CN110088667B - 紧密的光束整形及操纵总成 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于将光学光束自光学源耦合至高科技系统之设备及方法。紧密的低成本光束整形及操纵总成可位于该光学源与该高科一种参数之自动化调整。该光束整形及操纵总成可用于将细长光束耦合至复数个光学波导。

Description

紧密的光束整形及操纵总成
本申请要求2016年12月16日提出申请且标题为“紧密的光束整形及操纵总成”之第62/435,679号美国临时申请案之优先权，该美国临时申请案以其全文引用方式并入。
技术领域
本申请针对于用于将输出光束自雷射或其他光学源耦合至高科技光学系统之输入之设备及方法。
背景技术
雷射及发光二极管(LED)可提供在可用于高科技光学系统(诸如光学通信系统、生物分析系统、医疗装置、材料处理系统及防空系统)之一或多个可选择波长下之强辐射。来自雷射或LED之输出可经准直或未经准直，且辐射可系脉冲的或连续波。在某些情形中，短光学脉冲(例如，小于大约1奈秒之光学脉冲)可由雷射或LED产生且经提供至高科技光学系统。
某些高科技光学系统可包含精密光学装置，来自雷射或LED之输出必须耦合至该等精密光学装置。精密光学装置之一项实例系芯片上之整合式光学波导。通常，来自雷射或LED之光束输出之空间模态分布型并不与由波导支援之基本模态(举例而言)之空间模态分布型匹配良好。因此，可需要一或多个光学组件以改良光束之空间模态分布型与光束所耦合之光学系统之接收光学组件之空间模态分布型之间的匹配。
发明内容
某些实施例系关于一种光束整形及操纵总成，该光束整形及操纵总成包括：第一光学组件，其经配置以将输入光束之第一横向光束形状转变为第二光束之第二横向光束形状；第二光学组件，其经配置以使该第二横向光束形状围绕该第二光束之光学轴线旋转；及第三光学组件，其经配置以调整输出光束在目标位置处之第一位置或第一方向角中之一者。
某些实施例系关于一种将光束自系统之光学源耦合至接收光学组件之方法。该方法可包括如下动作：由光束整形及操纵总成自该光学源接收该光束；用该光束整形及操纵总成将该光束之第一横向光束形状转变为输出光束之第二横向光束形状；用该光束整形及操纵总成将该输出光束定位在该接收光学组件上；及用该光束整形及操纵总成使该第二横向光束形状以可调整方式旋转。
某些实施例系关于一种用于将辐射光束耦合至设备之光学系统，该光学系统包括：三个旋转致动器；及三个光学组件，其分别耦合至该三个旋转致动器，其中每一旋转致动器具有围绕轴件轴线旋转以使该三个光学组件中之一光学组件移动之驱动轴件，其中该三个旋转致动器之该等轴件轴线基本上平行于同一平面，且其中藉由该三个旋转致动器致动该三个光学组件会使该光束在三个不同自由度上变更。
某些实施例系关于一种用于将辐射光束耦合至设备之光学系统，该光学系统包括：第一光学组件，其经支撑在可调整座架中；及第一致动器，其耦合至该可调整座架，其中藉由该第一致动器使该第一光学组件移动会使离开该第一光学组件之离开光束之横向形状及偏振旋转，其中该横向形状及偏振之该旋转系围绕沿着该离开光束居中地伸展之光学轴线。
某些实施例系关于一种用于变更辐射光束之光学系统，该光学系统可包括：第一光学组件，其由经组态以使该第一光学组件围绕第一轴线旋转之可调整座架支撑；旋转致动器，其具有围绕不平行于该第一轴线之第二轴线旋转之驱动轴件；凸轮臂，其连接至该驱动轴件；轴承，其连接至该凸轮臂；及弯曲表面，其连接至该可调整座架，其中当致动该旋转致动器以使该第一光学组件旋转时该轴承跨越该弯曲表面伸展。
某些实施例系关于一种光学光束操纵设备，该光学光束操纵设备包括：第一旋转致动器，其经配置以使第一光学窗旋转；第二旋转致动器，其经配置以使第二光学窗旋转；及透镜；其中该第一光学窗之旋转调整光学光束在目标位置处之侧向位置且该第二光学窗之旋转调整该光束在该目标位置处之入射角而不使该侧向位置改变超过10微米。
某些实施例系关于一种光学光束操纵设备，该光学光束操纵设备包括三个可旋转透明光学窗，该三个可旋转透明光学窗经配置而以三个正交自由度调整来自该光束操纵设备之输出光束之三个参数。
依据以下说明连同附图可更全面地理解本发明教示之前述及其他态样、实施方案、动作、功能性、特征及实施例。
附图说明
熟习此项技术者将理解，本文中所阐述之各图仅出于图解说明目的。应理解，在某些例项中，本发明之各种态样可经展示为放大的以促进对本发明之理解。在图式中，相似元件符号贯穿各图一般系指相似特征、功能上类似及/或结构上类似之元件。图式未必按比例绘制，而是重点放在图解说明教示之原理上。图式并非意欲以任何方式限制本发明教示之范畴。
图1-1系根据某些实施例之高科技系统之方块图绘示。
图1-2绘示根据某些实施例之可由高科技系统中之光学源产生之一连串光学脉冲。
图1-3绘示可包含于可安装在高科技系统内之芯片上之并行反应室之实例。根据某些实施例，可经由由接近每一室形成之光侦测器所侦测到之一或多个波导及发射光学地激发该等反应室。
图1-4图解说明在三个不同光学功率下波导中之时间相依损耗。
图1-5绘示根据某些实施例之整合式反应室、光学波导及时间方格化光侦测器之进一步细节。
图1-6绘示根据某些实施例之可在反应室内发生之生物反应之实例。
图1-7绘示具有不同衰变特性之两个不同荧光团之发射机率曲线。
图1-8绘示根据某些实施例之荧光发射之时间方格化侦测。
图2-1A绘示根据某些实施例之细长光束至复数个波导之耦合。
图2-1B绘示根据某些实施例之细长且经旋转光束至复数个波导之耦合。
图2-2A绘示根据某些实施例之光束整形及操纵模块。
图2-2B绘示根据某些实施例之安装至在仪器中且加固印刷电路板之底盘之光束整形及操纵模块。
图2-3绘示根据某些实施例之光束整形及操纵组件之光学细节。
图2-4绘示根据某些实施例之用于影像旋转棱镜之旋转座架之元件。
图2-5A绘示根据某些实施例之用于使光学组件旋转之机械连杆。
图2-5B图解说明包含经工程设计弯曲表面以补偿机械连杆中之非线性之机械连杆之线性化光束位移。
图2-6绘示根据某些实施例之光学光束至芯片上之光学耦合器之对准。
图2-7绘示根据某些实施例之用于将光学脉冲自光学源耦合至生物光电子芯片之多个波导中之侦测与控制电路。
依据在结合图式进行时下文所陈述之详细说明将更明了本发明之特征及优点。当参考图式阐述实施例时，可使用方向性参考(“上面”、“下面”、“顶部”、“底部”、“左”、“右”、“水平”、“垂直”等)。此等参考仅意欲作为对读者在法向定向上观看图式之辅助。此等方向性参考不意欲阐述所体现装置之特征之较佳或仅有定向。可使用其他定向来体现装置。
具体实施方式
I.简介
本文中所阐述之技术系关于用于将光学光束自雷射或发光二极管耦合至包含精密光学组件之高科技系统之设备及方法。高科技系统可包含一或多个精密光学组件(例如，整合式光学波导、整合式光学耦合器、整合式光学调变器、光学绕射元件、光纤等)且可进一步包含机械组件、微机械组件、电气电路、微流体组件、微机电组件、生物微机电组件及/或生物光电子组件。根据某些实施例，阐述包含对光束参数之五个自动化调整之小轮廓紧密光束整形及操纵总成。该总成亦可包含对光束聚焦及光束形状之手动或自动化调整。在某些实施方案中，该总成可用于将圆形光束自雷射耦合至生物光电子芯片上之整合式光学波导之线性阵列，且提供以高效率耦合至该复数个波导中之几乎均匀功率。可藉由对该光束整形及操纵总成中之光学组件之自动化操纵调整跨越该等波导之耦合均匀性。
该光束整形及操纵总成可并入至便携式仪表(例如，飞行时间成像仪器、利用寿命解析之荧光侦测之生物分析仪器、基因定序仪器、光同调断层扫描仪器、医疗仪器等)中以提供紧密光学源与紧密高科技系统之精密光学装置之间的精确且稳定光学耦合。该光束整形及操纵总成可减少振动、温度变化及制造变化对光学源与高科技系统之间的光学耦合之效应。在2016年5月20日提出申请且标题为“脉冲激光器和生物高级系统”之第15/161,088号美国专利申请案及2016年12月16日提出申请且标题为“紧密锁模激光模块”之第62/435,688号美国专利申请案中阐述此等实施例之光学源之实例，该等美国专利申请案以引用方式并入本文中。此仪表可系容易携带的且以与针对需要大量光学源及大量光学耦合组件之习用仪表之情形相比较相当低之成本生产。高可携带性可使此等仪器对于研究、开发、临床用途、场部署、军事及商业应用更有用。
发明人已认识到且了解到，当雷射或LED及其驱动电路可输出超过100毫瓦之功率位准且在大小方面经制成为非常紧密的(例如，大约一张A4纸或更小之大小，该A4纸具有大约40mm或更小之厚度)时，诸如脉冲雷射及LED之光学源可能系更有用的。当经制成为紧密的时，此等光学源可并入至便携式高科技仪器中，该等便携式高科技仪器可在以下各项之领域中使用但不限于以下各项之领域：(举例而言)医疗诊断、光学通信、用于药物开发之大量并行样本分析、基因定序或蛋白质分析。术语“光学”可用于系指超紫外线、可见、近红外线及短波长红外线光谱频带。
发明人已进一步认识到且了解到，将此等光学源制造为可容易地换入至便携式高科技仪器中且自便携式高科技仪器换出之模块可系有利的。此随插即用能力可最小化仪器之停机时间，且允许在不同仪器中使用单个源。发明人已进一步认识到，雷射及LED一般具有具不同光束参数(例如，光束大小、光束形状、光束准直、光束方向、横向光束分布型)之输出光束，且接收光学光束之高科技系统可具有对该等所接收光束参数之不同要求。
为适应光学源与高科技系统之间的光束参数差异，发明人已设想出在下文进一步详细地阐述之光束整形及操纵设备以及相关联方法。该光束整形及操纵设备系可并入至仪器中以调适来自光学源之输出光束从而使其符合光学源将耦合之高科技系统之可接受光束参数的紧密总成(例如，小于一张A4纸之大小之二分之一且小于40mm厚度)。在以下说明中，结合仅仅系“高科技”仪器之一项实例之基因定序仪器阐述光束整形及操纵设备之实施例。然而，应了解，所阐述实施例之光束整形及操纵设备可与其他类型之仪器一起使用，无论该等其他类型之仪器是否包含高科技或进阶光学技术。
在实施例中，高科技仪器1-100可包括安装在该仪器内或以其他方式耦合至该仪器之光学源1-110，如图1-1中所绘示。根据某些实施例，光学源1-110可系锁模雷射(mode-locked laser)。锁模雷射可包含在雷射腔中或耦合至雷射腔之元件(例如，可饱和吸收器、声光调变器、克尔透镜)，该元件诱发雷射之纵向频率模式之相位锁定。在其他实施例中，光学源1-110可包括增益开关雷射。增益开关雷射可包括调变雷射之增益介质中之光学增益之外部调变器(例如，脉冲驱动器电路)。
仪器1-100可包含光束整形及操纵总成1-150及高科技系统1-160。光束整形及操纵总成1-150可包含一或多个光学组件(例如，透镜、镜、光学滤波器、光束整形光学器件、衰减器)且经组态以对光学脉冲1-122(或连续波光束)进行操作及/或将光学脉冲1-122自光学源1-110递送至高科技系统1-160。
根据某些实施例，高科技系统可使用光学组件、侦测器、电子器件及通信硬件引导、收集且分析光学信号。举例而言，高科技系统1-160可包含若干光学组件，该等光学组件经配置以将光学脉冲引导至待分析之至少一个样本，自该至少一个样本接收一或多个光学信号(例如，荧光、背向散射辐射)，且产生表示该等所接收光学信号之一或多个电信号。在某些实施例中，高科技系统1-160可包含一或多个光侦测器及经组态以处理来自该等光侦测器之电信号之信号处理电子器件(例如，一或多个微控制器、一或多个场可程序化闸极阵列(field-programmable gate arrays)、一或多个微处理器、一或多个数位信号处理器(digital signal processors)、逻辑闸等)。该高科技系统亦可包含经组态以经由资料通信链路(data communications link，未展示)将资料传输至外部装置且自外部装置接收资料之资料传输硬件。在某些实施例中，高科技系统1-160可经组态以接纳生物光电芯片1-140，生物光电芯片1-140固持待分析之一或多个样本。可在芯片上部分地处理用于样本分析之资料信号及/或将该等资料信号传输至外部处理器以用于分析。另外，根据某些实施例，可在样本分析期间将指示光学耦合至芯片1-140及/或样本井之资料信号实时提供至光束整形及操纵总成1-150以实时维持充足光学耦合。
尽管光学脉冲1-122经绘示为具有单个横向光学模式，但在某些实施例中，来自光学源1-110之输出可系多模态的。举例而言，横向输出光束分布型可由于光学源之多模态操作而具有多个强度峰值及最小值。在某些实施例中，可藉由光束整形及操纵总成1-150中之一或多个光学组件(例如，藉由漫射光学器件)使多模态输出均质化。在某些实施方案中，多模态输出可耦合至高科技系统1-160中之复数个光纤或波导。举例而言，多模态输出之每一强度峰值可耦合至连接至生物光电芯片1-140之单独波导或波导群组。允许光学源以多模态操作可达成来自光学源之更高输出功率。在某些实施方案中，光学源1-110可产生具有其他横向光束分布型(诸如但不限于高顶光束分布型(top-hat beam profiles)、环形光束分布型(doughnut beam profiles)及线形光束分布型)之脉冲1-122。可用具有经图案化或梯度涂层之光学元件、绕射光学元件(diffractive optical elements)、双态光学元件(binary optical elements)、旋转三棱镜透镜(axicon lenses)、梯度折射率元件或此等光学元件中之两者或两者以上之组合来产生此等光束分布型。
对于某些实施例，高科技仪器可经组态以接纳可拆卸经封装生物光电芯片1-140。该芯片可包含复数个反应室、经配置以将光学激发能量递送至该等反应室之整合式光学组件及经配置以侦测荧光发射或来自该等反应室之其他光学发射之整合式光侦测器。在某些实施方案中，芯片1-140可系一次性的，然而在其他实施方案中该芯片可系可再用的。当该芯片由仪器接纳时，其可与光学源1-110电通信且光学通信且与高科技系统1-160电通信及/或光学通信。在某些实施例中，生物光电子芯片可安装(例如，经由承窝连接)在可包含额外仪器电子器件之电子电路板(未展示)(诸如印刷电路板(PCB))上之系统内。举例而言，其上安装有生物光电芯片1-140之PCB可包含经组态以将电力、一或多个时脉信号及控制信号提供至生物光电芯片1-140的电路，及经配置以接收表示自芯片上之反应室侦测之发射之信号的信号处理电路。该PCB亦可包含经组态以接收与耦合至生物光电芯片1-140之波导中之光学脉冲1-122之光学耦合及功率位准有关之反馈信号的电路。在某些实施例中，该PCB可包含经组态以将驱动信号提供至光束整形及操纵总成1-150以变更光束参数以用于较佳耦合至生物光电芯片1-140的电路。在某些情形中，可产生该等驱动信号以用于对(例如)由使用者调整之光束参数之开环控制。在某些实施例中，可产生该等驱动信号作为闭环反馈控制系统之一部分，例如，以维持光学光束之对准及/或耦合效率。在某些实施方案中，可由仪器1-100中之资料处理电路部分地或完全地处理自生物光电子芯片传回之资料，尽管可经由网络连接将资料传输至一或多个远端资料处理器以用于资料处理。
图1-2绘示根据某些实施例之来自光学源1-110之输出脉冲1-122之时间强度分布型。在某些情形中，所发射脉冲之峰值强度值可系大致相等的，且该等分布型可具有高斯时间分布型，尽管诸如sech2分布型之其他分布型可系可能的。在某些实施方案中，该等脉冲可不具有对称时间分布型且可具有其他时间分布型，诸如使用增益开关雷射之实施例。每一脉冲之持续时间可由半高全宽(FWHM)值表征，如图1-2中所指示。根据脉冲光学源之某些实施例，可形成超短光学脉冲且该等超短光学脉冲具有介于大约10皮秒(ps)与大约100ps之间的时间FWHM值。在其他情形中，FWHM值可比10ps短或比100ps长。
根据某些实施例，输出脉冲1-122可分开规律间隔T。在某些实施例中(例如，对于锁模雷射)，T可由脉冲在光学源1-110之雷射腔内之往返行进时间判定。根据某些实施例，脉冲分开间隔T可介于大约1ns与大约30ns之间。在某些情形中，脉冲分开间隔T可介于大约5ns与大约20ns之间，对应于介于大约0.7米与大约3米之间的雷射腔长度。在某些实施例中，光束整形及操纵总成1-150可另外改变光学脉冲之脉冲长度(例如，藉由使用频率分散元件，诸如光栅及/或光纤、绕射光学元件或铃流腔)。在某些实施例中，光束整形及操纵总成可另外改变脉冲分开间隔T(例如，藉由将自光学源1-110接收之光束分裂成不同光学路径、在不同光学路径中添加不同延迟且重新组合该等光学路径以使来自不同路径之脉冲交错)。在某些情形中，脉冲分开间隔T可并非有规律的，且光束整形及操纵总成1-150可执行其光束整形及操纵功能而不管脉冲分开间隔如何。
对于其中光学脉冲1-122激发复数个反应室中之荧光发射(其随后经并行侦测及分析)之实施例，所要脉冲分开间隔T可由如下因素之组合判定：举例而言，反应室数目、荧光发射特性，以及侦测与资料处置电路用于自反应室读取资料之速度。发明人已认识到且了解到，不同荧光团可藉由其不同荧光衰变速率或时间发射机率曲线来区分。因此，需要存在足以收集可用于在其不同发射特性之间进行区分之选定荧光团之充足统计资料的脉冲分开间隔T。另外，若脉冲分开间隔T太短，则资料处置电路无法与由大量反应室收集之大量资料保持同步。发明人已认识到且了解到，介于大约5ns与大约20ns之间的脉冲分开间隔T适合用于具有高达大约2ns之衰变速率之荧光团且适合用于处置来自介于大约60,000个与10,000,000个之间的反应室之资料。
根据某些实施方案，光束整形及操纵模块1-150可自光学源1-110接收输出脉冲且经组态以变更至少三个光束参数以达成光束自光学源1-110至高科技系统1-160之经改良耦合。可由光束整形及操纵模块1-150变更之光束参数包含但不限于：高科技系统中之目标位置处之光束位置、高科技系统中之目标位置处之光束方向或入射角、光束形状、光束准直、围绕光束之光学轴线之光束旋转、光束偏振与偏振定向、光束光谱组件、光束之横向强度分布型、平均光束功率、脉冲持续时间及脉冲分开时间。
参考图1-3中所绘示之生物分析实施例，在某些实施方案中，输出脉冲1-122可耦合至生物光电子芯片上之一或多个光学波导1-312中。在某些实施例中，该等光学脉冲可经由光栅耦合器1-310耦合至一或多个波导，尽管在某些情形中可使用至生物光电子芯片上之光学波导之端之耦合。象限(quadrant)(象限(quad))侦测器1-320可位于半导体基板1-305(例如，硅基板)上以用于辅助光学脉冲1-122之光束对准至光栅耦合器1-310。一或多个波导1-312及反应室1-330可整合于同一半导体基板上，其中介入介电层1-410(例如，二氧化硅层)位于基板、波导、反应室与光侦测器1-322之间。
每一波导1-312可包含渐缩部分1-315或在反应室1-330下面之其他光学特征以均衡沿着波导耦合至反应室之光学功率。缩减渐缩体可将更多光学能量驱迫至波导之芯外侧，从而增加至反应室之耦合且补偿沿着波导之光学损耗，包含耦合至反应室中之光之损耗。第二光栅耦合器1-317可位于每一波导之端处以将光学能量引导至整合式光电二极管1-324。该整合式光电二极管可侦测沿着波导向下耦合之功率量且将所侦测信号提供至控制光束整形及操纵模块1-150之反馈电路(举例而言)。
反应室1-330可与波导之渐缩部分1-315对准且凹陷在桶形件1-340中。可针对每一反应室1-330存在位于半导体基板1-305上之时间方格化光侦测器1-322。金属涂层及/或多层涂层1-350可在反应室周围且在波导上面形成以阻止不在反应室中(例如，分散在反应室上面之溶液中)之荧光团之光学激发。金属涂层及/或多层涂层1-350可凸起而超出桶形件1-340之边缘以在每一波导之输入端及输出端处减少波导1-312中之光学能量之吸收性损耗。
根据某些实施例，在生物光电芯片1-140可存在波导、反应室及时间方格化光侦测器之复数个列，使得可实施对样本之大量并行分析。举例而言，在某些实施方案中，可存在128列，每一列具有512个反应室，总共65,536个反应室。其他实施方案可包含每列更少或更多反应室、更少或更多波导列，且可包含其他布局组态。在某些情形中，可存在成百上千或甚至成千上万个波导列。可经由一或多个整合式星形耦合器或多模干扰耦合器或者藉由位于至芯片1-140之光学耦合器与复数个波导之间的任何其他构件将来自光学源1-110之光学功率分配至多个波导。
发明人已发现，在某些情形中，当尝试将功率自光学源1-110高效地耦合至复数个(大量)整合式光学波导1-312时可出现问题。为了将充足功率提供至每一波导及反应室1-330，对于大量反应室，输入光束之平均功率随着反应室数目增加而成比例地上升。对于某些整合式光学波导系统(诸如氮化硅波导芯/二氧化硅包覆层)，高平均功率可导致波导之损耗之暂时改变且因此导致随时间而变的反应室中之明显功率不稳定性。发明人已量测在高平均功率下整合式光学波导中之时间相依损耗，且在图1-4中标绘实例性结果。若来自雷射之平均功率位准变得太高，则可发生对整合式波导或芯片上之其他整合式光学组件(尤其系接近光耦合至芯片中之位置)的光学损坏。
针对具有氮化硅芯之单模波导之三个相同长度，将插入损耗量测为时间之函数。耦合至三个波导中之初始平均功率位准(power levels)系0.5mW、1mW及2mW。图1-4之曲线图针对三个功率位准将波导之每一长度之所量测插入损耗之改变展示为时间之函数。该曲线图展示在高功率位准下损耗可在少于10分钟内改变3dB。对于某些应用，诸如其中可运行反应达数十分钟或小时之单分子基因定序，此等功率不稳定性可并非系可接受的。
结合图1-5阐述高科技系统1-160之实施例之进一步细节，图1-5图解说明可插入至高科技系统1-160中以用于大量并行样本分析之生物光电芯片1-140之一部分。在图1-5中绘示在反应室1-330中发生之生物反应之非限制性实例。在此实例中，在反应室中发生核苷酸或核苷酸类似物至与目标核酸互补之生长链中之顺序并入。可侦测核苷酸或核苷酸类似物之顺序并入以将DNA定序。该反应室可具有介于大约150nm与大约250nm之间的深度及介于大约80nm与大约160nm之间的直径。金属化层1-540(例如，用于电参考电位之金属化)可在光侦测器上面经图案化以提供阻挡来自毗邻反应室及其他非需要光源之杂散光之孔隙。根据某些实施例，聚合酶1-520可位于反应室1-330内(例如，附接至该室之基底)。该聚合酶可吸收目标核酸1-510(例如，源自DNA之核酸之一部分)，且将互补核酸之生长链定序以产生生长DNA链1-512。用不同荧光团标记之核苷酸或核苷酸类似物可被分散在反应室上面之溶液及反应器内之溶液中。
当将所标记核苷酸或核苷酸类似物1-610并入至互补核酸之生长链中(如图1-6中所绘示)时，可藉由自波导1-312耦合至反应室1-330中之光学能量脉冲重复地激发一或多个所附接荧光团1-630。在某些实施例中，一或若干荧光团1-630可用任一适合连接体1-620附接至一或多个核苷酸或核苷酸类似物1-610。并入事件可持续高达大约100ms之一段时间。在此时间期间，可用时间方格化光侦测器1-322侦测由(若干)荧光团之激发引起之荧光发射脉冲。在某些实施例中，可在每一像素处存在一或多个额外整合式装置1-323以用于信号处置(例如，放大、读出、路由等)。根据某些实施例，每一像素可包含使荧光发射通过且减少来自激发脉冲之辐射传输之单层或多层光学滤波器1-530。某些实施方案可不使用光学滤波器1-530。藉由将具有不同发射特性(例如，荧光衰变速率、强度、荧光波长)之荧光团附接至不同核苷酸(A、C、G、T)，在DNA链1-512并入核酸且达成对生长DNA链之基因序列之判定时侦测且区分不同发射特性。
根据某些实施例，经组态以基于荧光发射特性分析样本之高科技系统1-160可侦测不同荧光分子之间的荧光寿命及/或强度差异及/或不同环境中之相同荧光分子之间的寿命及/或强度差异。藉由阐释方式，图1-7标绘可表示来自两个不同荧光分子(举例而言)之荧光发射之两个不同荧光发射机率曲线(A及B)。参考曲线A(虚线)，在由短或超短光学脉冲激发之后，来自第一分子之荧光发射之机率pA(t)可随时间衰变，如所绘示。在某些情形中，发射光子之机率随时间之减小可由指数衰变函数
Figure BDA0002097293190000151
表示，其中PAo系初始发射机率且τA系表征发射衰变机率之与第一荧光分子相关联之时间参数。τA可称为第一荧光分子之“荧光寿命”、“发射寿命”或“寿命”。在某些情形中，τA之值可因荧光分子之区域环境而变更。其他荧光分子可具有不同于曲线A中所展示之发射特性。举例而言，另一荧光分子可具有不同于单一指数衰变之衰变分布型，且其寿命可由半衰期值或某一其他度量来表征。
第二荧光分子可具有系指数的但具有可量测地不同之寿命τB之衰变分布型，如针对图1-7中之曲线B所绘示。在所展示之实例中，曲线B之第二荧光分子之寿命比曲线A之寿命短，且在第二分子之激发之后不久发射机率比曲线A之发射机率高。在某些实施例中，不同荧光分子可具有介于自大约0.1ns至大约20ns之范围内之寿命或半衰期值。
发明人已认识到且了解到，荧光发射寿命之差异可用于辨别不同荧光分子之存在或不存在及/或用于辨别荧光分子所经受之不同环境或条件。在某些情形中，基于寿命(而非发射波长，举例而言)辨别荧光分子可简化高科技仪器1-100之态样。作为实例，波长区别光学器件(诸如波长滤波器、每一波长之专用侦测器、在不同波长下之专用脉冲光学源、及/或绕射光学器件)可在数目上减少或在基于寿命而辨别荧光分子时经消除。在某些情形中，可使用以单个特性波长操作之单个脉冲光学源来激发在光学光谱之同一波长区域内发射但具有可量测地不同之寿命的不同荧光分子。使用单个脉冲光学源而非在不同波长下之多个源来激发且辨别在同一波长区域内发射之不同荧光分子的高科技系统可操作且维护起来不那么复杂，更紧密，且可以更低成本来制造。
尽管基于荧光寿命分析之高科技系统可具有特定益处，但可藉由允许额外侦测技术而增加由高科技系统获得之信息量及/或侦测准确度。举例而言，某些高科技系统1-160可另外经组态以基于荧光波长及/或荧光强度而辨别样本之一或多个性质。
再次参考图1-7，根据某些实施例，可用经组态以在激发荧光分子之后将荧光发射事件时间方格化之光侦测器区分不同荧光寿命。可在光侦测器之单个电荷累积循环期间发生时间方格化。电荷累积循环系读出事件之间的间隔，在该间隔期间将光生载波累积在时间方格化光侦测器之方格中。在图1-8中用图表方式介绍藉由发射事件之时间方格化判定荧光寿命之概念。在就在之前之时间te处，同一类型(例如，对应于图1-7之曲线B之类型)之荧光分子中之一荧光分子或荧光分子总体由短或超短光学脉冲激发。对于大分子总体，发射强度可具有类似于曲线B之时间分布型，如图1-8中所绘示。
然而，对于单个分子或小数目个分子，针对此实例，根据图1-7中之曲线B之统计资料发生荧光光子发射。时间方格化光侦测器1-322可将自发射事件产生之载波累积至关于(若干)荧光分子之激发时间在时间上经解析之离散时间方格(图1-8中指示三个)中。当对大数目个发射事件求和(例如，对应于针对方格1、方格2、方格3在曲线下方之区)时，所得时间方格(插图中所绘示)可近似图1-8中所展示之衰变强度曲线，且经方格化信号可用于区分不同荧光分子或荧光分子位于其中之不同环境。在2015年8月7日提出申请、标题为“用于将接收的光子时间方格化的集成设备”之第14/821,656号美国专利申请案中阐述时间方格化光侦测器1-322之实例，该美国专利申请案以引用方式并入本文中。
在其中来自反应室之发射强度为低或其中样本之表征取决于来自反应室之强度值之情形中，递送至反应室之功率随时间而保持稳定系有益的。举例而言，若递送至反应室之功率由于波导中之时间相依损耗而减小3dB(参见图1-4)，则荧光发射事件数目可降至低于仪器之噪声本底之位准。在某些情形中，区分光子信号与噪声之失败可不利地影响用于区分荧光团寿命之光子统计资料。因此，可丢失重要分析信息，可发生分析错误(例如，基因译码错误)，或定序运行可失败。
II.将输出光束自光学源耦合至高科技系统
发明人已设想出用于将输出光束自光学源耦合至高科技系统之设备及方法。可使用单个小轮廓底盘(例如，高度小于35mm)以适中成本组装设备(称为“光束整形及操纵总成”)，该单个小轮廓底盘支撑用于使对多个光束参数之动态调整自动化之所有光学及机械组件。在某些实施例中，该光束整形及操纵总成可量测其最长侧为小于140mm且具有小于35mm之厚度。由于其紧密大小，总成可安装在包含光学源1-110及高科技系统1-160之便携式高科技仪器(诸如上文所阐述之便携式DNA定序仪器)中。其他应用包含但不限于读板仪、凝胶扫描机、聚合酶链反应(PCR)机器、荧光选别器及微阵列检定之用途。
由于其调整多个光束参数之能力，因此光束整形及操纵总成1-150可使光学源及高科技系统免于为了进行光束整形及操纵而需要专业组件。光束整形及操纵总成1-150亦可适应光学源及高科技系统中之制造及组装变化，而且降低光束耦合对诸如温度改变及振动之环境因素之敏感度。在某些实施例中，光束整形及操纵总成可处置具有高达2瓦特之平均功率、具有短至10皮秒之脉冲持续时间之脉冲光学光束。亦可使用该总成来解决高科技系统(诸如上文所阐述之基因定序系统)中之时间相依波导损耗。
减少时间相依波导损耗之效应之一种方法系减小在芯片上使用之整合式波导之长度。但在某些情形中，可需要明显长度之波导来将光学信号路由至反应室。另一选择系或另外，可降低耦合至波导中之辐射之强度。发明人已认识到且了解到，时间相依波导损耗可系最有问题的，其中来自光学源1-110之光束首先耦合至整合式光学电路之单个波导中且然后在诸多波导当中重新分配。在耦合区域处，强度可系非常高的且导致波导损耗之迅速改变。
为减少耦合区域处之时间相依波导损耗，发明人已设想出切片式光栅耦合器2-100，在图2-1A中展示切片式光栅耦合器2-100之经简化图解说明。该切片式光栅耦合器可系位于高科技系统1-160中之芯片上之精密整合式光学组件，且包括毗邻于复数个波导2-120而形成之为长度L之光栅2-110。该等波导可具有接收由光栅2-110绕射之光之渐缩端2-122。该等渐缩端可具有不同宽度(例如，宽度朝向光栅之相对端更宽，如所绘示)。由该等渐缩端横跨之总宽度可小于或大致等于光栅之长度L。举例而言，该切片式光栅耦合器可整合至包含一光子电路及若干反应室1-330之基板上。
在某些实施例中，来自光学源1-110之光束可经整形(或由光学源产生)使得其在±X方向上延伸以基本上匹配具有长度L之光栅耦合器之所接受大面积光束分布型。该大面积光束分布型可具有在±X方向上大致匹配光栅之长度L(在1/e2强度值之间所量测)之光束长度或第一腰部以及在Y方向上大致匹配光栅之宽度(在1/e2强度值之间所量测)之光束宽度或第二腰部。举例而言，经延伸光束2-112可具有如由图2-1A中之虚线椭圆所绘示之形状。当此光束入射于光栅上(例如，在+Z方向上行进)时，光栅将使该光束朝向波导2-120之渐缩端2-122绕射至+Y方向中。该光束可具有在X方向上之横向强度分布型，该横向强度分布型在其中心处最强烈且使其强度朝向光束之边缘移动而减小(在±X方向上减小)。对于此光束，该等波导之渐缩端2-122可在光栅2-110之相对端处较宽且在该光栅之中心处较窄，使得类似功率量耦合至复数个波导2-120中之每一波导中。尽管在图式中展示10个波导，但切片式光栅耦合器可具有更多波导(例如，介于20个与2000个之间)。藉由跨越诸多波导分配功率耦合，可减少或消除与因最初将所有功率耦合至单个波导中且随后将光学功率分配至多个波导中而产生之时间相依损耗相关联之不利效应。经扩展光束亦减小光栅耦合器处之强度且降低损坏光栅2-110或耦合区域之风险。在图2-1A及其他图式中，仅为了便于阐述方向而使用坐标轴。可在不背离本应用之范畴之情况下使用坐标轴之其他定向。
发明人已发现，意外地，难以藉助图2-1A中所绘示之切片式光栅耦合器2-100及光束配置获得功率至复数个波导2-120中之均匀耦合。即使光束之横向强度分布型可系高斯的或良好表征的使得可预先计算渐缩端2-122之不同宽度以在理论上捕获相等量之功率，发明人亦发现，耦合均匀性对光束之横向强度分布型之改变且对±X方向上之光束位移高度敏感。
发明人已设想出一种将宽光束耦合至复数个波导之方法，该方法提供用于改良耦合至该等波导之功率位准之均匀性的调整，降低耦合对光束之横向强度分布型及对光束位移之敏感度。在图2-1B中图解说明该方法。根据某些实施例，来自光学源(诸如雷射)之圆形光束可经重新整形为相对于光栅线以角度φ定向之椭圆形光束2-122。椭圆形光束之长轴之长度可超过光栅2-110及渐缩端阵列2-122之长度L且可经旋转使得椭圆之长轴相对于光栅2-110之齿或线之纵向方向处于侧滚角φ。在某些实施例中，角度φ可介于0.25度与25度之间。光束2-122之部分可在±X方向及±Y方向上延伸超过光栅2-110之边缘。根据某些实施例，光束整形及操纵模块1-150可将来自光学源1-110之圆形光束重新整形为椭圆形光束，该椭圆形光束与表征接收光栅2-110及毗邻渐缩波导端2-122之耦合区域之长度的长度L相比较加大了介于10％与35％之间。作为仅仅一项实例，圆形光束可整形为椭圆，该椭圆针对具有大致120微米之长度L的光栅2-110之耦合区域具有大致150微米之长轴长度l1(在1/e2强度值之间所量测)。光栅2-110之耦合区域之长度L可介于50微米与250微米之间，且该光栅之宽度可介于10微米与50微米之间。然而图2-1A中所展示之耦合配置可允许来自95％以上之光束区之功率耦合至渐缩端2-122中，图2-1B中所展示之耦合配置可允许来自介于80％与95％之间的光束区之功率耦合至该等渐缩端中，同时亦展现对光束之长轴之长度l1之经减小敏感度及跨越波导阵列之经改良功率分裂均匀性。发明人已认识到且了解到，总体耦合效率之降低不仅仅藉由耦合稳定性之改良、对光束长度之经减小敏感度及至波导中之经耦合功率之均匀性来补偿。然而，在某些实施例中，细长光束可以大致0度之角度对准至光栅2-110或其他接收光学组件。
在操作期间，可调整侧滚角φ及在X及Y方向上之光束位移以获得且维持功率跨越复数个波导2-120之均匀耦合。为补偿在X方向上具有不对称强度分布型之光束2-122，可在±X及/或±Y方向上调整该光束之位置以改良跨越波导2-120之耦合均匀性。举例而言，若光束在+X方向上之强度大于光束在–X方向上之强度，则可使光束在–X方向上移动以帮助等化耦合至该等波导中之功率。另外或另一选择系，可使光束在+Y方向上移动(针对所展示之角度)，使得光束在+X方向上之一部分在+Y方向上移动离开光栅2-110且减少在+X方向上耦合至渐缩端2-122之功率量，同时光束在–X方向上之一部分移动至光栅2-110上且增加在–X方向上耦合至渐缩端2-122之功率量。若光束2-122在X方向上具有对称强度分布型，则可进行在±Y方向、±X方向及/或±φ方向(举例而言)上之调整以改良将功率耦合至该等波导中之均匀性及/或效率。在某些实施方案中，另外或另一选择系，可做出对其他光束参数(例如，入射角、光束大小、偏振)之调整以改良耦合效率及/或均匀性。
关于阐述光束角度及方向，+Z可用于指示光学光束之行进方向。X及Y方向可称为“横向”或“侧向”方向。该X方向可用于指示水平方向且该Y方向可用于指示垂直方向。光束围绕Z轴之旋转可称为“侧滚”且由符号φ指示。围绕X轴之旋转可称为“纵倾”且由符号θx指示。围绕Y轴之旋转可称为“侧倾”且由符号θy指示。
尽管可使用经致动转向镜或光学窗(举例而言)执行对±X方向及±Y方向之调整，但对光束大小及光束侧滚或旋转(±φ)之调整并非简单的。举例而言，对光束大小及光束旋转之调整可耦合至且影响其他光束参数，诸如光束位置。发明人亦已认识到且了解到，在不使光束位移之情况下对光束在光栅上之入射角(纵倾角及侧倾角)之调整可用于改良至波导之耦合效率且适应光学源1-110及高科技系统1-160之接收光学器件之制造变化。发明人已进一步认识到且了解到，来自光束整形及操纵总成之光束质量应系高的(例如，小于1.5之M2值)，使得在某些情形中可达成至高科技系统1-160之光学组件之高效耦合。发明人已了解到，藉助对多个光束参数之自动化控制连同用于场内用途之紧密且稳定总成一起提供光束大小、位置、入射角及旋转调整系困难挑战。
在图2-2A中绘示光束整形及操纵模块1-150之实例。根据某些实施例，光束整形及操纵模块可包括经组态以支撑光束整形及操纵模块之致动器及光学组件之牢固底盘2-210。在实施例中，该底盘可包含其上可安装有该等光学组件之底座，且可进一步包含可附接至该底座或与该底座形成整体之侧壁或其一部分。模块1-150可进一步包含附接至该底盘之盖，以便封围该等光学组件。在某些情形中，该盖可包含该等侧壁或其一部分。
该底盘及该盖可由金属及/或低热膨胀复合材料形成或组装。在某些情形中，该底盘及该盖可由单片铝机械加工或铸造而成。当底盘2-210由单片材料制作时，可藉由以下方式使将光学组件固持在光束整形及操纵总成内之元件及/或光学组件自身相对于彼此准确地对准：使该等元件及/或组件对齐至经机械加工至底盘中之对准特征或放置在底盘中之对准销。底盘2-210可呈适合于装纳光束整形及操纵模块1-150之光学组件之任何形状，且可经组态安装至其中并入有光学源1-110之仪器之框架或底盘。
发明人已认识到且了解到，光束整形及操纵模块之底盘2-210可另外提供对高科技系统1-160之印刷电路板(PCB)2-290之至少一区域之支撑，在印刷电路板(PCB)2-290上可安装有具有诸如分析芯片(例如，生物光电芯片1-140)之接收光学组件之装置，如图2-2B中所绘示。光束整形及操纵模块之底盘2-210可使PCB之以其他方式未经支撑或可移动区域稳定化。举例而言，底盘2-210可藉助机械座架2-214(例如，具有高度调整螺丝)在数个位置处附接至高科技仪器之底盘或框架2-212，机械座架2-214提供横跨在PCB 2-290之区上方之刚性总成。支撑分析芯片1-140的PCB之区域可接近由模块之底盘2-210横跨之区且可固定至光束整形及操纵模块之底盘2-210(例如，藉助紧固件2-216)以减少光束整形及操纵模块1-150与分析芯片1-140之间的相对运动(例如，平面外运动，诸如由机械振动引起的PCB之板振动)。举例而言，紧固件2-216(例如，螺丝)可将PCB 2-290之区域(其可以其他方式未经支撑)刚性地固定至在光束整形及操纵模块1-150之光学输出埠附近之位置且减少或消除可由于耦合至PCB之机械振动而以其他方式发生的PCB之平面外偏转。因此，光束整形及操纵模块1-150可机械地减少将以其他方式作用于芯片或高科技系统1-160之接收光学器件且使该等接收光学器件相对于光束整形及操纵模块1-150位移之振动。
根据某些实施例，底盘2-210及整个光束操纵总成1-150可安装至仪器之底盘或框架2-212，使得可相对于仪器之底盘或框架2-212调整底盘之定向。举例而言，可使用三点安装方案，其中三个机械座架2-214各自提供对底盘2-210之独立高度调整。藉由用此等座架2-214独立地调整高度，除总体高度以外亦可调整底盘2-210相对于输入光束2-205之一或多个角度(例如，纵倾角及侧滚角)。在某些情形中，形成于两个安装位置(螺丝可自机械座架延伸穿过该等安装位置)处之狭槽2-203(图2-2A中所展示)可允许底盘2-210相对于输入光束2-205之进一步角度调整(例如，侧倾)。
在某些实施例中，光束整形及操纵模块1-150之致动器可包括经配置以致动光束整形及操纵模块之光学组件之一或多个步进马达(在所图解说明之实施例中为五个，2-221、2-222、2-223、2-224、2-225)。为减小光束整形及操纵模块之高度，该等致动器可经安装使得其轴件大致位于同一平面中，如图式中所绘示。在某些实施方案中，一或多个步进马达可具有正交于平面或处于其他定向之轴件。在某些情形中，一或多个步进马达可部分地制作于可附接至光束整形及操纵模块之PCB上，如图2-2B之实例中所绘示。举例而言，制作于PCB 2-290上之步进马达(未展示)可延伸至光束整形及操纵模块1-150中且致动光学组件以使其围绕Y轴旋转。在美国临时专利申请案62/289,019中阐述部分地由PCB制作之步进马达之实例，该美国临时专利申请案以引用方式并入本文中。部分地由PCB制作之马达可包含经组态以使光束整形及操纵模块之光学组件围绕垂直于PCB之平面之轴线旋转之驱动轴件。在某些实施方案中，可使用其他类型之致动器(例如，压电致动器、线性马达)作为致动器。
根据某些实施例且再次参考图2-2A以及图2-3中之光学表示，光束整形及操纵模块1-150可包含第一光学窗2-231、第二光学窗2-232、聚焦透镜2-233、第三光学窗2-235及第四光学窗2-237。在某些情形中，可替代光学窗使用具有具与λ/20一样好或更好之平坦度之表面之光学平板以达成更高光束质量。为了安全，光学快门2-239可包含于总成1-150中以阻挡输出光束。在实施例中，透明光学窗可由致动器(诸如分别为步进马达2-221、2-222、2-223、2-224)致动以调整聚焦透镜2-233之焦点处之光束位置及光束入射角。光学窗及聚焦透镜可经抗反射涂布以减少自光学器件之非需要菲涅尔(Fresnel)反射。根据某些实施例，该等光学窗之相对面可在10弧秒之内系平行的，尽管在某些情形中可容忍更少平行度。该等光学窗可具有相同厚度，或可具有不同厚度。光学窗之厚度可介于3mm与20mm之间。尽管在某些情形中可使用转向镜来调整光束位置及入射角，但首先来说，光学窗之优点系其实质上免除将来自底盘2-210之机械振动耦合至光束位置及入射角之改变中。举例而言，尽管光学窗可因振动运动而位移，穿过光学窗之光束之光学光束路径应保持不变。另外，首先来说，光学窗之光学座架中之热膨胀效应或制造变化(可使光学窗位移)将不影响光束路径。在某些实施方案中，可存在位于光束整形及操纵模块内以重新引导光束路径之一或多个转向镜2-234，尽管在某些情形中穿过光束整形及操纵模块之光束路径可系笔直的或弯曲的且可不使用转向镜来摺叠光束路径。
根据某些实施方案，转向镜2-234可系二向分光的，使得其使在第一波长范围中之一或多个波长通过，且反射在第二波长范围中之一或多个波长。举例而言，二向分光经涂布转向镜2-234可使来自光学源1-110之在红外线波长区域中之基本波长通过从而到达束集堆及/或光侦测器(未展示)且将在可见光谱范围中之经倍频波长反射至生物光电芯片1-140。在其他实施方案中，转向镜2-234可具有针对单个特性波长之反射涂层，且并非二向分光的。在此等实施方案中，可藉助光束整形及操纵总成中之其他光学组件(例如，干涉滤波器、薄膜、棱镜)达成输入光束中之波长之分开。
在实施例中，转向镜2-234可安置于可调整座架2-246上，可调整座架2-246可由固定螺丝2-247(举例而言)调整。此调整可仅在一个自由度上。举例而言，调整固定螺丝2-247可粗略地调整光束2-350穿过光学窗2-231、2-232、2-235、2-237及透镜2-233之高度角方向。在某些情形中，转向镜2-234可藉助非可调整安装配置安装至底盘2-210。
根据某些实施例且参考图2-2A及图2-3两者，可藉由第一致动器2-221使第一光学窗2-231围绕第一旋转轴线旋转。为辅助阐释，图式中针对传出光束2-350指示右侧正交坐标系XYZ(其中+Z轴指向光束行进方向)。该第一旋转轴线可基本上平行于Y轴以使光学光束2-350紧接在第一光学窗之后在±X方向上移位。可藉由第二致动器2-222使第二光学窗2-232围绕基本上垂直于第一旋转轴线之第二旋转轴线旋转以使光学光束紧接在第二光学窗之后在±Y方向上移位。在某些实施方案中，可颠倒第一光学窗及第二光学窗之次序。可藉由第三致动器2-223使第三光学窗2-235围绕基本上平行于第一旋转轴线之第三旋转轴线旋转以使光学光束紧接在第三光学窗之后在±X方向上移位。可藉由第四致动器2-224使第四光学窗2-237围绕基本上垂直于第一旋转轴线之第四旋转轴线旋转以使光学光束紧接在第四光学窗之后在±Y方向上移位。在某些实施方案中，可颠倒第三光学窗及第四光学窗之次序。
可自图2-3理解由于使光学光束2-350在光束整形及操纵模块1-150中平移而产生的对基板表面2-340处之经聚焦光学光束之效应。基板之表面可位于聚焦透镜2-233之焦点处或大致位于该焦点处。举例而言，传出光学光束2-350可穿过聚焦透镜2-233且聚焦至生物光电子或其他分析芯片1-140处之切片式光栅耦合器2-100上。藉由使位于聚焦透镜2-233后面之光学器件旋转而产生的光学光束2-350之侧向平移引起表面2-340处之±X、±Y平移。作为实例，当光学窗2-235具有大致6mm之厚度及大致1.5之折射率时第三光学窗2-235围绕其旋转轴线之旋转可使表面2-340处之经聚焦光束在平行于X轴线之方向上平移多达±1200微米。当光学窗2-237具有大致6mm之厚度及大致1.5之折射率时第四光学窗2-237围绕其旋转轴线之旋转可使表面2-340处之经聚焦光束在平行于Y轴之方向上平移多达±1200微米。可分别针对更薄光学窗或更厚光学窗而达成光束之更少或更多运动。另外，具有具高折射率(例如，大于大致1.5)之材料之光学窗可提供更大光束位移。
藉由使位于聚焦透镜2-233前面之光学器件2-231、2-232旋转而产生的光学光束2-350之侧向平移引起改变经聚焦光束在表面2-340处之入射角(纵倾角及侧倾角)而不明显地改变光束在表面2-340处之(X,Y)位置。举例而言，第一光学窗2-231围绕其旋转轴线之旋转可使光学光束在聚焦透镜2-233处在±X方向上位移。当光学窗具有大致9mm之厚度及大致1.8之折射率时光学光束在聚焦透镜处之此移动将使入射角θy或光学光束相对于Z轴在XZ平面中在表面2-340处之侧倾(图2-3中未展示)改变多达±1.0度。在某些实施例中，第二光学窗2-232围绕其旋转轴线之旋转使光学光束在±Y方向上位移且导致入射角θx或在YZ平面中在表面2-340处之纵倾改变多达±1.0度。由于表面2-340位于透镜2-233之大致焦距f处，因此藉由使光束2-350在透镜前面平移而使入射角改变多达±1.0度将不明显地影响经聚焦光束在表面2-340处之(X,Y)位置。在某些情形中，光束在目标位置处(例如，在表面2-340处)之位置之X及Y之所得交叉耦合侧向位移系至多±10微米。在某些情形中，目标位置处之交叉耦合侧向位移(归因于光学窗2-231、2-232之旋转)可不大于±5微米。当透镜2-233具有较短焦距且使用较厚光学窗时可获得入射角之较大改变(例如，高达±10度)，尽管交叉耦合位移可不改变。
藉由使光学窗2-231、2-232、2-235、2-237中之一或多者之运动自动化，可以一或多个自由度执行输出光束之连续扫描。对于图2-2A中所绘示之实施例，可藉由使第二光学窗2-232及第四光学窗2-237在同一方向上连续地旋转而实施该等光学窗之连续扫描。连续扫描模式对于将输出光束对准至高科技系统1-160中之接收光学组件或埠可系有用的。连续或逐步扫描对于将输出光束耦合至高科技系统中之多个接收光学组件或埠亦可系有用的。举例而言，输出光束可顺序地步进至在高科技系统1-160中之同一芯片上或不同芯片上之不同光栅耦合器。以此方式，可几乎同时执行多个不同检定(每一者具有用于样本分析之复数个样本井)。
在某些实施例中，可存在位于表面2-340与光束整形及操纵模块1-150之间以使光束在–Y方向或+Y方向上偏转之转向镜(图2-3中未展示)，使得表面2-340可平行于光学光束2-350。此将允许生物光电芯片1-140(举例而言)平行于下伏印刷电路板而安装，如图2-2B中所绘示。在某些情形中，转向镜可由硅晶圆、熔融硅石或其他经抛光基板之小部分(例如，小于5平方毫米)以低成本形成，涂布有反射材料，且安装在含有生物光电芯片1-140之封装内。
在某些实施方案中，聚焦透镜2-233可系具有介于5公分与1米之间的焦距之单透镜(singlet lens)。另一选择系，聚焦透镜2-233可系一对中继透镜中之一者，其中另一透镜可位于光束整形及操纵总成1-150内侧或外侧。在某些实施例中，透镜2-233可系变焦透镜。可手动(例如，藉由用户操作其上安装有透镜之定位器(未展示))控制或可经由致动器自动控制聚焦透镜2-233之位置、放大及/或缩小，使得可对透镜之位置、放大及/或缩小进行动态调整。在某些实施方案中，透镜2-233可安装于在制造时定位或由用户定位之固定透镜座架中。
根据某些实施例，可藉助光学棱镜达成对光束形状及光束旋转之调整。在某些实施方案中，可使用变形棱镜对2-252来压缩或扩展输入光学光束之横向强度分布型之一个尺寸。参考图2-2A，变形棱镜对可在一个方向(针对传入光学光束2-205所参考之X方向)上将输入光学光束2-205之横向强度分布型压缩介于3倍与8倍之间(取决于棱镜形状)，且不影响Y方向之横向强度分布型。压缩或扩展量可由光学光束穿过之棱镜进入面与离开面之间的切割角判定。根据某些实施方案，可以进入棱镜面与离开棱镜面之间的介于15度与45度之间的角度切割该等棱镜。可用抗反射涂层涂布该等棱镜面。由于在一个维度(在所展示之实例中之X维度)上之压缩，光学光束在X方向上在透镜2-233之焦点处之宽度与Y方向之横向强度分布型相比较将更大或经延伸，如图2-1B中所指示。在某些实施例中，可藉由使聚焦透镜2-233沿着光学光束路径移动(例如，藉助线性致动器使透镜2-233移动)及/或改变由聚焦透镜2-233提供之有效放大或缩小(例如，改变变焦透镜设定)而进行对光束大小及椭圆度之调整。
尽管在某些实施方案中可使用一对圆柱形透镜来扩展或压缩光学光束，但发明人发现，所得光束形状对透镜对之对准高度敏感。举例而言，若使圆柱形透镜对围绕光束之光学轴线旋转小至1度之量，则所得光束形状旋转此量之五倍以上。
根据某些实施例，可在制造时对准变形棱镜对2-252。举例而言，该等棱镜可对齐至形成或安装于底盘2-210中之经机械加工对准特征及/或销(未展示)。在某些实施方案中，该等棱镜可对齐至形成或安装于中间板2-250中之经机械加工特征及/或销，该等经机械加工特征及/或销可对齐至底盘2-210上之对准特征且附接至底盘2-210。在某些情形中，中间板2-250之定向可系可在底盘内调整的以用于精细调谐棱镜对(例如，用于工厂对准)。在某些情形中，变形棱镜对2-252中之每一棱镜可系可个别地调整的(例如，安装于旋转定位器上)。另外或另一选择系，中间板2-250可包含可旋转调整或安装于旋转定位器上。在某些实施例中，可藉助一个或两个步进马达使棱镜对或该对中之每一个别棱镜之定向自动化。发明人已认识到且了解到，可在制造时手动调整变形棱镜对以使来自光学源之光束形状灵活性地针对适合地各种各样之光束形状适用于高科技系统，且可藉助由光束整形及操纵总成1-150中之其他光学组件提供之自动化光束旋转、位移及入射角调整动态地处置耦合至该高科技系统之质量。
变形棱镜对2-252可将额外益处提供给光束整形及操纵总成1-150。第一益处系，其可提供在不同波长下之光学光束之空间分开。在某些实施方案中，去往总成之输入光束2-205可包括多个频率(例如，来自雷射之基本频率或波长及第二谐波频率或自激光束路径中之非线性光学元件输出之经倍频波长)。变形棱镜对2-252可使两个不同波长在不同方向上折射，如由图2-2A中之虚线及实线所绘示。举例而言，传入光学光束2-205之红外线部分可沿着虚线路径行进至束集堆2-260及/或光电二极管，举例而言，且光学光束2-205之经倍频部分可沿着实线路径行进穿过总成1-150。变形棱镜对2-252之第二益处系其可降低光束耦合对输入光束2-205之±X位移之敏感度。敏感度之降低归因于光学光束藉由棱镜对在X方向上之缩小。
另外，光束形状不受输入光束在X及Y方向上之位置影响，条件系光束不被棱镜对2-252中之任一棱镜之边缘裁剪。就此而言，光束形状已减小对将使棱镜对相对于输入光束位移之振动、热膨胀及/或机械加工变化之敏感度。举例而言，传入光学光束2-205可在X或Y方向上位移高达±3mm而在棱镜对2-252后面不影响椭圆形光束形状。当在总成1-150中使用交叉对之圆柱形透镜来将输入光束2-205重新整形时光束形状对X及Y位移之免疫系不可能的。
可采用与光束整形有关之其他实施方案。根据某些实施方案，可颠倒地使用或配置变形棱镜对2-252，使得其可将椭圆形光束转变为圆形光束。此对于将来自二极管雷射之横向光束分布型自细长形状转换为更圆形形状(举例而言)可系有用的。在某些实施例中，可不需要光束形状之转换使得不使用变形棱镜对2-252，且可代替变形棱镜对2-252而安装一或多个转向镜。在此等实施例中，可使用影像旋转棱镜2-254来使输入光束之偏振旋转。在某些情形中，可替代变形棱镜对而使用伽利略光束扩展器以将任何形状之输入光束重新定大小(放大或缩小)。根据某些实施例，可将一或多个偏振旋转器(半波板)或转变器(四分之一波板、偏振膜)安装在光束整形及操纵总成中之任何适合位置处以对输入光束之偏振进行操作。可使偏振旋转器或偏振转变器手动(由使用者)或自动(由致动器)旋转。
根据某些实施例，可使用影像旋转棱镜2-254达成横向光束形状及偏振之旋转。在某些实施例中，离开变形棱镜对2-252之光束可居中地穿过旋转棱镜，该旋转棱镜围绕大致平行于进入棱镜之光学光束之光学轴线之旋转轴线旋转。棱镜之旋转可使光学光束之横向形状及其偏振围绕其光学轴线旋转从而离开棱镜。以此方式，可使具有椭圆形横向光束形状(如图2-1B中所绘示)之光学光束围绕其光学轴线(例如，在图2-1B中所图解说明之±φ方向上)旋转。根据某些实施例，旋转棱镜可系达夫棱镜。具有不同光学布局之其他实施例可使用其他影像旋转棱镜(例如斯密特(Schmitt)棱镜、镜群组)。
在某些实施方案中，影像旋转棱镜2-254可安装于具有围绕旋转轴线旋转之支架2-410之旋转总成中，该旋转轴线在图2-4之图解说明中平行于光学光束之Z轴。根据某些实施例，该支架可具有骑在至少三个轴承2-420上之圆柱形表面2-412。在某些情形中，可使用四个轴承2-420。该等轴承可安装在安装至底盘2-210之杆或轴上。致动器(例如，步进马达)可对杠杆臂2-434进行按压及释放以使支架旋转。在某些实施例中，背靠支撑件2-446之压缩弹簧2-440(或任何其他适合弹簧)可作用于对应杠杆臂2-432以对抗对杠杆臂2-434之致动器按压提供稳定化抗衡力，移除机械连杆中之任何背隙，且抵靠轴承2-420保持支架。在某些情形中，支撑件2-446可包括安装在光束整形及操纵总成1-150上方之盖之一部分。藉助对杠杆臂2-434之步进马达按压，可使支架2-410旋转±12.5度。由于透过棱镜之光学反射，因此可使光束形状在表面2-340处旋转多达±25度。使用可商购步进马达，光束旋转之分辨率可小于步进马达之0.1度/每步(例如，介于0.01度/微步与0.1度/微步之间)。
支架2-410可包含其中可安装有影像旋转棱镜2-254之经机械加工凹部，使得影像旋转棱镜之中心与支架之旋转轴线同心。该经机械加工凹部可包括在经组装时经对准以大致平行于光束整形及操纵总成1-150中之所计划光学光束路径的一或多个对准面或销。在组装期间，影像旋转棱镜2-254可藉由以下方式经对准：将该棱镜对齐至对准面或销中之一或多者及藉助任何适合紧固构件将该棱镜固定在支架中。另外，支撑轴承2-420之杆可平行于底盘2-210中之经机械加工特征而对准，使得旋转棱镜之中心轴线与支架2-410之旋转轴线且与穿过光束整形及操纵总成1-150之所计划光学光束路径大致重合。因此，大致对准至穿过总成之所计划光学光束路径之输入光束2-205将以光束位移及光束方向之最小改变使其形状(横向强度分布型)旋转。
发明人亦已认识到且了解到，具有光束整形及操纵总成1-150之小轮廓形状系有益的。当使用同一类型之致动器(例如，旋转步进马达)来对总成内之所有可移动光学组件进行操作时此可系困难的。使用同一类型之致动器就经减小复杂度、经减小数目个不同部件、体积折扣成本及互换容易性而言可系有益的。然而，总成1-150中之光学组件利用围绕正交轴线之旋转。举例而言且再次参考图2-2A，两个光学窗2-232、2-237围绕平行于图式中所展示之X轴之轴线旋转，且可分别由步进马达2-222、2-224直接驱动。在此情形中，光学窗可直接安装至马达之驱动轴件之端(举例而言)。另一方面，光学窗2-231、2-235两者围绕基本上正交于X轴之轴线旋转。通常，此将需要将用于此两个光学窗2-231、2-235之致动器正交于用于另外两个光学窗2-232、2-237之致动器而安装，此将明显地增加光束整形及操纵总成1-150之总体高度。另一选择系，其可需要使用不同类型之致动器，此将增加光束整形及操纵总成中具有不同设计之组件之数目。
为维持光束整形及操纵总成之总体小轮廓，可使用允许所有旋转致动器经安装使得其驱动轴件全部位于大致同一平面中或位于大致平行平面中的机械连杆2-242、2-244。在图2-5A中绘示允许旋转致动器之此安装之实例性机械连杆2-242(其不需要齿轮、滑轮或链轮)，尽管在某些实施例中可使用其他连杆。根据某些实施例，机械连杆可包括附接至致动器之旋转驱动轴件2-530之凸轮臂2-510、附接至凸轮臂之轴承2-520及连接至光学座架2-505之杠杆臂2-540。致动器之轴件2-530可围绕第一轴线(例如，平行于图式中所展示之X轴之轴线)旋转。光学座架2-505可固持光学窗2-231，举例而言，且使用轴及/或轴承2-550围绕大致正交于驱动轴件之旋转轴线之第二旋转轴线(例如，平行于Y轴之轴线)旋转。当操作致动器时，轴承2-520按压在杠杆臂2-540上且跨越杠杆臂之表面伸展，从而致使光学窗2-231围绕第二旋转轴线旋转。背靠支撑件2-446之扭力弹簧2-560(或任何其他适合弹簧)可对抗对杠杆臂2-540之致动器按压提供稳定化抗衡力且移除机械连杆中之任何背隙。在某些情形中，支撑件2-446可包括用于覆盖光束整形及操纵总成1-150之盖子之一部分。图2-5A中所展示之机械连杆可用于使光束整形及操纵总成中之光学窗、转向镜及/或影像旋转棱镜旋转。
发明人已认识到且了解到，杠杆臂2-540围绕第二旋转轴线之旋转移动及轴承2-520之圆形轨迹通常将由于致动器之驱动轴件2-530之角度改变而引起光学组件2-231之非线性角度改变。根据某些实施例，弯曲表面2-545可形成于杠杆臂上，此补偿非线性。与在杠杆臂2-540之接触表面系平坦时之情形相比较，当在杠杆臂2-540上采用弯曲表面时，可在光学组件之经延伸运动范围内存在旋转驱动轴件2-530之角度改变与光学组件2-231之角度改变之间的线性或大致线性关系。弯曲表面2-545之曲率可经工程设计以针对所要应用提供线性化关系。使用弯曲表面2-545可增加由旋转致动器之旋转运动引起的经线性化输出(例如，光学窗2-231之旋转运动)之有效范围。举例而言，该输出可在围绕轴承2-550之30度之旋转内在±5％误差内保持线性。在某些实施方案中，该输出可在围绕轴承2-550之30度之旋转内在±2％误差内保持线性。作为一项实例，图2-4中所展示之支架2-410之杠杆臂2-434可包含弯曲表面以使将轴承2-520按压在杠杆臂2-434上之致动器之旋转角与影像旋转棱镜2-254之旋转角之间之关系线性化。
作为另一实例，弯曲表面2-545可经工程设计以提供穿过光学窗2-231之光学光束之线性化位移，藉由图2-5A中所绘示之机械连杆使光学窗2-231旋转。弯曲表面之设计可考量凸轮臂2-510之旋转运动、光学窗2-231之旋转运动及穿过光学窗之光学光束之斯奈尔-笛卡尔定律。当在杠杆臂2-540中形成适当地设计之曲率时，可在凸轮臂2-510之延伸范围之旋转运动内获得线性化位移。在图2-5B之图表中展示在凸轮臂2-510之延伸范围之旋转运动内之线性化光束位移之实例。与资料之线性拟合展示0.983之R2值。资料点中之噪声中之某些噪声据信为归因于轴承2-520之运动之不规则性及弯曲表面2-545之平滑度。关于较高质量轴承及弯曲表面2-545之更精确机械加工或抛光而预期更高R2值。在实施例中，经工程设计弯曲表面2-545可将机械连杆之所量测输出线性化至高达0.98之R2值，尽管在某些情形中可获得更高值。
在光束整形及操纵总成1-150中使用之光学组件(例如，变形棱镜2-252、达夫棱镜2-254、转向镜2-234及光学窗)可具有适中或高光学质量。在某些实施例中，该等光学组件针对光学光束穿过其且自其反射之表面可具有40-20(划痕、麻点)或更佳之表面质量。此等表面之平坦度可系高达633nm或更小之波长之1/4。抗反射(AR)涂层可施加至光学光束穿过之表面。AR涂层在某些实施例中可系窄频带，或在其他实施例中可系宽带带。若两个波长之光束穿过表面(例如，基本及第二谐波光学光束)，则二向分光AR涂层可施加至该表面。在某些实施方案中，在光学器件上所使用之任何涂层可系高功率涂层，使得光束整形及操纵总成可用于产生高达100瓦特之输出光束功率之光学源。
光束整形及操纵模块1-150之有利态样系：可实质上独立于对经聚焦光束在表面2-340处之位置之X、Y调整而进行对入射于接收光学耦合组件上之光束之θx及θy之入射角调整(参考图1-3)，如结合图2-3所阐释。另外，可实质上独立于θx、θy、X及Y调整而进行对光束旋转或侧滚φ之调整。因此，五个光束参数(θx、θy、X、Y及φ)可基本上独立于彼此而经调整。举例而言，对任何一个参数之调整可在基本上不具有至其他光束参数中之交叉耦合之情况下来进行。进一步地，接收光学组件上之光束聚焦可基本上独立于其他光束特性而改变(例如，藉由使透镜2-233平移)。独立调整之此等态样可降低入射光束对准至接收光学组件之复杂度，且可允许光学光束2-350自动化对准至接收光学组件。举例而言且再次参考图1-3，来自具有脉冲1-122(其经由光栅耦合器1-310或切片式光栅耦合器2-100耦合至一或多个波导1-312中)之输入光学光束之光学能量可在对准程序期间用在该一或多个波导之相对端处之一或多个光电二极管1-324来监测。可调整光束之入射角及旋转角中之任一者以增加或最佳化耦合而不明显改变光束在光栅耦合器上之位置。另外，若需要，则对光束聚焦之调整可藉由使透镜2-233沿着光学光束路径移动而独立于对其他光束参数之调整来进行。由于对光束参数之调整基本上彼此分开，因此光束整形及操纵总成1-150可用于更容易地使来自光学源1-110之光学光束至高科技系统1-160之对准自动化且增加及维持高耦合效率。若对一个光束参数(例如，X位置)之调整交叉耦合至一或多个其他光束参数(例如，入射角或光束形状)中，则对准将系更复杂的且难以自动化。
根据某些实施例，自动化对准程序可用于将来自光学源1-110之光学光束对准至高科技系统1-160中之波导耦合器(例如，切片式光栅耦合器2-100)。对准程序可包括针对光栅耦合器2-100执行螺旋搜索，如图2-6中所绘示，尽管可使用其他类型之搜索图案(诸如光栅扫描及交互书写扫描)。可藉由以下方式执行螺旋搜索：使第三光学窗2-235及第四光学窗2-237旋转以使经聚焦光束2-350在芯片之表面上在X及Y方向上侧向平移。举例而言，在将芯片1-140装载至高科技仪器1-100中且接通光学源1-110之后，光学光束可在于图2-6中标志为“A”之位置处撞击芯片之表面。在此位置处，可不存在任何由象限侦测器1-320侦测之信号。可执行螺旋搜索路径2-610，同时监测来自象限侦测器Q1、Q2、Q3、Q4之信号。在位置“B”处，象限侦测器可开始对齐来自其侦测器之光束之(X,Y)位置信号。控制电路可然后判定光束相对于象限侦测器之中心之位置，取消螺旋路径之执行，且操作致动器2-223及2-224以将光束操纵至象限侦测器1-320之中心(点“C”)。光栅耦合器2-100可大致居中地位于象限侦测器上方。随后，可进行精细位置、光束旋转及入射角调整以增加耦合至波导2-120中之光学功率之量且改良耦合至每一波导中之功率之均匀性。在某些实施例中，可监测来自耦合至多个波导2-120之多个整合式光电二极管1-324之光学功率以辅助对光栅耦合器处之光学光束进行精细调整以用于改良耦合至该多个光学波导中之功率之均匀性。
可使用其他方法及设备来搜索象限侦测器1-320且将经聚焦光束2-350对准至光栅耦合器2-100。在某些实施例中，可改良象限侦测器1-320之敏感度以扩展可在其内侦测光学光束之范围。举例而言，可比较来自象限侦测器之具有处于高功率(例如，完全接通)之光学光束功率之信号与来自象限侦测器之具有处于低设定(例如，关断)之光学光束功率之信号。另外，当光学光束可位于距象限侦测器之明显距离处时，该等信号可在较长时间周期内经整合以改良象限侦测器之位置侦测敏感度。
在某些实施例中，光散射元件2-630可制作于芯片1-140上在象限侦测器1-320周围。当经聚焦光束未对准且在远离象限侦测器之周边位置处时，该等散射元件可使光自经聚焦光束朝向象限侦测器1-320散射。所侦测经散射光然后可指示光束之位置。
在某些实施方案中，宽度类似于期望经聚焦光束大小之窄线性散射元件(例如，沟渠(trench)或肋(rib)、柱或草皮阵列(an array of posts or divot)，未展示)或线侦测器可经放置穿过象限侦测器之中心或经放置至象限侦测器之侧(或相对于象限侦测器呈任一适合定向)，且显著地延伸超过象限侦测器之相对边缘(例如，延伸至大于初始光束偏移误差之合理预期之距离)。由于设计上知晓此元件或侦测器之定向，因此可首先使经聚焦光束2-350在垂直于该元件之方向上扫描直至光束撞击该元件或侦测器且藉由散射至象限侦测器1-320或直接藉由线侦测器而肯定地经侦测到。然后，可使该光束在另一方向上扫描以找出象限侦测器1-320。
根据某些实施例，可最初使光学光束在芯片1-140之表面2-340处扩展(例如，藉由用致动器使透镜2-233移动而使光束散焦，将散焦透镜插入于光束路径中或使用其他构件)。可然后大大增加光束在芯片上之占用面积(例如，10倍或更多倍)，使得任何扫描程序可在对象限侦测器1-320进行搜索时在光束位置之间使用更大步数(例如，关于螺旋形扫描之放射环之间的更大偏移)。此及前述替代搜索方法可减少与将经聚焦光束2-350对准至光栅耦合器2-100相关联之搜索时间。
在对准之后，可将经聚焦光学光束主动地维持在经对准位置中。举例而言，可使用来自象限侦测器之反馈以及致动器2-223及2-224之启动主动地维持在相对于象限侦测器1-320之初始对准之后判定的光束之(X,Y)位置以将光束维持在大致固定位置中。在某些实施例中，可不在初始对准之后调整光学光束在表面处之入射角以最佳化耦合至波导中之功率。另外，耦合至波导中之功率量可在所有量测中维持在大致恒定位准。
根据某些实施例，递送至波导2-120之功率可藉由使用对光束整形及操纵总成1-150之控制光学组件及/或光学源1-110内之光学或其他组件之反馈而维持在大致恒定位准。举例而言，来自经配置以自该等波导中之一或多者接收光之光电二极管之一或多个光电二极管1-324信号可由信号处理器监测以估计耦合至该等波导之功率位准。可回应于该等波导处之功率位准之所侦测到之改变而产生控制信号，且该等控制信号可施加至光束整形及操纵总成及/或光学源中之致动器。关于包括使用倍频晶体产生经倍频输出光束之雷射之光学源，控制信号可施加至控制半波板在光学源中之定向之致动器。半波板之旋转可改变进入倍频晶体之光学脉冲之偏振，且因此改变经倍频波长之转换效率及功率。此可在不影响光学源之稳定性或必须使光学光束相对于光栅耦合器2-100不对准之情况下控制光学功率。
根据某些实施例，在图2-7中绘示用于光束对准及功率稳定化之实例性电路。象限侦测器1-320表示为四个光电二极管，且波导光电二极管1-324表示为第五光电二极管。在某些实施方案中，可存在复数个(大量)波导2-120，光学功率自单个光栅耦合器耦合至复数个(大量)波导2-120。因此，可存在经配置以自具有连接至控制电路2-730之信号输出之波导接收辐射之复数个(大量)波导光电二极管1-324。放大电路2-710可经配置以侦测藉由二极管之光导产生之电压。根据某些实施例，放大电路2-710可包括将类比信号转换为数位信号之CMOS电子器件(例如，FET、取样电路、类比转数位转换器)。在其他实施例中，可将类比信号自放大电路提供至控制电路2-730。
在某些实施例中，控制电路可包括以下元件中之一者或组合：类比及数位电路、ASIC、FPGA、DSP、微控制器及微处理器。控制电路2-730可经组态以处理自一或多个波导光电二极管接收之信号以判定每一波导中之光学功率位准。控制电路2-730可进一步经组态以处理来自象限侦测器1-320之所接收信号以判定光学光束相对于象限侦测器之(X,Y)位置。在某些实施方案中，控制电路2-730经组态以侦测耦合至每一波导中之功率，且将控制信号提供至致动器以使光学光束移动使得功率在该等波导中经等化或跨越该等波导具有最高均匀性。
光学光束在X方向上之位置可(举例而言)由经调适以执行以下算法之控制电路2-730判定：
Sx＝[(VQ1+VQ4)–(VQ2+VQ3)]/VT
其中Sx系对应于x方向之正规化信号位准，VQn系自象限侦测器之第n个光电二极管接收之信号位准(例如，电压)，且VT系藉由对来自所有四个二极管之信号求和而接收之总信号位准。另外，可(举例而言)使用以下算法判定光学光束在Y方向上之位置：
Sy＝[(VQ3+VQ4)–(VQ1+VQ2)]/VT。
可藉由对来自经配置以侦测芯片上之波导中之每一者中之功率之所有光电二极管1-324的信号求和而判定耦合至芯片1-140上之所有波导中之平均功率。
控制信号可由控制电路2-730回应于X及Y之所侦测光束位置且回应于在一或多个波导2-120中侦测到之功率位准而产生。可经由一或多个通信链路(SM1、SM2、…SM5)将该等控制信号作为数位信号提供至光束整形及操纵模块1-150之致动器且经由一或多个通信链路WP将该等控制信号作为数位信号提供至光学源系统1-110之致动器或控制件(例如，经配置以使半波板或光束衰减器旋转之致动器、用于将电功率施加至二极管光学源之控制件)。可施加该等控制信号以使功率稳定化及/或改良光学源1-110与高科技系统1-160之间的光学耦合。
如可自前述说明了解，光束整形及操纵总成1-150可有利地不包含将显著地增加成本之某些光束整形及操纵组件。此等组件包含电光学组件及热光学组件、相位阵列或光束组合组件及微机电系统。根据某些实施例，可使用标准机械加工及模制能力来制造光束整形及操纵总成1-150之所有部分。
尽管主要针对耦合至切片式光栅耦合器而阐述光束整形及操纵总成之使用，但其可用于将光学光束耦合至其他光学系统，诸如但不限于光纤、二维光纤阵列、经由对接耦合之整合式光学波导、一或多个微流体通道、棱镜耦合器或经配置以激发表面电浆子之光学系统。
光束整形及操纵总成1-150之某些实施例可包含用于监测且估计该总成中之至少某些组件之操作状态之传感器及电路(图2-2A中未展示此两者)。举例而言，光束整形及操纵总成1-150可包含印刷电路板，该印刷电路板包含用以监测光束操纵组件之健康及/或操作(例如，致动器之操作状态、光学组件之运动)之电路且包含用于操作该等致动器之控制电路。在某些情形中，PCB可包含微控制器及/或控制电路2-730，微控制器及/或控制电路2-730提供处理所接收信号且基于该等经处理所接收信号而将控制信号输出至该等致动器。用于监测该等组件之运动之传感器可包含光学编码器、机械编码器、光学接近开关及限制开关(用于监测组件之机械运动以判定该等组件是否如所指令而移动)。在某些情形中，可依据供应至对光学组件进行操作之致动器之电流量而判定该光学组件之运动。在某些实施例中，温度传感器及/或电流传感器(例如，热阻器)可用于监测总成中之电子组件(例如，步进马达或其他致动器)以判定该等电子组件是否在安全操作温度内操作或判定对光学组件位置之任何温度补偿调整以取消对光束特性之温度效应。
在某些实施例中，一或多个光电二极管、一或多个成像阵列及/或一或多个象限侦测器可并入于光束整形及操纵总成1-150中以监测光学光束2-350在总成内之一或多个位置处之特性。可经监测之特性包含但不限于基本光束中之功率、第二谐波光束中之功率、输出光束位置、输出光束指向方向、输出光束形状及输出光束指向角度。举例而言，可使用光电二极管来监测当不同波长之光束分开时束集堆2-260处之基本光束或另一光束中之能量。第二光电二极管可监测透过转向镜(例如，镜2-234)泄漏或自光学窗2-231、2-232、2-235、2-237或透镜2-233或者总成1-150内之其他光学组件之小面反射之第二谐波光束或基本光束中之功率量。在某些情形中，光电二极管可安装在放置在底盘2-210上方之盖中或安装在底盘基底中以接收来自光学窗之小面反射。在某些情形中，来自基本光束及/或第二谐波光束之光学功率可用于估计光学源之健康(例如，提供输入光束2-205之锁模雷射之稳定性)。在实施例中，自侦测锁模激光束之光电二极管产生之信号可用于在光电二极管处产生在时间上相锁至脉冲到达时间之时脉信号。
可使用象限侦测器或成像阵列来监测来自光束整形及操纵总成内之光学组件之小面或来自位于总成下游之光学组件的一或多个杂散所反射光束之位置及/或存在。作为实例且参考图2-3，象限侦测器或成像阵列可安装在相对于光学窗2-231、2-232、2-235、2-237之位置处以侦测且监测自光学窗之低位准小面反射之位置及/或光束形状。来自以此方式配置之一或多个象限侦测器及/或成像阵列之输出可用于帮助使传出光束之位置、形状、旋转角φ及指向角稳定化。
来自(若干)电、热及光学传感器之信号可提供至与光束整形及操纵总成1-150一起经提供之PCB上之信号处理逻辑(例如，微控制器及/或逻辑芯片)以判定该光束整形及操纵总成是否稳定地且如所预期而操作且若总成出故障则产生错误信号。在某些实施方案中，该PCB可安装至光束整形及操纵总成之底盘2-210，尽管在其他实施例中，该PCB可位于别处且经由多线电缆连接至总成1-150内之该等传感器、致动器及任何其他电子器件。
所阐述技术之实施例至少包含在下文(1)至(51)中所陈述之组态及方法。
(1)一种光束整形及操纵总成，其包括：第一光学组件，其经配置以将输入光束之第一横向光束形状转变成第二光束之第二横向光束形状；第二光学组件，其经配置以使该第二横向光束形状围绕该第二光束之光学轴线旋转；及第三光学组件，其经配置以调整输出光束在目标位置处之第一位置或第一方向角中之一者。
(2)如组态(1)之光束整形及操纵总成，其中穿过该第一光学组件之该输入光束高达±3mm之位移不改变该第二横向光束形状。
(3)如组态(1)或(2)之光束整形及操纵总成，其中该第一光学组件包括变形棱镜对。
(4)如组态(1)至(3)中任一组态之光束整形及操纵总成，其进一步包括束集堆，其中该第一光学组件使该输入光束中之光学波长在空间上分开，且该束集堆经定位以自该第一光学组件接收处于第一波长之输出。
(5)如组态(4)之光束整形及操纵总成，其进一步包括转向镜，该转向镜经配置以接收具有第二波长之该第二光束且将该第二光束引导至该第三光学组件。
(6)如组态(1)至(5)中任一组态之光束整形及操纵总成，其中该第二光学组件包括达夫棱镜。
(7)如组态(1)至(6)中任一组态之光束整形及操纵总成，其中该第三光学组件包括光学窗。
(8)如组态(1)至(7)中任一组态之光束整形及操纵总成，其进一步包括支撑该第一光学组件、该第二光学组件及该第三光学组件之底盘，其中该底盘安装在包括印刷电路板(PCB)之仪器中，具有接收该第二光束之接收光学组件之装置安装在该印刷电路板(PCB)上，其中该PCB之含有该装置之区域附接至该底盘以减少该装置相对于该光束整形及操纵总成之运动。
(9)如组态(1)至(8)中任一组态之光束整形及操纵总成，其进一步包括经配置以调整以下各项中之一者之第四光学组件：该输出光束在该目标位置处之第二位置或第二方向角。
(10)如组态(9)之光束整形及操纵总成，其中由对该第四光学组件之调整对该目标位置处之该输出光束造成之第一效应基本上不影响由对该第三光学组件之调整对该目标位置处之该输出光束造成之第二效应且反之亦然。
(11)如组态(9)或(10)之光束整形及操纵总成，其进一步包括第一致动器，其耦合至该第三光学组件；及第二致动器，其耦合至该第四光学组件，其中该第一致动器及该第二致动器各自包含基本上平行于同一平面之旋转驱动轴件。
(12)如组态(11)之光束整形及操纵总成，其中该第一致动器及该第二致动器之该等旋转驱动轴件基本上平行。
(13)如组态(11)或(12)之光束整形及操纵总成，其中由该第三光学组件对该目标位置处之该输出光束实现之改变系在基本上正交于由该第四光学组件对该目标位置处之该输出光束实现之改变之维度上。
(14)如组态(1)至(13)中任一组态之光束整形及操纵总成，其中该第三光学组件经配置以调整该输出光束在该目标位置处之该第一方向角，该光束整形及操纵总成进一步包括：第四光学组件，其经配置以调整该输出光束在该目标位置处之第二方向角；第五光学组件，其经配置以调整该输出光束在该目标位置处之该第一位置；及第六光学组件，其经配置以调整该输出光束在该目标位置处之第二位置。
(15)如组态(14)之光束整形及操纵总成，其进一步包括聚焦透镜，该聚焦透镜经配置使得该第三光学组件及该第四光学组件安置于该聚焦透镜之第一侧上且该第五光学组件及该第六光学组件安置于该聚焦透镜之第二侧上。
(16)如组态(14)或(15)之光束整形及操纵总成，其中该第一方向角系该输出光束在该目标位置处之俯仰角；该第二方向角系该输出光束在该目标位置处之侧倾角；该第一位置系该输出光束在该目标位置处之X方向位置；且该第二位置系该输出光束在该目标位置处之Y方向位置，该X方向与该Y方向系正交的。
(17)如组态(1)至(16)中任一组态之光束整形及操纵总成，其中该第二横向光束形状系实质上椭圆形的且该第一横向光束形状系实质上圆形的。
(18)一种将光束自系统之光学源耦合至接收光学组件之方法，该方法包括如下动作：由光束整形及操纵总成自该光学源接收该光束；用该光束整形及操纵总成将该光束之第一横向光束形状转变为输出光束之第二横向光束形状；用该光束整形及操纵总成将该输出光束定位在该接收光学组件上；及用该光束整形及操纵总成使该第二横向光束形状以可调整方式旋转。
(19)如(18)之方法，其中藉由使由单片材料制成之光学组件旋转而执行该旋转。
(20)如(18)或(19)之方法，其中该第一横向光束形状系圆形的且该第二横向光束形状系椭圆形的。
(21)如(18)至(20)中任一项之方法，其进一步包括用该光束整形及操纵总成改变该输出光束在该接收光学组件上之入射角及位置中之一者或两者。
(22)如(18)至(21)中任一项之方法，其中使用光学窗之旋转来调整该输出光束在该接收光学组件上之入射角。
(23)如(18)至(22)中任一项之方法，其中该输出光束之横向大小比该接收光学组件之耦合区域大介于10％与35％之间且相对于该接收光学组件以侧滚角定向。
(24)如(23)之方法，其进一步包括调整该输出光束在该接收光学组件处之位置以补偿该第二横向光束形状中之强度不对称性。
(25)如(18)至(24)中任一项之方法，其中该接收光学组件包括经组态以将该输出光束耦合至复数个波导之切片式光栅耦合器。
(26)如(25)之方法，其进一步包括用该光束整形及操纵总成调整耦合至该复数个波导之功率之均匀性。
(27)一种用于将辐射光束耦合至设备之光学系统，该光学系统包括：三个旋转致动器；及三个光学组件，其分别耦合至该三个旋转致动器，其中每一旋转致动器具有围绕轴件轴线旋转以使该三个光学组件中之一光学组件移动之驱动轴件，其中该三个旋转致动器之该等轴件轴线基本上平行于同一平面，且其中藉由该三个旋转致动器致动该三个光学组件会使该光束在三个不同自由度上变更。
(28)如组态(27)之光学系统，其中该三个光学组件与该三个旋转致动器之间的耦合不包含齿轮、滑轮或链轮。
(29)如组态(27)或(28)之光学系统，其中该三个光学组件中之至少两个光学组件系透明光学窗且该等驱动轴件中之至少两个驱动轴件基本上平行。
(30)如组态(27)至(29)中任一组态之光学系统，其中该三个旋转致动器具有基本上相同大小及结构。
(31)如组态(27)至(30)中任一组态之光学系统，其中藉由该三个旋转致动器中之第一旋转致动器使该三个光学组件中之第一光学组件移动会使该横向光束形状在离开该第一光学组件之位置处围绕沿着离开该第一光学组件之该光束居中地伸展之光学轴线旋转。
(32)如组态(31)之光学系统，其中该第一光学组件之移动使该光束在该目标位置处围绕沿着该经聚焦光束居中地伸展之光学轴线旋转，其中该经聚焦光束在该目标位置处基本上不具有侧向位移。
(33)如组态(27)至(32)中任一组态之光学系统，其进一步包括用以将该光束聚焦至该设备中之目标位置之透镜，其中藉由该三个旋转致动器中之两个旋转致动器使该三个光学组件中之两个光学组件移动会变更该经聚焦光束在该目标位置处之入射角，其中该经聚焦光束在该目标位置处基本上不具有侧向位移。
(34)如组态(33)之光学系统，其进一步包括第四光学组件，其耦合至第四旋转致动器，该第四旋转致动器具有围绕轴件轴线旋转以使该第四光学组件移动之驱动轴件；及第五光学组件，其耦合至第五旋转致动器，该第五旋转致动器具有围绕轴件轴线旋转以使该第五光学组件移动之驱动轴件，其中该第四旋转致动器及该第五旋转致动器之该等轴件轴线基本上平行于同一平面。
(35)如组态(34)之光学系统，其中该三个旋转致动器以及该第四旋转致动器及该第五旋转致动器之该等轴件轴线基本上位于同一平面中。
(36)如组态(34)或(35)之光学系统，其中该光学系统具有不大于40mm之高度。
(37)如组态(34)至(36)中任一组态之光学系统，其中该第四光学组件及该第五光学组件之移动使该目标位置处之该经聚焦光束以两个自由度侧向平移，其中该光束在该目标位置处基本上不具有入射角之改变。
(38)如组态(27)至(37)中任一组态之光学系统，其进一步包括经组态以将所接收圆形光束形状转换为细长光束形状之光束整形组件。
(39)如组态(38)之光学系统，其中该光束整形组件进一步经组态以将该光束中之不同辐射波长在空间上分开。
(40)一种用于将辐射光束耦合至设备之光学系统，该光学系统包括：第一光学组件，其经支撑在可调整座架中；及第一致动器，其耦合至该可调整座架，其中藉由该第一致动器使该第一光学组件移动会使离开该第一光学组件之离开光束之横向形状及偏振旋转，其中该横向形状及偏振之该旋转系围绕沿着该离开光束居中地伸展之光学轴线。
(41)如组态(40)之光学系统，其中该第一光学组件由单片材料制成，该单片材料经对准使得该光束沿着该第一光学组件之旋转轴线居中地入射。
(42)如组态(40)或(41)之光学系统，其进一步包括：第二光学组件，其经配置以将该光束之第一横向光束形状转变为第二光束之第二横向光束形状且将该光束中之波长在空间上分开；及束集堆，其经配置以自该光束接收在空间上分开之波长。
(43)如组态(40)至(42)中任一组态之光学系统，其进一步包括经配置以调整该离开光束之方向角之额外光学组件。
(44)如组态(43)之光学系统，其中该额外光学组件系透明光学窗。
(45)一种用于变更辐射光束之光学系统，该光学系统包括：第一光学组件，其由经组态以使该第一光学组件围绕第一轴线旋转之可调整座架支撑；旋转致动器，其具有围绕不平行于该第一轴线之第二轴线旋转之驱动轴件；凸轮臂，其连接至该驱动轴件；轴承，其连接至该凸轮臂；及弯曲表面，其连接至该可调整座架，其中当致动该旋转致动器以使该第一光学组件旋转时该轴承跨越该弯曲表面伸展。
(46)如组态(45)之光学系统，其中该弯曲表面经整形以使由于藉由该驱动轴件使该凸轮臂旋转而发生的穿过该光学组件之光学光束之参数之改变线性化。
(47)一种光学光束操纵设备，其包括：第一旋转致动器，其经配置以使第一光学窗旋转；第二旋转致动器，其经配置以使第二光学窗旋转；及透镜，其中该第一光学窗之旋转调整光学光束在目标位置处之侧向位置且该第二光学窗之旋转调整该光束在该目标位置处之入射角而不使该侧向位置改变多于10微米。
(48)如组态(47)之光学光束操纵设备，其中该第一旋转致动器之旋转驱动轴件基本上平行于该第二旋转致动器之旋转驱动轴件。
(49)一种光学光束操纵设备，其包括三个可旋转透明光学窗，该三个可旋转透明光学窗经配置而以三个正交自由度调整来自该光束操纵设备之输出光束之三个参数。
(50)如组态(49)之光学光束操纵设备，其进一步包括经组态以使该三个可旋转透明光学窗旋转之三个旋转致动器，其中该三个旋转致动器之驱动轴件基本上平行于同一平面。
(51)如组态(50)之光学光束操纵设备，其中该等驱动轴件基本上彼此平行。
VI.总结
在如此阐述光束整形及操纵总成之数个实施例之数个态样之后，应了解，熟习此项技术者将易于做出各种变更、修改及改良。此类变更、修改及改良意欲系本发明之一部分且意欲在本发明之精神及范畴内。尽管已结合各个实施例及实例阐述本发明教示，但并非意欲将本发明教示限制于此等实施例或实例。相反，本发明教示囊括各种替代方案、修改及等效形式，如熟习此项技术者将了解。
举例而言，实施例可经修改以在光束整形及操纵总成中包含比上文所阐述的多或少之光学组件。此外，光学组态可不同于所展示之彼等光学组态，其中某些光束整形及操纵总成在通过总成之光学路径中具有更多或更少转弯或摺叠。
尽管已阐述并图解说明了各种发明性实施例，但熟习此项技术者将容易地想象用于执行所阐述之功能及/或获得所阐述之结果及/或优点中之一或多者之各种其他构件及/或结构，且此等变化及/或修改中之每一者皆被认为系在所阐述之发明性实施例之范畴内。更一般而言，熟习此项技术者将易于了解，所阐述之所有参数、尺寸、材料及组态意欲系实例且实际参数、尺寸、材料及/或组态将取决于使用发明性教示之一个或多个具体应用。熟习此项技术者将认识到或仅使用常规实验即能够断定所阐述之特定发明性实施例之诸多等效内容。因此，应理解前述实施例仅系以举例方式呈现且在随附申请专利范围及其等效内容之范畴内，可不同于所特定阐述及主张来实践发明性实施例。本发明之发明性实施例可针对于所阐述之每一个别特征、系统、系统升级及/或方法。另外，若此等特征、系统、系统升级及/或方法不相互矛盾，则两个或两个以上此等特征、系统及/或方法之任何组合包含在本发明之发明范畴内。
进一步地，尽管可指示本发明之某些优点，但应了解，并非本发明之每一实施例将包含每一所阐述优点。某些实施例可不实施经阐述为有利之任何特征。因此，前述说明及图式系仅藉由实例之方式。
本申请案中所引用之所有文献及类似材料(包含但不限于专利、专利申请案、文章、书籍、论文及网页，不管此等文献及类似材料之格式如何)以其全文引用方式明确地并入。在所并入文献及类似材料中之一或多者不同于此申请案(包含但不限于所定义术语、术语使用、所阐述技术或类似者)或与此申请案矛盾之情况下，以此申请案为准。
所使用之章节标题仅出于组织目的，而不能解释为以任何方式限制标的物。
而且，所阐述之技术可体现为方法，已提供该方法之至少一项实例。作为方法之一部分实施之行动可以任一适合方式排序。因此，实施例可经构建，其中以不同于所图解说明之次序执行行动，其可包含同时执行某些行动，即使在说明性实施例中经展示为依序行动。
如所定义及使用之所有定义应理解为控制在辞典定义、以引用方式并入之文档中之定义及/或所定义术语之普遍意义以内。
数值及范围可在说明书及申请专利范围内经阐述为大致或精确值或范围。举例而言，在某些情形中、术语“大约”、“大致”及“实质上”可参考值而使用。此等参考意欲囊括所参考值以及该值之正负合理变化。举例而言，词组“介于大约10与大约20之间”意欲在某些实施例中意指“介于精确地10与精确地20之间”而且在某些实施例中意指“介于10±δ1与20±δ2之间”。值之变化量δ1、δ2可在某些实施例中小于值之5％、在某些实施例中小于值之10％且在某些实施例中又小于值之20％。在其中给出大范围之值(例如，包含两个或两个以上数量级之范围)之实施例中，值之变化量δ1、δ2可高达50％。举例而言，若可操作范围自2延伸至200，则“大致80”可囊括介于40与120之间的值且该范围可系与介于1与300之间一样大。当仅预期精确值时，使用术语“精确地”，例如，“介于精确地2与精确地200之间”。术语“基本上”用于指示值在误差不超过±3％之情况下系相同的或处于目标值或条件。
术语“毗邻”可系指彼此紧密接近地配置之两个元件(例如，在小于两个元件中之较大元件之横向或垂直尺寸之大约五分之一之距离内)。在某些情形中，毗邻元件之间可存在介入结构或层。在某些情形中，毗邻元件可在不具有介入结构或元件之情况下紧接地彼此毗邻。
除非明确指示相反情形，否则如在说明书中及在申请专利范围中所使用之不定冠词“一(a及an)”应理解为意指“至少一个”。
如在说明书中及在申请专利范围中所使用之词组“及/或”应理解为意指如此结合之元件中之“任一者或两者”，即，在一些情形中以结合方式存在且在其他情形下以分离方式存在之元件。以“及/或”列示之多个元件应以相同方式来理解，即，如此结合之元件中之“一或多者”。可视情况存在除由“及/或”从句特定识别之元件以外的其他元件，无论与特定识别之彼等元件相关还是不相关。因此，作为非限制性实例，当结合诸如“包括”之开放式语言使用时，对“A及/或B”之提及在一个实施例中可系指仅A(视情况包含除B以外之元件)；在另一实施例中，系指仅B(视情况包含除A以外之元件)；在再一实施例中，系指A及B两者(视情况包含其他元件)；等等。
如在说明书中及在申请专利范围中所使用，“或”应理解为具有与如上文所定义之“及/或”相同之含义。举例而言，在分离清单中之物项时，“或”或者“及/或”应解释为系包含性的，亦即，包含若干元件或元件清单中之至少一者(但亦包含一个以上)及视情况包含额外未列出物项。术语“仅(only)”明确指示相反情形，诸如“其中之仅一者”或“其中之恰好一者”或“由……组成”当在申请专利范围中使用时将系指包含若干元件或元件清单中之恰好一个元件。一般而言，如所使用之术语“或”在前面有排他性术语(诸如“任一者”、“其中之一者”、“其中之仅一者”或“其中之恰好一者”)时应仅将其解释为指示排他性替代项(亦即，“一者或另一者而非两者”)。当在申请专利范围中使用时，“基本上由……组成”应具有如其用于专利法律领域中之普通含义。
如在说明书中及在申请专利范围中所使用，参考一或多个要素之清单之词组“至少一”应理解为意指选自要素清单中之任一或多个要素之至少一个要素，但未必包含要素清单内特定列出之各自及每一要素中之至少一者，且不排除要素清单中要素之任何组合。此定义亦允许可视情况存在除词组“至少一”所指之要素清单内特定识别之要素之外之要素，无论与特定识别之彼等要素相关还是不相关。因此，作为非限制性实例，在一个实施例中，“A及B中之至少一者”(或等效地，“A或B中之至少一者”，或等效地，“A及/或B中之至少一者”)可系指至少一个(视情况包含一个以上)A，而不存在B(且视情况包含除B以外之元件)；在另一实施例中，系指至少一个(视情况包括一个以上)B，而不存在A(且视情况包含除A以外之元件)；在又一实施例中，系指至少一个(视情况包含一个以上)A及至少一个(视情况包含一个以上)B(且视情况包含其他元件)；等等。
在申请专利范围中以及在上文说明书中，所有过渡性词组(诸如“包括”、“包含”、“携载”、“具有”、“含有”、“涉及”、“固持”、“由……构成”及诸如此类)应理解为系开放式，亦即，意指包括但不限于。仅过渡性词组“由……组成”及“基本上由……组成”应分别系封闭式或半封闭式过渡性词组。
不应将申请专利范围解读为限制于所阐述之次序或元件，除非陈述彼效应。应理解，熟习此项技术者可在不背离随附申请专利范围之精神及范畴之情况下做出形式及细节之各种改变。主张在随附申请专利范围及其等效内容之精神及范畴内之所有实施例。

Claims (24)

1.一种光束整形及操纵总成，其包括：
第一光学组件，其经配置以将输入光束之第一横向光束形状转变为第二光束之第二横向光束形状；
第二光学组件，其经配置以使该第二横向光束形状围绕该第二光束之光学轴线旋转；
第三光学组件，其经配置以调整输出光束在目标位置处之第一入射角；
第四光学组件，其经配置以调整该输出光束在该目标位置处之第二入射角；
第五光学组件，其经配置以调整该输出光束在该目标位置处之第一位置；及
第六光学组件，其经配置以调整该输出光束在该目标位置处之第二位置。
2.根据权利要求1所述的光束整形及操纵总成，其中该输入光束穿过该第一光学组件高达±3mm之位移不改变该第二横向光束形状。
3.根据权利要求1所述的光束整形及操纵总成，其中该第一光学组件包括变形棱镜对。
4.根据权利要求1所述的光束整形及操纵总成，其进一步包括束集堆，其中该第一光学组件使该输入光束中之光学波长在空间上分开，且该束集堆经定位以自该第一光学组件接收处于第一波长之输出。
5.根据权利要求4所述的光束整形及操纵总成，其进一步包括转向镜，该转向镜经配置以接收具有第二波长之该第二光束且将该第二光束引导至该第三光学组件。
6.根据权利要求1所述的光束整形及操纵总成，其中该第二光学组件包括达夫棱镜(dove prism)。
7.根据权利要求1所述的光束整形及操纵总成，其中该第三光学组件包括光学窗。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光束整形及操纵总成，其进一步包括支撑该第一光学组件、该第二光学组件及该第三光学组件之底盘，其中该底盘系安装在包括印刷电路板(PCB)之仪器中，具有接收该第二光束之接收光学组件之装置安装在该印刷电路板(PCB)上，其中该PCB之含有该装置之区域附接至该底盘以减少该装置相对于该光束整形及操纵总成之运动。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的光束整形及操纵总成，其进一步包括经配置以调整以下各项中之一者之第四光学组件：该输出光束在该目标位置处之第二位置或第二入射角。
10.根据权利要求9所述的光束整形及操纵总成，其中由对该第四光学组件之调整对该目标位置处之该输出光束造成之第一效应基本上不影响由对该第三光学组件之调整对该目标位置处之该输出光束造成之第二效应，且反之亦然。
11.根据权利要求9所述的光束整形及操纵总成，其进一步包括：
第一致动器，其耦合至该第三光学组件；及
第二致动器，其耦合至该第四光学组件，
其中该第一致动器及该第二致动器各自包含基本上平行于同一平面之旋转驱动轴件。
12.根据权利要求11所述的光束整形及操纵总成，其中该第一致动器及该第二致动器之该旋转驱动轴件基本上平行。
13.根据权利要求11所述的光束整形及操纵总成，其中由该第三光学组件对该目标位置处之该输出光束实现之改变系在基本上正交于由该第四光学组件对该目标位置处之该输出光束实现之改变之维度上。
14.根据权利要求1所述的光束整形及操纵总成，其进一步包括聚焦透镜，该聚焦透镜经配置使得该第三光学组件及该第四光学组件安置于该聚焦透镜之第一侧上且该第五光学组件及该第六光学组件安置于该聚焦透镜之第二侧上。
15.根据权利要求1或14所述的光束整形及操纵总成，其中：
该第一入射角系该输出光束在该目标位置处之俯仰角；
该第二入射角系该输出光束在该目标位置处之侧倾角(yaw angle)；
该第一位置系该输出光束在该目标位置处之X方向位置；且
该第二位置系该输出光束在该目标位置处之Y方向位置，该X方向与该Y方向系正交的。
16.根据权利要求1所述的光束整形及操纵总成，其中该第二横向光束形状系实质上椭圆形的，且该第一横向光束形状系实质上圆形的。
17.一种将光束自系统之光学源耦合至接收光学组件之方法，该方法包括：
由光束整形及操纵总成自该光学源接收该光束；
用该光束整形及操纵总成将该光束之第一横向光束形状转变为输出光束之第二横向光束形状；
用该光束整形及操纵总成将该输出光束定位在该接收光学组件上；
用该光束整形及操纵总成使该第二横向光束形状以可调整方式旋转；及
用该光束整形及操纵总成改变该输出光束在该接收光学组件上之入射角及位置中之一者或两者，
其中该光束整形及操纵总成包括：
第三光学组件，其经配置以调整该输出光束在该接收光学组件上之第一入射角；
第四光学组件，其经配置以调整该输出光束在该接收光学组件上之第二入射角；
第五光学组件，其经配置以调整该输出光束在该接收光学组件上之第一位置；及
第六光学组件，其经配置以调整该输出光束在该接收光学组件上之第二位置。
18.根据权利要求17所述的方法，其中藉由使由单片材料制成之光学组件旋转来执行该旋转。
19.根据权利要求17所述的方法，其中该第一横向光束形状系圆形的，且该第二横向光束形状系椭圆形的。
20.根据权利要求17至19中任一项所述的方法，其中使用光学窗之旋转来调整该输出光束在该接收光学组件上之入射角。
21.根据权利要求17至19中任一项所述的方法，其中该输出光束之横向大小比该接收光学组件之耦合区域大介于10％与35％之间且相对于该接收光学组件以侧滚角(rollangle)定向。
22.根据权利要求21所述的方法，其进一步包括调整该输出光束在该接收光学组件处之位置以补偿该第二横向光束形状中之强度不对称性。
23.根据权利要求17所述的方法，其中该接收光学组件包括经组态以将该输出光束耦合至复数个波导之切片式光栅耦合器。
24.根据权利要求23所述的方法，其进一步包括用该光束整形及操纵总成调整耦合至该复数个波导之功率之均匀性。
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