CN100567969C - 量子共振分析仪 - Google Patents

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Abstract

一种检测样本中的组成物质的量子共振荧光显微镜系统，其使用准直光的飞秒到纳秒探测脉冲激发包含该材料的样本，将探测脉冲分离为频率、偏振、相位和/或幅值的分量特征来定制探测脉冲以优化检测给定材料。将分量特征独立整形并形成为选择来优化从该材料接收的信号响应脉冲的复合脉冲。在某些情况下，组合两个独立重新整形的脉冲，一个重新整形脉冲具有两个混合的偏振状态，另一个为线性偏振。使两个脉冲以90度角交叉以使组合脉冲在XYZ轴的每一个中具有电场。通过测试材料特征变化、将适合度值赋给可优化来自材料的独特光谱响应的变量、使用遗传算法选择增强在典型背景下接收的响应的独特性的分量特征组合，对给定材料为脉冲分量特征选择适当形状。

Description

量子共振分析仪
技术领域
本发明涉及用于通过下述操作来检测样本中的材料的方法和装置：将引导到样本上的相干辐射脉冲分离为不同偏振状态的多个脉冲，对分离脉冲的幅值或相位进行调制，并将这些脉冲相干地重组为具有通过进化算法选择的分量特征的复合脉冲，以通过材料的频谱响应来区分样本中的材料。
背景技术
现有技术包括与飞秒脉冲的整形以及各种材料或分子与经整形的脉冲之间的相互作用相关的大量出版物。已经发现，在诸如分子和半导体材料的非线性系统中，可以使用特定形状的强光脉冲来增强特定波长下的荧光发射。所需的特定脉冲形状取决于所研究的分子或材料的复能带结构。在原理上，对于所涉及的物理学的详细且准确的理解应该足以计算出最优脉冲形状，但是实际上，我们的理解是不足的，并且我们的计算工具过于粗糙而无法进行这些计算。
在Ultrafast Phenomena XI，1998中发表的“Feedback quantum controlof population transfer using shaped femtosecond pulses”中，K.R.Wilson及其合作者提出了一种用于演化出最优脉冲形状，以控制复杂分子系统的量子态的方法。图1中示出了该方法。通过衍射光栅将非常简单的光脉冲扩展为光谱，然后使该光谱通过空间光调制器，该空间光调制器独立地对各个光谱分量进行调制。该调制器可以对相位、幅值或者二者进行操作。用于脉冲整形的典型空间光调制器是声光调制器、液晶调制器和可变形反射镜阵列。然后通过将经调制的光谱分量聚焦回到衍射光栅上的一点，来重新构成该脉冲，该衍射光栅将这些分量相干地组合为单个脉冲。实际上，空间光调制器对初始脉冲进行时间傅立叶变换，以按照任何所期望的方式重新形成该初始脉冲。
诸如特定蛋白质的物质对光脉冲非线性地进行响应。例如，几十飞秒长的紫外光脉冲将在大多数物质中诱发荧光；而荧光的光谱取决于脉冲的强度。如果强度足够大，则导致电子被提升到比单个光子的能量更高的能级的多光子吸收的可能性增大，这导致在不能产生单光子吸收的波长下的发射。
除了强度以外，光脉冲的光谱内容以及光谱分量的相关相位和偏振也可能严重影响所照射样本的响应。例如，Bardeen等人(文献1)已经说明：当激光脉冲被适当整形时，来自所照射样本的荧光发射谱线的强度可以比通过经随意整形的脉冲获得的荧光发射谱线的强度高得多。即，可以使用经优化整形的脉冲，使一特定发射谱线的强度与另一特定发射谱线的强度之比最大。
可以通过考虑受到短系列冲击激励的双摆来理解脉冲形状对类似于原子的非线性系统的响应的重要性。如果一系列冲击在由与该双摆的基本模态的周期相等的时间间隔开的时刻冲击该双摆，则该双摆将通过进行规则的摆动(swinging)而不进行不规则的摆动(wiggling)来进行响应。然而，如果这些冲击的定时使得某些冲击与基本模态同步，而其他冲击散布在这些第一撞击之间，使得这些其他冲击与上质量(upper mass)的振动周期同步，则该双摆通过进行规则的摆动和不规则的摆动来进行响应。在类似于分子的量子机械系统的情况下，适当整形的脉冲可以将电子提升到特定能级，并随后向它们提供第二“激发”，以将它们进一步提升到通过其他方式不容易达到的另一能级。从该能级到其它能级的衰减是到基态的衰减，于是产生仅当激发脉冲精确地具有提供第一“激发”以及其后的适当定时的第二“激发”所需的形状时才会出现的发射谱线。此外，第一和第二“激发”期间的脉冲中的电场的方向非常重要，这是因为分子或原子中的电子的振动态或量子态具有定向分量。所以，在优化脉冲中，光的偏振状态需要在脉冲持续时间内改变一次或者甚至多次，以将所照射物质提升到所需的量子态。
在现有技术中，已经通过下述操作对飞秒激光脉冲进行了整形：对飞秒激光脉冲进行时间傅立叶变换，对于相位和幅值独立地控制各个傅立叶分量，然后进行逆傅立叶变换。如图1所示，这是通过下述操作实现的：使用衍射光栅130形成原始脉冲153的分散光谱，使该分散光谱通过空间光调制器105、110(例如液晶光阀或者声光光调制器)，以选择性地衰减和/或延迟该光谱的各个部分，然后使该光谱聚焦回到第二衍射光栅100上(在该第二衍射光栅100重新形成该脉冲)，产生具有经修改的形状的脉冲。
另外，在现有技术中，最优脉冲形状是通过下述操作经验性地确定的：监测受到经整形的脉冲照射的样本的发射光谱，并调整脉冲形状直到发射光谱最优为止。例如，如果空间光调制器105、110是液晶光调制器，则在遗传算法或者其他进化算法中，可以将调制器的像素视为“基因”，而将特定发射谱线的高度视为“适合度”。
为了对分子动力学进行测量、产生X射线，以及控制化学反应，许多研究人员已对激光脉冲整形和脉冲形状优化的基本技术进行了研究。
发明内容
在此公开了一种装置和方法，用于通过对样本施加询问脉冲并检测响应脉冲，来识别特定分子、合成物或其他物质或结构。为特定的物质或结构定制询问脉冲，并且通过物质或结构对询问脉冲进行响应而产生的响应脉冲对于要寻找的物质或结构是唯一的。对于要寻找的物质或结构，可以适当地使用X射线、UV、可见光、IR、太赫波(terahertz)、RF或者声脉冲。响应脉冲可以是X射线、UV、可见光、IR、太赫波、RF或者声脉冲；并且不必与询问脉冲的类型相同。本发明的独特特征是使用在光谱内容的幅值和相位方面进行了定制的询问脉冲，从而以最佳方式激发特定的响应，该特定响应对于要寻找的物质或结构是特定的。
附图说明
图1示出了使用现有技术方法的组合，自适应地对飞秒光脉冲进行整形的脉冲整形器。
图2示出了通过对多个波长的偏振、幅值和相位的独立控制，自适应地对飞秒光脉冲进行整形的装置。该装置使用一对脉冲整形器，在独立路径中，对两个正交偏振状态中的每一个设置一个脉冲整形器。在这些路径之一中包括可变延迟元件，用于调整两个偏振状态的相对定时和/或相位。
图3表示用于识别特定物质的训练过程。
图4示出了使用定制的光脉冲来识别特定物质的近场光学扫描显微镜，其包括脉冲激光器(pulsed laser)；脉冲整形器，用于将脉冲输入到光纤中；光纤分束器；近场探针；以及用于相对于探针移动样本的装置。
图5示出了在仅对相位和幅值进行脉冲整形的前后，光脉冲的各种表现形式。
图6是在相位、幅值和偏振方面进行了整形的光脉冲的表现形式。
图7示出了一种装置的示意图，该装置用于对其之间具有可变延迟的多个独立整形的脉冲进行相干求和。
图8示出了一种装置，其包括强静态磁体(static magnet)、RF线圈以及近场探针，该装置用于对NMR光谱学和具有定制脉冲激发的扫描光学近场显微镜进行组合。
图9示出了一种光声装置，其包括试管、声换能器、用于形成光的薄“片”的光学器件、脉冲激光器和脉冲整形器。该脉冲整形器可以包括对脉冲的偏振进行整形的能力。
图10示出了用于通过整形光脉冲选择性地杀灭特定细胞或孢子的装置。
图11示出了用于通过整形脉冲识别对颗粒进行分类的装置。
图12示出了通过整形脉冲激发来提高复谱特性。部分A表示物质对未组织的白光脉冲的光谱响应；部分B表示相同物质对经优化整形的脉冲的光谱响应，而部分C表示这两个光谱的归一化版本之间的差异。
图13示出了用于形成对于幅值、相位和偏振独立进行了整形的两束脉冲的装置。
图14示出了光束路径的一种可能的设置，以及用于将两个经独立整形的脉冲组合到样本上，以在该样本上以三维的方式控制该复合脉冲中的电场矢量的方向和幅值的光学器件。
图15示出了被构造用来提供图14所示的光束路径的玻璃块实施例。
具体实施方式
本发明采用经整形的脉冲来识别特定的物质和结构。尽管现有技术已经使用经整形的脉冲来研究特定分子的量子动力学，但是还没有使用经整形的脉冲来识别、确定或检测特定分子或物质的现有技术。
根据本发明，通过对原始脉冲的各个光谱和/或偏振分量选择性地进行衰减和/或延迟，来对所辐射的短相干脉冲进行整形。将经整形的脉冲聚焦到物质上。如果脉冲形状与该物质的结构精确地适应，则该脉冲与该物质进行非线性相互作用，以产生特性响应。结构不同的其他物质不会对该特定形状的脉冲产生相同的响应。当从由该特定的脉冲形状辐射的样本接收到特性响应时，可以非常肯定地知道该样本包含对应的物质。
如现有技术的出版物所述并且如图5(原始脉冲)所示，飞秒激光脉冲包括较宽的连续光频率。如图1所示，可以通过将该脉冲聚焦为窄光束，并从衍射光栅反射该脉冲，来使该脉冲在光谱上分散。如图1所示，随后使展布光谱通过诸如声光调制器或液晶TV屏幕的空间光调制器，或者可以从可变形膜空间光调制器或等效反射调制器对其进行反射。空间光调制器对该脉冲的各个光谱分量选择性地进行延迟和/或衰减。随后将由调制器产生的光谱重新聚焦到一点，并再次从衍射光栅对其进行反射，以重新形成该脉冲。重新形成的脉冲根据对各个光谱分量执行的调制的细节而具有新的形状。图5示出了被重新成形为新脉冲的原始脉冲500，该新脉冲具有相对于较高频率分量520稍微延迟的低频分量510。该示例中的重新成形是通过将原始脉冲展开为光谱570，然后对光谱的较低频率分量510的相位进行延迟来实现的。注意，在图5所示的情况下，相对相位延迟与频率成比例，但是通常可以使用任意的相位延迟与频率的关系。
在本方法中，使用经整形的脉冲来从已知物质中激发荧光；然后进行优化处理，以找到最大程度地增强由该物质发射的荧光光谱中的区别性光谱特征的特定调制函数。例如，可以通过具有优化形状的激发脉冲将普通荧光光谱中的具有相对低的强度的单个发射谱线增强一个或更多个量级。另选地，当激发脉冲具有特定形状时，荧光光谱中正常的一条发射谱线或者其他特征可能会大大降低，或者通过使用优化脉冲来激发该物质可以增强或减弱吸收光谱中的特征的组合。可以在激发脉冲的时刻或者此后的任意时刻对所感兴趣的光谱特征进行测量。物质的吸收光谱和发射光谱取决于物质的量子态，该量子态通常随初始激发而非常迅速地变化。因此，优选地采用两个或更多个脉冲。第一脉冲可以被称为“泵浦”脉冲，而后续的脉冲可以被称为“探测”脉冲。
有时，优选地首先使用长达几微妙的长持续时间相干脉冲照射样本，以将样本中的大部分目标分子设置为特定的第一量子态。然后，可以使用简单整形的第二脉冲将目标分子从第一量子态转换到第二量子态；最后，可以使用简单整形的第三脉冲，通过测量吸收光谱或发射光谱，来测量处于第二量子态的分子的数量。泵浦脉冲和探测脉冲的相对定时和相位会严重影响分子对于脉冲的响应。
精确地预测增强或减弱特定物质的荧光光谱的给定特征需要哪种脉冲形状并不在本技术领域的能力范围内。然而，可以对脉冲整形系统进行“训练”，以产生具有所需效果的脉冲形状，如Bardeen等人所述(参考文献1)。如果需要，可以随后根据所进行的调制来计算脉冲形状，以获得有效脉冲，或者可以直接测量脉冲形状。在本发明中，不需要知道脉冲形状；仅需要找到产生下述脉冲所需的脉冲整形器的控制参数，该脉冲产生来自目标物质的特性响应。
图3示出了用于执行根据进化算法的本发明所涉及的处理的过程。光脉冲产生器300发射出恒定形状和结构的脉冲流。脉冲整形器305调整各个光脉冲的形状，该各个光脉冲被传送给样本310。通过检测器315来检测发射光和散射光，并通过光谱分析仪320来分析其光谱。通过适合度评估器325来确定脉冲形状的适合度。例如，该适合度可以是响应于未整形脉冲和整形脉冲而来自样本的发射或吸收光谱的对应光谱分量的归一化强度之差的平方的积分的倒数。在这种情况下，当适合度最大时，脉冲形状最优。
通过脉冲整形器产生不同脉冲形状的“种群”，并计算该种群中的各个脉冲形状的适合度。选择高适合度的脉冲(即，用于确定脉冲形状的控制参数集合)330，以产生控制参数的“后代”集合，从而确定下一代的新脉冲形状。可以通过重组或突变的进化算子340，或者通过进化算法的这两种运算的混合来构造“后代”335。将后代发送345至脉冲整形器，以完成第一循环。在一系列这种循环之后，实现了基本上最优的脉冲形状。
如果对于给定物质已经找到了特定的光谱特征和优化脉冲形状，则该脉冲形状和光谱特征一起对于该物质是唯一的。在此公开的方法的主要目的是使用经优化整形的激光脉冲作为探测器，从未知样本中激发光发射，并通过该发射中是否存在对应的光谱特征来确定该样本中是否存在已知物质。
在此公开的方法的另一目的是提供一种通过观察特定物质对于下述激光脉冲的光学响应来识别特定物质的新方法，该激光脉冲的形状经过定制，以在特定物质中产生特定的光学响应。
在此公开的方法的另一目的是提供一种系统，该系统能够快速检测特定的病原体或者化学/生物战剂。
在此公开的方法的另一目的是通过检测文档、产品或包裹上的特定物质的相对量，来识别文档、产品或包裹。
在此公开的方法的另一目的是识别和测量液体或气体中的特定分子种类的量。
在此公开的方法的另一目的是提供一种扫描近场光学显微镜，其能够以纳米级分辨率来检测、识别和定位样本中的特定分子种类或元素。
在此公开的方法的另一目的是提供一种装置，用于在脉冲的时间发展过程中，控制光脉冲的三维时间结构。
在此公开的方法的另一目的是提供一种方法，用于获得分子种类的唯一“识别标志(signature)”。
在此公开的方法的另一目的是通过分子、微生物、细胞、孢子和其他颗粒的光学特性来对它们进行分类。
在此公开的方法的另一目的是通过使用选择性地与特定微生物或细胞种类进行相互作用的脉冲对样本进行照射，来选择性地杀灭该样本中的特定微生物或细胞种类。
在此公开的方法和装置的另一目的是对包含特定类型的分子的细胞成分选择性地进行影响。
在此公开的方法的另一目的是扩展NMR光谱学的能力。
在此公开的方法的另一目的是提供一种常规方法，用于通过使用声、光、RF或其他辐射的经整形的脉冲来激发非线性结构中的特定振动模式。
在此公开的方法的另一目的是提供一种方法，用于将分子的种群驱动到预定的量子态，而不是仅将这些分子中的特定原子驱动到预定的量子态。
除了上述用途和目的以外，在此公开的方法在以下方面也是有用的：快速扫描邮件以寻找病原体；检测水中的病原体；荧光团标记的微生物、病毒和分子的快速计数和识别；特定化学反应的激发和控制；纳米级半导体“量子点”的量子态控制；用于量子计算的分子量子态以及量子机械结构的操控；以及对涉及光与物质的相互作用的任何处理进行优化。当脉冲辐射是x射线而不是可见光时，对脉冲形状的优化通过加强特定物质对x射线的吸收，来提高x射线成像的对比度。
实施例#1：用于检测炭疽孢子或其他病原体的装置和方法
图10的装置包括：飞秒光脉冲源1200；脉冲整形器1210；荧光光谱仪1237；光学器件1270，用于将经整形的光脉冲引导到样本保持器1265中的液体样本；装置1237，用于响应于光脉冲的照射，对样本发射的光的光谱和偏振进行分析；以及装置1217，用于控制脉冲整形器1210。在图10所示的示例中，该样本保持器是透明毛细管1265、源贮存器1230、管路1215和1250，以及接收贮存器1255。然而，该样本保持器可以是显微镜载物片、“基因阵列芯片”、夹具，或者可以保持样本以进行分析的任何其他装置。实际上，例如，如果样本是邮件分拣设备中的信件、桌面上的灰尘，或者树叶上的微生物，则样本保持器可以是样本本身或者样本环境的一部分。
通过以下操作对该装置进行“训练”，以识别特定的病原体，例如炭疽孢子或者天花病毒：首先将病原体的样本放置在样本保持器上；使用一个或更多个光脉冲照射该病原体；以及从由该病原体响应于这些脉冲而发射的荧光光谱中选择特征。在观察所选择的光谱特征的同时改变脉冲形状，然后进行优化处理，以找到使所选择的特征增强最大的脉冲形状。
例如，可以将脉冲形状的控制参数(例如用于对脉冲的光谱和偏振分量的衰减和延迟进行控制的电压)视为遗传算法中的基因，并且可以将所选择特征的强度或对比度视为进化算法中的适合度，以演化出对所选择特征进行最优增强的脉冲形状。在对特定的病原体进行优化之后，将这些控制参数和为该特定病原体选择的特征存储在计算机存储器中。
为了检测未知样本中的特定病原体，控制器1217将优化控制参数加载到脉冲整形器1210中，脉冲整形器1210随后产生经整形的脉冲。这些经整形的脉冲对由样本进行的荧光发射1234进行激发。荧光光谱仪1237接收来自样本的荧光，并对该荧光进行分析，以确定是否存在所选择的特征，以及该特征的相对强度。如果样本中存在该病原体，则将检测到所选择的光谱特征。如果分析仪没有检测到该特征，则该病原体不存在，或者该病原体存在，但是浓度太低而不足以产生可检测的信号。
实施例#2：具有相位、幅值和偏振控制的脉冲整形器
图7中的装置是用于持续时间在飞秒到纳秒量级的光脉冲的脉冲整形器。原始准直脉冲701被偏振分束器700分为具有正交偏振性的两个脉冲775、702。在各个脉冲的路径中，设置有非偏振脉冲整形器710、735、740。如图1所示，在这些非偏振脉冲整形器中，诸如衍射光栅或棱镜的分散元件130将原始光脉冲的光谱扩展为直线。通过透镜140或者曲面反射镜对扩展光谱中的发散光进行准直处理，然后使其通过一个或更多个空间光调制器110、105，以调整各个光谱分量相对于其他分量的相对相位和幅值。在通过空间光调制器之后，通过第二透镜155将该光聚焦到第二衍射光栅100上成为一点，在该第二衍射光栅100处，将该光重新形成为仅具有一个主要纯偏振状态的脉冲。
如图7所示，利用偏振分束器725将从两个脉冲整形器710、735产生的仍然具有正交偏振性的脉冲重新组合为单个准直脉冲。通过使用路径长度调整器765来调整每个光谱分量的两个正交偏振分量的相对相位，在对这两个偏振分量进行重组之后，对于该分量可以获得任意的所需偏振状态(例如，右圆、左圆、线性或椭圆)。通过如此对重组脉冲的每一个光谱分量的相对相位、幅值和/或偏振状态进行调整，可以如图6所示产生任意的所需脉冲形状。图6示出了下述的光脉冲：当该光脉冲的幅值变化时，其偏振方向顺时针旋转，然后逆时针旋转。
实施例#3：扫描近场光学探针显微镜
如图4所示，可以将经整形的光脉冲耦合到光纤490中，然后耦合到近场扫描光学探针显微镜450的光学器件455、460中。可以通过光纤447或者诸如显微物镜的其他装置会聚来自该脉冲的散射光和由该脉冲激发的荧光，并利用光谱仪或时间分辨光谱仪以及其他适当的光学器件435对光谱、偏振和相位进行分析。相位分析需要使所会聚的光与原始脉冲的一部分进行干涉，并检查干涉图案中的条纹的位置。对于吸收光谱中的特征，可以对散射光进行分析，而对于发射光谱中的特征，可以对所发射的荧光进行分析。通过针对该物质进行了优化整形的脉冲对来自显微镜探针端部的渐消光场的位置处的任意特定物质进行相干操控，由此增强其吸收光谱或荧光光谱中的一个或更多个特征。
为了确定要在识别物质时使用的特征的满意集合，以及为了增强这些特征而使用的优化脉冲形状，通过遗传算法或者其他进化算法，通过反馈来控制脉冲整形器400。检测器/分析仪435会聚来自样本的散射光和荧光。可以将所会聚的光分离为正交偏振光束，并对各个光束的光谱进行数字化和分析。使未分离的光束分别通过脉冲偏振相位整形器，如图7所示，并随后通过线性偏振器，并对各个光谱分量的相位延迟进行调整，直到在检测器722处接收到最大量的光为止。这两个偏振分量在各个波长处的相对相位，进而各个波长的偏振，例如可以表示为由偏振脉冲整形器的两个臂中的每一个施加给该波长的相位延迟的形式。于是，脉冲的完整结构可以按照该脉冲的每个光谱分量的偏振、相位和幅值来进行描述。可以将这些量设置在复值矩阵中来表示该脉冲。可以使用相同的常规矩阵形式来分析和表示该激发脉冲和所会聚的光。
“满意特征”可以定义为：当通过为两个脉冲选择不同的形状而使两个矩阵之间的相关性最小时，在使用两个不同的整形脉冲来激发样本时，表示所会聚的光的两个矩阵之间的差。所以，在遗传算法控制器中，计算适合度值，作为由下述的两个脉冲导致的会聚光之间的相关性，这两个脉冲由大于该样本的弛豫时间的时间分离。通过遗传算法来控制这两个脉冲的形状，以寻找从样本产生最大不同的激发信号的两个脉冲形状。
由此，可以对本实施例的扫描近场光学探针显微镜进行训练，从而以扫描探针显微镜的典型高空间分辨率来识别样本中的特定物质。如果该显微镜被训练用来区分单独的核苷酸，则可以使用该显微镜直接读取DNA分子的核苷酸序列。
实施例#4：分子级数据存储和检索系统
如果使用扫描探针显微镜来选择性地将不同类型的原子或分子设置在表面480(例如，硅晶体或石英晶体的表面)上的不同位置处，以通过原子类型的排列对信息进行编码，则可以使用实施例#3和图4的扫描探针显微镜来读取该信息。在某些情况下，可以制造这种分子排列的复制品。例如，如果原物是结合在表面上的多种蛋白质分子的形式，则可以通过向这些蛋白质分子浇注抗体的混合物来制备这些蛋白质分子的复制品。互补抗体会与蛋白质分子结合。然后可以在抗体层上施加硅橡胶涂层，或者UV固化树脂涂层。在固化之后，可以剥离橡胶或树脂涂层以制备中间体(intermaster)。最后，可以使用蛋白质或者与首先涂覆在蛋白质上的抗体互补的抗体来重复该处理，以在树脂或橡胶表面上制备原始蛋白质排列的复制品或者抗体的等效排列。该处理可以根据原物或中间体的退化速率而重复多次。该数据存储和检索系统可能可以在每平方厘米存储一万吉字节。
实施例#5：用于使文件、产品或包裹安全的分子标签和阅读器
在本实施例中，随机地或者按照一种图案将特定类型的分子施加在签条、标签或封条上。可以使用实施例#1或图4的装置作为阅读器，以确定是否存在特定的分子类型，以及所存在的特定分子类型的物理排列，从而判定签条、标签或封条的有效性，或者读取以该分子的选择和/或排列进行了编码的信息。该系统与多色条形码系统的相似之处在于：分子类型的选择与墨水颜色的选择相似，并且分子类型的物理排列与墨水标记的物理排列相似。实际上，该阅读器可以用于区分不同类型的墨水，或者具有不同添加剂的墨水；在这种情况下较为相似。
实施例#6：CO2检测器
由于本方法提供了明确检测是否存在任意特定类型的分子的方法，所以图10的装置可以用来检测空气中或者尾气排放中是否存在二氧化碳或任意其他潜在的有害气体或蒸气。使待检测的空气或其他气体或蒸气的样本通过管1265，或者等效地通过无限制光路。可以通过在最优脉冲形状下，比较所发射的荧光信号的强度与激发脉冲的强度，来实现对于样本中的特定物质的量或浓度的测量。为了通过增大通过样本体积的路径长度来获得更强的信号，可以使用反射镜使光路折叠。当经整形地脉冲与样本相互作用的路径长度非常长时，优选地，检测器1237观察吸收光谱中的所选择特征，并对脉冲形状进行优化，以增强这些所选择的特征。
实施例#7：细胞分类器
图11的装置能够检测并识别特定种类的微生物和孢子，因此可以将其用作细胞分类器。形成充分稀释的可能包含感兴趣的类型的单个细胞或孢子的液滴(例如，1300)并将其移过焦点区域1305。例如，喷墨打印机头1385能够以很高的速率形成并射出恒定的非常小的尺寸的液滴。通过脉冲整形器1365进行了整形以选择性地激发特定类型的细胞或孢子的脉冲(来自脉冲激光器1355)照射各个液滴，并且通过光学器件1380会聚由液滴散射和发射的光，将其引导到检测器1370上，并通过计算机1345对其进行分析。如果需要，可以在焦点1305与检测器1370之间的任意位置设置滤波器，以仅使光谱的所选择部分通过而到达该检测器；然而，如果光学系统1380采用棱镜或衍射元件将来自样本的光的光谱扩展到检测器阵列1370上，则不需要对光谱进行光学滤波。计算机1345可以采用FPGA或用于高速的其他高度并行信号处理器，或者可以是高速串行计算机。随后可以通过离子源1307或者电子源1307使液滴1300带电，并在计算机1345的控制下，根据是否在液滴中检测到特定类型的微生物或孢子，通过施加在板1310上的电压或者气体喷嘴或者其他偏转装置1310，静电偏转到不同的路径1315、1330。该系统可以应用于：微生物的直接进化、医学诊断、以及微生物种群的化验。
实施例#8：光学安全装置
可以通过将诸如荧光染料的特定非线性光学材料或者特定蛋白质施加在标签或签条上，来制造光学安全装置。在图4中，这种签条480带有墨水条纹，其包含诸如ZnSe包覆的CdS纳米微晶的荧光量子点。另选地，可以将标记或标签463应用于下述产品的表面480上，该产品为诸如多层干涉滤波器的共振结构中的非线性和线性光学材料的图案的形式，或者可以将颗粒或非线性光学材料并入到标签或表面480的体积中。对点470进行照射的适当定制的光脉冲会将荧光颗粒或非线性光学材料或结构转换至激发态，该激发态会通过发射光和/或声子(phonon)而衰减。可以通过检测器或计算机435来检测和分析发射光谱或接收光谱，以识别标记、材料、颗粒、图案或结构，并由此确定标签、签条、文件或产品475的特征(identity)或有效性。
实施例#9：通过经整形的光脉冲激发的光声信号
当通过光脉冲进行激发时，溶液中的给定类型的分子会发射特征声脉冲。该声脉冲的详细形状取决于分子的光谱以及处于多种状态下的分子与周围介质之间的能量交换的细节。因此，具有将分子置于特定的激发态的特定形状的光脉冲会使该分子发射具有独特形状的声脉冲。在图9中，经整形的光脉冲对试管1055中的目标分子类型进行激发。通过声换能器1025对由分子响应于该脉冲而发射的声能进行采集，并由计算机1022对其进行分析。
实施例#11：改进的扫描探针近场光学显微镜
分子对于光脉冲的响应取决于脉冲的偏振、分子的取向、分子的量子态和分子的原子组成，以及量子态的相位。因此，优选地，对分子进行预处理，以使样本中的大部分分子对齐，并且处于特定的量子态和相位。可以通过多种方法来实现该预处理。一种方法是使用在频率和偏振方面进行了定制的相对长的光脉冲来使分子中的核(nuclei)对齐，例如，通过Overhauser效应。另一种方法是将样本设置在由旋转磁场调制的静态磁场(与NMR技术中一样，是标准的)中，以对齐分子或核，并使它们的进动相位(precessional phase)同步。另一种方法是通过将分子嵌入可拉伸材料中并对材料进行拉伸来机械地对齐分子。另一种方法是使分子晶化，或者将其合并在由另一种材料构成的晶体矩阵中。
可以如图8所示对图4的扫描近场光学显微镜进行修改，以进一步增强来自样本的信号。图8示出了图4的光学头，添加了场磁极820、835，并添加了RF线圈800、825。可以使用由磁极820、835和RF线圈800、825产生的磁场，或者使用特定频率和偏振的预处理光脉冲通过光学Overhauser效应产生的磁场，对基板805上的样本中的目标分子或原子的量子态进行预处理。随后可以使用一个或更多个其他脉冲(这些脉冲进行了优化整形，以增强样本的光学吸收光谱或发射光谱中的特征)来探测经预处理的样本。另选地或另外地，可以对由线圈800、825采集的RF信号进行分析，以提供下述的信息，该信息在使用标准NMR技术识别和检测样本中的目标分子或原子时有用。
上述的所有实施例可以另外包括用于产生具有脉冲之间的可调延迟的多个相干脉冲的装置。图7示出了一种这样的装置。使用一系列分束器700、770、760将具有所谓的高斯形状的原始脉冲转换为名义上相同形状的多个相干脉冲。可以在光束路径中插入附加元件750、765，以保证所有脉冲经过相同的分散。可以在这些路径中插入脉冲整形器710、745、740，以独立地对各个脉冲进行整形，然后可以使用分束器715、725、730将这些脉冲引导到公共光束路径中。可以在独立路径或公共光束路径中插入相干脉冲放大器721，并且可以插入衰减器780、785以控制不同分量脉冲的相对幅值。通过调整各个路径的长度(例如，通过移动反射镜750)，可以调整脉冲之间的定时。彼此相干的多个经独立整形的脉冲是优选的，因为它们可以用于准备分子的所需量子态并随后对该状态进行探测。例如，分子的吸收光谱取决于它所处的状态。第一脉冲可以将分子驱动到给定状态，于是该分子相对于第二脉冲的吸收光谱与该状态下的分子不同。此外，分子对光子的吸收横截面取决于光子的偏振、波长和相位，以及分子的量子态，所以通过第二脉冲测量的吸收光谱很大程度上取决于脉冲的详细形状。
注意，正交偏振且波长略微不同的两个相干光束的叠加导致光束中的旋转电场矢量和旋转磁场矢量，它们以取决于两个光束之间的频率差的频率进行旋转。
上述实施例中的任何一个还可以通过被组合为在不同偏振平面内具有不同形状的单个脉冲的多个经重新整形的脉冲来实现。图2示出了下述的实施例，在该实施例中，来自相干光源200的脉冲光束205最初被分束器245分为独立光束210和211，通过独立脉冲整形器232和235对独立光束210和211独立地进行重新整形。在典型实施例中，分束器245包括偏振旋转器(参见图15)，以使独立光束210和211彼此正交偏振。根据脉冲整形器232和235的设置，可以使用第一反射镜260将光束之一211引导到脉冲整形器中的至少一个235中。可以在光束210或211中的至少一个的路径中插入路径长度调节器240，以保证这些独立光束保持同相。可以使用不同的控制参数来配置脉冲整形器232中的每一个，以将独立脉冲210、211独立地重新整形为不同的脉冲形状215、230，独立脉冲210、211由光束组合器225重新组合为组合脉冲220。因此，组合脉冲220包含在不同的偏振平面内具有不同形状的混合偏振脉冲。
实施例#12：另一量子共振控制荧光显微镜
由于可以对在此公开的显微镜实施例进行控制，以最优地检测由于量子共振效应而来自样本中的离散物质的荧光或其他发射，所以在此将这些实施例中的每一个都表示为“量子共振控制荧光”(QRCF)显微镜。
这种显微镜的其他实施例可以使用在显微镜的物平面交叉的两个偏振整形光束来照射物体，例如安装在样本保持器上的活体细胞或者其他样本。为了对脉冲的偏振以及其他特征进行整形，使用偏振分束器将脉冲分为两个正交偏振光束。对这两个光束独立地进行整形，然后使用诸如图2所示的系统对其进行重新组合以形成经整形的脉冲。在另一实施例中，可以产生两个这种偏振控制脉冲，并且这两个偏振控制脉冲以至少45度，最优选地以90度的角度相互交叉，以照射荧光显微镜中的物体。经过适当控制和整形的这两个脉冲实际上可以在该脉冲的持续时间期间，在该脉冲的带宽以内产生任意可以想到的电场矢量序列。
在这些实施例中，通过使用附加的脉冲整形器和分束器对独立地进行了整形的脉冲进行组合，来形成在X、Y和Z轴中的每一个上都具有电场或磁场的组合重新整形脉冲。同时这些实施例可以在此处公开的任一装置中使用，在用于探测安装在样本保持器上的样本的显微镜应用中，它们尤其有用。
图13示出了在QRCF显微镜中使用的示例系统，该QRCF显微镜使用叠加在一起的四个相同的脉冲整形和重组模块1510、1520、1530和1540，两个独立光束的每一个偏振分量使用一个。可以在这些模块中包括三个路径长度调节器，以保证能够以亚微米的精度来重新组合这些脉冲。每一个脉冲整形器模块都接收偏振脉冲，使用衍射光束将脉冲分散为光谱，对分散光束进行准直处理，通过两个2D空间光调制器中的每一个中的一行像素来引导该光谱，然后将该光束聚焦到第二衍射光栅上，以如上所述重新形成脉冲。首先通过分束器1505将初始脉冲1500分为独立光束1515和1525。通过第一组偏振旋转器1550将这些光束中的每一个过滤为偏振光束“a”和“b”。偏振光束“a”和“b”通过第二组分束器1506，以产生四个光束1515c、1515d、1525c和1525d。这些光束中的至少两个保持在一个偏振平面内，并且其余光束中的至少一个随后通过第二偏振旋转器1565，以将该光束的偏振旋转到相对于其他两个光束正交的偏振平面内。脉冲整形器1510、1520、1530和1540中的每一个独立地对其相应的入射光束进行重新整形。第二组偏振滤波器1580和1590以及反射镜1595、1596用作脉冲组合器，用于将经独立整形的脉冲重新组合为两个出射光束1585和1586。这些出射光束之一1585是下述两个光束的叠加，这两个光束具有两个不同的正交偏振平面，以形成混合偏振光束。其余光束1586是具有一个取向平面的线性偏振光束。
尽管图13所示的示例示出了四个脉冲整形器，但是该示例仅是为了对称，以表示初始分离光束1515a或1515b可以被重新整形为重新组合的混合偏振光束1585或者线性偏振光束1586。然而，应该理解，实际上仅需要三个脉冲整形器，其中两个发射要重新组合为混合偏振光束1585的正交偏振光束，另一个射出作为线性偏振光束1585的光束。
图13所示的四个脉冲整形模块1510、1520、1530和1540叠加在一起，以使得它们都可以使用各个脉冲整形器中的单对空间光调制器的独立行，尽管在另选实施例中，这四个模块可以在物理上独立。可以通过现有的组件，例如电介质反射镜、偏振分束器和可调节托架(mount)来构建这些模块。在一个示例性实施例中，该系统将使用CRL光学SLM模块来进行脉冲整形。该SLM是与“时分”装置相反的“模拟”装置。尽管“时分”装置中的像素对于各个帧周期的不同部分，通过全开或全关来产生灰度级调制，但是“模拟”装置中的像素对于各个帧周期的整个持续时间仅部分打开。当短光脉冲通过“时分”SLM像素时，根据脉冲和帧周期的相对定时，仅可以通过像素使其“导通”或“截止”。通过“模拟”SLM像素的脉冲被调制为相同程度，而不考虑其相对于帧周期的定时。
从脉冲整形模块射出的两个经重新整形的脉冲1585和1586优选地在相同瞬时到达显微镜中的物体，差别不超过十分之几飞秒。1飞秒与大约三分之一微米相对应，所以光束的路径长度应该可以调整为大约十分之一微米。脉冲整形模块1510、1520、1530和1540例如可以包括适当的路径长度调节器，用于实现上述目的。
每一个脉冲整形器组件都必须是干涉测量稳定的(即，在大致小于一个波长的差异内，例如，小于所使用的照射波长的1/10或者1/20)。尽管实际上在脉冲期间不可能有运动，但是对于所有分量，在脉冲之间的相对长的时间段内保持在相同的相对位置上是非常重要的，因为自适应脉冲整形处理可能取决于沿不同路径传播的大约几百个独立光束(beamlet)的相干叠加。当然，在现有技术中的已知系统中(例如，在由New Light Industries(Spokane，WA)提供的全息系统中)保持了稳定性程度。相干测量稳定性可以通过许多方式来实现。例如，在特定实施例中，可以将脉冲整形和重组系统制造在单个金属块中，并由对于温度稳定的外壳包围，该外壳安装在振动隔离台上，以防止尺寸变化。
在各种实施例中使用的显微镜可以是标准的或者是倒置(inverted)的。在某些实施例中，需要倒置显微镜，因为其结构使得能够容易地到达样本的后侧，并且可以使用如图14所示的“全内反射”照明。一个光束1686(与图13的光束1586相对应)是线性偏振的，携带有经整形的脉冲，而另一光束1685(与图13的光束1585相对应)是正交偏振的两个经整形脉冲的叠加。为了避免由于以小于90度的入射角照射(impinging)平坦侧而导致的干涉合反射，可以使用涂覆有抗反射膜的棱镜1690的平坦底部作为样本托架，而光束1685和1686中的每一个以相对于棱镜的侧面1695成90度的角度进入棱镜。在棱镜1690底部的点1605处，两个光束以至少45度，优选90度的角度在样本上相互交叉，所以三个脉冲的电场轴在X、Y、Z坐标系中全部彼此正交。由此，可以在飞秒时间量级对物体照射中的电场矢量进行完全三维控制。与图8相似，图14还示出了磁线圈1580(和/或未示出的RF源)，其被构造用来与显微镜物镜组件830一起对样本中的分子进行取向，该显微镜物镜组件830对作为被组合光束中的脉冲激发的结果而从样本接收的出射辐射进行成像。可以采用色彩选择滤波器来仅对所选择的波长的光进行成像。
如图15所示，在特定实施例中，可以使用适当的反射镜1720、1730或涂层使光束在立体块1710的底面处全内反射，而不是使用棱镜1690，所以将仅通过反射光的渐消场照射棱镜底面上的样本，该渐消场从位于交叉点1605处的棱镜面延伸大约四分之一微米。因此，可以将所有光束重组器光学器件合并到玻璃的立体块中，如图15所示，以确保稳定性。样本保持器可以直接设置在单个玻璃块的下面，或者在另选实施例中，单个玻璃块1710的底部本身可以用作样本保持器。
此处提供的方法和装置的预期优点包括：a)识别活体细胞中的特定分子种类的存在和分布的能力；b)表现特定分子种类与其细胞内环境之间的相互作用的能力；c)对样本中的非放射性同位素的分布进行成像的能力；以及d)在活体细胞中的选定位置处高度选择性地触发特定的化学反应的前景。通过调节脉冲整形器的SLM的各个元件上的电压，可以按照几乎任何可以想到的方式对脉冲进行修改。通过将脉冲分为两部分，独立地对这些部分进行整形，使其中一个的偏振旋转并重新组合两个部分，可以对所得到的脉冲的依赖于时间的偏振进行整形。
可以对光脉冲的依赖于时间的频率和偏振进行定制，以引起量子态跃迁，该量子态跃迁在对物质进行简单的脉冲照射的情况下是不可能的。结果，适当定制的脉冲形状可以选择性地在特定分子种类中以特定波长导致荧光。因此，脉冲形状和所得到的发射光谱对于一个并且仅一个分子种类都是特定的。当为了检测样本中的一种特定类型的分子物质而进行优化时，在此提供的QRCF显微镜能够通过仅使这种类型的分子发出荧光而揭示整个细胞内该物质的空间分布。调整(tuning)的变化应该揭示由折叠、弱键、溶解离子浓度等导致的分子的状态的空间变化。当依次调整至一系列不同分子中的每一个时，QRCF显微镜应该能够创建分子化合物以及细胞结构的详细的微米级图像。
在不脱离本发明的范围的情况下，只要遵循主要原理，就可以对此处描述的实施例和技术的具体要素和要素的组合进行变化。例如，如果脉冲整形器是分别适于对微波或声脉冲进行整形的类型，则可以将光辐射替换为微波辐射或声辐射。可以使用光纤光学分束器来分离和组合脉冲，而不是使用立方体分束器。偏振脉冲整形器可以对脉冲的任意正交偏振分量起作用，例如正交线性偏振、正交圆偏振或正交椭圆偏振。根据目标颗粒或物质的量子态结构，脉冲可以具有包括飞秒、皮秒、纳秒、微妙或毫秒在内的任意适当的持续时间。另外，从正在检测的合成物物质中发射的辐射并不限于荧光发射，而是可以包括差分吸收、上变频(upconverted)光、X射线、UV、可见光、IR、太赫兹、RF或声辐射。上变频光是以比激发光的波长更短的波长发射的光。
由偏振脉冲整形器产生的经整形的脉冲可以用于其中优选地对脉冲的偏振形状以及相位和幅值形状进行定制的任何应用，例如控制化学反应、分离同位素、引起光学透明度、准备量子计算机的特定量子态，或者增强光脉冲损坏目标的能力。
在此使用的“物质”一词是指根据激发相干辐射脉冲的形状而具有恒定光学特性和发射或吸收光谱的颗粒、细胞、孢子、分子、原子、晶体结构、量子点或者纳米微晶。使用“颗粒”一词来表示直径小于大约50微米的任何物体，包括细胞、孢子、颗粒状物。颗粒本身可以由通过在此公开的装置检测或识别的物质组成，或者它们可以标签或标记在这些物质上。
在此使用“聚焦”一词来表示“引导到一点”；也用于表示“形成图像”。
本申请是2002年11月1日提交的在审美国专利申请No.10/286,338的连续部分，其要求2001年11月6日提交的临时专利申请No.60/338,506的优先权。

Claims (10)

1、一种显微镜，用于检测样本中的组成物质的分布，其包括：
多个脉冲整形器，其被构造用来将从辐射源发射的初始辐射脉冲重新整形为线性偏振的第一重新整形脉冲，以及具有组合偏振的第二重新整形脉冲；
照射组件，其被构造用来使用所述第一和第二重新整形脉冲同时照射所述样本，以使所述第一和第二重新整形脉冲在所述样本上以至少45度的角度交叉，以形成具有至少三个相互正交的电场的组合脉冲；以及
物镜光学器件，其被构造用来将在使用经重新整形的脉冲照射所述样本时从所述样本发射的辐射聚焦为一图像，该图像表示所述样本中的组成物质的分布；
其中所述各个脉冲整形器被构造用来对所述初始辐射脉冲的至少一个光谱分量的相位、幅值和偏振中的至少一个进行重新整形，并且还包括设置有多个控制参数集合的控制器，该多个控制参数集合使得所述脉冲整形器将所述第一和第二脉冲独立地重新整形为不同的重新整形脉冲；其中所述控制参数集合是从库中选择的，对该库中的各个集合进行优化，以使得从所述样本的不同物质成分发射可区分的辐射信号；
所述库中的控制参数是使用进化算法获得的，该进化算法包括：
a)使用根据多个不同的控制参数集合形成的多个不同的重新整形脉冲来独立地照射所述样本；
b)独立地测量在由所述多个不同的重新整形脉冲中的每一个照射时由所述样本的目标组成物质发射或吸收的辐射的第一光谱的特征，并独立地测量由非目标组成物质发射或吸收的第二光谱的相同特征；
c)通过独立地计算所述第一光谱和所述第二光谱的所测量特征之间的差异来确定所述多个控制参数中的每一个的适合度值，并根据所计算的差异的大小为所述多个控制参数中的每一个分配适合度值；
d)选择至少两个控制参数集合，其具有比未选择的控制参数更高的适合度值；
e)通过使用来自所选择集合之一的至少一个参数随机地替换来自所选择集合的另一个的至少一个对应的参数，根据所述至少两个选择的控制参数集合来生成后代参数集合；
f)通过随机地改变所述后代参数集合的至少一个参数，来随意地变异该后代集合；
g)使用所述后代参数集合或者经随意变异的参数集合重复操作a-f，以产生操作“a”中的所述多个不同的重新整形脉冲；
重复操作g，直到产生最终的后代参数集合为止，该最终后代参数集合形成经重新整形的脉冲，当将该重新整形的脉冲照射到所述样本上时，产生由所述目标组成物质发射或吸收的辐射的信号光谱，与所发射的辐射的第一光谱相比，该信号光谱更容易与从所述非目标物质发射的辐射的第二光谱相区分；并且
将所述最终后代参数集合包括在所述库中。
2、根据权利要求1所述的显微镜，其中所述第一和第二重新整形脉冲以大约90度的角度交叉。
3、根据权利要求1所述的显微镜，其中所述照射组件包括全内反射装置，并且在该全内反射装置内引导所述第一和第二重新整形脉冲，使其以至少45度的角度交叉。
4、根据权利要求1所述的显微镜，其中所述样本安装在棱镜的水平表面上面或者下面，并且所述第一和第二重新整形脉冲通过与该水平表面正交的第一和第二表面进入该棱镜。
5、一种显微镜系统，用于检测样本中的组成物质的分布，其包括：
脉冲整形器，其被构造用来将从辐射源发射的初始辐射脉冲重新整形为分别具有预定形状的多个脉冲；
照射组件，其被构造用来使用所述多个脉冲照射所述样本；以及
图像形成装置，用于接收作为由所述多个脉冲照射的结果从所述样本发射的辐射，并基于所发射辐射的光谱组成，根据所发射的辐照形成一图像，该图像表示所述样本中的组成物质的分布；
其中所述脉冲整形器被构造用来对所述初始辐射脉冲的至少一个光谱分量的相位、幅值和偏振中的至少一个进行重新整形，并且还包括设置有多个控制参数集合设置的控制器，该多个控制参数集合至少部分地确定所述多个脉冲的形状，其中所述控制参数集合从库中选择，对该库中的各个集合进行优化，以使得从所述样本的预定目标物质成分发射可区分的辐射信号；
所述库中的控制参数是使用进化算法获得的，该进化算法包括：
a)使用根据多个不同的控制参数集合形成的多个不同的重新整形脉冲来独立地照射所述样本；
b)独立地测量在由所述多个不同的重新整形脉冲中的每一个照射时由所述样本的目标组成物质发射或吸收的辐射的第一光谱的特征，并独立地测量由非目标组成物质发射或吸收的第二光谱的相同特征；
c)通过独立地计算所述第一光谱和所述第二光谱的所测量特征之间的差异来确定所述多个控制参数中的每一个的适合度值，并根据所计算的差异的大小为所述多个控制参数中的每一个分配适合度值；
d)选择至少两个控制参数集合，其具有比未选择的控制参数更高的适合度值；
e)通过使用来自所选择集合之一的至少一个参数随机地替换来自所选择集合的另一个的至少一个对应的参数，根据所述至少两个选择的控制参数集合来生成后代参数集合；
f)通过随机地改变所述后代参数集合的至少一个参数，来随意地变异该后代集合；
g)使用所述后代参数集合或者经随意变异的参数集合重复操作a-f，以产生操作“a”中的所述多个不同的重新整形脉冲；
重复操作g，直到产生最终的后代参数集合为止，该最终后代参数集合形成经重新整形的脉冲，当将该重新整形的脉冲照射到所述样本上时，产生由所述目标组成物质发射或吸收的辐射的信号光谱，与所发射的辐射的第一光谱相比，该信号光谱更容易与从所述非目标物质发射的辐射的第二光谱相区分；并且
将所述最终后代参数集合包括在所述库中。
6、根据权利要求5所述的显微镜系统，其中通过对所述初始辐射脉冲的至少一个光谱分量的相位、幅值和偏振中的至少一个进行修改，来对所述多个脉冲中的至少一个进行整形。
7、根据权利要求6所述的显微镜系统，其中所发射的光包括荧光、斯托克司发射、反斯托克司发射、上变频光、瑞利散射光以及拉曼散射光中的至少一种。
8、根据权利要求5所述的显微镜系统，其中所述辐射源来自飞秒激光器，该飞秒激光器提供恒定初始形状和持续时间的相干辐射脉冲。
9、根据权利要求6所述的显微镜系统，还包括为所述显微镜设置的时变电磁场源，用于对所述样本施加时变电磁场，以通过磁共振对所述样本的组成物质的至少一部分进行取向。
10、根据权利要求5所述的显微镜系统，还包括
多个脉冲整形器，其被构造用来将从辐射源发射的初始辐射脉冲重新整形为具有经过控制的幅值、相位和偏振形状的多个脉冲；
照射组件，其被构造用来使用所述多个脉冲的子集从多个方向同时照射所述样本，由此对所述样本施加具有经控制的时变幅值、相位和电场方向的光场；以及
图像形成装置，用于接收在由所述多个脉冲照射之后从所述样本发射的辐射，并且根据所发射辐射的一个或更多个光谱分量以及时间变化来形成一图像，该图像表示所述样本中的组成物质的分布。
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Families Citing this family (43)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7567596B2 (en) * 2001-01-30 2009-07-28 Board Of Trustees Of Michigan State University Control system and apparatus for use with ultra-fast laser
US7973936B2 (en) 2001-01-30 2011-07-05 Board Of Trustees Of Michigan State University Control system and apparatus for use with ultra-fast laser
US8208505B2 (en) 2001-01-30 2012-06-26 Board Of Trustees Of Michigan State University Laser system employing harmonic generation
US7450618B2 (en) 2001-01-30 2008-11-11 Board Of Trustees Operating Michigan State University Laser system using ultrashort laser pulses
AU2002245345A1 (en) * 2001-01-30 2002-08-12 Board Of Trustees Operating Michigan State University Control system and apparatus for use with laser excitation or ionization
US7583710B2 (en) 2001-01-30 2009-09-01 Board Of Trustees Operating Michigan State University Laser and environmental monitoring system
US7609731B2 (en) * 2001-01-30 2009-10-27 Board Of Trustees Operating Michigan State University Laser system using ultra-short laser pulses
US7352469B2 (en) * 2001-11-06 2008-04-01 Mcgrew Stephen P Quantum resonance analytical instrument
US7268881B2 (en) * 2004-02-17 2007-09-11 The Curators Of The University Of Missouri Light scattering detector
US7413341B1 (en) * 2004-08-16 2008-08-19 The Research Foundation Of State University Of New York Imaging methods
US7903252B2 (en) * 2005-01-13 2011-03-08 The Curators Of The University Of Missouri Noise cancellation in fourier transform spectrophotometry
US8633437B2 (en) 2005-02-14 2014-01-21 Board Of Trustees Of Michigan State University Ultra-fast laser system
EP1957959A2 (en) 2005-11-30 2008-08-20 Board of Trustees of Michigan State University Laser based identification of molecular characteristics
WO2007112449A2 (en) * 2006-03-28 2007-10-04 The Regents Of The University Of California Apparatus and method for raman spectroscopy and microscopy with time domain spectral analysis
US9018562B2 (en) 2006-04-10 2015-04-28 Board Of Trustees Of Michigan State University Laser material processing system
US7817282B2 (en) * 2007-05-17 2010-10-19 Georgia Tech Research Corporation Use of crossed-beam spectral interferometry to characterize optical pulses
US20100027000A1 (en) * 2007-10-29 2010-02-04 Dimitry Pestov Hybrid Technique for Coherent Anti-Stokes/Stokes Raman Spectroscopy
WO2009086122A2 (en) 2007-12-21 2009-07-09 Board Of Trustees Of Michigan State University Control in ultrashort laser systems by a deformable mirror in the stretcher
EP2211430A3 (en) 2009-01-23 2015-05-27 Board of Trustees of Michigan State University Laser autocorrelation system
US8861075B2 (en) 2009-03-05 2014-10-14 Board Of Trustees Of Michigan State University Laser amplification system
US7876445B1 (en) * 2009-07-01 2011-01-25 Joseph Daniel Vance Two-photon-absorption magneto-optic dispersion spectrometer
US20110043814A1 (en) * 2009-08-24 2011-02-24 Raytheon Company Ultra stable short pulse remote sensor
DE102009029002B3 (de) 2009-08-28 2011-01-27 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Photoakustischer Sensor sowie Verfahren zu seiner Herstellung und Verwendung
DE102009028994B3 (de) * 2009-08-28 2011-02-24 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Vorrichtung und Verfahren zum spektroskopischen Nachweis von Molekülen
US8911145B2 (en) * 2009-11-20 2014-12-16 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Method to measure the characteristics in an electrical component
US8630322B2 (en) 2010-03-01 2014-01-14 Board Of Trustees Of Michigan State University Laser system for output manipulation
US9052239B2 (en) * 2011-03-14 2015-06-09 Wisconsin Alumni Research Foundation Multidimensional spectrometer
JP5610399B2 (ja) * 2011-08-02 2014-10-22 独立行政法人科学技術振興機構 ポンププローブ測定装置
US8860939B2 (en) * 2012-06-13 2014-10-14 The Royal Institution For The Advancement Of Learning/Mcgill University Method and system for optical spectroscopy
KR101441748B1 (ko) * 2012-09-07 2014-09-19 한국과학기술원 주파수 상관관계를 이용하여 재단된 테라헤르츠파를 이용한 기능적 영상 기술 장치
JP6517193B2 (ja) * 2013-06-07 2019-05-22 マルバーン インストゥルメンツ リミテッド アレイベースの試料特性評価
DE102013113348B4 (de) 2013-12-02 2017-04-13 Karlheinz Mayer Vorrichtung zum Messen von DNA-Quantenzuständen sowie Verwendung derselben
JP7156791B2 (ja) 2014-07-31 2022-10-19 ビュージックス コーポレーション 拡散媒体を介した画像および波フィールド投影
JP6466106B2 (ja) 2014-09-02 2019-02-06 浜松ホトニクス株式会社 光変調装置および光学システム
CN105628642A (zh) * 2016-01-08 2016-06-01 上海理工大学 一种提高太赫兹光学检测系统频谱信噪比的方法
CN105910995B (zh) * 2016-04-01 2018-11-23 中国科学院理化技术研究所 一种瞬态偏振吸收光谱测量方法及实现该方法的一种激光闪光光解仪系统
CN106066306A (zh) * 2016-06-30 2016-11-02 中国科学院深圳先进技术研究院 一种光声显微镜系统
CN106442394B (zh) * 2016-09-28 2019-05-31 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种太赫兹近场成像系统及方法
CN107367482B (zh) * 2017-08-08 2023-07-07 国网江苏省电力公司盐城供电公司 一种用于检测电力设备复合材料无损的方法
US10454459B1 (en) * 2019-01-14 2019-10-22 Quantum Machines Quantum controller with multiple pulse modes
CN110146410B (zh) * 2019-05-09 2020-06-12 上海交通大学 基于差分吸收法的原子密度及布居数的测量装置及方法
CN113203700A (zh) * 2021-04-15 2021-08-03 北京大学 一种可见泵浦-红外探测二维光谱测量系统及方法
CN113588697B (zh) * 2021-08-04 2024-04-19 中国科学院上海应用物理研究所 一种用于蛋白质晶体结构解析的高粘度挤压喷射上样装置

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5589936A (en) * 1992-09-14 1996-12-31 Nikon Corporation Optical measuring apparatus for measuring physichemical properties
US5530544A (en) * 1992-10-26 1996-06-25 Sandia Corporation Method and apparatus for measuring the intensity and phase of one or more ultrashort light pulses and for measuring optical properties of materials
US5541947A (en) * 1995-05-10 1996-07-30 The Regents Of The University Of Michigan Selectively triggered, high contrast laser
WO1998020323A1 (en) * 1996-11-08 1998-05-14 Purdue Research Foundation Particle analysis system and method
US5818583A (en) * 1996-11-08 1998-10-06 Purdue Research Foundation Particle analysis system and method
US6219142B1 (en) * 1997-10-17 2001-04-17 Southwest Sciences Incorporated Method and apparatus for determining wave characteristics from wave phenomena
CA2272255C (en) * 1998-05-22 2005-05-10 David R. Snelling Absolute light intensity measurements in laser induced incandescence
DE19851240C1 (de) * 1998-11-06 2000-03-02 Europ Lab Molekularbiolog Fluoreszenzmikroskop mit Mehrphotonenanregung
US6201916B1 (en) * 1999-03-15 2001-03-13 Lucent Technologies Inc. Article comprising means for optical pulse reshaping
US6456380B1 (en) * 1999-05-19 2002-09-24 Nippon Telegraph And Telephone Corporation Method and apparatus for measuring waveform of optical signal
US6255642B1 (en) * 1999-06-23 2001-07-03 Massachusetts Institute Of Technology Standing wave total internal reflection imaging
WO2002054046A1 (fr) * 2000-12-28 2002-07-11 Dmitri Olegovich Lapotko Procede et dispositif d'examen phototermique d'irregularites microscopique
US7609731B2 (en) * 2001-01-30 2009-10-27 Board Of Trustees Operating Michigan State University Laser system using ultra-short laser pulses
US7352469B2 (en) * 2001-11-06 2008-04-01 Mcgrew Stephen P Quantum resonance analytical instrument
US6930779B2 (en) * 2001-11-06 2005-08-16 Mcgrew Stephen P. Quantum resonance analytical instrument
US20040128081A1 (en) 2002-12-18 2004-07-01 Herschel Rabitz Quantum dynamic discriminator for molecular agents
US7256885B2 (en) * 2003-01-29 2007-08-14 Yeda Research And Development Company Ltd. Coherently controlled nonlinear Raman spectroscopy and microscopy

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Optimal quantum control with multi-polarization fields. Rong Wu, Ignacio R. Sola, Herschel Rabitz.Chemical Physics Letters,Vol.400 No.4-6. 2004
Optimal quantum control with multi-polarization fields. Rong Wu, Ignacio R. Sola, Herschel Rabitz.Chemical Physics Letters,Vol.400 No.4-6. 2004 *

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US7352469B2 (en) 2008-04-01

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