BR112019012069A2 - conjunto de modelagem e direcionamento de feixe compacto - Google Patents
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Abstract
são descritos dispositivos e métodos para o acoplamento de um feixe óptico proveniente de uma fonte óptica a um sistema de alta tecnologia. um conjunto de modelagem e direcionamento de feixe compacto e de baixo custo pode ser posicionado entre a fonte óptica e o sistema de alta tecnologia e permitir ajustes automáticos nos parâmetros do feixe, tais como posição do feixe, rotação do feixe e ângulos de incidência do feixe. o conjunto de modelagem e direcionamento de feixe pode ser usado para acoplar um feixe alongado a uma pluralidade de guias de ondas ópticos.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para CONJUNTO DE MODELAGEM E DIRECIONAMENTO DE FEIXE COMPACTO.
REFERÊNCIA REMISSIVA A PEDIDOS RELACIONADOS [001] O presente pedido reivindica prioridade ao Pedido Provisório de Patente dos Estados Unidos N° 62/435.679, depositado em 16 de dezembro de 2016 e intitulado Compact Beam Shaping and Steering Assembly, o qual é incorporado por referência na íntegra. CAMPO [002] O presente pedido é dirigido a dispositivos e métodos para acoplar um feixe de saída de um laser ou outra fonte óptica a uma entrada de um sistema óptico de alta tecnologia.
ANTECEDENTES [003] Os lasers e diodos emissores de luz (LEDs) podem fornecer radiação intensa a um ou mais comprimentos de onda selecionáveis que são úteis para sistemas ópticos de alta tecnologia, tais como os sistemas de comunicação óptica, sistemas bioanalíticos, dispositivos médicos, sistemas de processamento de material e sistemas de defesa. A saída de um laser ou LED pode ser colimada ou não colimada e a radiação pode ser pulsada ou contínua. Em alguns casos, pulsos ópticos curtos (por exemplo, pulsos ópticos menores do que cerca de 1 nanossegundo) podem ser produzidos pelos lasers ou LEDs e fornecidos a um sistema óptico de alta tecnologia.
[004] Alguns sistemas ópticos de alta tecnologia podem incluir dispositivos ópticos de precisão aos quais a saída do laser ou LED deve ser acoplada. Um exemplo de um dispositivo óptico de precisão é um guia de ondas óptico integrado em um chip. Normalmente, um perfil de modo espacial de uma saída de feixe do laser ou LED não é muito compatível com um perfil de modo espacial de um modo fundamental, por exemplo, o qual é suportado pelo guia de ondas. Consequen
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2/77 temente, pode ser necessário um ou mais componentes ópticos para melhorar a compatibilidade entre os perfis de modo espacial do feixe e o componente óptico receptor do sistema óptico ao qual o feixe está acoplado.
SUMÁRIO [005] Algumas modalidades se referem a um conjunto de modelagem e direcionamento de feixe que compreende um primeiro componente óptico localizado de modo a transformar um primeiro formato de feixe transversal de um feixe de entrada em um segundo formato de feixe transversal de um segundo feixe; um segundo componente óptico posicionado para rotacionar o segundo formato de feixe transversal em torno de um eixo óptico do segundo feixe; e um terceiro componente óptico localizado para ajustar um dos seguintes: uma primeira posição ou um primeiro ângulo direcional de um feixe de saída em uma localização alvo.
[006] Algumas modalidades se referem a um método de acoplamento de um feixe proveniente de uma fonte óptica a um componente óptico receptor de um sistema. O método pode compreender as etapas de receber, por um conjunto de modelagem e direcionamento de feixe, o feixe proveniente da fonte óptica; transformar, com o conjunto de modelagem e direcionamento de feixe, um primeiro formato de feixe transversal do feixe em um segundo formato de feixe transversal de um feixe de saída; posicionar, com o conjunto de modelagem e direcionamento de feixe, o feixe de saída sobre o componente óptico receptor; e rotacionar de forma ajustável, com o conjunto de modelagem e direcionamento de feixe, o segundo formato de feixe transversal.
[007] Algumas modalidades se referem a um sistema óptico para acoplar um feixe de radiação a um dispositivo, o sistema óptico compreendendo três acionadores rotativos; e três componentes ópticos acoplados, respectivamente, aos três acionadores rotativos, em que
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3/77 cada acionador rotativo tem um eixo de acionamento que gira em torno de um eixo geométrico para mover um componente óptico dos três componentes ópticos, em que os eixos geométricos do eixo dos três acionadores rotativos são essencialmente paralelos a um mesmo plano e em que o acionamento dos três componentes ópticos pelos três acionadores rotativos altera o feixe em três graus diferentes de liberdade.
[008] Algumas modalidades se referem a um sistema óptico para acoplar um feixe de radiação a um dispositivo, o sistema óptico compreendendo um primeiro componente óptico suportado em um suporte ajustável; e um primeiro acionador acoplado ao suporte ajustável, em que o movimento do primeiro componente óptico pelo primeiro acionador rotaciona um formato transversal e a polarização de um feixe de saída que sai do primeiro componente óptico, em que a rotação do formato transversal e polarização é em torno de um eixo óptico que corre centralmente ao longo do feixe de saída.
[009] Algumas modalidades se referem a um sistema óptico para alterar um feixe de radiação, o sistema óptico compreendendo um primeiro componente óptico suportado por um suporte ajustável que está configurado para rotacionar o primeiro componente óptico em torno de um primeiro eixo; um acionador rotativo que tem um eixo de acionamento que gira em torno de um segundo eixo que não é paralelo ao primeiro eixo; um braço de carne conectado ao eixo de acionamento; um rolamento conectado ao braço de carne; e uma superfície curvada conectada ao suporte ajustável, em que o rolamento atravessa a superfície curvada quando o acionador rotativo é acionado para rotacionar o primeiro componente óptico.
[0010] Algumas modalidades se referem a um dispositivo de direcionamento de feixe óptico que compreende um primeiro acionador rotativo posicionado para rotacionar uma primeira janela óptica; um
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4/77 segundo acionador rotativo posicionado para rotacionar uma segunda janela óptica; e uma lente; em que a rotação da primeira janela óptica ajusta uma posição lateral de um feixe óptico em uma localização alvo e a rotação da segunda janela óptica ajusta um ângulo de incidência do feixe na localização alvo sem alterar a posição lateral em mais de 10 microns.
[0011] Algumas modalidades se referem a um dispositivo de direcionamento de feixe óptico que compreende três janelas ópticas transparentes rotativas posicionadas para ajustar três parâmetros de um feixe de saída do dispositivo de direcionamento de feixe em três graus ortogonais de liberdade.
[0012] O precedente e outros aspectos, implementações, ações, funcionalidades, características e modalidades dos presentes ensinamentos podem ser mais completamente compreendidos a partir da descrição a seguir em conjunto com os desenhos anexos.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [0013] Aqueles versados na técnica entenderão que as figuras descritas aqui são apenas para fins ilustrativos. Deve ser entendido que, em alguns casos, vários aspectos da invenção podem ser mostrados exagerados ou aumentados para facilitar a compreensão da invenção. Nos desenhos, caracteres de referência similares se referem, em geral, a características similares, funcionalmente similares e/ou elementos estruturalmente similares ao longo das várias figuras. Os desenhos não estão necessariamente em escala, colocando ênfase em ilustrar os princípios dos ensinamentos. Os desenhos não se destinam a limitar o âmbito dos presentes ensinamentos de qualquer forma.
[0014] A Figura 1-1 é uma representação em diagrama de blocos de um sistema de alta tecnologia de acordo com algumas modalidades.
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5/77 [0015] A Figura 1-2 representa um conjunto de pulsos ópticos que podem ser produzidos por uma fonte óptica em um sistema de alta tecnologia de acordo com algumas modalidades.
[0016] A Figura 1-3 representa um exemplo de câmaras de reação paralelas que podem ser incluídas em um chip montável dentro de um sistema de alta tecnologia. As câmaras de reação podem ser excitadas opticamente através de um ou mais guias de ondas e as emissões detectadas por fotodetectores formados próximo de cada câmara de acordo com algumas modalidades.
[0017] A Figura 1-4 ilustra a perda dependente do tempo em um guia de ondas em três diferentes potências ópticas.
[0018] A Figura 1-5 representa detalhes adicionais de uma câmara de reação integrada, guia de ondas óptico e fotodetector de compartimentalização temporal (time-binning) de acordo com algumas modalidades.
[0019] A Figura 1-6 representa um exemplo de uma reação biológica que pode ocorrer dentro de uma câmara de reação de acordo com algumas modalidades.
[0020] A Figura 1-7 representa curvas de probabilidade de emissão para dois fluoróforos diferentes com características de decaimento diferentes.
[0021] A Figura 1-8 representa a detecção por compartimentalização temporal (time-binning) da emissão fluorescente de acordo com algumas modalidades.
[0022] A Figura 2-1A representa o acoplamento de um feixe alongado a uma pluralidade de guias de ondas de acordo com algumas modalidades.
[0023] A Figura 2-1B representa o acoplamento de um feixe alongado e rotacionado a uma pluralidade de guias de ondas de acordo com algumas modalidades.
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6/77 [0024] A Figura 2-2A representa um módulo de modelagem e direcionamento de feixe de acordo com algumas modalidades.
[0025] A Figura 2-2B mostra um módulo de modelagem e direcionamento de feixe montado em um chassi em um instrumento e reforçando um painel de circuito impresso de acordo com algumas modalidades.
[0026] A Figura 2-3 descreve detalhes ópticos dos componentes de modelagem e direcionamento de feixe de acordo com algumas modalidades.
[0027] A Figura 2-4 representa elementos de um suporte de rotação para um prisma de rotação de imagem de acordo com algumas modalidades.
[0028] A Figura 2-5A representa uma conexão mecânica para rotacionar um componente óptico de acordo com algumas modalidades.
[0029] A Figura 2-5B ilustra o deslocamento de feixe linearizado para uma conexão mecânica que inclui uma superfície curvada concebida para compensar as não-linearidades na conexão mecânica.
[0030] A Figura 2-6 representa o alinhamento de um feixe óptico a um acoplador óptico em um chip de acordo com algumas modalidades.
[0031] A Figura 2-7 representa circuitos de detecção e controle para acoplar pulsos ópticos provenientes de uma fonte óptica a múltiplos guias de ondas de um chip bio-optoeletrônico de acordo com algumas modalidades.
[0032] As características e vantagens da presente invenção se tomarão mais evidentes a partir da descrição detalhada apresentada abaixo quando tomadas em conjunto com os desenhos. Ao descrever modalidades em referência aos desenhos, referências direcionais (acima, abaixo, superior, inferior, esquerda, direita, horizontal, vertical, etc.) podem ser usadas. Tais referências se destinam
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7/77 meramente a auxiliar o leitor a visualizar os desenhos em uma orientação normal. Estas referências direcionais não se destinam a descrever uma orientação preferida ou única das características de um dispositivo incorporado. Um dispositivo pode ser incorporado usando outras orientações.
DESCRIÇÃO DETALHADA
I. Introdução [0033] A tecnologia descrita aqui se refere a dispositivos e métodos para o acoplamento de feixes ópticos de lasers ou diodos emissores de luz para sistemas de alta tecnologia que incluem componentes ópticos de precisão. Um sistema de alta tecnologia pode incluir um ou mais componentes ópticos de precisão (por exemplo, guia de ondas óptico integrado, acoplador óptico integrado, modulador óptico integrado, um elemento difrativo óptico, uma fibra óptica, etc.) e pode incluir componentes mecânicos, componentes micromecânicos, circuitos elétricos, componentes microfluídicos, componentes microeletromecânicos, componentes biomicroeletromecânicos e/ou componentes biooptoeletrônicos. É descrito um conjunto de modelagem e direcionamento de feixe de baixo perfil, compacto, o qual inclui cinco ajustes automáticos de parâmetros de feixe de acordo com algumas modalidades. O conjunto também pode incluir ajustes manuais ou automáticos para o foco do feixe e o formato do feixe. Em algumas implementações, o conjunto pode ser usado para acoplar um feixe redondo de um laser a um arranjo linear de guias de ondas ópticos integrados em um chip bio-optoeletrônico e fornecer um acoplamento de energia quase uniforme com alta eficiência à pluralidade de guias de ondas. A uniformidade do acoplamento através dos guias de ondas pode ser ajustada pela manipulação automatizada de um componente óptico no conjunto de modelagem e direcionamento de feixe.
[0034] O conjunto de modelagem e direcionamento de feixe pode
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8/77 ser incorporado em instrumentação portátil (por exemplo, instrumentos de formação de imagem por tempo de voo, instrumentos bioanalíticos que usam detecção fluorescente decomposta ao longo da vida, instrumentos de sequenciamento genético, instrumentos de tomografia de coerência óptica, instrumentos médicos, etc.) para fornecer acoplamento óptico preciso e estável entre uma fonte óptica compacta e dispositivos ópticos de precisão de um sistema compacto e de alta tecnologia. O conjunto de modelagem e direcionamento de feixe pode reduzir os efeitos de vibrações, variações de temperatura e variações de fabricação no acoplamento óptico entre a fonte óptica e o sistema de alta tecnologia. Exemplos de fontes ópticas para tais modalidades são descritos no Pedido de Patente dos Estados Unidos N° 15/161.088, depositado em 20 de maio de 2016 e intitulado Pulsed Laser and Bioadvanced System e no Pedido de Patente dos Estados Unidos N° 62/435.688, depositado em 16 de dezembro de 2016 e intitulado Compact Mode-Locked Laser Module, os quais são aqui incorporados por referência. Tal instrumentação pode ser prontamente portátil e produzida em um custo consideravelmente menor do que o caso da instrumentação convencional que requer grandes fontes ópticas e grandes componentes de acoplamento óptico. A alta portabilidade pode tomar estes instrumentos mais úteis para pesquisa, desenvolvimento, uso clínico, implantação em campo, aplicações militares e comerciais.
[0035] Os inventores reconheceram e apreciaram que as fontes ópticas, tais como lasers pulsados e LEDs, são potencialmente mais úteis quando o laser ou diodo emissor de luz e seu circuito de acionamento podem produzir níveis de potência acima de 100 miliwatts e ser feitos de um tamanho muito compacto, por exemplo, do tamanho de uma folha de papel A4 ou menor, com uma espessura de cerca de 40 mm ou menos. Quando feitas de forma compacta, estas fontes ópticas
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9/77 podem ser incorporadas em instrumentos portáteis de alta tecnologia que podem ser usados, porém sem limitações, em campos de diagnósticos médicos, comunicações ópticas, análises de amostras massivamente paralelas para desenvolvimento farmacêutico, sequenciamento genético ou análise de proteínas, por exemplo. O termo óptico pode ser usado para se referir a bandas espectrais de ultravioleta, visível, próximo do infravermelho e infravermelho de comprimento de onda curto.
[0036] Os inventores ainda reconheceram e apreciaram que pode ser vantajoso fabricar tais fontes ópticas como um módulo que pode ser facilmente levado para dentro e para fora de um instrumento de alta tecnologia portátil. Este recurso plug-and-play pode minimizar o tempo de inatividade do instrumento e permitir que uma única fonte seja usada em diferentes instrumentos. Os inventores reconheceram ainda que lasers e LEDs geralmente têm feixes de saída com diferentes parâmetros de feixe (por exemplo, tamanho do feixe, formato de feixe, colimação de feixe, direção de feixe, perfil de feixe transversal) e sistemas de alta tecnologia que recebem um feixe óptico podem ter diferentes requisitos para os parâmetros de feixe recebidos.
[0037] Para acomodar diferenças nos parâmetros de feixe entre uma fonte óptica e um sistema de alta tecnologia, os inventores conceberam um dispositivo de modelagem e direcionamento de feixe e métodos associados, os quais são descritos em maiores detalhes abaixo. O dispositivo de modelagem e direcionamento de feixe é um conjunto compacto (por exemplo, com menos de metade do tamanho de uma folha de papel A4 e uma espessura menor do que 40 mm) que pode ser incorporado em um instrumento para adaptar um feixe de saída proveniente de uma fonte óptica para se conformar a parâmetros de feixe aceitáveis para um sistema de alta tecnologia ao qual a fonte óptica deve ser acoplada. Na descrição a seguir, são descritas modali
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10/77 dades de dispositivos de modelagem e direcionamento de feixe em relação a um instrumento de sequenciamento genético, o qual é apenas um exemplo de um instrumento de alta tecnologia. Será apreciado, no entanto, que o dispositivo de modelagem e direcionamento de feixe das modalidades descritas pode ser usado com outros tipos de instrumentos, quer eles incluam tecnologia óptica de alta tecnologia ou não.
[0038] Em modalidades, um instrumento de alta tecnologia 1-100 pode compreender uma fonte óptica 1-110 montada dentro ou de outra forma acoplada ao instrumento, conforme representado na Figura 1-1. De acordo com algumas modalidades, a fonte óptica 1-110 pode ser um laser de modo bloqueado. Um laser de modo bloqueado pode incluir um elemento (por exemplo, absorvente saturável, modulador acústico-óptico, lente de Kerr) na cavidade do laser, ou acoplado à cavidade do laser, que induz ao bloqueio de fase dos modos de frequência longitudinal do laser. Em outras modalidades, a fonte óptica 1-110 pode compreender um laser com comutação de ganho. Um laser com comutação de ganho pode compreender um modulador externo (por exemplo, circuito de acionamento de pulsos) que modula o ganho óptico no meio de ganho do laser.
[0039] O instrumento 1-100 pode incluir um conjunto de modelagem e direcionamento de feixe 1-150 e um sistema de alta tecnologia 1-160. O conjunto de modelagem e direcionamento de feixe 1-150 pode incluir um ou mais componentes ópticos (por exemplo, lente, espelho, filtro óptico, partes ópticas de formação de feixe, atenuador) e ser configurado para operar e/ou fornecer pulsos ópticos 1-122 (ou um feixe de onda contínuo) da fonte óptica 1-110 para o sistema de alta tecnologia 1-160.
[0040] De acordo com algumas modalidades, um sistema de alta tecnologia pode direcionar, coletar e analisar sinais ópticos usando
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11/77 componentes ópticos, detectores, partes eletrônicas e hardware de comunicações. Por exemplo, o sistema de alta tecnologia 1-160 pode incluir componentes ópticos que são organizados para direcionar os pulsos ópticos para pelo menos uma amostra a ser analisada, receber um ou mais sinais ópticos (por exemplo, fluorescência, radiação de retrodispersão) provenientes da pelo menos uma amostra e produzir um ou mais sinais elétricos representativos dos sinais ópticos recebidos. Em algumas modalidades, o sistema de alta tecnologia 1-160 pode incluir um ou mais fotodetectores e partes eletrônicas de processamento de sinais (por exemplo, um ou mais microcontroladores, um ou mais arranjos de portas programáveis em campo, um ou mais microprocessadores, um ou mais processadores de sinais digitais, portas lógicas, etc.) configurados para processar os sinais elétricos provenientes dos fotodetectores. O sistema de alta tecnologia também pode incluir hardware de transmissão de dados configurado para transmitir e receber dados de e para dispositivos externos através de um link de comunicações de dados (não mostrado). Em algumas modalidades, o sistema de alta tecnologia 1-160 pode ser configurado para receber um chip bio-optoeletrônico 1-140, o qual contém uma ou mais amostras a serem analisadas. Os sinais de dados para análise de amostras podem ser processados parcialmente no chip e/ou transmitidos para um processador externo para análise. Adicionalmente, sinais de dados indicativos de acoplamento óptico ao chip 1-140 e/ou cavidades de amostra podem ser fornecidos em tempo real para o conjunto de modelagem e direcionamento de feixe 1-150 para manter o acoplamento óptico adequado em tempo real durante a análise da amostra de acordo com algumas modalidades.
[0041] Embora os pulsos ópticos 1-122 sejam representados como tendo um único modo óptico transversal, em algumas modalidades, a saída da fonte óptica 1-110 pode ser multimodal. Por exemplo, um perPetição 870190054350, de 13/06/2019, pág. 25/113
12/77 fil de feixe de saída transversal pode ter múltiplos picos e mínimos de intensidade em virtude da operação multimodal da fonte óptica. Em algumas modalidades, uma saída multimodal pode ser homogeneizada (por exemplo, por meio das partes ópticas de difusão) por um ou mais componentes ópticos no conjunto de modelagem e direcionamento de feixe 1-150. Em algumas implementações, uma saída multimodal pode ser acoplada a uma pluralidade de fibras ou guias de ondas no sistema de alta tecnologia 1-160. Por exemplo, cada pico de intensidade de uma saída multimodal pode ser acoplado a um guia de ondas separado, ou grupo de guias de ondas, que é acoplado ao chip bio-optoeletrônico 1-140. Permitir que uma fonte óptica opere em um estado multimodo pode permitir potências de saída mais altas da fonte óptica. Em algumas implementações, a fonte óptica 1-110 pode produzir pulsos 1-122 com outros perfis de feixe transverso tais como, porém sem limitações, perfis de feixe em formato de cartola, perfis de feixe em formato de rosquinha e perfis de feixe em formato de linha. Tais perfis de feixe podem ser produzidos com elementos ópticos que têm revestimentos padronizados ou graduados, elementos ópticos difrativos, elementos ópticos binários, lentes Axicon, elementos indexados de refração graduada ou uma combinação de dois ou mais destes elementos ópticos.
[0042] Para algumas modalidades, o instrumento de alta tecnologia pode ser configurado para receber um chip bio-optoeletrônico 1140, removível, empacotado. O chip pode incluir uma pluralidade de câmaras de reação, componentes ópticos integrados posicionados para fornecer energia de excitação óptica às câmaras de reação e fotodetectores integrados posicionados para detectar a emissão fluorescente ou outra emissão óptica proveniente das câmaras de reação. Em algumas implementações, o chip 1-140 pode ser descartável enquanto que, em outras implementações, o chip pode ser reutilizável.
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Quando o chip é recebido pelo instrumento, ele pode estar em comunicação elétrica e óptica com a fonte óptica 1-110 e em comunicação elétrica e/ou óptica com o sistema de alta tecnologia 1-160. Em algumas modalidades, o chip bio-optoeletrônico pode ser montado (por exemplo, através de uma conexão de soquete) dentro do sistema sobre um painel de circuito eletrônico (não mostrado), tal como um painel de circuito impresso (PCB), o qual pode incluir componentes eletrônicos adicionais do instrumento. Por exemplo, um PCB no qual o chip bio-optoeletrônico 1-140 é montado pode incluir circuitos configurados para fornecer energia elétrica, um ou mais sinais de relógio e sinais de controle para o chip bio-optoeletrônico 1-140 e circuito de processamento de sinal posicionado para receber sinais representativos da emissão detectados a partir das câmaras de reação no chip. O PCB também pode incluir circuitos configurados para receber sinais de feedback relacionados ao acoplamento óptico e níveis de potência dos pulsos ópticos 1-122 acoplados aos guias de ondas do chip biooptoeletrônico 1-140. Em algumas modalidades, o PCB pode incluir circuitos configurados para fornecer sinais de acionamento ao conjunto de modelagem e direcionamento de feixe 1-150 para alterar parâmetros de feixe para um melhor acoplamento ao chip bio-optoeletrônico 1-140. Em alguns casos, os sinais de acionamento podem ser produzidos para controle de loop aberto dos parâmetros de feixe, por exemplo, ajustados por um usuário. Em algumas modalidades, os sinais de acionamento podem ser produzidos como parte de um sistema de controle de feedback de circuito fechado, por exemplo, para manter o alinhamento e/ou a eficiência de acoplamento de um feixe óptico. Os dados retornados a partir do chip bio-optoeletrônico podem ser processados, em parte ou inteiramente, por circuitos de processamento de dados no instrumento 1-100, embora os dados possam ser transmitidos através de uma conexão de rede para um ou mais processadores
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14/77 de dados remotos para processamento de dados em algumas implementações.
[0043] A Figura 1-2 representa os perfis de intensidade temporal dos pulsos de saída 1-122 provenientes de uma fonte óptica 1-110 de acordo com algumas modalidades. Em alguns casos, 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, tal como um perfil sech2, possam ser possíveis. Em algumas implementações, os pulsos podem não ter perfis temporais simétricos e podem ter outros formatos temporais, tais como modalidades que usam um laser com comutação de ganho. A duração de cada pulso pode ser caracterizada por um valor de metade da largura máxima (FWHM), conforme indicado na Figura 1-2. De acordo com algumas modalidades de uma fonte óptica pulsada, pulsos ópticos ultracurtos podem ser formados e ter valores FWHM temporais entre cerca de 10 picossegundos (ps) e cerca de 100 ps. Em outros casos, os valores de FWHM podem ser menores do que 10 ps ou maiores do que 100 ps.
[0044] Os pulsos de saída 1-122 podem ser separados por intervalos T regulares de acordo com algumas modalidades. Em algumas modalidades (por exemplo, para lasers de modo bloqueado), T pode ser determinado por um tempo de deslocamento de ida e volta de pulsos dentro de uma cavidade de laser da fonte óptica 1-110. De acordo com algumas modalidades, o intervalo de separação de pulsos T pode estar entre cerca de 1 ns e cerca de 30 ns. Em alguns casos, o intervalo de separação de pulsos T pode estar entre cerca de 5 ns e cerca de 20 ns, o que corresponde a um comprimento da cavidade do laser entre cerca de 0,7 metro e cerca de 3 metros. Em algumas modalidades, um conjunto de modelagem e direcionamento de feixe 1-150 pode, adicionalmente, alterar um comprimento de pulso dos pulsos ópticos (por exemplo, usando elementos de dispersão de frequência, tais
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15/77 como grades e/ou fibras ópticas, elementos ópticos difrativos ou uma cavidade anular). Em algumas modalidades, um conjunto de modelagem e direcionamento de feixe pode, adicionalmente, alterar o intervalo de separação de pulsos T (por exemplo, ao dividir o feixe recebido da fonte óptica 1-110 em diferentes percursos ópticos, adicionar diferentes atrasos nos diferentes percursos ópticos e recombinar os percursos ópticos para intercalar pulsos dos diferentes percursos). Em alguns casos, o intervalo de separação de pulsos T pode não ser regular e o conjunto de modelagem e direcionamento de feixe 1-150 pode desempenhar suas funções de modelagem e direcionamento de feixe independentemente do intervalo de separação de pulsos.
[0045] Para modalidades nas quais os pulsos ópticos 1-122 excitam uma emissão fluorescente em uma pluralidade de câmaras de reação, os quais são subsequentemente detectados e analisados em paralelo, um intervalo de separação de pulsos T desejado pode ser determinado por uma combinação de fatores: por exemplo, o número de câmaras de reação, características de emissão fluorescente e a velocidade dos circuitos de detecção e manipulação de dados para leitura de dados provenientes das câmaras de reação. Os inventores reconheceram e apreciaram que diferentes fluoróforos podem ser distinguidos por suas diferentes taxas de decaimento fluorescente ou curvas de probabilidade de emissão temporal. Consequentemente, é necessário que haja um intervalo de separação de pulsos T suficiente para coletar estatísticas adequadas para os fluoróforos selecionados que podem ser usados para distinguir entre suas diferentes características de emissão. Além disso, se o intervalo de separação de pulsos T for muito curto, o circuito de manipulação de dados não conseguirá acompanhar a grande quantidade de dados coletados pelo grande número de câmaras de reação. Os inventores reconheceram e apreciaram que um intervalo de separação de pulsos T entre cerca de 5 ns e
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16/77 cerca de 20 ns é adequado para fluoróforos que têm taxas de decaimento até cerca de 2 ns e para manipular dados entre cerca de 60.000 e 10.000.000 câmaras de reação.
[0046] De acordo com algumas implementações, um módulo de modelagem e direcionamento de feixe 1-150 pode receber pulsos de saída provenientes da fonte óptica 1-110 e ser configurado para alterar pelo menos três parâmetros de feixe para melhor acoplamento de um feixe proveniente da fonte óptica 1-110 ao sistema de alta tecnologia 1-160. Os parâmetros de feixe que podem ser alterados por um módulo de modelagem e direcionamento de feixe 1-150 incluem, porém sem limitações: posição do feixe em uma localização alvo no sistema de alta tecnologia, direção ou ângulos de incidência do feixe em uma localização alvo no sistema de alta tecnologia, formato de feixe, colimação de feixe, rotação do feixe em torno de um eixo óptico do feixe, polarização e orientação de polarização do feixe, componentes espectrais do feixe, perfil de intensidade transversal do feixe, potência média do feixe, duração do pulso e tempo de separação do pulso.
[0047] Em referência a uma modalidade bioanalítica representada na Figura 1-3, em algumas implementações, os pulsos de saída 1-122 podem ser acoplados a um ou mais guias de ondas ópticos 1-312 no chip bio-optoeletrônico. Em algumas modalidades, os pulsos ópticos podem ser acoplados a um ou mais guias de ondas através de um acoplador direcional 1-310, embora o acoplamento a uma extremidade de um guia de ondas óptico no chip bio-optoeletrônico possa ser usado em alguns casos. Um detector de quadrante (quad) 1-320 pode estar localizado sobre um substrato semicondutor 1-305 (por exemplo, um substrato de silício) para auxiliar no alinhamento do feixe de pulsos ópticos 1-122 a um acoplador direcional 1-310. O um ou mais os guias de ondas 1-312 e as câmaras de reação 1-330 podem ser integrados no mesmo substrato semicondutor com camadas dielétricas interveni
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17/77 entes (por exemplo, camadas de dióxido de silício) entre o substrato, guia de ondas, câmaras de reação e fotodetectores 1-322.
[0048] Cada guia de ondas 1-312 pode incluir uma parte cônica 1315 ou outras características ópticas abaixo as câmaras de reação 1330 para igualar a energia óptica acoplada às câmaras de reação ao longo do guia de ondas. Um cone redutor pode forçar mais energia óptica para fora do núcleo do guia de ondas, aumentando o acoplamento às câmaras de reação e compensando as perdas ópticas ao longo do guia de ondas, incluindo as perdas de acoplamento de luz nas câmaras de reação. Um segundo acoplador direcional 1-317 pode estar localizado na extremidade de cada guia de ondas para direcionar a energia óptica para um fotodiodo integrado 1-324. O fotodiodo integrado pode detectar a quantidade de energia acoplada a um guia de ondas e fornecer um sinal detectado ao circuito de feedback que controla o módulo de modelagem e direcionamento de feixe 1-150, por exemplo.
[0049] As câmaras de reação de 1-330 podem ser alinhadas com a parte cônica 1-315 do guia de ondas e recuadas em uma cuba 1340. Pode haver fotodetectores de compartimentalização temporal (time-binning) 1-322 localizados sobre o substrato de semicondutor 1305 para cada câmara de reação 1-330. Um revestimento metálico e/ou revestimento com múltiplas camadas 1-350 podem ser formados em torno das câmaras de reação e acima do guia de ondas para impedir a excitação óptica de fluoróforos que não estão nas câmaras de reação (por exemplo, dispersos em uma solução por cima das câmaras de reação). O revestimento metálico e/ou o revestimento com múltiplas camadas 1-350 podem ser elevados para além das bordas da cuba 1-340 para reduzir as perdas por absorção da energia óptica no guia de ondas 1-312 nas extremidades de entrada e saída de cada guia de ondas.
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18/77 [0050] De acordo com algumas modalidades, pode haver uma pluralidade de linhas de guias de ondas, câmaras de reação e fotodetectores de compartimentalização temporal (time-binning) no chip biooptoeletronico 1-140, de modo que possam ser realizadas análises massivamente paralelas de amostras. Por exemplo, pode haver 128 linhas, cada uma com 512 câmaras de reação, para um total de 65.536 câmaras de reação em algumas implementações. Outras implementações podem incluir mais ou menos câmaras de reação por linha, mais ou menos linhas de guias de ondas e podem incluir outras configurações de layout. Em alguns casos, pode haver centenas ou mesmo milhares de linhas de guias de ondas. A energia óptica proveniente da fonte óptica 1-110 pode ser distribuída para os múltiplos guias de ondas através de um ou mais acopladores em estrela integrados ou acopladores de interferência multimodo, ou qualquer outro meio, localizado entre um acoplador óptico ao chip 1-140 e a pluralidade de guias de ondas.
[0051] Os inventores descobriram que, em alguns casos, podem surgir problemas ao tentar acoplar eficientemente a energia proveniente de uma fonte 1-110 a uma grande pluralidade de guias de ondas ópticos integrados 1-312. De modo a fornecer energia suficiente para cada guia de ondas e câmara de reação 1-330 para um grande número de câmaras de reação, a potência média no feixe de entrada aumenta proporcionalmente com o aumento no número de câmaras de reação. Para alguns sistemas de guias de ondas ópticos integrados (como um núcleo de guia de ondas de nitreto de silício/revestimento de dióxido de silício), altas potências médias podem causar variações temporais na perda do guia de ondas e, portanto, causar instabilidades de potência consideráveis nas câmaras de reação ao longo do tempo. A perda dependente do tempo em guias de ondas ópticos integrados em altas potências médias foi medida pelos inventores e resultados
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19/77 exemplificativos são representados na Figura 1-4. Se os níveis médios de potência do laser se tornarem muito altos, podem ocorrer danos ópticos em guias de ondas integrados ou outros componentes ópticos integrados no chip, especialmente próximo de onde a luz se acopla ao chip.
[0052] A perda de inserção foi medida como uma função do tempo para três comprimentos idênticos de guias de ondas de modo único com um núcleo de silício-nitreto. Os níveis médios iniciais de potência acoplados aos três guias de ondas foram de 0,5 mW, 1 mW e 2 mW. O gráfico da Figura 1-4 mostra a variação na perda de inserção medida para cada comprimento de guia de ondas como uma função do tempo para os três níveis de potência. O gráfico mostra que, em altos níveis de potência, a perda pode variar em 3 dB em menos de dez minutos. Para algumas aplicações, como sequenciamento genético de moléculas individuais, no qual as reações podem ser executadas por dezenas de minutos ou horas, tais instabilidades de potência podem não ser aceitáveis.
[0053] Detalhes adicionais de uma modalidade de um sistema de alta tecnologia 1-160 são descritos em relação à Figura 1-5, a qual ilustra uma parte de um chip bio-optoeletrônico 1-140 que pode ser inserido no sistema de alta tecnologia 1-160 para análise de amostras massivamente paralelas. Um exemplo não limitativo de uma reação biológica que ocorre em uma câmara de reação 1-330 é representado na Figura 1-5. Neste exemplo, a incorporação sequencial de nucleotideos ou análogos de nucleotideos em uma fita em crescimento que é complementar a um ácido nucleico alvo ocorre na câmara de reação. A incorporação sequencial dos nucleotideos ou análogos de nucleotideos pode ser detectada para sequenciar o DNA. A câmara de reação pode ter uma profundidade entre cerca de 150 nm e cerca de 250 nm e um diâmetro entre cerca de 80 nm e cerca de 160 nm. Uma camada
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20/77 de metalização 1-540 (por exemplo, uma metalização para um potencial elétrico de referência) pode ser padronizada acima do fotodetector para fornecer uma abertura que bloqueia a luz dispersa proveniente das câmaras de reação adjacentes e outras fontes de luz indesejadas. De acordo com algumas modalidades, a polimerase 1-520 pode ser colocada dentro da câmara de reação 1-330 (por exemplo, presa a uma base da câmara). A polimerase pode absorver um ácido nucleico alvo 1-510 (por exemplo, uma parte de um ácido nucleico derivado do DNA) e sequenciar uma fita de ácidos nucleicos complementar em crescimento para produzir uma fita de DNA em crescimento 1-512. Nucleotídeos ou análogos de nucleotídeos marcados com diferentes fluoróforos podem ser dispersos em uma solução acima e dentro da câmara de reação.
[0054] Quando um nucleotídeo ou análogo de nucleotídeo marcado 1-610 é incorporado em uma fita de ácidos nucleicos complementar em crescimento, conforme representado na Figura 1-6, um ou mais fluoróforos conectados 1-630 podem ser repetidamente excitados por pulsos de energia óptica acoplados à câmara de reação 1-330 provenientes do guia de ondas 1-315. Em algumas modalidades, o fluoróforo ou fluoróforos 1-630 podem ser conectados a um ou mais nucleotídeos ou análogos de nucleotídeos 1-610 com qualquer ligante 1-620 adequado. Um evento de incorporação pode durar por um período de tempo de até cerca de 100 ms. Durante este tempo, os pulsos de emissão fluorescente resultantes da excitação do(s) fluoróforo(s) podem ser detectados com um fotodetector de compartimentalização temporal (time-binning) 1-322. Em algumas modalidades, pode haver um ou mais dispositivos integrados adicionais 1-323 em cada pixel para manipulação de sinal (por exemplo, amplificação, leitura, roteamento, etc.). De acordo com algumas modalidades, cada pixel pode incluir um filtro óptico com uma única ou múltiplas camadas 1-530 que passa
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21/77 a emissão fluorescente e reduz a transmissão de radiação proveniente do pulso de excitação. Algumas implementações podem não usar o filtro óptico 1-530. Ligar fluoróforos com diferentes características de emissão (por exemplo, taxas de decaimento fluorescente, intensidade, comprimento de onda fluorescente) aos diferentes nucleotídeos (A, C, G, T) permite detectar e distinguir as diferentes características de emissão enquanto a fita de DNA 1-512 incorpora um ácido nucleico e permite determinar a sequência genética da fita de DNA em crescimento.
[0055] De acordo com algumas modalidades, um sistema de alta tecnologia 1-160 que é configurado para analisar amostras com base em características de emissão fluorescente pode detectar diferenças na durabilidade e/ou intensidades de fluorescência entre diferentes moléculas fluorescentes e/ou diferenças entre a durabilidade e/ou intensidades das mesmas moléculas fluorescentes em diferentes ambientes. A título de explicação, a Figura 1-7 representa duas curvas diferentes de probabilidade de emissão fluorescente (A e B), as quais podem ser representativas da emissão fluorescente de duas moléculas fluorescentes diferentes, por exemplo. Com referência à curva A (linha tracejada), após ser excitada por um pulso óptico curto ou ultracurto, é mostrada a probabilidade pa(í) de que uma emissão fluorescente proveniente de uma primeira molécula possa decair com o tempo, conforme representado. Em alguns casos, a diminuição na probabilidade de um fóton ser emitido ao longo do tempo pode ser representada por uma função de decaimento exponencial pá(í) = PÁoe_f^, onde Pao é a probabilidade de emissão inicial e taó um parâmetro temporal associado à primeira molécula fluorescente que caracteriza a probabilidade de decaimento de emissão, ta pode ser denominado de durabilidade de fluorescência, durabilidade de emissão ou durabilidade da primeira molécula fluorescente. Em alguns casos, o valor de ta pode ser
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22/77 alterado por um ambiente local da molécula fluorescente. Outras moléculas fluorescentes podem ter características de emissão diferentes daquelas mostradas na curva A. Por exemplo, outra molécula fluorescente pode ter um perfil de decaimento que difere de um decaimento exponencial exclusivo e sua durabilidade pode ser caracterizada por um valor de meia-vida ou alguma outra métrica.
[0056] Uma segunda molécula fluorescente pode ter um perfil de decaimento que é exponencial, porém, tem uma durabilidade tb mensurável diferente, conforme representado para a curva B na Figura 1-
7. No exemplo mostrado, a durabilidade para a segunda molécula fluorescente da curva B é menor do que a durabilidade da curva A e a probabilidade de emissão é maior logo após a excitação da segunda molécula do que para a curva A. Diferentes moléculas fluorescentes podem ter valores de durabilidade ou meia-vida que variam a partir de cerca de 0,1 ns a cerca de 20 ns em algumas modalidades.
[0057] Os inventores reconheceram e apreciaram que as diferenças na durabilidade das emissões fluorescentes podem ser usadas para discernir entre a presença ou ausência de diferentes moléculas fluorescentes e/ou discernir entre diferentes ambientes ou condições às quais uma molécula fluorescente é submetida. Em alguns casos, o discernimento de moléculas fluorescentes com base na durabilidade (em vez do comprimento de onda de emissão, por exemplo) pode simplificar os aspectos de um instrumento de alta tecnologia 1-100. Por exemplo, dispositivos ópticos discriminadores de comprimento de onda (tais como filtros de comprimentos de onda, detectores dedicados para cada comprimento de onda, fontes ópticas pulsadas dedicadas em diferentes comprimentos de onda e/ou óptica difrativa) podem ser reduzidos ou eliminados quando de discernimento de moléculas fluorescentes com base na durabilidade. Em alguns casos, uma única fonte óptica pulsada que opera em um único comprimento de onda caracte
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23/77 rístico pode ser usada para excitar diferentes moléculas fluorescentes que emitem dentro de uma mesma região de comprimento de onda do espectro óptico, porém, têm durabilidades mensuráveis diferentes. Um sistema de alta tecnologia que usa uma única fonte óptica pulsada, em vez de múltiplas fontes que operam em diferentes comprimentos de onda, para excitar e discernir diferentes moléculas fluorescentes que emitem em uma mesma região de comprimento de onda pode ser menos complexo de operar e manter, mais compacto e pode ser fabricado em um custo menor.
[0058] Embora sistemas de alta tecnologia com base em análise da durabilidade de fluorescência possam ter determinados benefícios, a quantidade de informações obtidas por um sistema de alta tecnologia e/ou a precisão de detecção podem ser aumentadas, permitindo técnicas de detecção adicionais. Por exemplo, alguns sistemas analíticos 1-160 podem ser adicionalmente configurados para discernir uma ou mais propriedades de uma amostra com base no comprimento de onda fluorescente e/ou intensidade fluorescente.
[0059] Em referência novamente à Figura 1-7, de acordo com algumas modalidades, diferentes durabilidades de fluorescência podem ser distinguidas com um fotodetector que é configurado para eventos de emissão fluorescente por compartimentalização temporal após excitação de uma molécula fluorescente. O intervalo de tempo pode ocorrer durante um único ciclo de acúmulo de carga para o fotodetector. Um ciclo de acúmulo de carga é um intervalo entre eventos de leitura durante o qual os portadores fotogerados são acumulados em compartimentos do fotodetector de compartimentalização temporal. O conceito de determinar a durabilidade de fluorescência por meio de compartimentalização temporal dos eventos de emissão é apresentado graficamente na Figura 1-8. No tempo te imediatamente antes de ti, uma molécula fluorescente ou conjunto de moléculas fluorescentes de um
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24/77 mesmo tipo (por exemplo, do tipo que corresponde à curva B da Figura 1-7) é excitado por um pulso óptico curto ou ultracurto. Para um grande conjunto de moléculas, a intensidade de emissão pode ter um perfil de tempo similar à curva B, conforme representado na Figura 1-
8.
[0060] Para uma molécula individual ou um pequeno número de moléculas, no entanto, a emissão de fótons fluorescentes ocorre de acordo com as estatísticas da curva B na Figura 1-7 para este exemplo. Um fotodetector de compartimentalização temporal 1-322 pode acumular portadores gerados a partir de eventos de emissão em compartimentos temporais distintos (três indicados na Figura 1-8) que são temporalmente decompostas em relação ao tempo de excitação da(s) molécula(s) fluorescente(s). Quando um grande número de eventos de emissão é somado (por exemplo, que corresponde às áreas sob a curva para o compartimento 1, compartimento 2, compartimento 3), os compartimentos temporais resultantes (representados no inserto) podem se aproximar da curva de intensidade de decaimento mostrada na Figura 1-8 e os sinais compartimentalizados podem ser usados para distinguir entre diferentes moléculas fluorescentes ou diferentes ambientes nos quais uma molécula fluorescente está localizada. Exemplos de um fotodetector de compartimentalização temporal (time-binning) 1322 são descritos no Pedido de Patente dos Estados Unidos N° 14/821.656, depositado em 7 de agosto de 2015, intitulado Integrated Device for Temporal Binning of Received Photons, o qual é aqui incorporado por referência.
[0061] Nos casos onde as intensidades de emissão proveniente das câmaras de reação são baixas ou onde a caracterização de uma amostra depende de valores de intensidade proveniente das câmaras de reação, é benéfico que a potência fornecida para as câmaras de reação se mantenha estável ao longo do tempo. Por exemplo, se a
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25/77 potência distribuída às câmaras de reação diminui em 3 dB (consulte a Figura 1-4) em virtude de perda dependente do tempo nos guias de ondas, então, o número de eventos de emissão fluorescente pode cair para um nível que está abaixo de uma base de ruído do instrumento. Em alguns casos, a incapacidade de distinguir sinais de fótons do ruído pode afetar adversamente a estatística de fótons usada para diferenciar as durabilidades dos fluoróforos. Como um resultado, informações analíticas importantes podem ser perdidas, erros na análise podem ocorrer (por exemplo, erros na detecção de sequências de ácidos nucleicos) ou a execução de um sequenciamento pode falhar.
II. Acoplando um Feixe de Saída e Fonte Óptica a Um Sistema de Alta Tecnologia [0062] Os inventores conceberam um dispositivo e métodos para acoplamento de um feixe de saída proveniente de uma fonte óptica a um sistema de alta tecnologia. O dispositivo (conhecido como conjunto de modelagem e direcionamento de feixe) pode ser montado em um custo moderado usando um único chassi de baixo perfil (por exemplo, com menos de 35 mm de altura) que suporta todos os componentes ópticos e mecânicos para automatizar ajustes dinâmicos nos parâmetros de múltiplos feixes. O conjunto de modelagem e direcionamento de feixe pode medir menos de 140 mm em seu lado mais longo e ter uma espessura menor do que 35 mm em algumas modalidades. Em virtude de seu tamanho compacto, o conjunto pode ser montado em um instrumento de alta tecnologia portátil que inclui uma fonte 1-110 óptica e um sistema de alta tecnologia 1-160, tal como o instrumento portátil de sequenciamento de DNA descrito acima. Outras aplicações incluem, porém sem limitações, usos para leitores de placas, scanners de gel, máquinas de reação em cadeia de polimerase (PCR), separadores de fluorescência e ensaios de microarranjo.
[0063] Em virtude de sua capacidade de ajustar vários parâmetros
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26/77 do feixe, o feixe de conformação e conjunto de modelagem e direcionamento de feixe 1-150 pode aliviar a fonte óptica e o sistema de alta tecnologia de componentes especializados necessários para modelagem e direcionamento de feixe. O conjunto de modelagem e direcionamento de feixe 1-150 também pode acomodar variações de fabricação e montagem na fonte óptica e no sistema de alta tecnologia, bem como reduzir a sensibilidade do acoplamento de feixe a fatores ambientais, tais como variações de temperatura e vibrações. Em algumas modalidades, um conjunto de modelagem e direcionamento de feixe pode lidar com feixes ópticos pulsados com potências médias de até 2 Watts, com uma duração de pulso tão curta quanto 10 picossegundos. O conjunto também pode ser usado para se dirigir à perda de guia de ondas dependente do tempo em um sistema de alta tecnologia, tal como o sistema de sequenciamento genético descrito acima.
[0064] Uma abordagem para reduzir os efeitos da perda de guia de ondas dependente do tempo é reduzir o comprimento de guias de ondas integrados usados em um chip. Em alguns casos, porém, comprimentos apreciáveis de guias de ondas podem ser necessários para encaminhar sinais ópticos para as câmaras de reação. Alternativa ou adicionalmente, a intensidade da radiação acoplada aos guias de ondas pode ser reduzida. Os inventores reconheceram e apreciaram que a perda de guia de ondas dependente do tempo pode ser muito problemática quando um feixe proveniente de uma fonte óptica 1-110 é primeiro acoplado a um único guia de ondas de um circuito óptico integrado e depois redistribuído entre muitos guias de ondas. Na região de acoplamento, a intensidade pode ser muito alta e causar mudanças rápidas na perda de guia de ondas.
[0065] Para reduzir a perda de guia de ondas dependente do tempo na zona de acoplamento, os inventores conceberam um acoplador direcional seccionado 2-100, uma ilustração simplificada do qual é
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27/77 mostrada na Figura 2-1 A. O acoplador direcional seccionado pode ser um componente óptico integrado de precisão localizado em um chip em um sistema de alta tecnologia 1-160 e compreende uma grade 2110 de comprimento L formada adjacente a uma pluralidade de guias de ondas 2-120. Os guias de ondas podem ter extremidades cônicas 2-122 que recebem a luz difratada pela grade 2-110. As extremidades cônicas podem ter diferentes larguras (por exemplo, larguras mais largas em direção às extremidades opostas da grade, conforme representado). A largura total ocupada pelas extremidades cônicas pode ser menor ou aproximadamente igual ao comprimento L da grade. O acoplador direcional seccionado pode ser integrado em um substrato que inclui, por exemplo, um circuito fotônico e câmaras de reação 1-330. [0066] Em algumas modalidades, um feixe da fonte de excitação 1-110 pode ser modelado (ou produzido pela fonte de excitação) de modo a se estender na direção ± X para coincidir essencialmente com um perfil de feixe de área grande aceito para um acoplador direcional que tem um comprimento L. O perfil de feixe de área grande pode ter um comprimento de feixe ou primeira cintura na direção ± X (medida entre valores de intensidade 1/e2) que corresponde aproximadamente ao comprimento L da grade e uma largura de feixe ou segunda cintura na direção Y (medida entre valores de intensidade 1/e2) que correspondem aproximadamente a uma largura da grade. Por exemplo, o feixe estendido 2-112 pode ter um formato conforme representado pela elipse tracejada na Figura 2-1 A. Quando tal feixe incide na grade (por exemplo, se deslocando principalmente na direção +Z), a grade difratará o feixe na direção +Y em direção às extremidades cônicas 2122 dos guias de ondas 2-120. O feixe pode ter um perfil de intensidade transversal na direção X que é mais intenso em seu centro e reduz a intensidade ao se mover em direção às bordas do feixe (reduzindo nas direções ± X). Para tal feixe, as extremidades cônicas 2-122 dos
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28/77 guias de ondas podem ser mais largas nas extremidades opostas da grade 2-110 e mais estreitas no centro da grade, de modo que quantidades similares de energia sejam acopladas a cada guia de ondas dentre a pluralidade de guias de ondas 2-120. Embora 10 guias de ondas sejam mostradas no desenho, um acoplador direcional seccionado pode ter muito mais guias de ondas (por exemplo, entre 20 e 2000). Ao distribuir o acoplamento de energia através de muitos guias de ondas, os efeitos adversos associados à perda dependente do tempo, desde o acoplamento inicial de toda a energia a um único guia de ondas e subsequentemente a distribuição de energia óptica em múltiplos guias de ondas, podem ser reduzidos ou eliminados. Um feixe expandido também reduz a intensidade no acoplador direcional e reduz o risco de danificar a grade 2-110 ou a região de acoplamento. Na Figura 2-1A e outros desenhos, os eixos de coordenadas são usados meramente por conveniência na descrição de direções. Outras orientações dos eixos de coordenadas podem ser usadas sem sair do escopo do Pedido.
[0067] Os inventores descobriram, inesperadamente, que é difícil obter um acoplamento uniforme de energia à pluralidade de guias de ondas 2-120 com o arranjo de acoplador direcional seccionado 2-100 e o feixe representado na Figura 2-1A. Embora o perfil de intensidade transversal do feixe possa ser gaussiano ou bem caracterizado, de modo que as diferentes larguras das extremidades cônicas 2-122 possam ser computadas previamente para, teoricamente, capturar quantidades iguais de energia, os inventores descobriram que a uniformidade de acoplamento é altamente sensível a variações no perfil de intensidade transversal do feixe e ao deslocamento de feixe nas direções ± X.
[0068] Os inventores conceberam um método para acoplar um feixe largo a uma pluralidade de guias de ondas que permite ajustes para
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29/77 melhorar a uniformidade dos níveis de energia acoplados aos guias de ondas, reduz a sensibilidade de acoplamento ao perfil de intensidade transversal do feixe e ao deslocamento do feixe. A abordagem é ilustrada na Figura 2-1B. De acordo com algumas modalidades, um feixe de formato redondo proveniente de uma fonte óptica (tal como um laser) pode ser reconfigurado em um feixe elíptico 2-122 que é orientado em um ângulo φ em relação às linhas de grade. Um comprimento do eixo principal do feixe elíptico pode exceder o comprimento L da grade 2-110 e da série de extremidades cônicas 2-122 e pode ser rotacionado de modo que o eixo principal da elipse esteja em um ângulo de rotação φ em relação a uma direção longitudinal dos dentes ou linhas da grade 2-110. O ângulo φ pode estar entre 0,25 e 25 graus em algumas modalidades. Porções do feixe 2-122 podem se estender além das bordas da grade 2-110 nas direções ± X e ± Y. De acordo com algumas modalidades, o módulo de modelagem e direcionamento de feixe 1-150 pode reformatar um feixe redondo proveniente de uma fonte óptica 1-110 para um feixe elíptico que é dimensionado entre 10 % e 35 % comparado com um comprimento L que caracteriza o comprimento de uma região de acoplamento à grade de recepção 2-110 e extremidades de guia de ondas cônicas adjacentes 2-122. Como apenas um exemplo, um feixe redondo pode ser modelado em uma elipse com um comprimento de eixo principal h de aproximadamente 150 microns (medido entre valores de intensidade 1/e2) para uma região de acoplamento de uma grade 2-110 que tem um comprimento L de cerca de 120 microns. O comprimento L de uma região de acoplamento para a grade 2-110 pode estar entre 50 microns e 250 microns e a largura da grade pode estar entre 10 microns e 50 microns. Enquanto que a configuração de acoplamento mostrada na Figura 2-1A pode permitir que a energia de mais de 95 % da área de feixe seja acoplada às extremidades cônicas 2-122, a configuração de acoplamento mostrada na Fi
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30/77 gura 2-1B pode permitir que a energia entre 80 % e 95 % da área do feixe seja acoplada às extremidades cônicas, ao mesmo tempo em que exibe menor sensibilidade ao comprimento h do eixo principal do feixe e uniformidade de divisão de energia aprimorada em toda a matriz de guia de ondas. Os inventores reconheceram e apreciaram que uma redução na eficiência total do acoplamento é mais do que compensada por melhorias na estabilidade do acoplamento, sensibilidade reduzida ao comprimento do feixe e uniformidade da energia acoplada aos guias de ondas. No entanto, em algumas modalidades, o feixe alongado pode ser alinhado com a grade 2-110 ou outro componente óptico receptor com um ângulo que é de aproximadamente 0 graus.
[0069] Durante a operação, o ângulo de rotação φ e o deslocamento de feixe nas direções X e Y podem ser ajustados para obter e manter um acoplamento uniforme de energia através dentre a pluralidade de guias de ondas 2-120. Para compensar um feixe 2-122 que tem um perfil de intensidade assimétrico na direção X, a posição do feixe pode ser ajustada nas direções ± X e/ou ± Y para melhorar a uniformidade de acoplamento através dos guias de ondas 2-120. Por exemplo, se a intensidade do feixe na direção +X for maior do que a intensidade do feixe na direção - X, então, o feixe pode ser movido na direção - X para ajudar a equalizar as energias acopladas aos guias de ondas. Além disso, ou altemativamente, o feixe pode ser movido na direção +Y (para o ângulo mostrado) de modo que uma parte do feixe na direção +X se mova na direção +Y da grade 2-110 e reduza a quantidade de energia acoplada às extremidades cônicas 2-122 na direção +X, enquanto que uma parte do feixe na direção - X se move para a grade 2110 e aumenta a quantidade de energia acoplada às extremidades cônicas 2-122 na direção - X. Se um feixe 2-122 tiver um perfil de intensidade simétrico na direção X, então, ajustes nas direções ± Y, ± X e/ou ± φ, por exemplo, podem ser feitos para melhorar a uniformidade
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31/77 e/ou a eficiência da energia de acoplamento nos guias de ondas. Em algumas implementações, ajustes em outros parâmetros do feixe (por exemplo, ângulo de incidência, tamanho do feixe, polarização) podem adicional ou alternativamente ser feitos para melhorar a eficiência e/ou uniformidade do acoplamento.
[0070] Em relação à descrição de ângulos de feixe e direções, +Z pode ser usado para indicar a direção de deslocamento de um feixe óptico. As direções X e Y podem ser denominadas como direções transversais ou laterais. A direção X pode ser usada para indicar uma direção horizontal e a direção Y pode ser usada para indicar uma direção vertical. Uma rotação do feixe em torno do eixo Z pode ser denominada como rolagem (roll) e indicada pelo símbolo φ. A rotação em torno do X eixo pode ser denominada como inclinação (pitch) e indicada pelo símbolo θχ. Uma rotação em torno do eixo Y pode ser denominada como guinada (yarn) e indicada pelo símbolo 0y.
[0071] Embora ajustes para as direções ± Xe ± Y possam ser realizados usando espelhos rotacionais acionados ou janelas ópticas, por exemplo, ajustes no tamanho do feixe e rolagem ou rotação do feixe (± φ) não são simples. Por exemplo, ajustes no tamanho do feixe e na rotação do feixe podem acoplar e afetar outros parâmetros do feixe, tal como a posição do feixe. Os inventores também reconheceram e apreciaram que os ajustes no ângulo de incidência do feixe (ângulos de inclinação e guinada) na grade sem deslocar o feixe podem ser úteis para melhorar a eficiência de acoplamento aos guias de ondas e acomodar variações de fabricação na fonte 1-110 e na óptica receptora do sistema de alta tecnologia 1-160. Os inventores reconheceram e apreciaram que a qualidade de feixe do conjunto de modelagem e direcionamento de feixe deve ser alta (por exemplo, um valor M2 menor do que 1,5), de modo que um acoplamento eficiente possa ser alcançado para componentes ópticos de um sistema de alta tecnologia 1
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160 em alguns casos. Os inventores perceberam que fornecer ajustes de tamanho, posição, ângulo de incidência e rotação do feixe com controles automatizados para múltiplos parâmetros de feixe juntamente com um conjunto compacto e estável para uso em campo é um desafio difícil.
[0072] Um exemplo de um conjunto de modelagem e direcionamento de feixe 1-150 é mostrado na Figura 2-2A. De acordo com algumas modalidades, um módulo de modelagem e direcionamento de feixe pode compreender um chassi sólido 2-210 que está configurado para suportar acionadores e componentes ópticos do módulo de modelagem e direcionamento de feixe. Em modalidades, o chassi pode incluir uma base sobre a qual os componentes ópticos podem ser montados e pode ainda incluir paredes laterais, ou uma porção das mesmas, que podem ser conectadas ou integralmente formadas com a base. O módulo 1-150 pode ainda incluir uma cobertura presa ao chassi de modo a envolver os componentes ópticos. Em alguns casos, a cobertura pode incluir as paredes laterais ou uma parte das mesmas. [0073] O chassi e a cobertura podem ser formados ou montados a partir de metal e/ou um composto de baixa expansão térmica. Em alguns casos, o chassi e a cobertura podem ser usinados ou fundidos a partir de uma única peça de alumínio. Quando o chassi 2-210 é fabricado a partir de uma única peça de material, os elementos que contêm componentes ópticos no conjunto de modelagem e direcionamento de feixe e/ou os próprios componentes ópticos podem ser alinhados com precisão entre si, ao combinar os elementos e/ou componentes com recursos de alinhamento usinados no chassi ou pinos de alinhamento colocados no chassi. O chassi 2-210 pode ter qualquer formato adequado para alojar os componentes ópticos do módulo de modelagem e direcionamento de feixe 1-150 e pode ser configurado para montagem em uma estrutura ou chassi de um instrumento no qual a fonte óptica
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1-110 está incorporada.
[0074] Os inventores reconheceram e apreciaram que o chassi 2210 do módulo de modelagem e direcionamento de feixe pode adicionalmente fornecer suporte a pelo menos uma região de um painel de circuito impresso (PCB) 2-290 de um sistema de alta tecnologia 1-160 no qual um dispositivo com um componente óptico receptor, tal como um chip analítico (por exemplo, um chip bio-optoeletrônico 1-140), pode ser montado, conforme representado na Figura 2-2B. O chassi 2210 do módulo de modelagem e direcionamento de feixe pode estabilizar uma região de outra forma não suportada ou móvel do PCB. Por exemplo, o chassi 2-210 pode ser preso ao chassi de um instrumento de alta tecnologia ou ao chassi 2-212 em vários locais com acessórios mecânicos 2-214 (por exemplo, com parafusos de ajuste de altura), fornecendo um conjunto rígido que se estende por uma área de um PCB 2-290. Uma região de um painel de circuito impresso que suporta um chip analítico 1-140 pode estar próxima da área ocupada pelo chassi do módulo 2-210 e pode ser presa ao chassi do módulo de controle e do módulo de direcionamento 2-210 (por exemplo, com um prendedor 2- 216) para reduzir o movimento relativo (por exemplo, movimento fora do plano, tal como vibrações do painel PCB provenientes de vibrações mecânicas) entre o módulo de modelagem e direcionamento de feixe 1-150 e o chip analítico 1-140. Por exemplo, um prendedor 2-216 (por exemplo, um parafuso) pode prender rigidamente uma região do PCB 2-290 (que poderia não ser suportada) a uma localização próximo de uma porta de saída óptica do módulo de modelagem e direcionamento de feixe 1-150 e reduzir ou eliminar deflexões fora-do-plano do PCB que poderíam ocorrer em virtude de vibrações mecânicas associadas ao PCB. Consequentemente, o módulo de modelagem e direcionamento de feixe 1-150 pode reduzir mecanicamente vibrações as quais, de outro modo, atuariam e deslocariam os elemen
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34/77 tos ópticos receptores do chip ou sistema de alta tecnologia 1-160 em relação ao módulo de modelagem e direcionamento de feixe 1-150. [0075] De acordo com algumas modalidades, o chassi 2-210 e o conjunto de modelagem e direcionamento de feixe 1-150 inteiro podem ser montados no chassi ou na estrutura 2-212 de um instrumento, de modo que a orientação do chassi possa ser ajustada em relação ao chassi ou ao chassi do instrumento 2-212. Por exemplo, um esquema de montagem de três pontos pode ser usado, onde três suportes mecânicos 2-214 permitem, cada um, um ajuste de altura independente do chassi 2-210. Ao ajustar independentemente a altura com estes suportes 2-214, um ou mais ângulos (por exemplo, ângulos de inclinação e rolagem) do chassi 2-210 em relação a um feixe de entrada 2-205 podem ser ajustados além da altura total. Em alguns casos, ranhuras 2-203 (mostradas na Figura 2-2A) formadas em dois locais de montagem (através dos quais os parafusos dos suportes mecânicos podem se estender) poderia permitir um maior ajuste de ângulo (por exemplo, guinada) do chassi 2-210 em relação ao feixe de entrada 2-205.
[0076] Em algumas modalidades, os acionadores de um módulo de modelagem e direcionamento de feixe 1-150 podem compreender um ou mais motores de passo (cinco na modalidade ilustrada, 2-221, 2-222, 2-223, 2-224, 2-225) posicionados para acionar componentes ópticos do módulo de modelagem e direcionamento de feixe. Para reduzir a altura do módulo de modelagem e direcionamento de feixe, os acionadores podem ser montados de modo que seus eixos fiquem aproximadamente no mesmo plano, conforme representado no desenho. Em algumas implementações, um ou mais motores de passo podem ter eixos ortogonais ao plano ou em outras orientações. Em alguns casos, um ou mais motores de passo podem ser fabricados, em parte, em um painel de circuito impresso que pode ser conectado ao módulo de modelagem e direcionamento de feixe, conforme represen
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35/77 tado no exemplo da Figura 2-2B.Por exemplo, urn motor de passo (não mostrado) fabricado no PCB 2-290 pode se estender para o módulo de modelagem e direcionamento de feixe 1-150 e acionar um componente óptico para rotacionar em torno de um eixo Y. Um exemplo de um motor de passo fabricado parcialmente a partir de um PCB é descrito no Pedido Provisório de Patente dos Estados Unidos N° 62/289.019, o qual é aqui incorporado por referência. Um motor fabricado parcialmente a partir de um PCB pode incluir um eixo de acionamento configurado para rotacionar um componente óptico do módulo de modelagem e direcionamento de feixe sobre um eixo que é perpendicular ao plano do PCB. Outros tipos de acionadores (por exemplo, acionadores piezelétricos, motores lineares) podem ser usados como acionadores em algumas implementações.
[0077] De acordo com algumas modalidades e referindo-se novamente à Figura 2-2A e uma representação óptica na Figura 2-3, um módulo de modelagem e direcionamento de feixe 1-150 pode incluir uma primeira janela óptica 2-231, uma segunda janela óptica 2-232, uma lente de focagem 2-233, uma terceira janela óptica 2-235 e uma quarta janela óptica óptica 2-237. Em alguns casos, planos ópticos com superfícies com um nivelamento tão bom quanto 20/20 ou melhor podem ser usados para maior qualidade de feixe, em vez de janelas ópticas. Por segurança, um obturador óptico 2-239 pode ser incluído no conjunto 1-150 para bloquear um feixe de saída. Em modalidades, as janelas ópticas transparentes podem ser acionadas por acionadores (tais como os motores de passo 2-221, 2-222, 2-223, 2-224, respectivamente) para ajustar a posição do feixe e o ângulo de incidência do feixe em um ponto focal da lente de focagem 2-233. As janelas ópticas e a lente de focagem podem ser revestidas com um material antirreflexo para reduzir as reflexões de Fresnel indesejáveis provenientes dos elementos ópticos. As faces opostas das janelas ópticas po
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36/77 dem ser paralelas dentro de 10 segundos de arco, de acordo com algumas modalidades, embora menos paralelismo possa ser tolerado em alguns casos. As janelas ópticas podem ter a mesma espessura ou podem ter diferentes espessuras. A espessura de uma janela óptica pode estar entre 3 mm e 20 mm. Embora espelhos de rotação possam ser usados em alguns casos para ajustar a posição do feixe e o ângulo de incidência, uma vantagem das janelas ópticas é que elas são substancialmente imunes, a princípio, à associação de vibrações mecânicas do chassi 2-210 a variações na posição do feixe e ângulo incidente. Por exemplo, embora a janela óptica possa ser deslocada por movimento vibracional, o percurso do feixe óptico de um feixe que passa pela janela óptica deve permanecer inalterado. Além disso, os efeitos da expansão térmica ou variações de fabricação sobre suportes ópticos para as janelas ópticas que poderíam deslocar as janelas ópticas não afetariam o percurso do feixe a princípio. Em algumas implementações, pode haver um ou mais espelhos rotacionais 2-234 localizados dentro do módulo de modelagem e direcionamento de feixe para redirecionar o percurso do feixe embora, em alguns casos o percurso de feixe através de um módulo de modelagem e direcionamento de feixe possa ser linear ou curvo e nenhum espelho rotacional possa ser usado para duplicar o percurso do feixe.
[0078] De acordo com algumas implementações, o espelho rotacional 2-234 pode ser dicroico, de modo que ele passa um ou mais comprimentos de onda em uma primeira faixa de comprimento de onda e reflete um ou mais comprimentos de onda em uma segunda faixa de comprimento de onda. Por exemplo, um espelho rotacional dicroico revestido 2-234 pode passar um comprimento de onda fundamental na região de comprimento de onda do infravermelho proveniente de uma fonte óptica 1-110 para um dreno de feixe e/ou fotodetector (não mostrado) e refletir um comprimento de onda de frequência duplicada na
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37/77 faixa espectral visível para um chip bio-optoeletrônico 1-140. Em outras implementações, o espelho rotacional 2-234 pode ter um revestimento reflexivo para um único comprimento de onda característico e não ser dicroico. Em tais implementações, a separação de comprimentos de onda no feixe de entrada pode ser obtida com outros componentes ópticos (por exemplo, filtro de interferência, filme, prisma) no conjunto de modelagem e direcionamento de feixe.
[0079] Em modalidades, um espelho rotacional 2-234 pode ser montado em um suporte ajustável 2-246, o qual pode ser ajustado por um parafuso de ajuste 2-247, por exemplo. Tal ajuste pode ser de apenas um grau de liberdade. Por exemplo, o parafuso de ajuste 2247 pode ajustar grosseiramente uma direção de elevação angular do feixe 2-350 através das janelas ópticas 2-231, 2-232, 2-235, 2-237 e da lente 2-233. Em alguns casos, o espelho rotacional 2-234 pode ser montado no chassi 2-210 com uma configuração de montagem não ajustável.
[0080] De acordo com algumas modalidades e referindo-se tanto à Figura 2-2A como à Figura 2-3, a primeira janela óptica 2-231 pode ser rotacionada pelo primeiro acionador 2-221 em torno de um primeiro eixo de rotação. Para auxiliar na explicação, um sistema de coordenadas ortogonais à direita XYZ, com o eixo +Z apontando na direção de deslocamento do feixe, é indicado nos desenhos do feixe de saída 2-350. O primeiro eixo de rotação pode ser essencialmente paralelo a um eixo Y para deslocar um feixe óptico de entrada 2-350 nas direções ± X imediatamente após a primeira janela óptica. A segunda janela óptica 2-232 pode ser rotacionada pelo segundo acionador 2-222 em torno de um segundo eixo de rotação, o qual é essencialmente perpendicular ao primeiro eixo de rotação, para deslocar o feixe óptico nas direções ± Y imediatamente após a segunda janela óptica. Em algumas implementações, a ordem das primeira e segunda janelas ópti
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38/77 cas pode ser invertida. A terceira janela óptica 2-235 pode ser rotacionada pelo terceiro acionador 2-223 em torno de um terceiro eixo de rotação, o qual é essencialmente paralelo, ao primeiro eixo de rotação para deslocar o feixe óptico nas direções ± X imediatamente após a terceira janela óptica. A quarta janela óptica 2-237 pode ser rotacionada pelo quarto acionador 2-224 em torno de um quarto eixo de rotação, o qual é essencialmente perpendicular ao primeiro eixo de rotação, para deslocar o feixe óptico nas direções ± Y imediatamente após a quarta janela óptica. Em algumas implementações, a ordem das terceira e quarta janelas ópticas pode ser invertida.
[0081] Os efeitos sobre um feixe óptico focado em uma superfície do substrato 2-340 em virtude de translação do feixe óptico 2-350 no módulo de modelagem e direcionamento de feixe 1-150 podem ser entendidos a partir da Figura 2-3. A superfície do substrato pode estar localizada em, ou aproximadamente em, um ponto focal da lente de focagem 2-233. Por exemplo, o feixe óptico de saída 2-350 pode passar através da lente de focagem 2-233 e ser focado em um acoplador direcional seccionado 2-100 em um chip bio-optoeletrônico ou outro chip analítico 1-140. Translações laterais do feixe óptico 2-350 pelos elementos ópticos rotacionais localizados após a lente de focagem 2233 resulta em translações ± X, ± Y sobre a superfície 2-340. Como um exemplo, a rotação da terceira janela óptica 2-235 em torno de seu eixo de rotação pode causar uma translação do feixe focado sobre a superfície 2-340 em uma direção paralela ao eixo X em até ± 1200 microns quando a janela óptica 2- 235 tem uma espessura de aproximadamente 6 mm e um índice de refração de aproximadamente 1,5. A rotação da quarta janela óptica 2-237 em torno de seu eixo de rotação pode causar uma translação do feixe focado sobre a superfície 2-340 em uma direção paralela ao Y eixo tanto quanto ± 1200 microns quando a janela óptica 2-237 tem uma espessura de aproximadamente 6
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39/77 mm e um índice de refração de aproximadamente 1,5. Menos ou mais movimento do feixe pode ser alcançado para janelas ópticas mais finas ou mais espessas, respectivamente. Além disso, uma janela óptica com um material com um alto índice de refração (por exemplo, maior do que aproximadamente 1,5) pode fornecer deslocamentos de feixe maiores.
[0082] Translações laterais do feixe óptico 2-350 pelos elementos ópticos rotacionais 2-231, 2-232 localizados antes da lente de focagem 2-233 resultam em alteração dos ângulos de incidência (ângulos de quinada e inclinação) do feixe focado sobre a superfície 2 -340 sem mudar apreciavelmente a localização do feixe (X, Y) sobre a superfície 2-340. Por exemplo, a rotação da primeira janela óptica 2-231 em torno de seu eixo de rotação pode deslocar o feixe óptico nas direções ± X na lente de focagem 2-233. Tal movimento do feixe óptico na lente de focagem alterará o ângulo de incidência 0you guinada (não mostrado na Figura 2-3) do feixe óptico em relação ao eixo Z no plano XZ sobre a superfície 2-340 tanto quanto - 1,0 grau quando a janela óptica tem uma espessura de aproximadamente 9 mm e um índice de refração de aproximadamente 1,8. Em algumas modalidades, a rotação de uma segunda janela óptica 2-232 em torno de seu eixo de rotação desloca o feixe óptico nas direções ± Y e causa uma variação no ângulo de incidência θχ ou inclinação no plano YZ sobre a superfície 2340 em até ± 1,0 graus. Uma vez que a superfície 2-340 está localizada a aproximadamente a distância focal fda lente 2-233, variações no ângulo de incidência em até ± 1,0 grau pela translação do feixe 2-350 antes da lente não afetarão de forma apreciável a localização (X, Y) do feixe focado sobre a superfície 2-340. Em alguns casos, o deslocamento lateral do acoplamento cruzado resultante em X e Y da posição de um feixe em uma localização alvo (por exemplo, sobre a superfície 2-340) é no máximo ± 10 microns. Em alguns casos, o deslocamento
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40/77 lateral do acoplamento cruzado na localização alvo em virtude de rotação das janelas ópticas 2-231, 2-232 não pode ser maior do que ± 5 microns. Variações maiores no ângulo de incidência (por exemplo, tão altas quanto ± 10 graus) podem ser obtidas quando a lente 2-233 tem uma distância focal mais curta e janelas ópticas mais espessas são usadas, embora o deslocamento do acoplamento cruzado possa não variar.
[0083] Ao automatizar o movimento de uma ou mais das janelas ópticas 2-231, 2-232, 2-235, 2-237, a varredura contínua do feixe de saída pode ser realizada em um ou vários graus de liberdade. Para a modalidade representada na Figura 2-2A, a varredura contínua da segunda janela óptica 2-232 e da quarta janela óptica 2-237 pode ser implementada ao rotacionar as janelas ópticas continuamente na mesma direção. Os modos de varredura contínua podem ser úteis para alinhar o feixe de saída a um componente óptico ou porta receptora em um sistema de alta tecnologia 1-160. A varredura contínua ou gradual também pode ser útil para acoplar o feixe de saída a múltiplos componentes ópticos receptores ou portas em um sistema de alta tecnologia. Por exemplo, o feixe de saída pode ser sequencialmente escalonado para diferentes acopladores direcionais no mesmo chip ou em chips diferentes em um sistema de alta tecnologia 1-160. Deste modo, vários ensaios diferentes (cada um com uma pluralidade de cavidades de amostras para análise de amostras) podem ser realizados quase simultaneamente.
[0084] Em algumas modalidades, pode haver um espelho rotacional (não mostrado na Figura 2-3) localizado entre a superfície 2-340 e o módulo de modelagem e direcionamento de feixe 1-150 para desviar o feixe na direção -Y ou na direção +Y, de modo que a superfície 2340 possa ficar paralela ao feixe óptico de entrada 2-350. Isto permitiría, por exemplo, que um chip 1-140 bio-optoeletrônico fosse montado
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41/77 paralelamente a um painel de circuito impresso subjacente, conforme representado na Figura 2-2B. Em alguns casos, o espelho rotacional pode ser formado em um baixo custo a partir de uma pequena parte (por exemplo, menos de 5 mm) de uma pastilha de silício, silica fundida ou outro substrato polido, revestido com um material reflexivo e montado dentro de um conjunto que contém o chip bio-optoeletrônico 1-140.
[0085] Em algumas implementações, a lente de focagem 2-233 pode ser uma lente singlet com uma distância focal entre 5 centímetros e 1 metro. Alternativamente, a lente de focagem 2-233 pode ser uma de um par de lentes de transmissão, em que a outra lente pode estar localizada dentro ou fora do conjunto de modelagem e direcionamento de feixe 1-150. Em algumas modalidades, a lente 2-233 pode ser uma lente de zoom (ampliação). A posição, a ampliação e/ou redução de ampliação da lente de focagem 2-233 podem ser controladas manualmente (por exemplo, por um usuário que opera um posicionador (não mostrado) no qual a lente está montada) ou podem ser controladas automaticamente através de um acionador, de modo que ajustes dinâmicos possam ser feitos na posição, ampliação e/ou redução de ampliação da lente. Em algumas implementações, a lente 2233 pode ser instalada em um suporte de lente fixo que é colocado no momento da fabricação ou colocado por um usuário.
[0086] Ajustes no formato de feixe e rotação de feixe podem ser obtidos com prismas ópticos de acordo com algumas modalidades. Em algumas implementações, um par de prismas anamórficos 2-252 pode ser usado para comprimir ou expandir uma dimensão do perfil de intensidade transversal de um feixe óptico de entrada. Com referência à Figura 2-2A, o par de prismas anamórficos pode comprimir o perfil de intensidade transversal do feixe óptico de entrada 2-205 em uma direção (direção X em relação ao feixe óptico de entrada 2-205) em um
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42/77 fator entre 3 e 8 (dependendo dos formatos dos prismas) e não afeta o perfil de intensidade transversal na direção Y. A quantidade de compressão ou expansão pode ser determinada por ângulos de corte entre a entrada do prisma e as faces de saída através das quais o feixe óptico passa. De acordo com algumas implementações, os prismas podem ser cortados com um ângulo entre 15 e 45 graus entre as faces do prisma de entrada e saída. As faces do prisma podem ser revestidas com um revestimento antirreflexo. Em virtude da compressão em uma dimensão (a dimensão X no exemplo mostrado), a largura do feixe óptico na direção X na lente de focagem 2-233 será maior ou estendida comparado com o perfil de intensidade transversal na direção Y, conforme indicado na Figura 2-1B. Em algumas modalidades, ajustes no tamanho e elipticidade do feixe pode ser feitos ao mover a lente de focagem 2-233 ao longo do percurso do feixe óptico (por exemplo, mover a objetiva 2-233 com um acionador linear) e/ou alterar uma ampliação ou redução de ampliação efetiva fornecida pela objetiva de focagem 2-233 (por exemplo, ao alterar a configuração da lente de ampliação).
[0087] Embora um par de lentes cilíndricas possa ser usado em algumas implementações para expandir ou comprimir um feixe óptico, os inventores descobriram que o formato de feixe resultante é altamente sensível ao alinhamento do par de lentes. Por exemplo, se o par de lentes cilíndricas for rotacionado em torno do eixo óptico do feixe em uma quantidade tão pequena quanto 1 grau, então, o formato de feixe resultante será rotacionado em mais de cinco vezes este valor.
[0088] De acordo com algumas modalidades, o par de prismas anamórficos 2-252 pode ser alinhado no momento de fabricação. Por exemplo, os prismas podem combinar com recursos de alinhamento usinados e/ou pinos (não mostrados) formados ou montados no chassi
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2-210. Em algumas implementações, os prismas podem combinar com recursos usinados e/ou pinos formados ou montados em uma placa intermediária 2-250 que pode ser combinada para se alinhar aos recursos no chassi 2-210 e ser presa ao chassi 2-210. Em alguns casos, a orientação da placa intermediária 2-250 pode ser ajustada dentro do chassi para ajuste fino do par de prismas (por exemplo, para alinhamento de fábrica). Em alguns casos, cada prisma do par de prismas anamórficos 2-252 pode ser regulado individualmente (por exemplo, montado em um posicionador rotativo). Adicional ou altemativamente, a placa intermediária 2-250 poderia incluir um ajuste de rotação ou ser montada em um posicionador rotativo. A orientação do par de prismas, ou cada prisma individual do par, pode ser automatizada com um ou dois motores de passo em algumas modalidades. Os inventores reconheceram e apreciaram que o par de prismas anamórficos pode ser ajustado manualmente no momento de fabricação para adaptar de forma flexível um formato de feixe proveniente de uma fonte óptica a um sistema de alta tecnologia para uma variedade apropriadamente ampla de formatos de feixe e a qualidade de acoplamento ao sistema de alta tecnologia pode ser manipulada dinamicamente com ajustes automatizados de rotação do feixe, deslocamento e ângulo de incidência fornecidos por outros componentes ópticos no conjunto de modelagem e direcionamento de feixe 1-150.
[0089] Um par de prismas anamórficos 2-252 pode conferir benefícios adicionais para o conjunto de modelagem e direcionamento de feixe 1-150. Um primeiro benefício é que ele pode permitir separação espacial de feixes ópticos em diferentes comprimentos de onda. Em algumas implementações, um feixe de entrada 2-205 para o conjunto pode compreender múltiplas frequências (por exemplo, uma frequência ou comprimento de onda fundamental de um laser e uma frequência de segundo harmônico ou comprimento de onda duplicado de um
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44/77 elemento óptico não linear no percurso do feixe de laser). O par de prismas anamórficos 2-252 pode refratar os dois comprimentos de onda diferentes em diferentes direções, conforme representado pelas linhas tracejadas e sólidas na Figura 2-2A.Por exemplo, uma parte de infravermelho do feixe óptico de entrada 2-205 pode se deslocar ao longo do percurso da linha pontilhada para um dreno de feixe 2-260 e/ou fotodiodo, por exemplo, e uma parte de frequência duplicada do feixe óptico 2-205 pode percorrer o percurso da linha sólida através do conjunto 1-150. Um segundo benefício do par de prismas anamórficos 2-252 é que ele pode reduzir a sensibilidade do acoplamento de feixe para deslocamentos ± X do feixe de entrada 2-205. A redução na sensibilidade se deve a uma redução de ampliação do feixe óptico pelo par de prismas na direção X.
[0090] Além disso, o formato de feixe não é afetado pela posição do feixe de entrada nas direções X e Y, contanto que o feixe não seja cortado por uma borda de qualquer um dos prismas no par de prismas 2-252. A este respeito, o formato de feixe tem sensibilidade reduzida a vibrações, expansão térmica e/ou variações de usinagem que deslocariam o par de prismas em relação ao feixe de entrada. Por exemplo, o feixe óptico de entrada 2-205 pode se deslocar em até ± 3 mm nas direções X ou Y sem afetar o formato de feixe elíptico depois do par de prismas 2-252. A imunidade do formato de feixe aos deslocamentos X e Y não é possível quando um par cruzado de lentes cilíndricas é usado no conjunto 1-150 para remodelar o feixe de entrada 2-205.
[0091] Outras implementações relacionadas à modelagem de feixe podem ser empregadas. De acordo com algumas implementações, o par de prismas anamórficos 2-252 pode ser usado ou estar localizado no sentido inverso, de modo que ele possa transformar um feixe elíptico em um feixe redondo. Isto pode ser útil para converter um perfil de feixe transversal proveniente de um laser de diodo de um formato
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45/77 alongado para um formato mais redondo, por exemplo. Em algumas modalidades, a conversão do formato de feixe pode não ser necessária para que um par de prismas anamórficos 2-252 não seja usado e um ou mais espelhos rotacionais podem ser instalados, em vez do par de prismas anamórficos 2-252. Em tais modalidades, o prisma de rotação de imagem 2-254 pode ser usado para rotacionar a polarização do feixe de entrada. Em alguns casos, um expansor de feixe Galileano pode ser usado, em vez do par de prismas anamórficos, para redimensionar (ampliar ou reduzir a ampliação) um feixe de entrada de qualquer formato. De acordo com algumas modalidades, um ou mais dispositivos de rotação de polarização (placa de meia onda) ou transformador (placa de quarto de onda, filme polarizador) podem ser instalados no conjunto de modelagem e direcionamento de feixe em qualquer localização adequada para operar sobre a polarização do feixe de entrada. Um dispositivo de rotação de polarização ou um transformador de polarização pode ser rotacionado manualmente (por um usuário) ou automaticamente (por um acionador).
[0092] A rotação do formato de feixe transversal e polarização pode ser conseguida usando um prisma de rotação de imagem 2-254 de acordo com algumas modalidades. Em algumas modalidades, um feixe que sai do par de prismas anamórficos 2-252 pode passar centralmente através do prisma de rotação que é rotacionado em torno de um eixo de rotação que é aproximadamente paralelo ao eixo óptico de um feixe óptico que entra no prisma. A rotação do prisma pode rotacionar o formato transversal do feixe óptico e sua polarização em torno de seu eixo óptico saindo do prisma. Deste modo, um feixe óptico com uma formato de feixe transversal elíptico (conforme representado na Figura 2-1B) pode ser rotacionado em torno de seu eixo óptico (por exemplo, na direção ± φ ilustrada na Figura 2-1B). De acordo com algumas modalidades, o prisma de rotação pode ser um prisma de Do
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46/77 ve. Outras modalidades com diferentes layouts ópticos podem usar outros prismas de rotação de imagem (por exemplo, um prisma Schmitt, um grupo de espelhos).
[0093] Em algumas implementações, um prisma de rotação de imagem 2-254 pode ser montado em um conjunto de rotação que tem um berço 2-410 que rotaciona em torno de um eixo de rotação o qual é paralelo ao eixo Z do feixe óptico na ilustração da Figura 2-4. O berço pode ter uma superfície cilíndrica 2-412 que rotaciona em pelo menos três rolamentos 2-420 de acordo com algumas modalidades. Em alguns casos, quatro rolamentos 2-420 podem ser usados. Os rolamentos podem ser montados em hastes ou eixos montados sobre o chassi 2-210. Um acionador (por exemplo, motor de passo) pode pressionar e soltar em um braço de alavanca 2-434 para rotacionar o berço. Em algumas modalidades, uma mola de compressão 2-440 (ou qualquer outra mola adequada) apoiada por um suporte 2-446 pode atuar em um braço de contra-alavanca 2-432 para fornecer força estabilizadora de contrabalanceamento contra o acionador que pressiona o braço de alavanca 2-434, remover qualquer folga na conexão mecânica e manter o berço contra os rolamentos 2-420. Em alguns casos, o suporte 2446 pode compreender uma parte de uma cobertura montada sobre o conjunto de modelagem e direcionamento de feixe 1-150. Com um motor de passo pressionando o braço de alavanca 2-434, o berço 2-410 pode ser rotacionado em ± 12,5 graus. Em virtude da reflexão óptica através do prisma, o formato de feixe pode ser rotacionado sobre a superfície 2-340 até ± 25 graus. A resolução da rotação do feixe pode ser menor do que 0,1 grau por etapa de um motor de passo (por exemplo, entre 0,01 grau/microetapa e 0,1 grau/microetapa) usando motores de passo comercialmente disponíveis.
[0094] O berço 2-410 pode incluir um recesso usinado no qual o prisma de rotação de imagem 2-254 pode ser montado, de modo que
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47/77 o centro do prisma de rotação de imagem seja concêntrico com o eixo de rotação do berço. O recesso usinado pode compreender uma ou mais faces ou pinos de alinhamento que estão alinhados para serem aproximadamente paralelos a um percurso do feixe óptico planejado no conjunto de modelagem e direcionamento de feixe 1-150 quando montados. Durante a montagem, o prisma de rotação de imagem 2254 pode ser alinhado ao combinar o prisma com uma ou mais das faces ou pinos de alinhamento e prender o prisma no berço com qualquer meio de fixação adequado. Além disso, as hastes que suportam os rolamentos 2-420 podem ser alinhadas em paralelo aos recursos usinados no chassi 2-210, de modo que o eixo central do prisma de rotação coincida aproximadamente com um eixo de rotação do berço 2-410 e com um percurso de feixe óptico planejado através do conjunto de modelagem e direcionamento de feixe 1-150. Consequentemente, um feixe de entrada 2-205 alinhado aproximadamente com um percurso de feixe óptico planeado através do conjunto terá seu formato (perfil de intensidade transversal) rotacionado com uma alteração mínima no deslocamento de feixe e na direção do feixe.
[0095] Os inventores também reconheceram e apreciaram que é benéfico ter um formato de baixo perfil do conjunto de modelagem e direcionamento de feixe 1-150. Isto pode ser difícil quando o mesmo tipo de acionador (por exemplo, um motor de passo rotativo) é usado para operar em todos os componentes ópticos móveis dentro do conjunto. O uso de um mesmo tipo de acionador pode ser benéfico em termos de complexidade reduzida, número reduzido de peças diferentes, custo de desconto por volume e facilidade de troca. No entanto, os componentes ópticos no conjunto 1-150 usam rotação sobre eixos ortogonais. Por exemplo, e em referência novamente à Figura 2-2A, duas janelas ópticas 2-232, 2-237 rotacionam em torno de eixos paralelos ao X eixo mostrado no desenho e podem ser diretamente aciona
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48/77 das pelos motores de passo 2-222, 2-224, respectivamente. Neste caso, as janelas ópticas podem ser montadas diretamente nas extremidades dos eixos de acionamento dos motores, por exemplo. Por outro lado, duas das janelas ópticas 2-231, 2-235 rotacionam em torno de eixos que são essencialmente ortogonais ao eixo X. Normalmente, isto exigiría a montagem dos acionadores para estas duas janelas ópticas 2-231, 2-235 ortogonais aos acionadores para as outras duas janelas ópticas 2-232, 2-237, o que aumentaria sensivelmente a altura total do conjunto de modelagem e direcionamento de feixe 1-150. Alternativamente, pode ser necessário usar um tipo diferente de acionador, o que aumentaria o número de componentes com um design diferente no conjunto de modelagem e direcionamento de feixe.
[0096] Para manter um baixo perfil geral do conjunto de modelagem e direcionamento de feixe, conexões mecânicas 2-242, 2-244 podem ser usadas para permitir que todos os acionadores rotativos sejam montados de tal forma que seus eixos de acionamento estejam todos aproximadamente no mesmo plano ou em planos aproximadamente paralelos. Um exemplo de conexão mecânica 2-242 (que não requer engrenagens, polias ou rodas dentadas) que permita tal montagem de acionadores rotativos é apresentada na Figura 2-5A, embora possam ser usadas outras conexões em algumas modalidades. De acordo com algumas modalidades, uma conexão mecânica pode compreender um braço de carne 2-510 conectado a um eixo de acionamento rotativo 2-530 de um acionador, um rolamento 2-520 conectado ao braço de carne e um braço de alavanca 2-540 conectado a um suporte óptico 2-505. O eixo do acionador 2-530 pode girar em torno de um primeiro eixo geométrico (por exemplo, um eixo paralelo ao eixo X mostrado no desenho). O suporte óptico 2-505 pode conter uma janela óptica 2-231, por exemplo, e girar usando um eixo e/ou um rolamento 2-550 em torno de um segundo eixo de rotação (por exemplo, um eixo
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49/77 paralelo ao Y eixo) que é aproximadamente ortogonal ao eixo de rotação do eixo de transmissão. Quando o acionador é acionado, o rolamento 2-520 pressiona o braço de alavanca 2-540 e corre através de uma superfície do braço de alavanca, fazendo com que a janela óptica 2-231 seja girada em torno do segundo eixo de rotação. Uma mola de torção 2-560 (ou qualquer outra mola adequada) apoiada por um suporte 2-446 pode fornecer força estabilizadora de contrabalanceamento contra o acionador ao pressionar o braço de alavanca 2-540 e remover qualquer folga na conexão mecânica. Em alguns casos, o suporte 2-446 pode compreender uma parte de uma cobertura que é usada para cobrir o conjunto de modelagem e direcionamento de feixe
1- 150. A conexão mecânica mostrada na Figura 2-5A pode ser usada para rotacionar janelas ópticas, espelhos rotacionais e/ou o prisma de rotação de imagem no conjunto de modelagem e direcionamento de feixe.
[0097] Os inventores reconheceram e apreciaram que o movimento de rotação do braço de alavanca 2-540 em torno do segundo eixo de rotação e o percurso circular do rolamento 2-520 normalmente levariam a uma variação não linear no ângulo do componente óptico 2-23 em virtude de uma variação no ângulo do eixo de acionamento do acionador 2-530. De acordo com algumas modalidades, uma superfície curvada 2-545 pode ser formada no braço de alavanca a qual compensa as não linearidades. Quando uma superfície curvada é empregada no braço de alavanca 2-540, pode haver uma relação linear ou aproximadamente linear entre uma variação no ângulo do eixo de acionamento rotativo 2-530 e uma variação no ângulo do componente óptico 2-231 sobre uma amplitude de movimento estendida do componente óptico comparado com o caso quando a superfície de contato do braço de alavanca 2-540 é plana. Uma curvatura da superfície curvada
2- 545 pode ser concebida para fornecer uma relação linearizada para
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50/77 uma aplicação desejada. O uso de uma superfície curvada 2-545 pode aumentar a faixa útil de saída linearizada (por exemplo, movimento rotativo da janela óptica 2-231) resultante do movimento rotativo do acionador rotativo. Por exemplo, a saída pode permanecer linear dentro de ± 5 % de erro ao longo de uma rotação de 30 graus em torno do rolamento 2-550. Em algumas implementações, a saída pode permanecer linear dentro de ± 2 % de erro ao longo de uma rotação de 30 graus em torno do rolamento 2-550. Como um exemplo, o braço de alavanca 2-434 do berço 2-410, mostrado na Figura 2-4, pode incluir uma superfície curvada para linearizar uma relação, tal como um ângulo de rotação de um acionador que comprime um rolamento 2-520 no braço de alavanca 2-434 e um ângulo de rotação do prisma de rotação de imagem 2-254.
[0098] Como outro exemplo, uma superfície curvada 2-545 pode ser concebida para fornecer um deslocamento linearizado de um feixe óptico que passa através de uma janela óptica 2-231 que é rotacionada pela conexão mecânica representada na Figura 2-5A. A concepção da superfície curvada pode levar em conta o movimento rotativo do braço de carne 2-510, o movimento rotativo da janela óptica 2-231 e a lei de Snell-Descartes para um feixe óptico que passa através da janela óptica. Quando uma curvatura adequadamente concebida é formada no braço de alavanca 2-540, o deslocamento linearizado pode ser obtido em uma ampla faixa de movimento rotativo do braço de carne 2510. Um exemplo de deslocamento de feixe linearizado ao longo de uma faixa ampla de movimento rotativo de um braço de carne 2-510 é mostrado no gráfico da Figura 2-5B. Um ajuste linear aos dados mostra um valor R2 de 0,983. Acredita-se que algum do ruído nos pontos de dados se deva a irregularidades no movimento do rolamento 2-520 e nivelamento da superfície curvada 2-545. Valores R2 mais altos são esperados com rolamentos de maior qualidade e usinagem ou acaba
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51/77 mento mais precisos da superfície curvada 2-545. Em modalidades, uma superfície curvada modificada 2-545 pode linearizar a saída medida para uma conexão mecânica para um valor R2tão alto como 0,98, embora possam ser obtidos valores mais elevados em alguns casos.
[0099] Componentes ópticos (por exemplo, prismas anamórficos 2-252, prisma de Dove 2-254, espelhos rotacionais 2-234 e janelas ópticas) que são usados no conjunto de modelagem e direcionamento de feixe 1-150 podem ser de qualidade óptica moderada ou alta. Em algumas modalidades, os componentes ópticos podem ter uma qualidade de superfície de 40-20 (raspagem, escavação) ou melhor para superfícies através das quais o feixe óptico passa ou é refletido. O nivelamento destas superfícies pode ser tão alto quanto 1/4 de um comprimento de onda a 633 nm ou menos. Revestimentos antirreflexo (AR) podem ser aplicados sobre as superfícies pelas quais o feixe óptico passa. O revestimento AR pode ser de banda estreita em algumas modalidades ou pode ser de banda larga em outras modalidades. Se feixes de dois comprimentos de onda passam através de uma superfície (por exemplo, feixes ópticos, fundamentais e de segundo harmônico), então, um revestimento AR dicroico pode ser aplicado à superfície. Em algumas implementações, quaisquer revestimentos usados nos elementos ópticos podem ser revestimentos de alta potência, de modo que o conjunto de modelagem e direcionamento de feixe possa ser usado para fontes ópticas que produzem potências de feixe de saída de até 100 Watts.
[00100] Um aspecto vantajoso do módulo de modelagem e direcionamento de feixe 1-150 é que os ajustes de ângulo incidente para 0xe 0y(em referência à Figura 1-3) para um feixe incidente em um componente de acoplamento óptico receptor podem ser substancialmente independentes dos ajustes de X, Y na posição do feixe focado sobre a superfície 2-340, conforme explicado em relação à Figura 2-3. Além
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52/77 disso, os ajustes para a rotação ou rolagem φ do feixe podem ser feitos de modo substancialmente independente dos ajustes de θχ, 0y, X e Y. Consequentemente, cinco parâmetros de feixe (θχ, 0y, X, Y e φ) podem ser ajustados essencialmente de forma independente uns dos outros. Por exemplo, o ajuste de qualquer parâmetro pode ser feito essencialmente sem acoplamento cruzado nos outros parâmetros de feixe. Além disso, o foco do feixe no componente óptico receptor pode ser alterado de modo essencialmente independente de outras características do feixe (por exemplo, translação da lente 2-233). Estes aspectos de ajustes independentes podem reduzir a complexidade do alinhamento de um feixe incidente a um componente óptico receptor e podem permitir o alinhamento automático de um feixe óptico 2-350 a um componente óptico receptor. Por exemplo, e em referência novamente à Figura 1-3, a energia óptica proveniente de um feixe óptico de entrada que tem pulsos 1-122 que são acoplados a um ou mais guias de ondas 1-312 através de um acoplador direcional 1-310 ou acoplador direcional seccionado 2-100 pode ser monitorada com um ou mais fotodiodos 1-324 em uma extremidade oposta de um ou mais guias de ondas durante um procedimento de alinhamento. Qualquer ângulo de incidência e ângulo de rotação do feixe pode ser ajustado para aumentar ou otimizar o acoplamento sem alterar sensivelmente a posição do feixe no acoplador direcional. Além disso, se necessário, ajustes no foco do feixe podem ser feitos independentemente de ajustes em outros parâmetros do feixe ao mover a lente 2-233 ao longo do percurso do feixe óptico. Uma vez que os ajustes dos parâmetros de feixe são essencialmente dissociados uns dos outros, o conjunto de modelagem e direcionamento de feixe 1-150 pode ser usado para automatizar mais prontamente o alinhamento de um feixe óptico proveniente de uma fonte óptica 1-110 a um sistema de alta tecnologia 1-160 e aumentar e manter a alta eficiência de acoplamento. Se ajustes em
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53/77 um parâmetro de feixe (por exemplo, posição X) fossem associados de forma cruzada em um ou mais parâmetros de feixe (por exemplo, ângulo de incidência ou formato de feixe), o alinhamento seria mais complicado e difícil de automatizar.
[00101] De acordo com algumas modalidades, um procedimento de alinhamento automático pode ser usado para alinhar o feixe óptico proveniente de uma fonte 1-110 óptica a um acoplador de guia de ondas (por exemplo, acoplador direcional seccionado 2-100) em um sistema de alta tecnologia 1-160. Um procedimento de alinhamento pode compreender executar uma busca em espiral para o acoplador direcional 2-100, conforme representado na Figura 2-6, embora outros tipos de padrões de pesquisa, tal como varredura raster e varredura biftrofedônica, possam ser usados. A busca em espiral pode ser executada ao rotacionar a terceira janela óptica 2-235 e a quarta janela óptica 2237 para uma translação lateral de um feixe focado 2-350 nas direções X e Y sobre a superfície do chip. Por exemplo, depois que um chip 1140 é carregado em um instrumento de alta tecnologia 1-100 e a fonte óptica 1-110 é conectada, o feixe óptico pode atingir a superfície do chip na localização marcada como A na Figura 2-6. Nesta localização, pode não haver sinal detectado pelo detector quádruplo 1-320. Um percurso de busca em espiral 2-610 pode ser executado, ao mesmo tempo em que os sinais provenientes do detector quádruplo são monitorados. Na localização B, o detector quádruplo pode começar a registrar os sinais de posição (X, Y) do feixe a partir de seus detectores. Os circuitos de controle podem, então, determinar a localização do feixe em relação a um centro do detector quádruplo, cancelar a execução do percurso em espiral e operar os acionadores 2-223 e 2-224 para direcionar o feixe para um centro do detector quádruplo 1-320, ponto C. O acoplador direcional 2-100 pode estar localizado de modo aproximadamente central sobre o detector quádruplo. Subsequente
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54/77 mente, podem ser feitos ajustes de posição fina, rotação do feixe e ângulo incidente para aumentar a quantidade de energia óptica acoplada aos guias de ondas 2-120 e melhorar a uniformidade de energia acoplada a cada guia de ondas. Em algumas modalidades, as energias ópticas de múltiplos fotodiodos integrados 1-324 acoplados a vários guias de ondas 2-120 podem ser monitoradas para ajudar a fazer ajustes finos no feixe óptico no acoplador direcional para melhorar a uniformidade das energias acopladas nos múltiplos guias de ondas ópticos.
[00102] Outros métodos e dispositivos podem ser usados para buscar com detector quádruplo 1-320 e alinhar o feixe focado 2-350 ao acoplador direcional 2-100. Em algumas modalidades, a sensibilidade do detector quádruplo 1-320 pode ser aprimorada para expandir a faixa ao longo da qual o feixe óptico pode ser detectado. Por exemplo, os sinais provenientes do detector quádruplo com a energia do feixe óptico em alta potência (por exemplo, totalmente conectado) podem ser comparados com os sinais provenientes do detector quádruplo com a energia do feixe óptico em um ajuste baixo (por exemplo, desativado). Adicionalmente, os sinais podem ser integrados durante períodos de tempo mais longos para melhorar a sensibilidade de detecção de localização do detector quádruplo quando o feixe óptico pode estar localizado a uma distância apreciável do detector quádruplo.
[00103] Em algumas modalidades, os elementos de dispersão de luz 2-630 podem ser fabricados no chip 1-140 em torno do detector quádruplo 1-320. Quando o feixe focado está desalinhado e em uma localização periférica afastada do detector quádruplo, os elementos de dispersão podem dispersar a luz do feixe focado para o detector quádruplo 1-320. A luz dispersa detectada pode, então, indicar uma posição do feixe.
[00104] Em algumas implementações, um elemento de dispersão
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55/77 linear estreito (por exemplo, uma trincheira ou nervura, um conjunto de colunas ou pinos, não mostrado) ou um detector de linha de largura similar ao tamanho do feixe focado previsto pode ser colocado no centro ou ao lado do detector quádruplo (ou em qualquer orientação adequada em relação ao detector quádruplo) e se estender significativamente além das bordas opostas do detector quádruplo (por exemplo, para uma distância maior do que uma expectativa razoável de erro inicial de deslocamento do feixe). Uma vez que a orientação deste elemento ou detector é conhecida por concepção, o feixe focado 2-350 pode primeiro sofrer uma varredura em uma direção perpendicular ao elemento até que o feixe atinja o elemento ou detector e seja detectado positivamente, quer por dispersão no detector quádruplo 1-320 ou diretamente pelo detector de linha. Então, o feixe pode sofrer uma varredura na outra direção para encontrar o detector quádruplo 1-320.
[00105] De acordo com algumas modalidades, um feixe óptico pode ser inicialmente expandido sobre a superfície 2-340 do chip 1-140 (por exemplo, desfocagem do feixe ao mover a lente 2-233 com um acionador, inserir uma lente de desfocagem no percurso do feixe ou usando outros meios). A caracterização de perfil do feixe sobre o chip pode, então, ser grandemente aumentada (por exemplo, em um fator de 10 ou mais), de modo que qualquer processo de varredura possa usar etapas maiores entre as posições do feixe quando de busca do detector quádruplo 1-320 (por exemplo, maiores compensações entre loops radiais em uma varredura em espiral). Este e métodos de busca alternativos anteriores podem reduzir o tempo de busca associado ao alinhamento do feixe focado 2-350 ao acoplador direcional 2-100.
[00106] Após o alinhamento, o feixe óptico focado pode ser mantido ativamente em uma posição alinhada. Por exemplo, uma posição (X, Y) do feixe determinada após o alinhamento inicial em relação ao detector quádruplo 1-320 pode ser ativamente mantida usando o feed
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56/77 back do detector quádruplo e a ativação dos acionadores 2-223 e 2224 para manter o feixe em uma localização aproximadamente fixa. Em algumas modalidades, os ângulos incidentes do feixe óptico sobre a superfície podem não ser ajustados após um alinhamento inicial para otimizar a energia acoplada ao guia de ondas. Adicionalmente, a quantidade de energia acoplada aos guias de ondas pode ser mantida a um nível aproximadamente constante durante as medições.
[00107] De acordo com algumas modalidades, a energia distribuída aos guias de ondas 2-120 pode ser mantida em níveis aproximadamente constantes usando o feedback para controlar componentes ópticos do conjunto de modelagem e direcionamento de feixe 1-150 e/ou componentes ópticos ou outros componentes dentro da fonte óptica 1110, Por exemplo, um ou mais sinais de fotodiodo 1-324 provenientes de fotodiodos localizados para receber luz de um ou mais dos guias de ondas podem ser monitorados por um processador de sinal para avaliar os níveis de energia acoplados aos guias de ondas. Sinais de controle podem ser produzidos em resposta às variações detectadas nos níveis de energia nos guias de ondas e os sinais de controle podem ser aplicados a acionadores no conjunto de modelagem e direcionamento de feixe e/ou fonte óptica. Em relação a uma fonte óptica que compreende um laser que produz um feixe de saída com frequência duplicada usando um cristal que duplica a frequência, um sinal de controle pode ser aplicado a um acionador que controla a orientação de uma placa de meia onda na fonte óptica. A rotação da placa de meia onda pode alterar a polarização dos pulsos ópticos que entram no cristal de duplicação de frequência e, portanto, alterar a eficiência de conversão para e a energia do comprimento de onda de frequência duplicada. Isto poderia controlar a energia óptica sem afetar a estabilidade da fonte óptica ou ter de desalinhar o feixe óptico em relação ao acoplador direcional 2-100.
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57/77 [00108] Um circuito exemplificativo para alinhamento de feixe e estabilização de energia é representado na Figura 2-7 de acordo com algumas modalidades. Um detector quádruplo 1-320 é representado como quatro fotodiodos e um fotodiodo de guia de ondas 1-324 é representado como um quinto fotodiodo. Em algumas implementações, pode haver uma grande pluralidade de guias de ondas 2-120 às quais a energia óptica é acoplada a partir de um único acoplador direcional. Consequentemente, pode haver uma grande pluralidade de fotodiodos de guia de ondas 1-324 localizados para receber radiação proveniente dos guias de ondas que têm saídas de sinal conectadas aos circuitos de controle 2-730. Os circuitos de amplificação 2-710 podem ser localizados para detectar tensões produzidas pela fotocondução dos diodos. O circuito de amplificação 2-710 pode incluir elementos eletrônicos CMOS (por exemplo, FETs, circuitos de amostragem, conversores analógico-digital) que convertem um sinal analógico em um sinal digital de acordo com algumas modalidades. Em outras modalidades, sinais analógicos podem ser fornecidos a partir do circuito de amplificação para controlar os circuitos 2-730.
[00109] Em algumas modalidades, o circuito de controle pode compreender um ou uma combinação dos seguintes elementos: circuitos analógicos e digitais, um ASIC, um FPGA, um DSP, um microcontrolador e um microprocessador. O circuito de controle 2-730 pode ser configurado para processar sinais recebidos de um ou mais fotodiodos de guia de ondas para determinar um nível de energia óptica em cada guia de ondas. Os circuitos de controle 2-730 podem ser ainda configurados para processar os sinais recebidos do detector quádruplo 1320 para determinar uma localização (X, Y) do feixe óptico em relação ao detector quádruplo. Em algumas implementações, o circuito de controle 2-730 é configurado para detectar a energia acoplada a cada guia de ondas e fornecer um sinal de controle aos acionadores para mover
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58/77 o feixe óptico de modo que a energia seja equalizada nos guias ou tenha uma maior uniformidade através dos guias de ondas.
[00110] Uma posição do feixe óptico na direção X pode ser determinada, por exemplo, por circuitos de controle 2-730 adaptados para executar o seguinte algoritmo:
Sx = [(VQ1 + VQ4) - (VQ2 + Vq3)]/VT [00111] onde Sx é um nível de sinal normalizado que corresponde à direção x, Von é um nível de sinal (por exemplo, tensão) recebido do enésimo fotodiodo do detector quádruplo e V?é um nível de sinal total recebido pela soma de sinal de todos os quatro fotodiodos. Além disso, uma posição do feixe óptico na direção Y pode ser determinada, por exemplo, usando o seguinte algoritmo:
Sy = [(VQ3 +VQ4) - (VQ1 + Vq2)]/Vt.
[00112] A energia média acoplada a todos os guias de ondas no chip 1-140 pode ser determinada pela soma dos sinais de todos os fotodiodos 1-324 localizados para detectar a energia em cada um dos guias de ondas no chip.
[00113] Sinais de controle podem ser gerados pelos circuitos de controle 2-730 que respondem a uma posição do feixe detectada em X e Y e que respondem aos níveis de energia detectados em um ou mais guias de ondas 2-120. Os sinais de controle podem ser fornecidos como sinais digitais através de um ou mais links de comunicação (SM1, SM2,... SM5) para acionadores do módulo de modelagem e direcionamento de feixe 1-150 e através de um ou mais links de comunicação WP para acionadores ou controles do sistema de fonte óptica 1110 (por exemplo, um acionador posicionado para rotacionar uma placa de meia onda ou um atenuador de feixe, um controle para aplicar energia elétrica a uma fonte óptica de diodo). Os sinais de controle podem ser aplicados para estabilizar a energia e/ou melhorar o acoplamento óptico entre a fonte óptica 1-110 e o sistema de alta tecnoloPetição 870190054350, de 13/06/2019, pág. 72/113
59/77 gia 1-160.
[00114] Conforme pode ser apreciado a partir da descrição anterior, o conjunto de modelagem e direcionamento de feixe 1-150 pode, vantajosamente, não incluir alguns componentes de modelagem e direcionamento de feixe que aumentariam significativamente o custo. Tais componentes incluem componentes eletro-ópticos e termo-ópticos, componentes de fase orientada (phased array) ou componentes de combinação de feixe e sistemas microelétrico-mecânicos. De acordo com algumas modalidades, todas as partes de um conjunto de modelagem e direcionamento de feixe 1-150 podem ser fabricadas usando capacidades de usinagem e moldagem convencionais.
[00115] Embora o uso do conjunto de modelagem e direcionamento de feixe seja descrito principalmente para acoplamento a um acoplador direcional seccionado, ele pode ser usado para acoplar um feixe óptico a outros sistemas ópticos tais como, porém sem limitações, uma fibra óptica, um arranjo de fibras bidimensional, um guia de ondas óptico integrado por meio de acoplamento superior, um ou mais canais microfluídicos, um acoplador de prisma ou um sistema óptico arranjado para excitar os plasmônio em superfície.
[00116] Algumas modalidades de um conjunto de modelagem e direcionamento de feixe 1-150 podem incluir sensores e circuitos (não mostrados na Figura 2-2A) para monitorar e avaliar o estado operacional de pelo menos alguns componentes no conjunto. Por exemplo, um conjunto de modelagem e direcionamento de feixe 1-150 pode incluir um painel de circuito impresso que inclui um circuito para monitorizar o estado e/ou operação de componentes de condução de feixe (por exemplo, estado operacional dos acionadores, movimento dos componentes ópticos) e inclui circuitos de controle para operar os acionadores. Em alguns casos, um PCB pode incluir um microcontrolador e/ou circuitos de controle 2-730 que permitem o processamento de si
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60/77 nais recebidos e o envio de sinais de controle para os acionadores com base nos sinais recebidos processados. Os sensores para monitorar o movimento dos componentes podem incluir codificadores ópticos, codificadores mecânicos, interruptores ópticos de proximidade e interruptores de limite (para monitorar o movimento mecânico dos componentes para determinar se eles se movem conforme as instruções). Em alguns casos, o movimento de um componente óptico pode ser determinado a partir de uma quantidade de corrente fornecida a um acionador que opera no componente óptico. Em algumas modalidades, sensores de temperatura e/ou sensores de corrente (por exemplo, termistores) podem ser usados para monitorar componentes eletrônicos no conjunto (por exemplo, motores de passo ou outros acionadores) para determinar se eles estão operando dentro de temperaturas operacionais seguras ou para determinar ajustes de compensação de temperatura em posições de componentes ópticos para anular os efeitos da temperatura sobre o feixe.
[00117] Em algumas modalidades, um ou mais fotodiodos, uma ou mais matrizes de formação de imagem e/ou um ou mais detectores quádruplos podem ser incorporados no conjunto de modelagem e direcionamento de feixe 1-150 para monitorar as características do feixe óptico 2-350 em uma ou mais localizações dentro do conjunto. As características que podem ser monitoradas incluem, porém sem limitações, energia em um feixe fundamental, energia em um feixe de segundo harmônico, posição do feixe de saída, direção apontada do feixe de saída, formato do feixe de saída e ângulo de incidência do feixe de saída. Por exemplo, um fotodiodo pode ser usado para monitorar a quantidade de energia no feixe fundamental ou outro feixe em um dreno de feixe 2-260 quando feixes de diferentes comprimentos de onda são separados. Um segundo fotodiodo pode monitorar a quantidade de energia em um feixe de segundo harmônico do feixe fundamental
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61/77 que vaza através de um espelho rotacional (por exemplo, espelho 2234) ou é refletido a partir de uma faceta de uma janela óptica 2-231, 2-232, 2- 235, 2-237 ou lente 2-233, ou outro componente óptico dentro do conjunto 1-150. Em alguns casos, um fotodiodo pode ser montado em uma cobertura colocada sobre o chassi 2-210 ou na base do chassi para receber uma reflexão da faceta de uma janela óptica. Em alguns casos, a energia óptica de um feixe fundamental e/ou de segundo harmônico pode ser usada para avaliar a integridade de uma fonte óptica (por exemplo, estabilidade de um laser de modo bloqueado que fornece o feixe de entrada 2-205). Em modalidades, um sinal gerado a partir de um fotodiodo que detecta um feixe de laser no modo bloqueado pode ser usado para gerar um sinal de relógio que tem fase bloqueado no tempo para computar os tempos de chegada no fotodiodo.
[00118] Um detector quádruplo ou matriz de formação de imagem pode ser usada para monitorar a localização e/ou presença de um ou mais feixes refletidos dispersos a partir de uma faceta de um componente óptico dentro do conjunto de modelagem e direcionamento de feixe ou de um componente óptico localizado a jusante do conjunto. Como um exemplo e em referência à Figura 2-3, um detector quádruplo ou matriz de formação de imagem pode ser montado em uma posição em relação a uma janela óptica 2-231, 2-232, 2-235, 2-237 para detectar e monitorizar uma posição e/ou formato de feixe de uma reflexão de faceta de baixo nível a partir da janela óptica. Uma saída de um ou mais detectores quádruplos e/ou matrizes de formação de imagem posicionadas de tal forma pode ser usada para ajudar a estabilizar a posição de um feixe de saída, o formato, o ângulo de rotação φ e o ângulo de incidência.
[00119] Os sinais provenientes dos sensores elétricos, térmicos e ópticos podem ser fornecidos para sinalizar a lógica de processamento
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62/77 (por exemplo, um microcontrolador e/ou chips lógicos) em um PCB que é dotado do conjunto de modelagem e direcionamento de feixe 1150 para determinar se o conjunto de modelagem e direcionamento de feixe está operando de forma estável e conforme esperado e produzir sinais de erro se o conjunto não estiver funcionando corretamente. Em algumas implementações, o PCB pode ser montado no chassi 2-210 do conjunto de modelagem e direcionamento de feixe enquanto que, em outras modalidades, o PCB pode estar posicionado em outra localização e se conectar aos sensores, acionadores e qualquer outro elemento eletrônico dentro do conjunto 1-150 através de um cabo com múltiplos fios.
[00120] Modalidades da tecnologia descrita incluem pelo menos as configurações e métodos apresentados em (1) a (51) abaixo.
(1) Um conjunto de modelagem e direcionamento de feixe que compreende um primeiro componente óptico posicionado para transformar um primeiro formato de feixe transversal de um feixe de entrada em um segundo formato de feixe transversal de um segundo feixe; um segundo componente óptico posicionado para rotacionar o segundo formato de feixe transversal em torno de um eixo óptico do segundo feixe; e um terceiro componente óptico posicionado para ajustar um dos seguintes: uma primeira posição ou um primeiro ângulo direcional de um feixe de saída em uma localização alvo.
(2) O conjunto de modelagem e direcionamento de feixe de acordo com a configuração (1), em que deslocamentos do feixe de entrada de até ± 3 mm através do primeiro componente óptico não alteram o segundo formato de feixe transversal.
(3) O conjunto de modelagem e direcionamento de feixe de acordo com a configuração (1) ou (2), em que o primeiro componente óptico compreende um par de prismas anamórficos.
(4) O conjunto de modelagem e direcionamento de feixe de
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63/77 acordo com qualquer uma das configurações (1) a (3) que compreende ainda um dreno de feixe, em que o primeiro componente óptico separa espacialmente os comprimentos de onda ópticos no feixe de entrada e o dreno de feixe está posicionado para receber uma saída do primeiro componente óptico em um primeiro comprimento de onda.
(5) O conjunto de modelagem e direcionamento de feixe de acordo com a configuração (4) que compreende ainda um espelho rotacional posicionado para receber o segundo feixe que tem um segundo comprimento de onda e direcionar o segundo feixe para o terceiro componente óptico.
(6) O conjunto de modelagem e direcionamento de feixe de acordo com qualquer uma das configurações (1) a (5), em que o segundo componente óptico compreende um prisma de Dove.
(7) O conjunto de modelagem e direcionamento de feixe de acordo com qualquer uma das configurações (1) a (6), em que o terceiro componente óptico compreende uma janela óptica.
(8) O conjunto de modelagem e direcionamento de feixe de acordo com qualquer uma das configurações (1) a (7) que compreende ainda um chassi que suporta o primeiro componente óptico, o segundo componente óptico e o terceiro componente óptico, em que o chassi é montado em um instrumento que compreende um painel de circuito impresso (PCB) no qual está montado um dispositivo que tem um componente óptico receptor que recebe o segundo feixe, em que uma região do PCB que contém o dispositivo está conectada ao chassi para reduzir o movimento do dispositivo em relação ao conjunto de modelagem e direcionamento de feixe.
(9) O conjunto de modelagem e direcionamento de feixe de acordo com qualquer uma das configurações (1) a (8) que compreende ainda um quarto componente óptico posicionado para ajustar um de: uma segunda posição ou um segundo ângulo direcional do feixe
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64/77 de saída sobre a localização alvo.
(10) . O conjunto de modelagem e direcionamento de feixe de acordo com a configuração (9), em que os primeiros efeitos sobre o feixe de saída na localização alvo causados por ajustes no quarto componente óptico não têm efeito algum sobre os segundos efeitos no feixe de saída na localização alvo causados por ajustes no terceiro componente óptico e vice-versa.
(11) . O conjunto de modelagem e direcionamento de feixe de acordo com a configuração (9) ou (10) que inclui:
um primeiro acionador acoplado ao terceiro componente óptico; e um segundo acionador acoplado ao quarto componente óptico, em que o primeiro acionador e o segundo acionador incluem, cada um, um eixo de acionamento rotativo que é essencialmente paralelo a um mesmo plano.
(12) O conjunto de configuração e direcionamento de feixe de acordo com a configuração (11), em que os eixos de acionamento rotativo do primeiro acionador e do segundo acionador são essencialmente paralelos.
(13) O conjunto de modelagem e direcionamento de feixe de acordo com a configuração (11) ou (12), em que variações no feixe de saída na localização alvo afetada pelo terceiro componente óptico estão em uma dimensão que é essencialmente ortogonal às variações no feixe de saída na localização alvo afetada pelo quarto componente óptico.
(14) O conjunto de modelagem e direcionamento de feixe de acordo com qualquer uma das configurações (1) a (13), em que o terceiro componente óptico está posicionado para ajustar o primeiro ângulo direcional do feixe de saída na localização alvo, o conjunto de modelagem e direcionamento de feixe compreendendo ainda um quarto componente óptico posicionado para ajustar um segundo ângulo
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65/77 direcional do feixe de saída na localização alvo; um quinto componente óptico posicionado para ajustar a primeira posição do feixe de saída na localização alvo; e um sexto componente óptico posicionado para ajustar uma segunda posição do feixe de saída na localização alvo.
(15) O conjunto de modelagem e direcionamento de feixe de acordo com a configuração (14) que compreende ainda uma lente de focagem posicionada de modo que os terceiro e quarto componentes ópticos estejam localizados em um primeiro lado da lente de focagem e os quinto e sexto componentes ópticos estejam localizados sobre um segundo lado da lente de focagem.
(16) O conjunto de modelagem e direcionamento de feixe de acordo com a configuração (14) ou (15), em que o primeiro ângulo direcional é um ângulo de inclinação do feixe de saída na localização alvo; o segundo ângulo direcional é um ângulo de guinada do feixe de saída na localização alvo; a primeira posição é uma posição na direção X do feixe de saída na localização alvo; e a segunda posição é uma posição na direção Y do feixe de saída na localização alvo, a direção X e a direção Ysendo ortogonais.
(17) O conjunto de modelagem e direcionamento de feixe de acordo com qualquer uma das configurações (1) a (16), em que o segundo formato de feixe transversal é substancialmente elíptico e o primeiro formato de feixe transversal é substancialmente circular.
(18) Um método para acoplar um feixe proveniente de uma fonte óptica a um componente óptico receptor de um sistema, o método compreendendo as etapas de receber, por um conjunto de modelagem e direcionamento de feixe, o feixe proveniente da fonte óptica; transformar, com o conjunto de modelagem e direcionamento de feixe, um primeiro formato de feixe transversal do feixe de entrada em um segundo formato de feixe transversal de um feixe de saída; posicionar, com o conjunto de modelagem e direcionamento de feixe, o feixe de
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66/77 saída no componente óptico receptor; e rotacionar de forma ajustável, com o conjunto de modelagem e direcionamento de feixe, o segundo formato de feixe transversal.
(19) O método de acordo com (18), em que a rotação é realizada pela rotação de um componente óptico feito de uma única peça de material.
(20) O método, de acordo com (18) ou (19), em que o primeiro formato de feixe transversal é redondo e o segundo formato de feixe transversal é elíptico.
(21) O método de acordo com qualquer uma de (18) a (20) que compreende ainda mudar, com o conjunto de modelagem e direcionamento de feixe, um ou ambos de um ângulo de incidência e uma posição do feixe de saída no componente óptico receptor.
(22) O método de acordo com qualquer uma de (18) a (21), em que a rotação de uma janela óptica é usada para ajustar o ângulo de incidência do feixe de saída no componente óptico receptor.
(23) O método de acordo com qualquer uma de (18) a (22), em que o tamanho transversal do feixe de saída é entre 10 % e 35 % maior do que uma região de acoplamento do componente óptico receptor e é orientado em um ângulo de rolagem em relação ao componente óptico receptor.
(24) O método de acordo com (23) que compreende ainda ajustar uma posição do feixe de saída no componente óptico receptor para compensar uma assimetria de intensidade no segundo formato de feixe transversal.
(25) O método de acordo com qualquer uma de (18) a (24), em que o componente óptico receptor compreende um acoplador direcional seccionado configurado para acoplar o feixe de saída a uma pluralidade de guias de ondas.
(26) O método de acordo com (25) que compreende ainda
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67/77 ajustar, com o conjunto de modelagem e direcionamento de feixe, uma uniformidade de energia acoplada à pluralidade de guias de ondas.
(27) Um sistema óptico para acoplar um feixe de radiação a um dispositivo, o sistema óptico compreendendo três acionadores rotativos; e três componentes ópticos acoplados, respectivamente, aos três acionadores rotativos, em que cada acionador rotativo tem um eixo de acionamento que gira em torno de um eixo para mover um componente óptico dos três componentes ópticos, em que os eixos geométricos do eixo dos três acionadores rotativos são essencialmente paralelos a um mesmo plano e em que o acionamento dos três componentes ópticos pelos três acionadores rotativos altera o feixe em três graus diferentes de liberdade.
(28) O sistema óptico de acordo com a configuração (27), em que os acoplamentos entre os três componentes ópticos e os três acionadores rotativos não incluem engrenagens, polias ou rodas dentadas.
(29) O sistema óptico de acordo com a configuração (27) ou (28), em que pelo menos dois dos três componentes ópticos são janelas ópticas transparentes e pelo menos dois dos eixos de transmissão são essencialmente paralelos.
(30) O sistema óptico de acordo com qualquer uma das configurações (27) a (29), em que os três acionadores rotativos têm essencialmente um mesmo tamanho e estrutura.
(31) O sistema óptico de acordo com qualquer uma das configurações (27) a (30), em que o movimento de um primeiro componente óptico dos três componentes ópticos por um primeiro acionador rotativo dos três acionadores rotativos rotaciona o formato de feixe transversal em uma localização que sai do primeiro componente óptico em torno de um eixo óptico que corre centralmente ao longo do feixe que sai do primeiro componente óptico.
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68/77 (32) O sistema óptico de acordo com a configuração (31), em que o movimento do primeiro componente óptico rotaciona o feixe sobre a localização alvo em torno de um eixo óptico que corre centralmente ao longo do feixe focado sem essencialmente nenhum deslocamento lateral do feixe focado sobre a localização alvo.
(33) O sistema óptico de acordo com qualquer uma das configurações (27) a (32) que compreende ainda uma lente para focar o feixe para uma localização alvo no dispositivo, em que movimento de dois componentes ópticos dos três componentes ópticos por dois acionadores rotativos dos três acionadores rotativos altera os ângulos de incidência do feixe focado sobre a localização alvo sem essencialmente nenhum deslocamento lateral do feixe focado sobre a localização alvo.
(34) O sistema óptico de acordo com a configuração (33) que compreende ainda um quarto componente óptico acoplado a um quarto acionador rotativo que tem um eixo de acionamento que gira em torno de um eixo para mover o quarto componente óptico; e um quinto componente óptico acoplado a um quinto acionador rotativo que tem um eixo de acionamento que gira em torno de um eixo para mover o quinto componente óptico, em que os eixos geométricos do eixo dos quarto e quinto acionadores rotativos são essencialmente paralelos ao mesmo plano.
(35) O sistema óptico de acordo com a configuração (34), em que os eixos geométricos do eixo dos três acionadores rotativos e dos quarto e quinto acionadores rotativos estão essencialmente no mesmo plano.
(36) O sistema óptico de acordo com a configuração (34) ou (35), em que o sistema óptico tem uma altura não maior do que 40 mm.
(37) O sistema óptico de acordo com qualquer uma das
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69/77 configurações (34) a (36), em que o movimento dos quarto e quinto componentes ópticos causa uma translação lateral do feixe focado sobre a localização alvo em dois graus de liberdade sem essencialmente variações nos ângulos de incidência do feixe sobre a localização alvo.
(38) O sistema óptico de acordo com qualquer uma das configurações (27) a (37) que compreende ainda um componente de modelagem de feixe configurado para converter um formato de feixe redondo recebido em um formato de feixe alongado.
(39) O sistema óptico de acordo com a configuração (38), em que o componente de modelagem de feixe é ainda configurado para separar espacialmente diferentes comprimentos de onda de radiação no feixe.
(40) Um sistema óptico para acoplar um feixe de radiação a um dispositivo, o sistema óptico compreendendo um primeiro componente óptico suportado sobre um suporte ajustável; e um primeiro acionador acoplado ao suporte ajustável, em que o movimento do primeiro componente óptico pelo primeiro acionador rotaciona um formato transversal e a polarização de um feixe de saída que sai do primeiro componente óptico, em que a rotação do formato transversal e a polarização são em torno de um eixo óptico que corre centralmente ao longo do feixe de saída.
(41) O sistema óptico de acordo com a configuração (40), em que o primeiro componente óptico é feito de uma única peça de material que está alinhada de modo que o feixe incida centralmente ao longo de um eixo de rotação do primeiro componente óptico.
(42) O sistema óptico de acordo com a configuração (40) ou (41) que compreende ainda um segundo componente óptico posicionado para transformar um primeiro formato de feixe transversal do feixe em um segundo formato de feixe transversal de um segundo feixe e separar espacialmente comprimentos de onda no feixe; e um dreno de
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70/77 feixe posicionado para receber um comprimento de onda espacialmente separado do feixe.
(43) O sistema óptico de acordo com qualquer uma das configurações (40) a (42) que compreende ainda um componente óptico adicional posicionado para ajustar um ângulo direcional do feixe de saída.
(44) O sistema óptico de acordo com a configuração (43), em que o componente óptico adicional é uma janela óptica transparente.
(45) Um sistema óptico para alterar um feixe de radiação, o sistema óptico compreendendo um primeiro componente óptico suportado por um suporte ajustável que é configurado para rotacionar o primeiro componente óptico em torno de um primeiro eixo; um acionador rotativo que tem um eixo de acionamento que gira em torno de um segundo eixo que não é paralelo ao primeiro eixo; um braço de carne conectado ao eixo de acionamento e um rolamento conectado ao braço de carne; e uma superfície curvada conectada ao suporte ajustável, em que o rolamento atravessa a superfície curvada quando o acionador rotativo é acionado para rotacionar o primeiro componente óptico.
(46) O sistema óptico de acordo com a configuração (45), em que a superfície curvada é formada para linearizar uma variação em um parâmetro de um feixe óptico que passa através do componente óptico em virtude de rotação do braço de carne pelo eixo de acionamento.
(47) um dispositivo de direcionamento de feixe óptico que compreende um primeiro acionador rotativo posicionado para rotacionar uma primeira janela óptica; um segundo acionador rotativo posicionado para rotacionar uma segunda janela óptica; e uma lente, em que a rotação da primeira janela óptica ajusta uma posição lateral de um feixe óptico em uma localização alvo e a rotação da segunda jane
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Ia óptica ajusta um ângulo de incidência do feixe sobre a localização alvo sem alterar a posição lateral em mais de 10 microns.
(48) O dispositivo de direcionamento de feixe óptico de acordo com a configuração (47), em que um eixo de acionamento rotativo do primeiro acionador rotativo é essencialmente paralelo a um eixo de acionamento rotativo do segundo acionador rotativo.
(49) Um dispositivo de direcionamento de feixe óptico que compreende três janelas ópticas transparentes rotativas posicionadas para ajustar três parâmetros de um feixe de saída do dispositivo de direcionamento de feixe em três graus ortogonais de liberdade.
(50) O dispositivo de direcionamento de feixe óptico de acordo com a configuração (49) que compreende ainda três acionadores rotativos configurados para rotacionar as três janelas ópticas transparentes rotativas, em que os eixos de transmissão dos três acionadores rotativos são essencialmente paralelos a um mesmo plano.
(51) O dispositivo de direcionamento de feixe óptico de acordo com a configuração (50), em que os eixos de acionamento são essencialmente paralelos entre si.
III. Conclusão [00121] Tendo assim descrito vários aspectos e modalidades da tecnologia do conjunto de modelagem e direcionamento de feixe, será apreciado que várias alterações, modificações e aprimoramentos ocorrerão prontamente para aqueles versados na técnica. Tais alterações, modificações e aprimoramentos devem estar dentro do espírito e escopo da invenção. Embora os presentes ensinamentos tenham sido descritos em conjunto com várias modalidades e exemplos, não se pretende que os presentes ensinamentos estejam limitados a tais modalidades ou exemplos. Pelo contrário, os presentes ensinamentos abrangem várias alternativas, modificações e equivalentes, conforme será apreciado por aqueles versados na técnica.
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72/77 [00122] Por exemplo, as modalidades podem ser modificadas para incluir mais ou menos componentes ópticos no conjunto de modelagem e direcionamento de feixe do que o descrito acima. Além disso, as configurações ópticas podem diferir daquelas mostradas com alguns conjuntos de modelagem e direcionamento de feixe que têm mais ou menos voltas ou dobras em um percurso óptico que passa pelo conjunto.
[00123] Embora várias modalidades da invenção tenham sido descritas e ilustradas, aqueles versados na técnica considerarão prontamente 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 dentro do escopo das modalidades da invenção descritas. De um modo mais geral, aqueles versados na técnica apreciarão prontamente que todos os parâmetros, dimensões, materiais e configurações descritos se destinam a ser exemplos e que os parâmetros, dimensões, materiais e/ou configurações reais dependerão da aplicação ou aplicações específicas para quais os ensinamentos da invenção são usados. Aqueles versados na técnica reconhecerão, ou serão capazes de determinar usando não mais do que experimentação de rotina, muitos equivalentes das modalidades específicas da invenção descritas. Portanto, deve ser entendido que as modalidades precedentes são apresentadas apenas a título de exemplo e que, dentro do âmbito das reivindicações anexas e seus equivalentes, as modalidades da invenção podem ser praticadas de forma diferente daquela especificamente descrita e reivindicada. As modalidades da presente invenção podem ser dirigidas a cada característica, sistema, atualização de sistema e/ou método individual descrito. Além disso, qualquer combinação de duas ou mais características, sistemas, atualizações de sistema e/ou métodos, se tais características, sistemas, atualizações de sistema
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73/77 e/ou métodos não forem mutuamente inconsistentes, está incluída dentro do escopo da presente invenção.
[00124] Além disso, embora algumas vantagens da presente invenção posam ser indicadas, deve ser entendido que nem todas as modalidades da invenção incluirão todas as vantagens descritas. Algumas modalidades podem não implementar quaisquer características descritas como vantajosas. Consequentemente, a descrição e os desenhos anteriores são apenas a título de exemplo.
[00125] Toda a literatura e material similar citados no presente Pedido incluindo, porém sem limitações, patentes, pedidos de patente, artigos, livros, tratados e páginas da web, independentemente do formato de tal literatura e materiais similares, são aqui expressamente incorporados por referência na íntegra. No caso em que um ou mais da literatura e materiais similares incorporados difiram ou contradizem o presente Pedido incluindo, porém sem limitações, termos definidos, uso de termo, técnicas descritas ou similar, o presente Pedido prevalecerá.
[00126] Os cabeçalhos de seção usados são apenas para fins organizacionais e não devem ser interpretados como limitando o assunto descrito de qualquer forma.
[00127] Além disso, a tecnologia descrita pode ser incorporada como um método, do qual pelo menos um exemplo foi fornecido. As ações realizadas como parte do método podem ser ordenadas de qualquer maneira adequada. Consequentemente, podem ser construídas modalidades nas quais as ações são realizadas em uma ordem diferente daquela ilustrada, o que pode incluir a realização de algumas ações simultaneamente, mesmo que sejam mostradas como ações sequenciais em modalidades ilustrativas.
[00128] Todas as definições, conforme definido e usado, devem ser entendidas como prevalecendo em relação às definições de dicionário,
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74/77 definições em documentos incorporados por referência e/ou significados comuns dos termos definidos.
[00129] Valores e faixas numéricas podem ser descritos no relatório descritivo e reivindicações como valores ou faixas aproximadas ou exatas. Por exemplo, em alguns casos, os termos aproximadamente, cerca de e substancialmente podem ser usados em referência a um valor. Tais referências se destinam a abranger o valor citado, bem como mais e menos variações razoáveis do valor. Por exemplo, uma frase entre cerca de 10 e cerca de 20 se destina a significar entre exatamente 10 e exatamente 20 em algumas modalidades, bem como entre 10 ± 1 e 20 ± 2 em algumas modalidades. A quantidade de variação 51, 52 para um valor pode ser menos de 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 nas quais é fornecida uma grande faixa de valores, por exemplo, uma faixa que inclui duas ou mais ordens de magnitude, a quantidade de variação 1, 2 para um valor pode ser tão alta quanto 50%. Por exemplo, se um faixa operável se estender de 2 a 200, aproximadamente 80 pode abranger valores entre 40 e 120 e a faixa pode ser tão grande quanto entre 1 e 300. Quando apenas os valores exatos são intencionais, o termo exatamente é usado, por exemplo, entre exatamente 2 e exatamente 200. O termo essencialmente é usado para indicar que os valores são os mesmos ou em um valor ou condição alvo dentro de ± 3 %.
[00130] O termo adjacente pode se referir a dois elementos localizados próximos um do outro (por exemplo, dentro de uma distância que é menor do que cerca de um quinto de uma dimensão transversal ou vertical de um principal dos dois elementos). Em alguns casos, pode haver estruturas ou camadas intermediárias entre elementos adjacentes. Em alguns casos, os elementos adjacentes podem estar ime
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75/77 diatamente adjacentes uns aos outros sem estruturas ou elementos intervenientes.
[00131] Os artigos indefinidos uma e um, conforme usado no relatório descritivo e nas reivindicações, a menos que claramente indicado em contrário, devem ser entendidos como pelo menos um(a).
[00132] A frase e/ou, conforme usada no relatório descritivo e nas reivindicações, deve ser entendida como significando um ou ambos os elementos assim conjugados, isto é, elementos que estão juntos em alguns casos e não estão presentes em outros casos.Múltiplos elementos listados com e/ou devem ser interpretados da mesma forma, ou seja, um ou mais dos elementos de forma conjunta. Outros elementos podem opcionalmente estar presentes, além dos elementos especificamente identificados pela cláusula e/ou, relacionados ou não aos elementos especificamente identificados. Assim, como um exemplo não limitativo, uma referência a A e/ou B, quando usada em conjunto com uma linguagem aberta, tal como que compreende(m), pode se referir, em uma modalidade, apenas a A (opcionalmente incluindo elementos diferentes de B); em outra modalidade, apenas a B (opcionalmente incluindo elementos diferentes de A); em ainda outra modalidade, tanto A como B (incluindo opcionalmente outros elementos); etc.
[00133] Conforme usado no relatório descritivo e nas reivindicações, ou deve ser entendido como tendo o mesmo significado que e/ou, conforme definido acima. Por exemplo, ao separar itens em uma lista, ou ou e/ou deve ser interpretado como inclusivo, ou seja, a inclusão de pelo menos um, mas também incluindo mais de um, de uma série ou lista de elementos e, opcionalmente, itens adicionais não listados. Apenas termos claramente indicados em contrário, como apenas um ou exatamente um ou, quando usados nas reivindicações, que consiste(m) em, se referem à inclusão de exatamente um
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76/77 elemento de uma série ou lista de elementos. Em geral, o termo ou, conforme usado, só deve ser interpretado como indicando alternativas exclusivas (ou seja, um ou outro, mas não os dois) quando precedido por termos de exclusividade, tais como um(a), um(a) de, somente um(a) de ou exatamente um(a) de. Que consiste(m) essencialmente em, quando usado nas reivindicações, terá seu significado comum como usado no campo da lei de patentes.
[00134] Conforme usado aqui no relatório descritivo e nas reivindicações, a frase pelo menos um, em referência a uma lista de um ou mais elementos, deve ser entendida como significando pelo menos um elemento selecionado a partir de qualquer um ou mais dos elementos na lista de elementos, mas não necessariamente incluindo pelo menos um de cada elemento listado especificamente na lista de elementos e não excluindo quaisquer combinações de elementos na lista de elementos. Esta definição também permite que elementos possam opcionalmente estar presentes, além dos elementos especificamente identificados dentro da lista de elementos aos quais a frase pelo menos um se refere, relacionados ou não aos elementos especificamente identificados. Assim, como exemplo não limitativo, pelo menos um de A e B (ou, equivalentemente, pelo menos um de A ou B ou, equivalentemente, pelo menos um de A e/ou B) pode se referir, em uma modalidade, a pelo menos um, opcionalmente incluindo mais de um, A, sem B presente (e opcionalmente incluindo elementos diferentes de B); em outra modalidade, a frase pode se referir a pelo menos um, opcionalmente incluindo mais de um, B, sem A presente (e opcionalmente incluindo elementos diferentes de A); em ainda outra modalidade, frase pode se referir a pelo menos um, opcionalmente incluindo mais de um, A e pelo menos um, opcionalmente incluindo mais de um, B (e opcionalmente incluindo outros elementos); opcionalmente incluindo mais de um, B (e opcionalmente incluindo outros elementos); opcio
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77/77 nalmente incluindo mais de um, B (e opcionalmente incluindo outros elementos); etc.
[00135] Nas reivindicações, bem como no relatório descritivo acima, todas as frases de transição, tais como que compreende(m), que inclui(em), que traz(em), que tem/têm, que contém(êm), que envolve(m), que retém(êm), composto(s) de e assim por diante, devem ser entendidas como abertas, isto é, significando incluindo, porém sem limitações. As frases de transição que consiste(m) em e que consiste(m) essencialmente em devem ser frases de transição fechadas ou semifechadas, respectivamente.
[00136] As reivindicações não devem ser lidas como limitadas à ordem ou elementos descritos, a menos que seja estabelecido para esta finalidade. Deve ser entendido que diversas variações na forma e nos detalhes podem ser feitas por aqueles versados na técnica sem se afastar do espírito e âmbito das reivindicações anexas. Todas as modalidades que entram no espírito e âmbito das reivindicações a seguir e equivalentes são reivindicadas.
Claims (51)
- REIVINDICAÇÕES1. Conjunto de modelagem e direcionamento de feixe caracterizado pelo fato de que compreende:um primeiro componente óptico posicionado para transformar um primeiro formato de feixe transversal de um feixe de entrada em um segundo formato de feixe transversal de um segundo feixe;um segundo componente óptico posicionado para rotacionar o segundo formato de feixe transversal em torno de um eixo óptico do segundo feixe; e um terceiro componente óptico posicionado para ajustar um dos seguintes: uma primeira posição ou um primeiro ângulo direcional de um feixe de saída em uma localização alvo.
- 2. Conjunto de modelagem e direcionamento de feixe, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que deslocamentos do feixe de entrada de até ± 3 mm através do primeiro componente óptico não alteram o segundo formato de feixe transversal.
- 3. Conjunto de modelagem e direcionamento de feixe, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro componente óptico compreende um par de prismas anamórficos.
- 4. Conjunto de modelagem e direcionamento de feixe, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ainda compreende um dreno de feixe, em que o primeiro componente óptico separa espacialmente os comprimentos de onda ópticos no feixe de entrada e o dreno de feixe está posicionado para receber uma saída do primeiro componente óptico em um primeiro comprimento de onda.
- 5. Conjunto de modelagem e direcionamento de feixe, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que ainda compreende um espelho rotacional posicionado para receber o segundo feixe que tem um segundo comprimento de onda e direcionar o segundo feixe para o terceiro componente óptico.Petição 870190054350, de 13/06/2019, pág. 92/1132/11
- 6. Conjunto de modelagem e direcionamento de feixe, de acordo a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o segundo componente óptico compreende um prisma de Dove.
- 7. Conjunto de modelagem e direcionamento de feixe de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o terceiro componente óptico compreende uma janela óptica.
- 8. Conjunto de modelagem e direcionamento de feixe, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que ainda compreende um chassi que suporta o primeiro componente óptico, o segundo componente óptico e o terceiro componente óptico, em que o chassi é montado em um instrumento que compreende um painel de circuito impresso (PCB) no qual está montado um dispositivo que tem um componente óptico receptor que recebe o segundo feixe, em que uma região do PCB que contém o dispositivo está conectada ao chassi para reduzir o movimento do dispositivo em relação ao conjunto de modelagem e direcionamento de feixe.
- 9. Conjunto de modelagem e direcionamento de feixe, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que ainda compreende um quarto componente óptico posicionado para ajustar um de: uma segunda posição ou um segundo ângulo direcional do feixe de saída sobre a localização alvo.
- 10. Conjunto de modelagem e direcionamento de feixe, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que os primeiros efeitos sobre o feixe de saída na localização alvo causados por ajustes no quarto componente óptico não têm efeito algum sobre os segundos efeitos no feixe de saída na localização alvo causados por ajustes no terceiro componente óptico e vice-versa.
- 11. Conjunto de modelagem e direcionamento de feixe, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que ainda compreende:Petição 870190054350, de 13/06/2019, pág. 93/1133/11 um primeiro acionador acoplado ao terceiro componente óptico; e um segundo acionador acoplado ao quarto componente óptico, em que o primeiro acionador e o segundo acionador incluem, cada um, um eixo de acionamento rotativo que é essencialmente paralelo a um mesmo plano.
- 12. Conjunto de modelagem e direcionamento de feixe, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que os eixos de acionamento rotativo do primeiro acionador e do segundo acionador são essencialmente paralelos.
- 13. Conjunto de modelagem e direcionamento de feixe, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que variações no feixe de saída na localização alvo afetada pelo terceiro componente óptico estão em uma dimensão que é essencialmente ortogonal às variações no feixe de saída na localização alvo afetada pelo quarto componente óptico.
- 14. Conjunto de modelagem e direcionamento de feixe, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o terceiro componente óptico está posicionado para ajustar o primeiro ângulo direcional do feixe de saída na localização alvo, o conjunto de modelagem e direcionamento de feixe compreendendo ainda:um quarto componente óptico posicionado para ajustar um segundo ângulo direcional do feixe de saída na localização alvo;um quinto componente óptico posicionado para ajustar a primeira posição do feixe de saída na localização alvo; e um sexto componente óptico posicionado para ajustar uma segunda posição do feixe de saída na localização alvo.
- 15. Conjunto de modelagem e direcionamento de feixe, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que aindaPetição 870190054350, de 13/06/2019, pág. 94/1134/11 compreende uma lente de focagem posicionada de modo que os terceiro e quarto componentes ópticos estejam localizados em um primeiro lado da lente de focagem e os quinto e sexto componentes ópticos estejam localizados sobre um segundo lado da lente de focagem.
- 16. Conjunto de modelagem e direcionamento de feixe, de acordo com a reivindicação 14 ou 15, caracterizado pelo fato de que o primeiro ângulo direcional é um ângulo de inclinação do feixe de saída na localização alvo;o segundo ângulo direcional é um ângulo de guinada do feixe de saída na localização alvo;a primeira posição é uma posição na direção X do feixe de saída na localização alvo; e a segunda posição é uma posição na direção Y do feixe de saída na localização alvo, a direção X e a direção Ysendo ortogonais.
- 17. Conjunto de modelagem e direcionamento de feixe, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o segundo formato de feixe transversal é substancialmente elíptico e o primeiro formato de feixe transversal é substancialmente circular.
- 18. Método para acoplar um feixe proveniente de uma fonte óptica a um componente óptico receptor de um sistema, o método caracterizado pelo fato de que compreende:receber, por um conjunto de modelagem e direcionamento de feixe, o feixe proveniente da fonte óptica;transformar, com o conjunto de modelagem e direcionamento de feixe, um primeiro formato de feixe transversal do feixe em um segundo formato de feixe transversal de um feixe de saída;posicionar, com o conjunto de modelagem e direcionamento de feixe, o feixe de saída no componente óptico receptor; e rotacionar de forma ajustável, com o conjunto de modelagem e direcionamento de feixe, o segundo formato de feixe transverPetição 870190054350, de 13/06/2019, pág. 95/1135/11 sal.
- 19. Método, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que a rotação é realizada pela rotação de um componente óptico feito de uma única peça de material.
- 20. Método, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que o primeiro formato de feixe transversal é redondo e o segundo formato de feixe transversal é elíptico.
- 21. Método, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que ainda compreende mudar, com o conjunto de modelagem e direcionamento de feixe, um ou ambos de um ângulo de incidência e uma posição do feixe de saída no componente óptico receptor.
- 22. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 18 a 21, caracterizado pelo fato de que a rotação de uma janela óptica é usada para ajustar o ângulo de incidência do feixe de saída no componente óptico receptor.
- 23. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 18 a 21, caracterizado pelo fato de que o tamanho transversal do feixe de saída é entre 10 % e 35 % maior do que uma região de acoplamento do componente óptico receptor e é orientado em um ângulo de rolagem em relação ao componente óptico receptor.
- 24. Método, de acordo com a reivindicação 23, caracterizado pelo fato de que que ainda compreende ajustar uma posição do feixe de saída no componente óptico receptor para compensar uma assimetria de intensidade no segundo formato de feixe transversal.
- 25. Método, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de que o componente óptico receptor compreende um acoplador direcional seccionado configurado para acoplar o feixe de saída a uma pluralidade de guias de ondas.
- 26. Método, de acordo com a reivindicação 25, caracterizaPetição 870190054350, de 13/06/2019, pág. 96/1136/11 do pelo fato de que ainda compreende ajustar, com o conjunto de modelagem e direcionamento de feixe, uma uniformidade de energia acoplada à pluralidade de guias de ondas.
- 27. Sistema óptico para acoplar um feixe de radiação a um dispositivo, o sistema óptico caracterizado pelo fato de que compreende:três acionadores rotativos; e três componentes ópticos acoplados, respectivamente, aos três acionadores rotativos, em que cada acionador rotativo tem um eixo de acionamento que gira em torno de um eixo do eixo geométrico para mover um componente óptico dos três componentes ópticos, em que os eixos geométricos do eixo dos três acionadores rotativos são essencialmente paralelos a um mesmo plano e em que o acionamento dos três componentes ópticos pelos três acionadores rotativos altera o feixe em três graus diferentes de liberdade.
- 28. Sistema óptico, de acordo com a reivindicação 27, caracterizado pelo fato de que os acoplamentos entre os três componentes ópticos e os três acionadores rotativos não incluem engrenagens, polias ou rodas dentadas.
- 29. Sistema óptico, de acordo com a reivindicação 27, caracterizado pelo fato de que pelo menos dois dos três componentes ópticos são janelas ópticas transparentes e pelo menos dois dos eixos de transmissão são essencialmente paralelos.
- 30. Sistema óptico, de acordo com a reivindicação 27, caracterizado pelo fato de que os três acionadores rotativos têm essencialmente um mesmo tamanho e estrutura.
- 31. Sistema óptico, de acordo com a reivindicação 27, caracterizado pelo fato de que o movimento de um primeiro componente óptico dos três componentes ópticos por um primeiro acionador rotativo dos três acionadores rotativos rotaciona o formato de feixe transPetição 870190054350, de 13/06/2019, pág. 97/1137/11 versai em uma localização que sai do primeiro componente óptico em torno de um eixo óptico que corre centralmente ao longo do feixe que sai do primeiro componente óptico.
- 32. Sistema óptico, de acordo com a reivindicação 31, caracterizado pelo fato de que o movimento do primeiro componente óptico rotaciona o feixe sobre a localização alvo em torno de um eixo óptico que corre centralmente ao longo do feixe focado sem essencialmente nenhum deslocamento lateral do feixe focado sobre a localização alvo.
- 33. Sistema óptico, de acordo com qualquer uma das reivindicações 27 a 32, caracterizado pelo fato de que ainda compreende uma lente para focar o feixe para uma localização alvo no dispositivo, em que movimento de dois componentes ópticos dos três componentes ópticos por dois acionadores rotativos dos três acionadores rotativos altera os ângulos de incidência do feixe focado sobre a localização alvo sem essencialmente nenhum deslocamento lateral do feixe focado sobre a localização alvo.
- 34. Sistema óptico, de acordo com a reivindicação 33, caracterizado pelo fato de que ainda compreende:um quarto componente óptico acoplado a um quarto acionador rotativo que tem um eixo de acionamento que gira em torno de um eixo para mover o quarto componente óptico; e um quinto componente óptico acoplado a um quinto acionador rotativo que tem um eixo de acionamento que gira em torno de um eixo para mover o quinto componente óptico, em que os eixos geométricos do eixo dos quarto e quinto acionadores rotativos são essencialmente paralelos ao mesmo plano.
- 35. Sistema óptico, de acordo com a reivindicação 34, caracterizado pelo fato de que os eixos geométricos do eixo dos três acionadores rotativos e dos quarto e quinto acionadores rotativos estãoPetição 870190054350, de 13/06/2019, pág. 98/1138/11 essencialmente no mesmo plano.
- 36. Sistema óptico, de acordo com a reivindicação 34, caracterizado pelo fato de que o sistema óptico tem uma altura não maior do que 40 mm.
- 37. Sistema óptico, de acordo com a reivindicação 34, caracterizado pelo fato de que o movimento dos quarto e quinto componentes ópticos causa uma translação lateral do feixe focado sobre a localização alvo em dois graus de liberdade sem essencialmente variações nos ângulos de incidência do feixe sobre a localização alvo.
- 38. Sistema óptico, de acordo com a reivindicação 27, caracterizado pelo fato de que ainda compreende um componente de modelagem de feixe configurado para converter um formato de feixe redondo recebido em um formato de feixe alongado.
- 39. Sistema óptico, de acordo com a reivindicação 38, caracterizado pelo fato de que o componente de modelagem de feixe é ainda configurado para separar espacialmente diferentes comprimentos de onda de radiação no feixe.
- 40. Sistema óptico para acoplar um feixe de radiação a um dispositivo, o sistema óptico caracterizado pelo fato de que compreende:um primeiro componente óptico suportado sobre um suporte ajustável; e um primeiro acionador acoplado ao suporte ajustável, em que o movimento do primeiro componente óptico pelo primeiro acionador rotaciona um formato transversal e a polarização de um feixe de saída que sai do primeiro componente óptico, em que a rotação do formato transversal e a polarização são em torno de um eixo óptico que corre centralmente ao longo do feixe de saída.
- 41. Sistema óptico, de acordo com a reivindicação 40, caracterizado pelo fato de que o primeiro componente óptico é feito dePetição 870190054350, de 13/06/2019, pág. 99/1139/11 uma única peça de material que está alinhada de modo que o feixe incida centralmente ao longo de um eixo de rotação do primeiro componente óptico.
- 42. Sistema óptico, de acordo com a reivindicação 40, caracterizado pelo fato de que ainda compreende:um segundo componente óptico posicionado para transformar um primeiro formato de feixe transversal do feixe em um segundo formato de feixe transversal de um segundo feixe e separar espacialmente comprimentos de onda no feixe; e um dreno de feixe posicionado para receber um comprimento de onda espacialmente separado do feixe.
- 43. Sistema óptico, de acordo com qualquer uma das reivindicações 40 a 42, caracterizado pelo fato de que ainda compreende um componente óptico adicional posicionado para ajustar um ângulo direcional do feixe de saída.
- 44. Sistema óptico, de acordo com a reivindicação 43, caracterizado pelo fato de que o componente óptico adicional é uma janela óptica transparente.
- 45. Sistema óptico para alterar um feixe de radiação, o sistema óptico caracterizado pelo fato de que compreende:um primeiro componente óptico suportado por um suporte ajustável que é configurado para rotacionar o primeiro componente óptico em torno de um primeiro eixo;um acionador rotativo que tem um eixo de acionamento que gira em torno de um segundo eixo que não é paralelo ao primeiro eixo;um braço de carne conectado ao eixo de acionamento um rolamento conectado ao braço de carne; e uma superfície curvada conectada ao suporte ajustável, em que o rolamento atravessa a superfície curvada quando o acionador rotativo é acionado para rotacionar o primeiro componente óptico.Petição 870190054350, de 13/06/2019, pág. 100/11310/11
- 46. Sistema óptico, de acordo com a reivindicação 45, caracterizado pelo fato de que a superfície curvada é formada para linearizar uma variação em um parâmetro de um feixe óptico que passa através do componente óptico em virtude de rotação do braço de carne pelo eixo de acionamento.
- 47. Dispositivo de direcionamento de feixe óptico caracterizado pelo fato de que compreende:um primeiro acionador rotativo posicionado para rotacionar uma primeira janela óptica;um segundo acionador rotativo posicionado para rotacionar uma segunda janela óptica; e uma lente, em que a rotação da primeira janela óptica ajusta uma posição lateral de um feixe óptico em uma localização alvo e a rotação da segunda janela óptica ajusta um ângulo de incidência do feixe sobre a localização alvo sem alterar a posição lateral em mais de 10 microns.
- 48. Dispositivo de direcionamento de feixe óptico, de acordo com a reivindicação 47, caracterizado pelo fato de que um eixo de acionamento rotativo do primeiro acionador rotativo é essencialmente paralelo a um eixo de acionamento rotativo do segundo acionador rotativo.
- 49. Dispositivo de direcionamento de feixe óptico caracterizado pelo fato de que compreende três janelas ópticas transparentes rotativas posicionadas para ajustar três parâmetros de um feixe de saída do dispositivo de direcionamento de feixe em três graus ortogonais de liberdade.
- 50. Dispositivo de direcionamento de feixe óptico, de acordo com a reivindicação 49, caracterizado pelo fato de que ainda compreende três acionadores rotativos configurados para rotacionar as três janelas ópticas transparentes rotativas, em que os eixos de acioPetição 870190054350, de 13/06/2019, pág. 101/11311/11 namento dos três acionadores rotativos são essencialmente paralelos a um mesmo plano.
- 51. Dispositivo de direcionamento de feixe óptico, de acordo com a reivindicação 50, caracterizado pelo fato de que os eixos de acionamento são essencialmente paralelos entre si.
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