de elementos, mas não necessariamente incluindo pelo menos um de cada elemento especificamente listado na lista de elementos e não excluindo quaisquer combinações de elementos na lista de elementos. Esta definição também permite que esses elementos possam estar opcionalmente além dos elementos especificamente identificados dentro da lista de elementos aos quais se refere a frase "pelo menos um", seja relacionada ou não relacionada com os elementos especificamente identificados. Dessa maneira, como um exemplo não limitativo, "pelo menos um de A e B" (ou, de forma equivalente, "pelo menos um de A ou B", ou, de forma equivalente, pelo menos um de A e/ou B) podem se referir, em uma modalidade, a pelo menos uma, incluindo, de forma opcional, mais de um, A, sem presente B (e incluindo, de forma opcional, elementos diferentes de B); em uma outra modalidade, a pelo menos um, incluindo, de forma opcional, mais de um, B, sem um presente A (e incluindo, de forma opcional, elementos diferentes de A); ainda em uma outra modalidade, a pelo menos uma, incluindo, de forma opcional, mais de um, A e pelo menos um, incluindo, de forma opcional, mais de um, B (e incluindo, de forma opcional, outros elementos); etc.
[00196] Nas reivindicações, bem como no relatório descritivo acima, todas as frases de transição, como "compreender", "incluir", "carregar", "ter", "conter", "envolver", "conter", "composto por", e similares devem ser entendidos como abertos, ou seja, significar incluir, mas não limitado a. Somente as frases de transição "consistindo em" e "consistindo essencialmente em" devem ser frases de transição fechadas ou semi- fechadas, respectivamente.
[00197] As reivindicações não devem ser lidas como limitadas à ordem ou aos elementos descritos, a menos que seja declarado nesse sentido. Deve ser entendido que várias mudanças na forma e detalhe podem ser feitas por meio de uma pessoa que é versada na técnica sem se afastar do espírito e do alcance das reivindicações em anexo. São reivindicadas todas as modalidades que se enquadram no espírito e no âmbito das seguintes reivindicações e seus equivalentes.
Claims (23)
1. Fonte óptica pulsada, caracterizada pelo fato de que compreende: um diodo semicondutor (2-423) configurado para emitir luz; e um circuito de condução (2-401) que inclui apenas um transistor único que recebe um pulso e está acoplado a um terminal do diodo semicondutor, em que o circuito de acionamento é configurado para receber um pulso unipolar e aplicar um pulso elétrico bipolar ao diodo semicondutor responsivo à recepção do pulso unipolar.
2. Fonte óptica pulsada, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o pulso elétrico bipolar compreende um primeiro pulso que tem uma primeira magnitude e uma primeira polaridade que é seguida por um segundo pulso de polaridade oposta tendo uma segunda magnitude diferente da primeira magnitude, em que a segunda magnitude está entre 25% e 90% da primeira magnitude.
3. Fonte óptica pulsada, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende ainda um gerador de pulsos acoplado ao circuito de condução e configurado para formar o pulso unipolar e emitir o pulso unipolar ao circuito de condução, em que um comprimento de pulso do pulso unipolar está entre 50 ps e 500 ps.
4. Fonte óptica pulsada, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que o gerador de pulsos, o circuito de condução e o diodo semicondutor estão localizados em uma mesma placa de circuito impresso ou em um mesmo substrato.
5. Fonte óptica pulsada, de acordo com a reivindicação 3 ou 4, caracterizada pelo fato de que o gerador de pulsos compreende uma primeira porta lógica que forma o pulso unipolar a partir de dois sinais de relógio diferenciais.
6. Fonte óptica pulsada, de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que o gerador de pulsos compreende ainda uma porta de ventilação configurada para receber um único sinal de relógio e produzir quatro sinais de relógio para a primeira porta lógica.
7. Fonte óptica pulsada, de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que o gerador de pulsos compreende ainda um elemento de atraso ajustável configurado para variar um comprimento de pulso do pulso unipolar em incrementos entre 1 ps e 5 ps.
8. Fonte óptica pulsada, de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que o transistor tem terminais portadores de corrente conectados entre um catodo do diodo semicondutor e um potencial de referência e tem um terminal de portão acoplado à primeira porta lógica.
9. Fonte óptica pulsada, de acordo com a reivindicação 8, caracterizada pelo fato de que o transistor compreende um transistor de efeito de campo de mobilidade de elétrons de alta potência e o transistor é configurado para mudar até 4 amps através do diodo semicondutor durante um período entre 50 ps e 2 ns.
10. Fonte óptica pulsada, de acordo com a reivindicação 8, caracterizada pelo fato de que compreende ainda uma segunda porta lógica conectada em paralelo com a primeira porta lógica e disposta para formar um segundo pulso unipolar a partir dos dois sinais de relógio diferencial, em que uma saída da segunda porta lógica é acoplada a o terminal da porta do transistor.
11. Fonte óptica pulsada, de acordo com a reivindicação 8, caracterizada pelo fato de que um terminal de drenagem do transístor se liga, de maneira direta, a um catodo do diodo semicondutor.
12. Fonte óptica pulsada, de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pelo fato de que compreende ainda: um primeiro capacitor e resistência conectados em paralelo ao terminal de drenagem; e um segundo capacitor ligado entre um anodo do diodo se-micondutor e um terminal de origem do transistor.
13. Fonte óptica pulsada, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de que o pulso óptico tem um comprimento de onda característico selecionado do seguinte grupo: 270 nm, 280 nm, 325 nm, 340 nm, 370 nm, 380 nm, 400 nm, 405 nm, 410 nm, 450 nm, 465 nm, 470 nm, 490 nm, 515 nm, 640 nm, 665 nm, 808 nm e 980 nm.
14. Fonte óptica pulsada, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de que compreende ainda um absorvente saturável disposto para receber um pulso óptico a partir do diodo semicondutor.
15. Fonte óptica pulsada, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que o circuito de condução compreende um gerador de pulsos de linha de transmissão apresentando uma linha de transmissão que é formada na forma de U.
16. Fonte óptica pulsada, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de que compreende ainda: uma matriz de fotodetectores tendo uma pluralidade de pixels que estão cada um configurado para discriminar tempos de chegada de fótons em pelo menos duas caixas de tempo durante um único intervalo de acumulação de carga; e um sistema óptico configurado para formar uma imagem de um objeto, que é iluminado pela fonte óptica pulsada, na matriz fotode- tectora.
17. Método com a finalidade de produzir um pulso óptico com uma fonte óptica pulsada, como definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 16, caracterizado pelo fato de que compreende: receber pelo menos um sinal de relógio; produzir um pulso elétrico unipolar a partir do pelo menos um sinal de relógio; direcionar um terminal de porta de apenas um transistor único com o pulso elétrico, em que um terminal de transporte de corrente do transistor é conectado a um diodo semicondutor que está configurado para emitir luz; e aplicar um pulso de corrente bipolar ao diodo semicondutor com a finalidade de produzir um pulso óptico sensível à ativação do transistor pelo pulso elétrico.
18. Método, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que compreende ainda o ajuste de uma duração de pulso e não uma amplitude de pulso do pulso elétrico unipolar para controlar uma amplitude do pulso óptico, em que o pulso óptico tem uma duração máxima de metade da largura total entre 50 ps e 500 ps.
19. Método, de acordo com a reivindicação 17 ou 18, caracterizado pelo fato de que compreende ainda a repetição dos atos de recepção, produção, condução e aplicação com a finalidade de produzir uma série de pulsos ópticos a uma taxa de repetição entre 30 Hz e 200 MHz.
20. Método, de acordo com a reivindicação 17 ou 18, caracterizado pelo fato de que o pulso de corrente bipolar compreende um primeiro pulso com uma primeira amplitude e um segundo pulso imediatamente seguido do primeiro pulso e tendo uma segunda amplitude de polaridade oposta e uma magnitude diferente do primeiro pulso.
21. Método, de acordo com a reivindicação 17 ou 18, caracterizado pelo fato de que compreende ainda a atenuação diferencial de uma porção do pulso óptico com um absorvente saturável.
22. Método, de acordo com a reivindicação 17 ou 18, caracterizado pelo fato de que compreende ainda: iluminar uma amostra com pulsos ópticos do diodo semi- condutor; e detectar fluorescente da amostra; distinguir entre pelo menos duas vidas úteis fluorescentes diferentes possuindo diferentes taxas de decaimento associadas a duas moléculas ou ambientes fluorescentes diferentes nos quais as moléculas estão localizadas, em que os pulsos ópticos estão a um único comprimento de onda característico; produzir uma imagem eletrônica de uma região da amostra; e indicar pelo menos uma característica que se baseia na vida útil da fluorescência na imagem.
23. Método, de acordo com a reivindicação 17 ou 18, carac-terizado pelo fato de que compreende ainda: iluminar uma amostra com pulsos ópticos do diodo semicondutor; e discriminar os tempos de chegada dos fótons dispersos da amostra em pelo menos duas caixas de tempo com um único fotode- tector durante um único intervalo de acumulação de carga para o foto- detector único.
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