CN114400495A - 紧密的锁模雷射模块 - Google Patents

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费萨尔·R·艾哈曼德
保罗·E·格伦
杰克·朱厄尔
J·格伦
J·卡马拉
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法席德·加塞米
J·C·舒尔茨
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Abstract

本发明阐述用于产生超短光学脉冲之设备及方法。可将高功率固态被动锁模雷射制造成可并入至可携式仪器中之紧密模块。该锁模雷射可以介于200MHz与50MHz之间的重复速率、适合用于大量并行数据采集之速率产生低于50ps之光学脉冲。该等光学脉冲可用于产生参考频率信号以用于使该可携式仪器之数据采集及信号处理电子器件同步。

Description

紧密的锁模雷射模块
本申请是申请日为2017年12月15日、申请号为201780078181.1、发明名称为“紧密的锁模雷射模块”的申请的分案申请。
相关申请案之交叉参考
本申请案主张2016年12月16日提出申请且标题为“紧密的锁模镭射模块”之第62/435,688号美国临时申请案之优先权，该美国临时申请案以全文引用方式并入。
技术领域
本申请案针对于用于产生低于100皮秒之光学脉冲之紧密设备及方法。该设备可并入至出于分析、医疗、制造或通信目的而使用该等光学脉冲之仪表中。
背景技术
超短光学脉冲(亦即，小于大约100皮秒之光学脉冲)在各种研究与开发领域以及商业应用中系有用的。举例而言，超短光学脉冲对于时域光谱术、光学测距、时域成像(TDI)、光同调断层扫描(OCT)、荧光寿命成像(FLI)及用于基因定序之寿命解析之荧光侦测可系有用的。超短脉冲对于包含光学通信系统、医疗应用及对光电子装置之测试之商业应用亦可系有用的。
已开发习用锁模雷射以产生超短光学脉冲，且各种此类雷射当前系可商购的。举例而言，已开发某些固态雷射及光纤雷射以递送具有远低于200飞秒之持续时间之脉冲。然而，对于某些应用，此等脉冲持续时间可比所需要的短且此等雷射系统之成本针对特定应用可系过高的。另外，此等雷射系统可系具有相当大占用面积(例如，大约1ft2或更大)、具有相当可观重量且占用相当大体积(例如，0.5ft3或更大)之独立系统。此等雷射系统系不容易携带的或作为模块并入至其他可携式系统中。
发明内容
本文中所阐述之技术系关于用于产生超短光学脉冲之设备及方法。阐述可实施为紧密的低成本雷射模块之锁模雷射系统，该紧密的低成本雷射模块能够以低至50MHz之脉冲重复速率产生低于100皮秒之脉冲。可藉助包含于该模块中之电路以电子方式侦测来自雷射之光学脉冲，且可处理所得信号以产生可用于使其他电子系统与脉冲串流同步(例如，使仪器(雷射模块并入至其中)之数据采集电子器件同步)之电子频率信号。发明人已认识到且了解到，紧密的低成本脉冲雷射系统可并入至仪表(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等)中，且可允许此等仪表变得可容易携带且以与针对需要超短脉冲雷射之习用仪表之情形相比较相当低之成本来生产。高可携带性可使此等仪器对于研究、开发、临床使用、场部署及商业应用系更有用的。在实例性应用中，可将紧密雷射模块并入至可携式基因定序仪器中，且可将该等光学脉冲递送至在其中侦测单分子定序事件之反应室。
某些实施例系关于一种锁模雷射模块，其包括：基底底盘；锁模雷射，其具有组装在该基底底盘上之雷射腔；及增益介质，其位于该雷射腔中且在该锁模雷射产生光学脉冲时展现介于4屈亮度与15屈亮度之间的热透镜化值。
某些实施例系关于一种锁模雷射模块，其包括：基底底盘；锁模雷射，其具有组装在该基底底盘上之雷射腔；输出耦合器，其安装在该雷射腔之第一端处之第一座架上，其中该第一座架不提供相对于入射于该输出耦合器上之腔内光束之光学轴线对该输出耦合器之角度调整；可饱和吸收镜，其安装在该雷射腔之第二端处之第二座架上，其中该第二座架不提供相对于入射于该可饱和吸收镜上之该腔内光束之该光学轴线对该可饱和吸收镜之角度调整；及增益介质，其位于该锁模雷射与该输出耦合器之间。
某些实施例系关于一种锁模雷射模块，其包括：基底底盘；输出耦合器及第一聚焦光学器件，其安装于该基底底盘上；可饱和吸收镜及第二聚焦光学器件，其安装于该基底底盘上，其中该输出耦合器及该可饱和吸收镜包括用于锁模雷射之雷射腔之端镜；增益介质，其沿着腔内光束之光学轴线位于该雷射腔内；及腔长度延长区域，其包括位于该输出耦合器与该可饱和吸收镜之间的两个反射器，其中该两个反射器将该腔内光束折迭多于两次。
某些实施例系关于一种锁模雷射模块，其包括：基底底盘；锁模雷射，其具有经组态而以介于50MHz与200MHz之间的脉冲重复速率操作之第一雷射腔，其中该锁模雷射组装在该基底底盘上；该第一雷射腔之第一端镜，其位于该第一雷射腔之第一端处；该第一雷射腔之第二端镜，其位于该第一雷射腔之第二端处；及增益介质，其位于该第一雷射腔内，其中该增益介质经组态以在以该第一雷射腔之操作功率经泵激时展现热透镜化，其中该热透镜化支持在形成于该第一雷射腔内之第二雷射腔中发出雷射，该第二雷射腔小于该第一雷射腔之长度之二分之一且包含该第一端镜及在该第一雷射腔中安装在该基底底盘上之第三端镜。
某些实施例系关于一种操作锁模雷射之方法，该方法包括：用光学泵束泵激雷射腔之增益介质，使得该增益介质展现屈亮度值范围介于8屈亮度与12屈亮度之间的热透镜化；使腔内光束自在该雷射腔之第一端处之输出耦合器及在该雷射腔之第二端处之可饱和吸收镜反射；及在该屈亮度值范围内产生稳定光学脉冲之输出。
可依据结合附图进行之以下说明更充分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夸大的或放大的以促进对本发明之理解。在图式中，相似组件符号贯穿各图一般系指相似特征、功能上类似及/或结构上类似之组件。图式未必系按比例的，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1-1A系根据某些实施例之包含紧密的锁模雷射模块之分析仪器之方块图绘示。
图1-1B绘示根据某些实施例之并入至分析仪器中之紧密锁模雷射。
图1-2绘示根据某些实施例之光学脉冲串。
图1-3绘示根据某些实施例之可由脉冲雷射经由一或多个波导及针对每一室之对应侦测器光学激发之并行反应室之实例。
图1-4图解说明根据某些实施例之自波导对反应室进行光学激发。
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1-9绘示根据某些实施例之时间方格化光侦测器。
图1-10A绘示根据某些实施例之脉冲激发及对来自样本之荧光发射之经时间方格化侦测。
图1-10B绘示根据某些实施例之在样本之重复脉冲激发之后在各种时间方格中之所累积荧光光子计数之直方图。
图1-11A至1-11D绘示根据某些实施例之可对应于四个核苷酸(T、A、C、G)或核苷酸类似物之不同直方图。
图2-1绘示根据某些实施例之紧密的锁模雷射模块。
图3-1A图解说明根据某些实施例之用于增益介质之座架或可在紧密锁模雷射中使用之其他高功率光学组件。
图3-1B图解说明根据某些实施例之用于增益介质之座架或可在紧密锁模雷射中使用之其他高功率光学组件。
图3-2A绘示根据某些实施例之整合式光学座架。
图3-2B绘示根据某些实施例之安装在整合式光学座架中之光学器件。
图3-3绘示根据某些实施方案之可饱和吸收镜及座架。
图3-4绘示根据某些实施例之整合式光学座架。
图3-5A至图3-5D绘示根据某些实施方案之可作为雷射腔之一部分并入之光学路径长度延伸器之各种实施例。
图3-6A在平面图中绘示根据某些实施例之用于安装增益介质之平台或可在紧密锁模雷射中使用之其他高功率光学系统。
图3-6B及图3-6C绘示根据某些实施例之在图3-6A中所图解说明之平台之立视图。
图4-1绘示根据某些实施例之二极管-雷射泵模块。
图4-2A绘示实例性可调整运动安装总成之立视图；
图4-2B绘示实例性可调整运动安装总成之平面图；
图5-1绘示根据某些实施例之用于将仪器电子器件同步至光学脉冲之定时之系统。
图5-2绘示根据某些实施例之并入脉冲光学源之分析仪器之频率产生电路。
图5-3绘示根据某些实施例之系统电路。
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
发明人已认识到且了解到，能够提供至少500mW之平均输出功率之习用超短脉冲雷射通常系大的、昂贵的且对于诸多移动应用系不适合的。此等雷射通常太大且太重而不能并入至可经调适以用于成像、测距或桌上生物分析应用之可携式仪表中。因此，发明人已设想出可以选定波长且以高达3.5瓦(W)之平均光学功率提供低于100皮秒之脉冲之紧密的超短脉冲雷射系统。该雷射系统可经组态以提供介于大约50MHz与大约200MHz之间的光学脉冲之重复速率，该重复速率很好地适合于大量并行数据采集。在某些实施例中，由锁模雷射模块及其光学器件占据之区可系大约一张A4纸之大小，该A4纸具有大约40mm或更小之厚度。由模块占据之体积可系至多0.07ft3，其系由无法递送同样多之光学功率之习用超短脉冲雷射占据之体积之几乎10倍减少。由于雷射具有紧密板条形式因子，因此其可作为可替换模块(例如，在可添加或交换个人计算机上之板时换入或换出之模块)容易地并入至仪器中。
术语“光学”可系指超紫外线、可见、近红外线及短波长红外线光谱频带。
在生物分析技术之领域中，此紧密的锁模雷射模块可用于将光学激发能量递送至整合至芯片上之复数个反应室(举例而言)。根据某些实施方案，芯片上之反应室数目可介于大约10,000与大约10,000,000之间，且该等室可含有可在一段时间内经历多个生物化学反应之样本。在其他实施方案中，芯片上可存在更少或更多反应室。根据某些实施例，可用发荧光之一或多个荧光团标记样本或与样本相互作用之分子，或样本可在由来自锁模雷射模块之光学脉冲进行激发之后自身发荧光。对来自反应室之荧光之侦测及分析提供关于室内之样本之信息。
为制成包含此等大量反应室且使用多个不同荧光团之可携式仪器，需要解决数个技术挑战。脉冲雷射系统必须系小的且轻量的，且其必须提供足以激发所有反应室中之荧光团之光学功率(例如，在适合激发波长下大于大约300mW)。亦可需要该脉冲雷射系统来产生在检定或定序运行之持续时间(其可持续数十分钟或小时)内稳定之超短光学脉冲串流。另外，必须存在用锁模雷射激发不同荧光团(例如，具有用于DNA定序之不同发射特性之四个荧光团)且在适当时间在每一反应室处侦测来自荧光团之不同发射特性使得可将每一荧光团与其他荧光团区分开以获得有用信息的某种方式。进一步地，对于涉及芯片上之整合式光学电路之应用，必须存在调适来自雷射模块之输出光束以匹配芯片处之接收光学器件且在长时间周期内维持至芯片之稳定及高效耦合的某种方式。
根据本发明实施例之紧密的锁模雷射可作为可更换模块并入至可携式仪器中。模块之形式因子系板条形状，其在板条之最长边缘上量测为不大于350mm且具有不大于40mm之厚度，占据不大于0.1立方英尺之体积。在实施例中，最长边缘尺寸可系介于300mm与350mm之间的值，且最大厚度可系介于30mm与40mm之间的值。模块之重量可不大于2千克，且由模块消耗之操作功率可不大于20瓦。在实施例中，最大重量可系介于1千克与20千克之间的值，且最大操作功率可系介于10瓦与20瓦之间的值。雷射可在大致532nm之激发波长下以可控制在100mW与1.5W之间的平均输出功率产生稳定之低于40皮秒之脉冲串。以选定输出功率进行之锁模操作可在数小时内系稳定的。模块亦包含用于感测由雷射产生之光学脉冲及光学功率位准之电路。自感测光学脉冲而导出之信号可用于产生电子频率信号，该电子频率信号可用于使仪器电子器件(例如，数据采集循环)与由雷射产生之光学脉冲之定时同步。
II.实例性生物分析应用
藉由阐释之方式，阐述生物分析应用，其中紧密的锁模雷射模块用于激发芯片上之复数个反应室中之荧光团。实例性应用意欲突出强调雷射模块之要求更高之要求中之某些要求，且不意欲将雷射模块限制于仅生物分析应用。模块可用于其他技术，诸如通信、成像、光子芯片或电子芯片探测与诊断、制造(切割、烧蚀)及医疗与诊断。
在概观中，可携式分析仪器1-100可包括作为可替换模块安装在仪器内或以其他方式耦合至仪器之一或多个锁模雷射模块1-108，如图1-1A中所绘示。可携式分析仪器1-100可包含光学系统1-115及分析系统1-160。光学系统1-115可包含光学组件(其可包含(举例而言)以下各项中之非任一者、一或多者：透镜、镜、光学滤波器、衰减器、光束操纵组件、光束整形组件)之某一组合且经组态以对输出光学脉冲1-122进行操作及/或将输出光学脉冲1-122自锁模雷射模块1-108递送至分析系统1-160。该分析系统可包含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)且产生表示所接收光学信号之一或多个电信号的复数个组件。在某些实施例中，分析系统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门阵列、一或多个微处理器、一或多个数字信号处理器、逻辑闸等)。分析系统1-160亦可包含经组态以经由一或多个数据通信链路将数据传输至外部装置且自外部装置接收数据之数据传输硬件。在某些实施例中，分析系统1-160可经组态以接纳生物光电子芯片1-140，生物光电子芯片1-140固持待分析之一或多个样本。
尽管光学脉冲1-122在图式中经绘示为具有单个横向光学模式，但在某些实施例中，来自锁模雷射模块1-108之光学输出可系多模态的(例如，具有较高阶横向模式)。在此等实施例中，横向输出光束分布型可由于雷射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(例如，藉由漫射光学器件)藉由光学系统1-115或在耦合至分析系统1-160时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分析系统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子芯片1-140之单独波导或波导数组中之若干波导。允许锁模雷射以多模态操作可达成来自锁模雷射之更高输出功率。
图1-1B绘示包含紧密的锁模雷射模块1-108之可携式分析仪器1-100之进一步详细实例。在某些实施方案中，该模块可安装至仪器底盘或仪器之框架1-102，且可位于仪器之外壳内侧。根据某些实施例，锁模雷射模块1-108可包含锁模雷射1-110及可用于操作锁模雷射且对来自锁模雷射之输出光束进行操作之额外组件。锁模雷射1-110可包括在雷射腔中或耦合至雷射腔之组件(例如，可饱和吸收器、声光调变器、克尔透镜)，该组件引发雷射之纵向频率模式之相位锁定。该雷射腔可部分地由腔端镜1-111、1-119界定。在某些实施方案中，锁模雷射1-110可(例如)由可饱和吸收器被动地锁模。频率模式之此锁定引起雷射之脉冲操作(例如，腔内脉冲1-120在腔端镜之间来回反弹)且自部分地传输光之一个端镜1-111产生输出光学脉冲1-122串流。
在某些情形中，分析仪器1-100可经组态以接纳可移除经封装生物光电子芯片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反应室之整合式光学组件及经配置以侦测来自反应室之荧光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。当芯片由仪器接纳时，其可与锁模雷射电通信且光学通信而且与分析系统1-160电通信且光学通信。
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)在电子电路板1-130(诸如可包含额外仪器电子器件之印刷电路板(PCB))上。举例而言，PCB 1-130可包含经组态以将电功率、一或多个频率信号及控制信号提供至生物光电子芯片1-140的电路，及经配置以接收表示自反应室侦测之荧光发射之信号的信号处理电路。在某些实施方案中，可由仪器部分地或完全地处理自生物光电子芯片传回之数据，尽管可经由网络连接将数据传输至一或多个远程数据处理器。PCB 1-130亦可包含经组态以自芯片接收与耦合至生物光电子芯片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回馈信号的电路。可将该等回馈信号提供至雷射模块1-108及光学系统1-115中之一者或两者以控制光学脉冲1-122之输出光束之一或多个参数。在某些情形中，PCB 1-130可将功率提供或路由至雷射模块1-108以用于操作雷射模块中之锁模雷射及电路。
根据某些实施例，锁模雷射1-110可包括增益介质1-105(在某些实施例中，其可系固态材料)、输出耦合器1-111及雷射腔端镜1-119。锁模雷射之光学腔可由输出耦合器1-111及端镜1-119限定。雷射腔之光学轴线1-125可具有一或多个折迭(转弯)以增加雷射腔之长度。在某些实施例中，雷射腔中可存在用于光束整形、波长选择及/或脉冲形成之额外光学组件(图1-1B中未展示)。在某些情形中，端镜1-119包括可饱和吸收镜(SAM)，该可饱和吸收镜引发纵向腔模式之被动模式锁定且引起雷射1-110之脉冲操作。雷射模块1-108可进一步包含用于激发增益介质之泵源(例如，雷射二极管，图1-1B中未展示)。
当雷射1-110经锁模时，腔内脉冲1-120可在端镜1-119与输出耦合器1-111之间循环，且腔内脉冲之一部分可作为输出脉冲1-122传输穿过输出耦合器1-111。因此，当腔内脉冲1-120在雷射腔中之输出耦合器1-111与端镜1-119之间来回反弹时，可在输出耦合器处侦测到如图1-2之图表中所绘示之输出脉冲1-122串。
图1-2绘示输出脉冲1-122之时间强度分布型。在某些实施例中，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。在某些情形中，该等脉冲可不具有对称时间分布型且可具有其他时间形状。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。根据锁模雷射之某些实施例，超短光学脉冲可具有小于100皮秒(ps)之FWHM值。在某些情形中，该等FWHM值可介于大致5ps与大致30ps之间。
输出脉冲1-122可分开规律间隔T。举例而言，T可由输出耦合器1-111与腔端镜1-119之间的往返行进时间判定。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(在雷射腔内之光学轴线1-125之大致长度)。在实施例中，脉冲分开间隔对应于雷射腔中之往返行进时间，使得3米之腔长度(6米之往返距离)提供大致20ns之脉冲分开间隔T。
根据某些实施例，所要脉冲分开间隔T及雷射腔长度可由芯片1-140上之反应室数目、荧光发射特性及用于自生物光电子芯片1-140读取数据之数据处置电路之速度的组合来判定。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特性寿命来区分。因此，需要存在足以收集可用以在其不同衰变速率之间进行区分之选定荧光团之充足统计数据的脉冲分开间隔T。另外，若脉冲分开间隔T太短，则数据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8,000,000个之间的反应室之数据。
根据某些实施方案，光束操纵模块1-150可自锁模雷射模块1-108接收输出脉冲且经组态以至少调整光学脉冲至生物光电子芯片1-140之光学耦合器上之位置及入射角(θi,φi)。在某些情形中，可由光束操纵模块对来自锁模雷射模块之输出脉冲进行操作以另外或另一选择系在生物光电子芯片1-140上之光学耦合器处改变光束形状及/或光束旋转。在某些实施方案中，光束操纵模块1-150可进一步提供输出脉冲光束至光学耦合器上之聚焦及/或偏振调整。在2016年5月20日提出申请之标题为“脉冲激光和生物分析系统”之美国专利申请案15/161,088中阐述光束操纵模块之一项实例，该美国专利申请案以引用方式并入本文中。在2016年12月16日提出申请且标题为“紧密的光束整形和操纵装置”之单独的第62,435,679号美国专利申请案中阐述光束操纵模块之另一实例，该美国专利申请案以引用方式并入本文中。
参考图1-3，来自锁模雷射模块之输出脉冲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，尽管在某些实施例中可使用耦合至生物光电子芯片上之一或多个光学波导之端。根据某些实施例，象限侦测器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(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可包含在反应室1-330下面之渐缩部分1-315以均衡沿着波导耦合至反应室之光学功率。减小锥度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操纵模块1-150之回馈电路(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之边缘以降低波导1-312中之光学能量在每一波导之输入端及输出端处之吸收性损耗。
在生物光电子芯片1-140上可存在复数个波导列、反应室及时间方格化光侦测器。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更少或更多反应室，且可包含其他布局组态。可经由一或多个星形耦合器或多模干扰耦合器或藉由位于至芯片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锁模雷射1-110之光学功率分布至多个波导。
图1-4图解说明自波导1-315内之光学脉冲1-122至反应室1-330之光学能量耦合。已依据考虑到波导尺寸、反应室尺寸、不同材料之光学性质及波导1-315距反应室1-330之距离的光学波之电磁场仿真产生图式。举例而言，该波导在二氧化硅之周围介质1-410中可由氮化硅形成。可藉由在2015年8月7日提出申请之标题为“用于探查、检测和分析分子的集成装置”之第14/821,688号美国申请案中所阐述之微制作程序形成波导、周围介质及反应室。根据某些实施例，渐消光学场1-420将由波导输送之光学能量耦合至反应室1-330。
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。可侦测该顺序并入以将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，自DNA导出之核酸之一部分)，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分散在反应室上面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1-315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侦测因由来自锁模雷射之脉冲激发(若干)荧光团而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并入核酸且达成生长DNA链之基因序列之判定时侦测及区分不同发射特性。
根据某些实施例，经组态以基于荧光发射特性分析样本之分析仪器1-100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pA(t)＝PAoe-t/τA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，且其寿命可由半生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τ2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pB(t)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生期值。
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分析仪器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取消。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以不同波长操作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分析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分析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分析系统获得之信息量及/或侦测准确度。举例而言，某些分析系统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t1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之统计数据发生荧光光子发射。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中指示之三个)中。当对大数目个发射事件求和时，在时间方格中所累积之载波可近似图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所处之不同环境。
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装置”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。出于阐释目的，在图1-9中绘示时间方格化光侦测器之非限制性实施例。单个时间方格化光侦测器1-900可包括全部形成于半导体基板上之光子吸收/载波产生区域1-902、载波行进区域1-906及复数个载波储存方格1-908a、1-908b、1-908c。该载波行进区域可藉由载波输送通道1-907连接至该复数个载波储存方格。展示仅三个载波储存方格，但可存在更多或更少载波储存方格。可存在连接至载波储存方格之读出通道1-910。可藉由区域地掺杂半导体及/或形成毗邻绝缘区域而形成光子吸收/载波产生区域1-902、载波行进区域1-906、载波储存方格1-908a、1-908b、1-908c及读出通道1-910以提供光侦测能力且拘限载波。时间方格化光侦测器1-900亦可包含形成于基板上之复数个电极1-920、1-922、1-932、1-934、1-936、1-940，该等电极经组态以在装置中产生用于将载波输送穿过装置之电场。
在操作中，荧光光子可在光子吸收/载波产生区域1-902处在不同时间经接收且产生载波。举例而言，大致在时间t1处，三个荧光光子可在光子吸收/载波产生区域1-902之耗尽区域中产生三个载波电子。装置中之电场(归因于至电极1-920及1-922以及视情况或另一选择系至电极1-932、1-934、1-936之掺杂及/或外部施加之偏压)可使载波移动至载波行进区域1-906。在载波行进区域中，行进距离转变为在激发荧光分子之后之时间。在稍后时间t5处，另一荧光光子可经接收在光子吸收/载波产生区域1-902中且产生额外载波。此时，前三个载波已行进至载波行进区域1-906中之毗邻于第二储存方格1-908b之位置。在稍后时间t7处，可在电极1-932、1-934、1-936与电极1-940之间施加电偏压以将载波自载波行进区域1-906侧向输送至储存方格。可然后将前三个载波输送至第一方格1-908a且保持在第一方格1-908a中，而且可将稍后产生之载波输送至第三方格1-908c且保持在第三方格1-908c中。在某些实施方案中，对应于每一储存方格之时间间隔处于亚奈秒时间尺度，尽管可在某些实施例中(例如，在其中荧光团具有更长衰变时间之实施例中)使用更长时间尺度。
在光侦测器1-900之单个电荷累积循环期间，在激发事件(例如，来自脉冲光学源之激发脉冲)之后产生且时间方格化载波之程序可在单个激发脉冲之后发生一次或在多个激发脉冲之后重复多次。在完成电荷累积之后，可经由读出通道1-910自储存方格读出载波。举例而言，适当偏压序列可施加至至少电极1-940及下游电极(未展示)以将载波自储存方格1-908a、1-908b、1-908c移除。
在若干个激发事件之后，可读出每一电子储存方格中之所累积信号以提供具有表示荧光发射衰变速率之对应方格之直方图(举例而言)。在图1-10A及图1-10B中图解说明此程序。该直方图之方格可指示在激发反应室中之(若干)荧光团之后在每一时间间隔期间所侦测到之光子数目。在某些实施例中，将在大量激发脉冲之后累积针对该等方格之信号，如图1-10A中所绘示。该等激发脉冲可发生在分开脉冲间隔时间T之时间te1、te2、te3、…teN处。可存在在信号累积于电子储存方格中期间施加至反应室之介于105个与107个之间的激发脉冲。在某些实施例中，一个方格(方格0)可经组态以侦测随每一光学脉冲递送之激发能量之振幅，且用作参考信号(例如，以将数据正规化)。
在某些实施方案中，可在激发事件之后自荧光团发射平均仅单个光子，如图1-10A中所绘示。在时间te1处之第一激发事件之后，时间tf1处之所发射光子可出现在第一时间间隔内，使得所得电子信号累积在第一电子储存方格中(贡献于方格1)。在时间te2处之随后激发事件中，时间tf2处之所发射光子可出现在第二时间间隔内，使得所得电子信号贡献于方格2。
在大量激发事件及信号累积之后，可读出时间方格化光侦测器1-322之电子储存方格以针对反应室提供多值信号(例如，两个或两个以上值之直方图、N维向量等)。每一方格之信号值可取决于荧光团之衰变速率。举例而言且再次参考图1-8，具有衰变曲线B之荧光团将具有比具有衰变曲线A之荧光团高的方格1中之信号与方格2中之信号之比率。可分析来自该等方格之值且将该等值与校准值及/或彼此进行比较，以判定特定荧光团，此又识别在处于反应室中时链接至荧光团之核苷酸或核苷酸类似物(或所关注之任何其他分子或试样)。
为进一步辅助理解信号分析，所累积多方格值可经标绘为直方图，如图1-10B中所绘示(举例而言)，或可经记录为N维空间中之向量或位置。可单独执行校准运行以获取链接至四个核苷酸或核苷酸类似物之四个不同荧光团之多值信号(例如，校准直方图)之校准值。作为实例，可如图1-11A(与T核苷酸相关联之荧光标记)、图1-11B(与A核苷酸相关联之荧光标记)、图1-11C(与C核苷酸相关联之荧光标记)及图1-11D(与G核苷酸相关联之荧光标记)中所绘示而出现校准直方图。所量测多值信号(对应于图1-10B之直方图)与校准多值信号之比较可判定并入至生长DNA链中之核苷酸或核苷酸类似物之身份“T”(图1-11A)。
在某些实施方案中，另外或另一选择系，可使用荧光强度来区分不同荧光团。举例而言，某些荧光团可以显著不同强度发射或具有其激发机率之显著差异(例如，至少大约35％之差异)，即使其衰变速率可为类似的。藉由使经方格化信号(方格1至3)以所量测激发能量方格0作为参考，基于强度位准而区分不同荧光团可系可能的。
在某些实施例中，同一类型之不同数目个荧光团可链接至不同核苷酸或核苷酸类似物，使得可基于荧光团强度而识别核苷酸。举例而言，两个荧光团可链接至第一核苷酸(例如，“C”)或核苷酸类似物且四个或四个以上荧光团可链接至第二核苷酸(例如，“T”)或核苷酸类似物。由于不同数目个荧光团，因此可存在与不同核苷酸相关联之不同激发及荧光团发射机率。举例而言，在信号累积间隔期间针对“T”核苷酸或核苷酸类似物可存在更多发射事件，使得方格之表观强度显著高于“C”核苷酸或核苷酸类似物之表观强度。
发明人已认识到且了解到，基于荧光团衰变速率及/或荧光团强度而区分核苷酸或任何其他生物或化学试样达成分析仪器1-100中之光学激发及侦测系统之简化。举例而言，可用单波长源(例如，产生一个特性波长之源而非多个源或以多个不同特性波长操作之源)执行光学激发。另外，在侦测系统中可不需要波长区别光学器件及滤波器。而且，可针对每一反应室使用单个光侦测器以侦测来自不同荧光团之发射。
词组“特性波长”或“波长”用于系指在辐射之有限带宽内之中央或主要波长(例如，在由脉冲光学源输出之20nm带宽内之中央或峰值波长)。在某些情形中，“特性波长”或“波长”可用于系指在由源输出之辐射之总带宽内之峰值波长。
发明人已认识到且了解到，具有在介于大约560nm与大约900nm之间的范围中之发射波长的荧光团可提供充足量之荧光以由时间方格化光侦测器(其可使用CMOS程序在硅晶圆上制作)检测。此等荧光团可链接至所关注之生物分子，诸如核苷酸或核苷酸类似物。可在基于硅之光侦测器中以比处于较长波长之荧光高之响应率侦测在此波长范围中之荧光发射。另外，在此波长范围中之荧光团及相关联连接体可不干扰核苷酸或核苷酸类似物至生长DNA链中之并入。发明人亦已认识到且了解到，可用单波长源光学激发具有在介于大约560nm与大约660nm之间的范围中之发射波长之荧光团。在此范围中之实例性荧光团系自马萨诸塞州沃尔瑟姆之赛默飞世尔科技公司购得之Alexa Fluor 647。发明人亦已认识到且了解到，可需要处于较短波长(例如，介于大约500nm与大约650nm之间)之激发能量来激发以介于大约560nm与大约900nm之间的波长发射之荧光团。在某些实施例中，时间方格化光侦测器可(例如)藉由将其他材料(诸如Ge)并入至光侦测器主动区域中而高效地侦测来自样本之较长波长发射。
尽管使用发射单个特性波长之激发源将DNA定序之预期可简化光学系统之某些部分，但其可对激发源提出技术上具挑战性之要求，如上文所述。举例而言，发明人已认识到且了解到，来自激发源之光学脉冲应针对上文所阐述之侦测方案快速地熄灭，使得激发能量不淹没或干扰随后所侦测之荧光信号。在某些实施例中且再次参考图1-5，在波导1-315与时间方格化光侦测器1-322之间可不存在波长滤波器。为避免激发能量干扰随后信号收集，激发脉冲可需要在距激发脉冲之峰值大约100ps内在强度上减少至少50dB。在某些实施方案中，激发脉冲可需要在距激发脉冲之峰值大约100ps内在强度上减少至少80dB。发明人已认识到且了解到，锁模雷射可提供此等迅速关断特性。然而，锁模雷射可难以在稳定锁模状态中操作延长时间周期。而且，由于脉冲重复速率出于数据采集目的而可需要低于100MHz，因此锁模雷射腔之长度可变得非常长。此等长长度与可并入至可携式台式仪器中之紧密光学源背道而驰。另外，锁模雷射必须为在低于660nm之波长下激发荧光团而提供每脉冲充足能量(或高平均功率)，使得可用针对数千个或甚至数百万个反应室之整合式光电二极管并行侦测荧光。发明人已进一步认识到且了解到，锁模雷射之光束质量应系高的(例如，M2值小于1.5)，使得可达成至生物光电子芯片1-140之光学耦合器及波导(举例而言)之高效耦合。当前，在可并入至可携式台式仪器中且保持稳定达延长时间周期之紧凑模块(例如，占据小于0.1ft3之体积)中不存在以介于50MHz与200MHz之间的重复速率、以介于500nm与650nm之间的波长、以介于250mW与1W之间的平均功率提供脉冲的可商购之锁模雷射系统。
III.紧密的锁模雷射模块
发明人已设想出且构建了紧密的锁模雷射模块1-108(例如，如图1-1A及图1-1B中示意性地绘示)，紧密的锁模雷射模块1-108就平均功率、紧密度、光束质量、脉冲重复速率、激发波长及光学脉冲之关断速度而言达成上文所阐述之效能规格。在概观中且参考图2-1，根据某些实施例，紧密的锁模雷射模块1-108之主要组件可包含：雷射腔(其包含在可用作雷射腔之第一端镜之输出耦合器1-111与可用作雷射腔之第二端镜之可饱和吸收镜(SAM)1-119之间的光学组件)；经成型基底底盘2-105，其上安装有锁模雷射1-110之组件中之某些或所有组件；至少一个腔内光学组件2-128，其可使锁模雷射之操作稳定化；倍频组件2-170、2-164、2-160，其可参与将来自雷射之输出转换为较短波长；及电组件2-190、2-154、2-182、2-116，其监视雷射之操作参数且产生与雷射所产生之光学脉冲同步之电子频率信号。泵模块2-140可安装至基底底盘2-105且用于激发锁模雷射之增益介质1-105。
基底底盘及雷射腔
根据某些实施例，紧密的锁模雷射模块1-108之基底底盘2-105之长度L可量测为介于大约20cm与大约30cm之间，其高度H可量测为介于10cm与大约20cm之间，且具有介于大约10mm与大约30mm之间的厚度。在某些情形中，尺寸中之一或多者可大出高达20％。根据某些实施例，由紧密的锁模雷射模块1-108占据之体积可系大约30cm×18cm×3cm或大致0.07ft3。根据某些实施方案，锁模雷射模块1-108之总体形状或形态因素系板条，该板条具有比高度H长之长度L及比长度或高度小得多之厚度、占据小于0.1立方英尺之体积且重量小于2千克或具有大致2千克之重量。在某些情形中，模块1-108之重量介于1千克与2千克之间。
在某些实施例中，基底底盘2-105可由铝、钛、铝合金或钛合金形成。在其他实施例中，可使用其他材料。在某些实施方案中，基底底盘2-105可包含经机械加工或以其他方式成型(例如，藉由铸造或组装)至基底底盘中之复数个腔2-102。在某些实施例中，12.5mm直径光学组件(或更小)可用于构造锁模雷射1-110且部分地或完全地凹陷至基底底盘2-105之腔2-102中，使得盖(未展示)可放置在腔2-102上方以保护腔内之组件免受外部环境因素及污染物影响。在某些实施例中，盖可放置在腔2-102上方以密封性地密封该等腔中之一或多者。
在腔2-102之间，可存在形成于基底底盘2-105中之肋2-107。在该等肋中之某些肋中，可存在允许腔内激光束穿过该等肋到达毗邻腔之孔或开口(不可见)。根据某些实施例，可存在相对于基底底盘2-105之边缘以一角度伸展之一或多个对角肋2-107。举例而言，对角肋2-107可跨越基底底盘2-105在角对角方向上伸展。发明人已发现，与不具有对角肋相比较，此对角肋2-107可使基底底盘2-105之抗扭劲度增加三倍。经增加抗扭劲度可帮助阻止雷射操作之不稳定性且改良模块对作用于基底底盘2-105之扰动力之抵抗。在某些情形中，肋之至少若干部分可自腔之底部延伸至基底底盘2-105之顶部表面，使得雷射模块1-108之一或多个盖(未展示)可附接至该等肋。就此而言，可使用任何适合盖，包含但不限于坚硬金属盖(例如，具有大于大致1mm之厚度之金属)、坚硬聚合物盖(例如，具有大于大致2mm之厚度之聚合物)或可密封至基底底盘2-105或藉助支撑件(例如，金属框架)抵靠基底底盘2-105经固持之挠性材料(金属或聚合物)。在某些情形中，覆盖材料包括藉助金属框架(大致1.5mm厚)抵靠基底底盘经固持之
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(大致0.25mm厚)。
在某些实施方案中，一或多个安装特征2-103可位于一或多个肋2-107处。安装特征2-103可用于将紧密的雷射模块1-108安装至仪器或其他平台。在某些情形中，该等安装特征提供运动安装，使得每一雷射模块1-108或相同雷射模块可重复地安装在几乎相同位置中且对准(例如，在±100微米内)。安装特征2-103可包括渐缩或空隙之孔。该等孔可系埋头的或柱坑的。对于运动安装，可存在三个安装特征2-103，该三个安装特征之底部表面(图2-1中未展示)包括第一安装特征之圆锥形接触表面或环形触点、第二安装特征之楔形接触表面或两点接触表面及第三安装特征之平坦表面或单点触点。另一选择系，安装特征2-103处之两个埋头孔可用于将基底底盘2-105对准至接纳支撑结构。
雷射模块1-108之锁模雷射1-110可包括在雷射之腔之输出端处之输出耦合器1-111、增益介质1-105及在雷射腔之相对端处之可饱和吸收镜(SAM)1-119。雷射腔内可存在多个镜2-115、2-117、2-120、2-121、2-122、2-123、2-124、2-125以折迭雷射之光学轴线1-125且延长雷射腔之长度以达成所要脉冲重复速率或脉冲分开间隔T。雷射腔内亦可存在光束整形光学器件(例如透镜及/或曲面镜)以变更腔内激光束之大小及/或形状。
现在将阐述以1064nm之雷射波长操作之锁模雷射之实例性光学组件。将了解，本发明之实施例不仅限于所阐述光学组件。在某些实施方案中可使用更少或更多光学组件(例如，添加或移除若干镜以改变脉冲重复速率)，且组件上之光学涂层针对以不同波长发出雷射之雷射可系不同的。
增益介质1-105可包括安装在导热座架(例如，铝或铜块或其他导热材料)中之钕掺杂材料，该导热座架将热耗散至基底底盘2-105中。发明人已认识到，当锁模雷射以高平均功率(例如，高于300mW)操作时，发生增益介质1-105中之热透镜化效应。在某些情形中，此热透镜化可使雷射之操作不稳定。为改良自增益介质至导热座架之热传递，增益介质1-105可经包裹在改良至导热座架之热传递之铟箔或任何其他适合材料中。在某些情形中，银环氧树脂或任何其他适合导热黏合剂可用于将增益晶体固定至热座架。在某些情形中，增益介质1-105及导热座架可安装在热电冷却器(TEC)上，该热电冷却器可将热散至基底底盘2-105中。该TEC或诸如液体冷却之其他主动冷却技术可提供对增益介质1-105之主动温度控制且减少热透镜化效应。
出人意料地，发明人发现，雷射腔组态(针对其之分析模型化展示不稳定共振器)可在实验室中稳定地发出雷射。为阐释雷射，必须改变模型以在增益介质中包含大于大约1屈亮度之热透镜化量。根据某些实施例，可获得其中可容忍大量热透镜化之雷射腔组态。因此，可自锁模雷射模块1-108移除增益介质之主动冷却。在实施例中，增益介质1-105可安置在接触基底底盘之导热座架中以便被动地将热自增益介质1-105传导至基底底盘2-105。
增益介质1-105之主动冷却之取消可降低雷射之成本及复杂度。发明人已观察到，针对本发明实施例之锁模雷射1-110不需要使用对增益介质之主动温度控制，即使在使用高达10瓦之光学泵激功率来泵激增益介质时。出人意料地，锁模雷射1-110在此泵功率范围内保持稳定地锁模，即使相关联热透镜化效应(正透镜化)可在该泵功率范围内将增益介质之热引发焦距自0屈亮度改变至大致15屈亮度。对于超过15屈亮度之热透镜化，雷射腔可成为可不支持锁模操作亦不支持连续波操作之不稳定共振器。增益介质中之在此大热透镜化范围内之锁模稳定性部分地归因于锁模雷射1-110之光学组件之选择及配置。根据一项实施例，锁模操作之稳定性及经改良效能关键取决于使一定量之热透镜化发生在增益介质中。在实施例中，可针对介于正透镜化效应之1屈亮度与15屈亮度之间的热透镜化量获得锁模雷射1-110之稳定锁模操作。即使热透镜化可在此范围内变化，亦不需要对雷射腔进行机械调整来维持稳定锁模。可在增益介质1-105中之热透镜化量介于正热透镜化之8屈亮度与12屈亮度之间时获得锁模雷射之经改良效能。对于连续波操作，可存在介于0屈亮度与至少15屈亮度之间的正热透镜化。可藉由使连续波雷射探测光束(例如，来自氦氖雷射或雷射二极管)穿过增益介质1-105(例如，以一角度)且量测在距增益介质某一距离处之探测光束在“泵束接通”状态与“泵束关断”状态之间的相对位移而量测热透镜化量(大于大致4屈亮度)。泵束接通状态系当雷射二极管泵束接通且激发雷射1-110之锁模雷射之增益介质1-105时。低于4屈亮度之值可难以准确地量测到，此乃因相对位移变小。
在增益介质1-105中对光学泵束之吸收可导致增益介质中之热透镜化。在实施例中，可藉由改变施加至增益介质1-105之光学泵束中之功率量(例如，改变来自泵模块2-140之功率量)而改变增益介质中之热透镜化量。另外或另一选择系，可藉由调谐用于激发增益介质1-105之光学泵束之光学波长而改变增益介质中之热透镜化量。可(举例而言)藉由调谐泵模块2-140中之雷射二极管之温度而执行对光学泵束之波长之调谐。调谐泵束之波长可改变增益介质1-105中之光学泵束之吸收量。
在某些实施方案中，增益介质1-105可包括钒酸钕(例如，Nd3+:YVO4)，该钒酸钕可提供以1064nm发出雷射。在其他实施例中，可使用诸如但不限于Nd:YAG、Nd:YLF及Cr:镁橄榄石之其他固态晶体。在某些实施方案中，另一选择系或另外，可使用钒酸钕增益介质1-105来提供以1342nm发出雷射，条件系腔中之光学组件经设计且经涂布以用于以此波长发出雷射。在某些情形中，该增益介质可具有介于3mm与11mm之间的长度。在某些实施例中，增益介质之长度可介于5mm与9mm之间。在某些情形中，钕掺杂剂位准(原子％)可介于0.10％与1％之间。在某些实施方案中，掺杂剂位准可介于0.10％与0.50％之间。在某些实施方案中，掺杂剂位准可介于0.24％与0.30％之间。根据某些实施例，晶体长度可系大致7mm且掺杂剂位准可系大致0.27％。发明人已发现，针对大致7mm之长度明显地高于0.3％之掺杂位准(原子％)可使雷射以较高操作功率进行操作不稳定(例如，在较高阶空间模式中引发雷射，或使锁模不稳定或终止锁模)，此可不合意地需要重新调整腔内组件。举例而言，在具有1％掺杂之情况下，锁模高于特定泵功率位准而终止且腔内光学组件必须重新经调整以重新获得锁模。增益介质1-105之(一或若干)横向尺寸可系任何适合值(例如，介于1mm与4mm之间)。该增益介质可呈圆柱形棒、矩形杆或任何其他形状之形式。
根据某些实施例，增益介质1-105之端小面可针对雷射波长λl
(其针对钒酸钕可系大约1064nm)且针对泵波长λp(其针对钒酸钕可系大约808nm)经抗反射涂布。在某些实施例中，增益介质之一个端小面可涂布有输出耦合器涂层，使得端小面用作雷射腔之端镜且不需要使用单独输出耦合器1-111。
增益介质1-105可以一定向安装在不可调整座架中(不提供精细角度或位置调整之座架)，其中增益介质之端小面具有相对于雷射腔之光学轴线1-125以介于大约1度与大约3度之间的角度而定向之法向向量。举例而言，增益介质之导热座架可包含其中放置有增益介质1-105之凹部。该凹部可将增益介质对准至导热座架。导热座架可然后对齐至基底底盘2-105上之特征(例如，经机械加工表面、销、螺丝孔中之任一者或组合)从而将增益介质以一角度对准至雷射腔之光学轴线1-125。根据某些实施方案，增益介质1-105可经切割且定向在其座架中，使得其与意欲用于雷射之有利偏振对准。举例而言，在图2-1中，增益介质1-105可经定向而以平行于Y轴之线性偏振发出雷射。
根据某些实施例，在图3-1A中绘示用于增益介质之导热座架3-100之实例。针对具有正方形剖面之增益介质设计所绘示座架3-100，但可针对诸如矩形、圆形、椭圆形或多边形之其他剖面设计座架3-100。根据某些实施例，用于增益介质之导热座架3-100可包括经组态而以夹紧配置结合在一起之第一部分3-120及第二部分3-122。举例而言，第一部分3-120及第二部分3-122可含有用于螺丝(未展示)之通孔3-140，该等螺丝允许该两个部分扣接至基底底盘2-105且与基底底盘2-105热接触地经放置。放置在通孔3-140中之螺丝可将座架3-100对准至基底底盘2-105且夹紧增益介质1-105。第一部分3-120及第二部分3-122可由诸如铜或铝之高导热材料形成，尽管在其他实施例中可使用其他材料。该第一部分及该第二部分可具有经配置而与增益介质1-105热接触地经放置之内部面3-115。根据某些实施例，可存在位于座架之若干区域处之沟渠或开口3-130，增益介质1-105之隅角可位于该等区域中(例如，当增益介质1-105安装在安装结构3-100中时)。该等沟渠或开口可在增益介质1-105之隅角位置之任一侧上延伸介于大约0.5mm与大约3mm之间。发明人已发现，在用于增益介质1-105之座架3-100中之隅角处之开口可缓解热及机械应力，该热及机械应力可以其他方式使增益介质1-105破裂及/或不利地影响雷射之光学模式分布型。
在图3-1B中绘示用于增益介质1-105之导热座架3-101之另一实例。座架3-101可包含第一部分3-121及第二部分3-123。第一部分3-121可包含经机械加工至第一部分中之凹部3-131，凹部3-131与增益介质1-105(未展示)相比较系稍微过大的。在某些实施方案中，增益介质(例如，钒酸铝晶体)可藉助导热黏合剂或凝胶黏合至凹部3-131中、黏合至凹部之内部表面3-116。过大凹部3-131可容纳黏合剂或凝胶薄层(例如，小于400微米厚)，该黏合剂或凝胶薄层可避免来自座架3-101之将作用于增益介质1-105之机械应力。该增益介质亦可在固定于雷射腔中时黏合至第二部分3-123之表面。在某些实施例中，第二部分3-123可形成于基底底盘2-105(例如，经机械加工至基底底盘2-105中之平台或其他支撑结构)中。第一部分3-121可藉助螺丝(举例而言)连接至第二部分3-123。
根据某些实施例，紧密锁模雷射之输出耦合器1-111可系具有10-5(划痕及麻点)之表面质量及至多λ/10之波前误差之高质量雷射光学器件。输出耦合器1-111之一个表面可涂布有多层介电质以提供针对雷射波长λl具有介于大约75％与大约95％之间的值之反射率且允许(以最小反射比)用于激发增益介质1-105之泵波长λp之传输。在某些实施例中，雷射波长可系大约1064nm且泵波长可系大约808nm，尽管在其他实施例中可使用其他波长。在某些实施方案中，输出耦合器在雷射波长下之反射率介于82％与88％之间。发明人已发现，在此反射率范围内之输出耦合器藉助雷射之稳定操作提供所要输出功率量且在雷射之操作范围内在可饱和吸收镜1-119上提供适当量之通量。
输出耦合器1-111(朝向雷射输出)之第二表面可涂布有针对泵波长及雷射波长两者之抗反射涂层，且可以相对于输出耦合器之反射表面之角度(例如，介于大约1度与大约4度之间)定向。发明人已发现，来自输出耦合器1-111之输出(传输)表面之雷射波长之小量反射可明显地且不利地加宽来自锁模雷射之脉冲。根据某些实施例，输出耦合器上之涂层系二向分光的，以便在具有不可忽视之反射之情况下传输泵波长λp。
根据某些实施例，输出耦合器1-111可安装在双轴可调整座架中，该双轴可调整座架围绕两个正交轴(例如，围绕图2-1中之Y轴及X轴)提供相对于光学轴线1-125之角度调整。在某些实施例中，输出耦合器1-111可安装在可整合至基底底盘2-105中之不可调整座架中。不可调整座架降低紧密雷射之成本及复杂度。在又其他实施例中，输出耦合器1-111可形成为在增益介质1-105之端面上之多层光学涂层而非包括透明基板及一或多个光学涂层之单独光学组件。
在图3-2A及图3-2B中绘示用于输出耦合器或其他光学组件之整合式不可调整座架之一个实例。该整合式座架可使光学组件自对准至雷射之光学轴线1-125。如图3-2A中所展示之整合式光学座架3-210可包括经机械加工或以其他方式成型至锁模雷射1-110之基底底盘2-105中之轴向沟渠3-220。轴向沟渠3-220可在平行于锁模雷射腔之光学轴线之方向上延伸。整合式光学座架3-210可进一步包括大致横向于轴向沟渠3-220形成之共面表面3-230。该等共面表面可藉由在大致正交于轴向沟渠3-220之方向上机械加工或铣削短沟渠而形成。在某些情形中，共面表面3-230可以小角度定向，使得自所安装光学器件之背向反射将自雷射腔之光学轴线位移。在轴向沟渠3-220之基底处，可存在斜坡表面3-240(图3-2A中仅可见一个)。斜坡表面3-240可经机械加工、铣削或以其它方式形成在轴向沟渠之基底附近且位于轴向沟渠3-220之相对侧上。斜坡表面3-240可在朝向共面表面3-230之方向上倾斜，且提供对安装于其上之光学器件之支撑。
举例而言，锁模雷射之光学组件(光学器件)3-250可由整合式光学座架3-210支撑，如图3-2B中所绘示。举例而言，光学器件3-250可包括腔镜、雷射腔内之透镜或增益介质1-105。在某些情形中，光学器件3-250可自身安装在整合式光学座架3-210中，如图式中所绘示。在其他实施例中，光学器件可安装在支撑夹具(例如，环状板、可调整座架)内，该支撑夹具可放置在整合式光学座架3-210中。
根据某些实施例，光学组件3-250或支撑夹具可包含对齐至整合式光学座架3-210之共面表面3-230且抵靠共面表面3-230搁置之平坦表面。该光学器件或夹具可藉由柔性保持装置(例如，安装在可扣接至基底底盘之杆上之O形环3-260、柔性塑料杆或臂等)保持在整合式座架中。该柔性保持装置可接触光学器件3-250或支撑夹具之顶部边缘，且可在朝向倾斜表面3-240及共面表面3-230之方向上对该光学器件或夹具施加力。光学器件3-250或支撑夹具之下部边缘可接触倾斜表面3-240上之点。倾斜表面3-240亦可提供对抗具有部分地指向共面表面3-230之组件之光学器件或夹具的力。倾斜表面3-240处之接触点及指向共面表面3-230之力可使光学器件或夹具自对准至雷射腔内之所要定向及位置。在某些实施方案中，光学器件或支撑夹具可以经对准定向接合在整合式光学座架中(例如，藉助黏合剂)。
根据某些实施例，一或多个整合式光学座架3-210可形成于锁模雷射1-110之基底底盘中。在某些情形中，轴向沟渠3-220可延伸穿过数个整合式光学座架，如图3-2A中所绘示。锁模雷射之光学轴线之降低在整合式光学座架之有利特征当中。此可减少可以其他方式耦合至自基底底盘之表面延伸之光学座架中且由该等光学座架放大的机械振动效应，且可减少可以其他方式由自基底底盘之表面延伸之光学座架之运动放大的热膨胀效应(例如，基底底盘2-105之稍微翘曲)。
再次参考图2-1，发明人已发现，改变输出耦合器1-111与增益介质1-105之间的距离可改变锁模脉冲时间分布型(亦称为脉冲持续时间)之FWHM值。可在输出耦合器1-111与增益介质1-105之间的距离在0mm与10mm之间变化之情况下达成雷射之锁模，且可在此距离范围内藉由选择不同距离以获得不同脉冲持续时间而使脉冲持续时间在大致9皮秒与大致38皮秒之间变化。根据某些实施例，输出耦合器1-111与增益介质1-105之间的距离设定在4mm与8mm之间。
发明人亦已发现，当雷射之在输出耦合器1-111处之腔内光束腰宽介于100微米与180微米之间时达成在平均雷射功率范围内之稳定且高效操作。输出耦合器1-111处之光束腰宽之值部分地由腔内光学器件(诸如曲面镜2-117)、由输出耦合器至曲面镜之距离且由增益介质1-105中之泵束腰宽来判定。根据某些实施例，增益介质中之雷射波长之光束腰宽可显著地小于增益介质1-105中之泵束腰宽。举例而言，增益介质中之雷射波长之光束腰宽在增益介质中可介于100微米与150微米之间，且泵束之最小腰宽可介于180微米与250微米之间，其中泵束围绕其光学轴线可不完全对称。在输出耦合器1-111处且在增益介质1-105中之光束腰宽之值亦可受第二曲面镜2-127之焦距及其至可饱和吸收镜1-119之距离影响。针对锁模雷射1-110之激光束具有比雷射二极管泵束小之光束腰宽可改良锁模雷射操作之稳定性(例如，使雷射不太受归因于激光束及雷射二极管泵束在增益介质1-105中之相对运动的功率及锁模波动影响)。术语“光束腰宽”(w)用于系指激光束强度在光束之相对侧上自峰值降至1/e2值之空间幅度。圆形光束可由单个光束腰宽表征。椭圆形光束可由两个光束腰宽表征：一个光束腰宽系针对光束之短轴且一个光束腰宽系针对光束之长轴。
在雷射腔之相对端处，安装有可饱和吸收镜(SAM)1-119。参考图3-3，SAM可包括展现非线性光学吸收之多层半导体结构3-312(例如，多量子井)及形成于基板3-305上之高反射器3-330。该非线性光学吸收可引发雷射中之被动锁模。举例而言，SAM可在低光学强度下展现较高吸收及损耗，且可在高光学强度下消除或展现小吸收及较少损耗。半导体结构3-312可与SAM中之高反射器3-330间隔开，使得半导体结构大致位于由光学场形成之入射于高反射器3-330上且自高反射器3-330反射之光学驻波之峰值强度处。SAM之实例系可自德国耶拿之BATOP Optoelectronics GmbH购得之零件编号SAM-1064-5-10ps-x。由于SAM之非线性光学吸收，因此雷射较佳地在脉冲操作模式中操作(被动地锁模)，此乃因光学脉冲之高强度在腔中经历比雷射之较低强度连续波操作少之损耗。
在某些实施方案中，SAM 1-119可安装在旋转及/或横向定位座架上，使得SAM之表面可在横向于光学轴线1-125(图式中之Z轴)之方向上移动。倘若SAM受损坏，则可使SAM移动及/或旋转使得将腔内光束聚焦至SAM之未受损坏区域上。在某些情形中，SAM 1-119可安装在提供角度调整(例如)以辅助雷射腔之对准之座架上。
在其他实施例中，SAM可安装在不可调整座架2-119上。该不可调整座架可包含将热自SAM耗散至基底底盘2-105之热导体(诸如铝或铜)(图式中未展示)。在某些实施例中，SAM座架2-119可包括铝板或铜板或任何适合导热材料板，该SAM藉助导热黏合剂黏合至该铝板或铜板或任何适合导热材料板。在某些实施方案中，SAM可黏合至在印刷电路板之件上之铜箔，该铜箔用作SAM座架2-119。该SAM座架可藉助一或多个螺丝附接至基底底盘中之经机械加工表面或夹具(其附接至基底底盘)之表面，该等螺丝允许该SAM座架粗略地对准至雷射之光学轴线1-125。举例而言，该SAM座架可在固定至基底底盘时用手在X及Y方向上经粗糙地定位，而不以其他方式提供SAM之表面相对于锁模雷射之入射于SAM上之腔内光束之光学轴线的精细角度调整(例如，以两个自由度)。雷射腔中之其他光学组件可用于调整光学轴线在SAM上之入射角及位置。藉由将SAM 1-119安装在固定座架上，可取消与多轴/多角度调整座架相关联之成本及复杂度。
根据某些实施例，SAM可由砷化镓半导体组合物形成。SAM可自较大基板或晶圆切割而成，且可系正方形形状，其中跨越SAM之面之最大尺寸介于1mm与3mm之间。SAM之吸收之松弛时间可介于10ps与30ps之间。SAM之非饱和吸收可介于2％与6％之间。SAM之调变深度可介于SAM之非饱和吸收之60％与74％之间。在某些实施方案中，松弛时间系大致25ps且非饱和吸收系大致4％。此SAM 1-119可支持具有介于12ps与20ps之间的脉冲持续时间之锁模雷射。在某些实施例中，SAM之饱和通量可系大约70微焦耳/cm2(μJ/cm2)。
发明人已认识到且了解到，SAM上之来自腔内激光束之光学通量针对砷化镓SAM之持久操作应保持低于2.5微焦耳/cm2(mJ/cm2)。在等于5mJ/cm2或更高之值下，SAM可损坏。在某些实施方案中，SAM上之通量可保持低于SAM之饱和通量之大约10倍。SAM上之通量可藉由控制SAM处之光束腰宽(例如，用位于雷射腔中之曲面镜2-127)且藉由用输出耦合器1-111之反射率之选择控制腔内功率来控制。根据某些实施例，当输出耦合器反射率介于82％与88％之间时SAM处之光束腰宽介于80微米与120微米之间。
在输出耦合器1-111与SAM 1-119之间可存在将雷射腔之光学轴线折迭多次之复数个镜。此等镜(例如，参考图2-1之镜2-115、2-120、2-121、2-122、2-123、2-124、2-125)中之某些镜可具有平坦表面且安装在不可调整座架中。根据某些实施例，镜2-117、2-127两者可具有弯曲表面且包括聚焦反射器。在某些情形中，另一类型之聚焦光学器件(例如，透镜或复合透镜)可替代聚焦反射器而用于镜2-117、2-127(例如，若腔内光束不在镜2-117或镜2-127之位置处经折迭)。对于用于折迭雷射之光学轴线之平坦镜及曲面镜，镜之反射率在将针对其使用镜之入射角处对于雷射波长可系非常高的。举例而言，此镜之反射率在某些情形中可大于99％，且在某些情形中又大于99.5％。折迭镜中之一或多者之表面质量可系至少10-5(划痕及麻点)且波前误差可系至多λ/10。在某些情形中，折迭镜中之一或多者之表面质量可系至少40-20(划痕及麻点)且波前误差可系至多λ/10。划痕-麻点表面质量之较高值可显著降低折迭镜之成本。
在某些实施方案中，镜中之至少一者(例如，镜2-124)可针对自增益介质1-105至SAM 1-119之单次渡越而使腔内光束折迭多次。针对图2-1中所展示之实例性组态，自增益介质1-105行进至SAM 1-119之光学脉冲1-120之反弹序列系自镜2-115、2-117、2-120、2-121、2-122、2-123、2-124、2-125、2-124、2-127、2-124且然后至SAM 1-119之反射序列。在此序列中，腔内镜2-124中之一者用于多次反射且在光束自雷射腔之一端行进至另一端时在此镜上针对至少两次反射颠倒入射角之正负号。举例而言且参考图2-1，当光束自输出耦合器1-111行进至SAM 1-119时镜2-124上之第一入射角在+Z方向上且第二入射角在–Z方向上。在自SAM 1-119反射之后，脉冲然后将在反向反弹序列中返回至增益介质。藉由在紧密雷射模块内具有光学轴线之多次折迭，腔长度可延长以获得低于200MHz且低至50MHz之脉冲重复速率。该脉冲重复速率将取决于雷射腔之长度，该长度部分地由在腔中之镜之间的反弹次数及该等镜之间的距离判定。根据某些实施例，该脉冲重复速率可藉由重新定位镜且在腔内在第一曲面镜2-117与第二曲面镜2-127之间添加或移除镜以增加或减小输出耦合器1-111与可饱和吸收镜1-119之间的光学路径长度而改变。由于腔内光束在第一曲面镜2-117与第二曲面镜2-127之间大致经准直，因此可比光束未在此区域中经准直之情况更容易地进行对脉冲重复速率之改变。在某些实施方案中，额外整合式光学座架可形成于基底底盘中以用于重新定位镜以获得不同脉冲重复速率。
如上所述，发明人已认识到且了解到，低于200MHz且低至50MHz之脉冲重复速率对于在生物光电子芯片上对样本之大量并行分析系合意的。然而，使用多个镜(其中多次使用某些镜)需要镜相对于彼此之非常高程度之稳定性以在数小时之周期内维持稳定锁模雷射。镜抵靠基底底盘2-105(包含加强肋)中之支撑表面之整合式安装可达成镜之必要稳定性及稳定锁模操作。
在图3-4中展示折迭镜之不可调整座架3-400之实例。根据某些实施例，该座架可经机械加工或以其他方式成型至基底底盘2-105中。该座架可包括毗邻于间隔开之两个斜坡表面3-424定位之支撑且对准壁3-410。根据某些实施例，该等斜坡表面可形成于两个突出部3-420上。在某些实施方案中，可存在单个斜坡表面。该或该等斜坡表面可朝向对准壁3-410倾斜，如图式中所图解说明。可存在毗邻于壁之一或多个螺纹孔3-430。光学组件(例如，平面镜或曲面镜)可在背侧抵靠对准壁3-410搁置之情况下放置在该或该等斜坡表面3-424上。具有柔韧或挠性组件之夹紧组件(未展示)可经由螺纹孔3-430或若干孔经固定以抵靠对准壁保持光学组件。
对准壁3-410可以选定定向在基底底盘2-105中经机械加工，使得抵靠对准壁3-410固持之光学组件将相对于穿过雷射腔之激光束之所计划光学轴线以所要角度大致对准。发明人已认识到且了解到，可藉由针对位于平行于基底底盘之平面内之角度(例如，在图2-1中，针对界定激光束在XZ平面中之入射角及反射角之角度)进行机械加工而以高程度之角度准确性形成对准壁3-410。然而，形成对准壁3-410之机械加工准确性针对将使激光束偏转离开平行于基底底盘之平面之角度明显较小。因此，在增益介质1-105与SAM 1-119之间的镜座架中之一者可包含角度调整(一个自由度)以适应制造误差，该等制造误差将导致激光束偏转离开平行于基底底盘之表面。根据某些实施例，具有单个自由度之镜座架位于增益介质与SAM之间的距离之四分之一与三分之一之间。
在某些实施方案中，一个折迭镜2-115可经组态以控制辐射在腔内之偏振且允许监测泵束辐射(在图2-1中经指示为粗虚线)。举例而言，折迭镜2-115可经涂布而以大于99％或在某些情形中甚至大于99.5％之高反射率反射s偏振(在基底底盘之平面外之偏振，在Y方向上)，且针对正交p偏振具有较低反射率，使得阻止在p偏振中发出雷射。在某些情形中，折迭镜2-115可系传输大于20％之p偏振且以高反射率反射s偏振之偏振光束分离器。折迭镜2-115可另外将大部分或几乎所有泵束辐射传输至位于该镜后面之光侦测器2-116。在某些实施例中，该折迭镜镜可包含二向分光涂层以允许泵束辐射之传输。在其他实施例中，可不使用二向分光涂层，且用于雷射波长之涂层可允许泵束辐射穿过折迭镜2-115之充足传输以用于侦测。来自光侦测器2-116之输出可经提供至PCB 2-190以用于信号处理及/或传输至外部信号处理器。
在某些实施例中，两个曲面镜2-117、2-127可经设计且位于雷射腔内以在增益介质1-105及SAM 1-119内获得所要光束腰宽大小。第一曲面镜2-117可位于雷射腔之在增益介质1-105附近之第一部分中。第二曲面镜2-127可位于雷射腔之在SAM 1-119附近之第二部分中。至少在该等曲面镜之间，可存在折迭雷射之光学轴线且在腔长度延长区域中延长雷射腔长度之复数个折迭镜。在曲面镜2-127与SAM 1-119之间可另外存在使腔内激光束折迭多次以在腔长度延长区域中延长腔之长度之镜2-124。举例而言，曲面镜2-127及镜2-124可在自此两个反射器之紧连反弹时使腔内光束折迭三次，如图2-1中所指示。
根据某些实施例，第一曲面镜2-117可系球形反射器且具有介于240mm与260mm之间的焦距f1。对此反射器之焦距之容差可系焦距之±1％。发明人已发现，具有大致250mm之焦距之第一曲面镜2-117可放置在距输出耦合器1-111为230mm与310mm之间且可获得具有不同特性之稳定锁模操作。根据某些实施例，第一曲面镜可被定位成与输出耦合器之距离介于280mm与300mm之间以在紧密雷射模块之大操作功率范围内获得稳定锁模操作。在此组态中，增益介质1-105可被定位成与输出耦合器之距离介于4mm与8mm之间。第一曲面镜2-117之焦距及其相对于增益介质1-105及输出耦合器1-111之位置以及第二曲面镜2-127之焦距及其相对于SAM 1-119之位置可判定腔内光束在增益介质中之光束腰宽。
在其他实施例中，第一曲面镜2-117之焦距可具有其他值。举例而言，可针对以较低功率操作之较紧密锁模雷射使用较短焦距f1<230mm。在实施例中，输出耦合器1-111可放置在距第一曲面镜2-117为距离d1处，距离d1在焦距f1之30％内之值范围中(例如，0.7f1<d1<1.3f1)。在某些情形中，0.9f1<d1<1.3f1。
在某些实施方案中，第一曲面镜2-117可安装在可调整座架中，该可调整座架仅提供两个自由度以用于调整镜相对于雷射之光学轴线之定向角度(平面内及平面外角度)。可调整座架可允许操作者在雷射发出雷射时精细地调整光学组件之位置(X、Y、Z中之一或多者)及/或定向(相对于入射腔内光束之光学轴线之纵倾及/或侧倾)，使得可针对稳定性、光束质量、输出功率及/或脉冲特性调谐雷射之操作。举例而言，可藉由测微器及/或对镜座架之经精细旋拧之螺丝调整来达成精细调谐。
针对第一曲面镜2-117仅提供两个自由度且针对折迭镜(例如，镜2-123)仅提供一个自由度作为用于在雷射发出雷射时实时对准雷射腔之仅有调整可降低紧密的锁模雷射模块之成本及复杂度。在其他情形中，举例而言，用于第一曲面镜2-117之镜座架可包含额外自由度以用于调整镜之位置。根据某些实施例，可在调整曲面镜2-117之后对泵模块2-140进行调整以对准或重新对准泵束且增加来自锁模雷射之输出功率。
第二曲面镜2-127可系球形反射器且具有介于240mm与260mm之间的焦距f2。对此反射器之焦距之容差可系焦距之±1％。发明人已发现，具有大致250mm之焦距之第二曲面镜2-127可放置在距SAM 1-119为260mm与290mm之间且可获得具有不同特性之稳定锁模操作。根据某些实施例，该第二曲面镜可被定位成与SAM 1-119之距离介于270mm与285mm之间以在紧密雷射模块之大操作功率范围内获得稳定锁模操作。第二曲面镜2-127之焦距及其相对于SAM 1-119之位置可判定腔内光束在SAM 1-119处之光束腰宽且亦影响增益晶体处之光束腰宽。
在其他实施例中，第二曲面镜2-127之焦距可具有其他值。举例而言，可针对以较低功率操作之更紧密锁模雷射使用较短焦距f2<240mm。在实施例中，SAM 1-119可放置在距第二曲面镜2-127为距离d2处，距离d2在焦距f2之20％内之值范围中(例如，0.8f2<d2<1.2f2)。在某些情形中，f2<d2<1.2f2。
举例而言，第二曲面镜2-127可安装在如上文结合图3-4所阐述之不可调整座架中以降低雷射模块之成本及复杂度。如上文所阐述，雷射腔中之所有反射组件(惟第一曲面镜2-117及折迭镜2-123除外)可安装在自对准不可调整座架中。进一步地，第一曲面镜2-117可仅具有用于角度调整之两个自由度且折迭镜2-123可仅具有用于角度调整之一个自由度。发明人已发现，根据某些实施例，可仅使用此三个调整来对准锁模雷射腔以在长时间周期内达成稳定操作。举例而言，第一曲面镜2-117可用于操纵自增益介质1-105至SAM 1-119之光束，SAM 1-119以固定位置经安装以接收光束。可藉由对折迭镜2-123进行单个度数之角度调整而适应任何平面外偏差(在图2-1中之±Y方向上)。若SAM 1-119不以法向入射接收腔内光束而不能使光束沿着相同路径往回反射，则可藉由使腔内光束在第二曲面镜2-127上平移而调整SAM上之入射角。由于SAM 1-119几乎在第二曲面镜之焦点处，因此光束在此镜上之平移变更SAM处之入射角。可藉由对第一曲面镜2-117进行角度调整而使腔内光束跨越第二曲面镜之表面平移。可对第一曲面镜进行调整直至腔内光束自身自SAM 1-119往回反射为止。
发明人已发现，腔内激光束在SAM上之光点大小对第一曲面镜2-117与雷射之输出耦合器1-111之间的距离之改变可比对第二曲面镜2-127与SAM 1-119之间的距离之改变敏感。此结果与第一曲面镜2-117与第二曲面镜2-127之间的经延长腔长度有关。此经延长腔长度可比雷射腔之长度之二分之一多，在该雷射腔之该长度内腔内激光束可大致经准直。曲面镜2-117与输出耦合器1-111之间的距离之改变可影响经延长腔中之准直，此可放大第二曲面镜2-127处之光束大小之改变。与第二曲面镜2-127与SAM 1-119之间的距离之改变相比较，该放大又更强烈地影响SAM 1-119中之光点大小。因此，第一曲面镜2-117之位置可用于调整SAM 1-119上之通量。在某些实施例中，可藉由增加第二曲面镜2-127之焦距而减小放大效应。
当雷射腔如上文所阐述而经对准及经组态使得增益介质1-105中之光束腰宽介于100微米与150微米之间且SAM 1-119处之光束腰宽介于80微米与120微米之间时，发明人已发现，雷射腔满足关于光学共振器之“稳定性准则”(熟习激光技术者已知之条件)且满足关于两个曲面镜2-117、2-127之为±1％之焦距误差之“稳定性准则”，关于光学共振器之“稳定性准则”系能涵盖增益介质1-105中之热透镜化效应自0屈亮度至15屈亮度之改变。在高光学功率下，增益介质1-105可获得因泵辐射产生之明显热，且经加热增益介质可形成具有取决于介质之温度之聚焦功率(屈亮度)之光学透镜(亦称为热透镜化)。对于经光学泵激高功率雷射，归因于此热透镜化之改变可使雷射不稳定且熄灭雷射以达成泵功率自初始稳定操作点之50％之增加。发明人已观察到，紧密的锁模雷射模块1-108针对泵功率自2瓦至8瓦之变化、泵功率自初始稳定操作点之300％之增加维持稳定锁模操作。雷射腔之稳定性范围出人意料地大，且允许在大腔内及输出功率范围内操作紧密锁模雷射。举例而言，来自雷射之平均输出功率在此泵功率范围内可在350毫瓦与3.5瓦之间变化，而FWHM脉冲持续时间保持在12皮秒与18皮秒之间。此输出可经倍频以在532nm之波长下产生相同持续时间之脉冲，举例而言，其中平均功率位准介于100毫瓦与1.5瓦之间。
根据某些实施例，可存在安装在雷射腔内以帮助使锁模雷射之操作稳定及/或改良锁模雷射之光束质量的光学组件。举例而言，空间模式滤波器2-118可位于雷射腔中且经组态以阻止在较高阶空间模式中发出雷射。模式滤波器2-118可包括任何适合形状(例如，圆形、椭圆形、月牙形、正方形、矩形、多边形等)之孔隙。该孔隙可安装在不可调整座架中，或可经安装使得其可在横向于腔内光束之光学轴线之方向上移动。孔隙之大小在某些情形中可系可调整的(例如，光圈)。在各种实施例中，孔隙将雷射操作约束至雷射腔之最低阶横向空间模式，此可改良锁模之稳定性。
在某些实施例中，光束操纵组件可包含在雷射模块1-108中以用于动态稳定化及对准。举例而言，可藉由致动器2-162自动操作可以相对于腔内光束之角度旋转之一或多个经抗反射涂布之雷射窗或光学平板2-128以使腔内光束在SAM 1-119上之入射角平移及/或改变。可存在位于致动器与雷射窗之间的机械连杆2-164及达成对雷射窗2-128之自动化纵倾或侧倾调整的用于雷射窗之纵倾或侧倾座架。致动器2-162可包括步进马达、压电式转换器、电容式转换器或任何其他适合致动器。
腔内雷射窗之旋转将使来自雷射窗之传出光束在旋转方向上侧向移位。侧向移位量可藉由将司乃尔定律应用于雷射窗之两个接口而判定。若雷射窗位于第二曲面镜2-127与SAM 1-119之间，则雷射窗之旋转将主要使腔内光束在SAM上平移。此雷射窗之旋转可用于藉由使腔内光束跨越SAM移动而延长SAM之寿命。扫描运动可减少SAM之疲劳，或若SAM已经损坏，则可使光束移动远离经损坏光点。若雷射窗2-128位于第二曲面镜2-127前面，如图2-1中所绘示，则雷射窗之旋转将主要改变腔内光束在SAM上之入射角。此雷射窗之旋转可用于动态地对准或重新对准雷射腔以获得及/或维持稳定锁模操作。
指示雷射效能且可用于自动调整腔内光束操纵组件之信号可包含泵功率(用光侦测器2-116或安装于泵模块中之泵光侦测器(未展示)侦测)、雷射功率及/或脉冲特性(用可对雷射波长敏感之雷射输出光侦测器2-154侦测)及二次谐波功率(用经加倍输出光侦测器2-182侦测)中之任一者或其任一组合。该或该等信号可提供至PCB 2-190上之电路以用于处理及产生反馈控制信号从而操作一或多个致动器2-162。在某些实施例中，雷射输出光侦测器2-154及经加倍输出光侦测器2-182中之一者或两者可安装在PCB 2-190上且所接收辐射穿过位于锁模雷射模块1-108之侧中之孔及/或窗(未展示)。在某些实施方案中，腔内光束操纵组件之旋转可基于一或多个回馈信号而经自动化以精细调谐腔对准及/或改变腔内光束在SAM 1-119上之位置。
根据某些实施例，另外或另一选择系，可藉由在增益介质1-105中引发不对称热梯度而获得腔对准。不对称热梯度可影响热透镜化且以使得在腔内激光束穿过增益介质1-105时导致腔内激光束之小角度偏转之方式变更增益介质1-105内之折射率。在某些实施方案中，一或多个温度控制装置(例如，电阻式加热组件、TEC冷却器或其组合)可耦合至增益介质之一或多个侧。根据某些实施例，增益介质1-105可具有热耦合至增益介质之两个至四个面(四个纵向边缘)之两个至四个可独立操作之温度控制装置(图2-1中未展示)。热耦合可包括位于温度控制装置与增益介质1-105之面之间的热环氧树脂或铟箔。温度控制装置亦可包含在温度控制装置之相对侧上热耦合至散热器(诸如雷射块)。在某些情形中，温度控制装置中之一或多者之操作可提供横向于光学轴线2-111之光束偏转。藉由在温度控制装置处选择性地变更温度，可操纵且重新对准腔内激光束。在某些情形中，可联合增益介质中之热光束操纵调整一或多个腔内雷射窗2-128以重新定位SAM上之腔内光束(举例而言)及/或维持雷射之稳定锁模操作。
发明人已认识到且了解到，锁模雷射之平均功率及/或光谱特性可判定稳定锁模操作。举例而言，若在锁模操作期间之雷射之平均功率降至特定值以下，则SAM 1-119中可不存在足以支持锁模之非线性光学吸收。雷射可然后进行Q切换且损坏SAM 1-119。在某些情形中，雷射之平均输出功率之迅速波动可指示除锁模之外雷射亦在进行Q切换，此可损坏SAM 1-119。在某些实施例中，至少一个传感器2-154(例如，光电二极管)可经包含且经配置以感测由雷射1-110产生之光学功率及/或雷射之输出脉冲或锁模特性。举例而言，可对来自第一传感器2-154之信号进行光谱分析以侦测在锁模频率附近之旁频带，该等旁频带可指示Q切换之开始及/或雷射1-110之锁模脉冲串之不稳定性。第二传感器(未展示)可侦测由雷射1-110产生之平均光学功率。若所感测平均雷射功率漂移至默认定位准以下及
/或若由第一传感器2-154侦测到旁频带或功率波动，则可执行自动化腔对准例程以恢复功率及/或可关断雷射以进行维修。在某些情形中，指示锁模脉冲串之不稳定性之旁频带归因于较高阶空间腔模式之雷射。举例而言，可藉由自动或手动调整腔内空间模式滤波器2-118而校正此等不稳定性。根据某些实施例，对雷射波长敏感之一或多个传感器2-154可安装于PCB 2-190上。
在某些情形中，可处理额外信号以分析雷射行为。举例而言，可用泵功率传感器2-116(其可系光电二极管或其他适合光侦测器)连同来自雷射之平均功率位准评估泵功率。在某些实施例中，另外或另一选择系，可用传感器2-182(其可系光电二极管或其他适合光侦测器)监测经倍频功率量。举例而言，在平均雷射功率保持几乎恒定时平均经倍频功率之减少可指示经锁模脉冲长度之改变或关于倍频光学组件之问题。
在操作中，采用Nd3+:YVO4作为增益介质且如上文所阐述而配置之锁模雷射1-110可产生在1064nm下具有大致15ps之FWHM值之脉冲。脉冲在距脉冲之峰值100ps内消减大致80dB。脉冲重复速率系大致67MHz，且锁模雷射在基谐波长下之平均功率可自350mW至3.5W变化。在某些情形中，至经倍频波长之转换效率(下文进一步阐述)可高达30％，使得可以介于100mW与1.5W之间的平均输出功率产生在532nm下之脉冲。在某些情形中，转换效率可高达35％。操作雷射所需要之AC功率小于大约20瓦。雷射系紧密的，占据小于0.1ft3之体积，重量稍微小于2千克，且可作为模块容易地并入至可携式分析仪器(诸如用于将DNA定序之桌上仪器)中。
雷射腔之替代组态
尽管上文所阐述之紧密的锁模雷射模块1-108使用延长腔长度且减小脉冲重复速率之多个镜，但另外或另一选择系，其他实施例可使用其他光学组件来延长腔长度。在图3-5A至图3-5D中绘示光学延迟组件之某些实例。根据一项实施例，光学延迟组件3-510可包括多色菱形花纹块，如图3-5A之平面图中所绘示。该多色菱形花纹块可包括第一直角棱镜3-520及第二直角棱镜3-522。根据某些实施例，棱镜之垂直侧面可未经涂布，尽管在其他实施例中垂直面可包含高反射涂层。在某些实施方案中，在棱镜中之一者上之垂直面之长度可量测为介于大约20mm与大约60mm之间。每一棱镜可由任何适合光学质量玻璃(举例而言BK-7或熔融硅石)形成。对于高热稳定性，延迟组件可由超低膨胀玻璃(诸如自康宁购得之ULE)形成。棱镜之侧面可经抛光以具有高光学质量，举例而言，具有λ/10或更佳之波前误差及10-5之表面质量(举例而言)。
第一棱镜3-520及第二棱镜3-522可偏移且黏合在一起，如图式中所绘示。该等棱镜可经由光学接合或使用光学黏合剂来黏合。在某些实施方案中，光学延迟组件3-510可藉由切割及抛光由单个玻璃件形成。腔内激光束3-101可透过延迟组件之第一端口进入且在离开多色菱形花纹块之第二埠之前沿着迂回光学路径在内部经反射(经绘示为虚线)。
根据某些实施方案，延迟组件可系双程的以使由延迟组件提供之光学路径长度加倍。举例而言，来自延迟组件之单程输出端口之输出光束可以一空间偏移反向回射穿过延迟组件，使得返回光束离开输入埠但自输入光束3-101位移，可自雷射腔之第一部分接收输入光束3-101。经位移输出光束可指向雷射腔之第二部分。
在图3-5B中绘示光学延迟组件3-512之另一实施例。根据某些实施例，该光学延迟组件可包括以矩形形状形成之单个光学块。延迟组件3-512可包括使腔内光束在延迟组件内来回反射之垂直边缘面3-530，如在图式中由虚线所绘示。该延迟组件可进一步包含提供延迟组件之进入端口3-532及离开埠3-534之两个抛光面。垂直侧面可在某些实施例中未经涂布，或在其他实施例中涂布有高反射涂层(例如，多层涂层)。在某些实施方案中，延迟组件之边缘之最大长度可量测为介于20mm与大约60mm之间。在进入页面之方向上量测的块之厚度可介于大约5mm与大约20mm之间。延迟组件3-512可由任何适合光学质量玻璃形成，如上文所阐述。反射边缘面可经抛光以具有高光学质量，举例而言，具有λ/10或更佳之波前误差及10-5之表面质量(举例而言)。延迟组件3-512可系双程的以增加雷射腔内之光学路径长度。
图3-5C绘示光学延迟组件3-514之再一实施例。根据某些实施例，该延迟组件可包括在其中心处间隔开距离D且相对于彼此以微小角度α倾斜之一对平面镜M1、M2。根据某些实施例，每一镜M1、M2可具有长度L。镜M1、M2之间的间隔D可介于大约10mm与大约50mm之间。根据某些实施例，镜M1、M2之长度L可介于大约20mm与大约60mm之间。根据某些实施例，角度α可介于大约0°与大约10°之间。沿着进入页面之方向量测的镜M1、M2之高度可介于大约5mm与大约20mm之间。镜M1、M2可由任何适合光学质量玻璃形成，如上文所阐述。镜M1、M2之反射表面可经抛光以具有高光学质量，举例而言，具有λ/10或更佳之平坦度及10-5之表面质量(举例而言)。在某些实施方案中，该等反射表面可涂布有高质量高反射性多层涂层且具有大于大约99.5％之反射率。在某些实施例中，反射率可大于大约99.9％。在第一方向上进入镜对之腔内光束3-101将取决于入射角及镜M1、M2之间的角α而经历多次反射。
在图3-5D中绘示光学延迟组件3-516之另一实施例。此实施例可包括与图3-5C中所绘示之实施例类似之实心块。根据某些实施方案，光学延迟组件3-516可包括具有五个表面之光学材料实心块，如图式中所绘示。两个表面3-534可相对于彼此以微小角度α倾斜。此等表面可包含高反射涂层以使腔内光束3-101沿着虚线路径在该等表面之间来回反射，如图式中所指示。延迟组件3-516可进一步包含提供去往及来自延迟组件之进入端口及离开埠之两个未经涂布或经抗反射涂布表面3-532。根据某些实施例，延迟组件可经配置使得腔内激光束3-101以布鲁斯特角进入及离开延迟组件。延迟组件3-516可由任何适合光学质量玻璃形成，如上文所阐述。反射表面3-534可经抛光以具有高光学质量，举例而言，具有λ/10或更佳之平坦度及10-5之表面质量。在某些实施方案中，该等反射表面可涂布有高质量高反射性多层涂层且具有大于大约99.5％之反射率。在某些实施例中，该等反射率可大于大约99.9％。
分别在图3-5A、图3-5B及图3-5D中绘示之实心块延迟组件3-510、3-512、3-516之优点系：此等组件在插入至雷射腔中时不需要与多组件延迟组件(诸如图3-5C之两个镜或图2-1中所展示之多个平面镜)将需要的一样仔细之对准。然而，实心块组件可针对低于200MHz之脉冲重复速率需要自镜表面之更大数目次反射，且在制造期间将需要更多精确度。因此，实心块延迟组件之成本可系高的。藉由在单件式基底底盘2-105中使用整合式不可调整座架且使用一个或两个可调整座架来适应不可调整座架中之机械加工误差，如上文所阐述，可使用较低成本镜来提供所要光学延迟。多镜延迟组件之优点系：可藉由改变一或多个腔折迭镜之位置以重新界定雷射腔而更容易地且更灵活地改变腔长度。
尽管增益介质1-105内之热效应可用于操纵且对准腔内光束，如上文所阐述，但发明人已认识到且了解到，对雷射腔内之光学组件之热加热效应及/或机械应力可系可不合意地影响紧密的锁模雷射之效能之显著因素。当针对基谐雷射波长以超过250mW之平均功率位准操作锁模雷射1-110(举例而言)时热加热可在泵模块2-140及增益介质1-105处出现。关于增益介质1-105，发明人已认识到且了解到，在安装诸如钒酸钕之增益晶体时必须更加注意。座架应允许热耗散，且亦避免以机械方式对晶体加应力。在顶点处具有减压切口之座架(图3-1A中所展示)可允许热耗散且避免对晶体之不合意应力。另外或另一选择系，将增益介质1-105固定在座架中之导热黏合剂之使用可为增益介质1-105提供应力减轻。
发明人已进一步认识到且了解到，耗散热之安装结构可不利地影响雷射腔之光学对准。举例而言，用于增益介质1-105及/或泵二极管模块2-140之座架3-100可扣接至基底底盘2-105且将热耗散至基底底盘中。由于基底底盘对于高功率雷射系相当小的，因此此加热可导致基底底盘之膨胀及/或翘曲或其他变形。因此，基底底盘2-105之变形可使雷射腔之光学组件不对准且随着时间而不利地影响雷射之操作。在严重情形中，热加热可导致明显功率降级且可终止雷射之锁模。
在某些实施例中，需要显著热耗散之锁模雷射之安装结构或组件可安装在部分地经热隔离平台3-610上，如图3-6A中之平面图中所绘示。该平台可部分地热隔离底板主体3-605与由安装在平台3-610上之高温结构或组件耗散之热。在图3-6B及图3-6C中绘示在图3-6A中之切割线处截取的平台之立视图。根据某些实施方案，可藉由机械加工程序在底板2-105中形成部分地经隔离平台3-610。举例而言，底板主体3-605可系经机械加工以形成如上文所阐述之紧密的锁模雷射之壳体之实心材料块之一部分。可穿过底板主体3-605机械加工一或多个贯穿沟渠3-630以形成部分地经隔离平台3-610。此等沟渠可将平台3-610与底板3-605部分地分开及热隔离。举例而言，热无法容易地自平台耗散至底板中。根据某些实施方案，平台3-610之下表面可热接触至热电冷却器(未展示)。在某些情形中，平台之下表面可经机械加工或以其他方式成型以具有热耗散鳍形件3-612。
在形成沟渠3-630(trenches)之机械加工程序之后可留下复数个支撑桥3-620。该等支撑桥为平台3-610提供机械支撑，且减少自平台3-610至底板3-605之热传导。在某些实施例中，该等桥可由不同于平台之材料形成。在各种实施例中，桥3-620相对于平台之厚度居中地定位在平台3-610之上表面与下表面之间，如图3-6B中所绘示。举例而言，桥3-620可位于底板3-605之中立机械平面中，如图3-6B中所图解说明。使桥3-620相对于平台及底板之厚度居中地定位可减少在底板主体3-605与平台3-610之间赋予之平面外热机械应力之量。减少耗散至底板中之热量且减小平面外应力可减少底板之翘曲及雷射腔中之其他光学组件之非所要相对运动。在某些实施例中，该等桥包括允许平台相对于底板2-105在平面内移动(例如)以适应由平台引发之热机械应力之挠曲部件。某些雷射组件(例如，增益介质1-105)之运动可不与其他组件(例如，腔镜)一样影响雷射之操作，且因此可系容许的。平台3-610之部分热机械隔离可改良雷射之稳定性，且减少对由技能熟练之操作者进行调整之需要。
根据某些实施例，可使用一或多个平台3-610来支撑锁模雷射中之高温组件。举例而言，可使用第一平台3-610来支撑二极管泵源，且可使用第二平台来支撑雷射之增益介质。在某些实施方案中，可使用第三平台来支撑倍频组件(例如，非线性晶体)。
尽管上文所阐述之雷射腔指示增益介质系钒酸钕晶体，但可使用其他类型之材料来以其他波长获得雷射及锁模。对应地，可使用不同泵源来提供适合用于激发增益介质之泵波长。根据某些实施例，紧密雷射模块之泵波长λp可介于390nm与大致1100nm之间。紧密雷射模块之锁模雷射波长λ1可介于750nm与1500nm之间。在某些情形中，紧密雷射模块之输出波长λ2可经倍频且可介于325nm与750nm之间。在某些实施方案中，倍频组件3-109可系KTP、LBO或BBO。在某些情形中，输出波长λ2可介于500nm与700nm之间。根据某些实施例，在基谐波长λ1或经倍频波长λ2下之输出脉冲持续时间可介于1皮秒与100皮秒之间。在某些情形中，输出脉冲持续时间可介于10皮秒与30皮秒之间。
作为替代实例，若期望绿色输出波长，则增益介质可系分别以1064nm及1053nm发出雷射之Nd:YAG或Nd:YLF。在某些实施例中，Cr:镁橄榄石可用作增益介质，其可以1280nm发出雷射且经倍频至640nm(在光学光谱之红色区域中)。在某些实施例中，Pr:LiYF4可用作增益介质且在不需要倍频之情况下直接以640nm(在红色中)发出雷射发明人已认识到且了解到，Nd:YVO4可用作增益介质从而以一个或两个波长1064nm及/或1342nm发出雷射，该一个或两个波长可加倍至532nm(绿色)及/或671nm(红色)。发明人亦已认识到且了解到，可在非线性晶体中执行和频产生以获得额外波长。举例而言，可在非线性晶体中混合来自Nd:YVO4之在两个雷射波长下之脉冲以产生在大致594nm下之辐射。其他增益介质包含但不限于经镱掺杂YAG(Yb:YAG)、经镱掺杂玻璃(Yb:玻璃)、经铒掺杂YAG(Er:YAG)及经钛掺杂蓝宝石(Ti:蓝宝石)。
泵源及模块
为激发增益介质1-105且起始雷射之锁模操作，可使用耦合透镜2-142将来自高功率雷射二极管之连续波辐射(在图2-1及图4-1中由黑虚线所指示)聚焦至增益介质中。来自雷射二极管之光学功率可介于1瓦与20瓦之间，其系与显著电及光学热产生相关联之功率位准。此热产生若经允许在基底底盘2-105中耗散则可不利地影响锁模雷射模块1-108之稳定性。雷射二极管可安装在泵模块2-140中，泵模块2-140以减少自泵模块至基底底盘之热传导且帮助将泵模块2-140与基底底盘2-105热隔离之方式安装在基底底盘2-105中之通孔2-145中。
根据某些实施例，在图4-1中绘示泵模块2-140之实例。该泵模块可将雷射二极管4-130密封在闭合壳体4-110中，为雷射二极管提供热耗散，且包含可将泵束对准至锁模雷射腔之光学轴线之可调整头部4-120。可在泵模块中使用之雷射二极管泵源之实例系可自中国山西西安之FocusLight Corporation购得之型号为FL-FM01-10-808之雷射二极管。在某些实施例中，雷射二极管4-130可安装在泵模块2-140内之F座架或C座架中。
根据某些实施例，泵模块壳体4-110可藉助具有低导热率之螺丝及/或托脚支柱4-152(例如，不锈钢、尼龙、硬塑料)稳固地附接至基底底盘2-105。壳体4-110之一部分可自基底底盘2-105之背侧产生，且该壳体之一部分可延伸穿过基底底盘2-105中之通孔2-145。泵模块壳体4-110与基底底盘2-105之间的间隙及低导热率螺丝或紧固件帮助将泵模块2-140与基底底盘2-105热隔离且维持锁模雷射1-110之稳定性。可调整头部4-120可藉助具有低导热率之螺丝4-154以类似方式附接至壳体4-110。该壳体可具有经机械加工至主体中以辅助自雷射二极管4-130之热提取之热耗散鳍形件4-124。风扇(未展示)可安装在附近或安装至壳体4-110以进一步辅助热移除。根据某些实施例，雷射二极管4-130可安装在热电冷却器(TEC)4-160上，热电冷却器(TEC)4-160允许对雷射二极管4-130之热控制及温度稳定化。在某些实施方案中，包含用于连接至雷射二极管4-130及/或TEC且操作雷射二极管4-130及/或TEC之电路的PCB 4-170可附接至壳体4-110且形成帮助密封雷射二极管4-130以免其曝露于外部灰尘及湿度之盖。
根据某些实施例，泵模块2-140可位于基底底盘2-105之边缘之大约30mm内，且藉由风扇(举例而言)使所耗散热指向边缘且远离基底底盘。基底底盘2-105可另外用作风屏，从而保护在基底底盘之一侧上之雷射光学器件及雷射腔免受在其中移除热之板之反向侧上之气流或紊流影响。在实施例中，如所阐述之泵模块壳体4-110之安装允许其位于锁模雷射之增益介质1-105附近，此帮助改良泵束4-135在增益介质内之位置之稳定性(改良锁模稳定性)且亦帮助提供紧密的锁模雷射模块1-108。
根据某些实施例，泵模块壳体4-110亦可包含光束准直光学器件。快轴准直器(FAC)4-142可位于雷射二极管附近或整合在雷射二极管内。在某些情形中，此准直器可包括柱面透镜或一对交叉柱面透镜。在某些实施例中，FAC 4-142可包括单个柱面透镜且可具有短焦距(例如，小于大约5mm)。在某些实施方案中，FAC 4-142可包括具有小于大约150微米之直径之光纤之长度，且其焦距可小于500微米。FAC 4-142可经组态以为雷射二极管提供在正交横向方向上具有介于5度与15度之间的大致相等散度之光束。在某些实施例中，来自雷射二极管4-130及FAC 4-142之光束可具有矩形或正方形剖面(例如，对应于发射器数组)。
泵模块壳体4-110可进一步包含准直雷射二极管泵束之准直透镜4-144。根据某些实施例，此透镜可系具有针对泵波长λp经抗反射涂布之两个表面之平凸透镜。透镜之平面表面可面对二极管4-130。准直透镜4-144之焦距可介于15mm与35mm之间。根据某些实施方案，准直透镜4-144可与FAC透镜4-142间隔开大致等于准直透镜4-144之后焦距之距离。
可藉由安装在可调整泵头部4-120中之二向分光镜4-146反射来自泵模块壳体4-110之经准直或几乎经准直光束。二向分光镜4-146可包含将泵波长朝向耦合透镜2-142及增益介质1-105(图4-1中未展示)反射且以来自锁模雷射腔之雷射波长传输锁模脉冲之多层涂层。由于泵头部4-120系可藉助调整螺丝4-154调整的，因此可使二向分光镜纵倾(围绕平行于图式中所展示之X轴之轴线旋转)及侧滚(围绕平行于Z轴之轴线旋转)以调整泵束在增益介质内之位置。
根据某些实施方案，二向分光镜4-146之位置(在该位置处，来自雷射二极管4-130之泵束4-135入射于镜4-146上)大致定位在耦合透镜2-142之焦距处。由于此定位，对二向分光镜4-146之角度调整(其使传出泵束4-135偏离)主要引起泵束穿过增益介质1-105之平行光束路径位移。此可以理解，此乃因自二向分光镜4-146处之焦点行进穿过耦合透镜2-142之射线将自耦合透镜作为平行光束而出现。因此，可调整二向分光镜4-146以在具有对泵束穿过增益介质1-105之角度之最少改变之情况下主要使泵束在增益介质中在X方向及Y方向(参考图4-1及图2-1)上平移。鉴于此效应，对二向分光镜4-146之侧倾调整引起在增益介质处在Y方向上之泵束位移且对二向分光镜之侧滚调整提供在增益介质1-105中之X指向(及某些Y指向)之泵束位移。泵束4-135穿过增益介质1-105之角度之改变可系不合意的，此乃因其可减少泵束4-135与锁模激光束在增益介质1-105中之重迭体积。
为简化组装且减少泵头部4-120上之可调整螺丝数目，可调整头部可以三点接触式可调整运动安装方案附接至壳体4-110。可使用至少一个弹性弹簧4-157(如图4-2A及图4-2B中所绘示)将头部4-120朝向壳体4-110牵引或驱迫。三点接触中之一者可系允许头部之所有旋转自由度之球与圆锥。举例而言，球形接触特征4-155(例如，球轴承)可位于头部4-120之接近泵-壳体模块4-110之侧上。球形接触特征4-155可由锥形凹部接纳。剩余两个接触点可系调整螺丝4-154a、4-154b。此等螺丝4-154a中之一者可具有经接纳在凹槽中以限制头部之侧倾运动之球形端。另一螺丝4-154b可具有接纳在平坦表面上之球形端。在某些实施方案中，在调整螺丝4-154a、4-154b已经设定以对准穿过增益介质1-105之泵束4-135之后，可拧紧至少一个反作用力螺丝4-158以将可调整头部锁定在适当位置中。
在某些实施方案中，耦合透镜2-142之焦距可介于大约20mm与大约30mm之间。透镜在某些实施例中可系平凸的，尽管在某些情形中可使用双凸透镜。耦合透镜可具有在两侧上针对泵波长及锁模雷射波长之抗反射涂层。另外，耦合透镜2-142可相对于锁模雷射之光学轴线2-111(参考图2-1)以介于1度与4度之间的角度定向以避免自若干面之将返回至雷射腔及雷射二极管中之反射。在某些实施方案中，增益介质1-105大致位于远离耦合透镜2-142之后焦距处。根据某些实施例，未经吸收泵辐射可穿过雷射腔折迭镜2-115且经吸收在束集堆中及/或由光侦测器2-116侦测。
在某些实施方案中，FAC 4-142、准直透镜4-144及耦合透镜2-142经配置以提供来自雷射二极管4-130之输出至增益介质1-105中之大致1比1成像。雷射二极管之输出(例如，发射器数组)在增益介质中之影像应大致匹配增益介质中的锁模雷射之腔内光束腰宽大小。增益介质中的锁模雷射之光束腰宽大小可主要由曲面镜2-117之焦距、其距输出耦合器1-111之距离及增益介质1-105距输出耦合器之距离来判定。针对在上文阐述且具有1比1成像之组态，雷射二极管在增益介质中之经成像发射器大小应介于100微米与150微米之间。发明人已观察到，介于90微米与220微米之间的发射器大小提供锁模雷射，尽管小发射器大小更易于发生迅速降级且较大发射器大小可致使锁模雷射在较高阶空间模式中发出雷射。另外，辐射之偏振应与锁模雷射1-110之预期雷射偏振良好地匹配。就此而言，泵模块2-140及/或锁模雷射模块1-108可包含可经旋转或经调整以控制泵辐射在增益介质1-105上之偏振状态之一或多个光学组件(例如，四分之一波板、半波板)。可控制偏振以增加雷射效率及来自锁模雷射1-110之输出功率。
在其他实施例中可使用其他激发源来泵激增益介质1-105，且本发明不限于雷射二极管。在某些实施例中，可使用光纤或光纤耦合之雷射(未展示)来泵激锁模雷射1-110之增益介质1-105。光纤雷射可包括主动光纤作为由一或多个雷射二极管泵激之光纤雷射腔之一部分。光纤耦合之雷射可包括使其输出耦合至光纤中之一或多个雷射二极管。可使用用于雷射二极管泵源之相同或类似光学器件使来自光纤(其携载来自光纤雷射或光纤耦合之雷射之光学能量)之输出光束指向增益介质且将该输出光束聚焦至增益介质中。来自光纤之光学光束可具有比直接来自高功率雷射二极管泵源之光束更圆、更均质及/或更高斯(或高顶形)之空间分布型。光纤雷射泵源在某些实施例中可或可不安装在除基底底盘2-105以外之夹具上，且携载泵能量之光纤之一端可附接至锁模雷射模块1-108上之座架，该座架位于基底底盘之与增益介质1-105相同之侧或相反之侧上。
腔对准
如可了解，锁模雷射腔光学器件之对准可由于雷射腔中之高数目个镜及光学组件而系困难的。在某些实施例中且再次参考图2-1，锁模雷射可包含沿着雷射腔之光学轴线位于增益介质1-105与第二曲面镜2-127之间的安装特征2-110(例如，螺丝孔及/或对齐特征)。安装特征2-110可经组态以接纳光学座架，第二输出耦合器(图2-1中未展示)可安装在该光学座架中。当光学座架及第二输出耦合器在适当位置中时，雷射可经对准以在具有缩短雷射腔之情况下以连续波模式发出雷射。第二输出耦合器可传输小量功率(例如，介于2％与20％之间)，且提供可用于使雷射之光学组件在所插入光学座架与SAM 1-119之间对准之激光束。一旦此等剩余组件经对准，便可移除所插入光学座架，使得雷射1-110可经调谐以在具有完全腔长度之情况下以脉冲模式操作。
发明人已发现，用于短腔对准之第二输出耦合器(图2-1中未展示)可安装在增益介质1-105附近且在转向镜2-115前面。根据某些实施例，在以达成锁模雷射1-110之锁模操作之光学功率经泵激时增益介质中之热透镜化支持缩短腔中之雷射且在不需要缩短腔中之额外透镜化组件之情况下提供稳定雷射腔，即使缩短腔之长度小于锁模雷射腔之长度之二分之一。在某些情形中，缩短腔之长度可小于锁模雷射腔之长度之四分之一或甚至八分之一。因此，放置在增益介质1-105附近之第二输出耦合器可达成自转向镜2-115至SAM 1-119之所有光学组件之容易且迅速对准。在其中输出耦合器安装在转向镜2-115前面且缩短雷射腔中不具有任何其他透镜化组件之组态中，在增益介质中具有至少2屈亮度之热透镜化以获得雷射且使缩短腔之对准更容易可系有益的，尽管在某些情形中可在不具有热透镜化(0屈亮度)之情况下发生连续波雷射。
倍频
再次参考图2-1，可透过透镜2-164将锁模雷射1-110之输出聚焦至倍频晶体2-170中以使输出脉冲之光学波长减半(或使光学频率加倍)。举例而言，锁模雷射1-110可产生具有大约1064nm之特性波长之脉冲，且倍频晶体2-170可将波长转换为大约532nm。经倍频输出可提供至生物光电子芯片1-140且在彼处用于激发具有不同发射特性之荧光团。根据某些实施例，用于倍频及对经倍频功率之控制的组件可安装在紧密的锁模雷射模块1-108内。
透镜2-164可具有介于15mm与30mm之间的焦距，且在两个表面上包含用以最少化雷射波长之反射之抗反射涂层。该透镜可在倍频晶体中产生锁模脉冲之介于15微米与35微米之间的光束腰宽。
倍频晶体2-170可系磷酸氧钛镓(KTP)类型II晶体。晶体长度可介于3mm与7mm之间。根据某些实施例，倍频晶体2-170系高灰耐跟踪(HGTR)晶体。发明人观察到，助溶剂生长之晶体可在绿色波长下针对高平均功率降级。对于HGTR晶体，切割角可针对
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介于24度与25度之间且针对θ介于89度与91度之间。晶体之两个小面可涂布有针对雷射波长及经加倍波长之抗反射涂层。根据某些实施方案，倍频晶体2-170抵靠形成于基底底盘2-105中之自对准表面安装。准直透镜(图2-1中未展示)可放置在倍频晶体后面以准直来自晶体之经倍频辐射。
在某些实施例中，半波板2-160可安装在可旋转座架中，其中其旋转角受致动器2-162控制。该半波板可位于锁模雷射之输出光学路径中在倍频晶体2-170前面。根据某些实施例，致动器2-162可包括步进马达、压电马达、具有精密轴承且经组态以使光学组件旋转之电流计、DC马达或任何其他适合致动机构。使半波板2-160旋转可变更雷射之输出脉冲之偏振且改变倍频晶体2-170中之二次谐波转换效率。对半波板之控制可然后用于控制在递送至生物光电子芯片1-140之经倍频波长下之功率量。藉由使半波板2-160(或倍频晶体2-170)旋转，在经倍频波长λ2下之光学功率可在大范围内(例如，在数量级或更多内)精确地变化小量，而不影响锁模雷射在基谐波长λ1下之操作。亦即，可变更在经倍频波长下之功率而不影响锁模雷射1-110之锁模稳定性、热耗散及其他特性。在某些实施例中，另外或另一选择系，可使用其他调整来控制经倍频功率而不影响基谐雷射操作。举例而言，可以自动化方式控制脉冲激光束在倍频晶体2-170上之入射角及/或透镜2-164与倍频晶体之间的距离以变更及/或最大化倍频效率。
在某些实施例中，经倍频输出脉冲可由转向镜2-180引导及/或引导至光束整形及操纵模块。转向镜2-180可系二向分光的，使得其将未由倍频晶体2-170降频转换之光学辐射传输至束集堆(未展示)。在某些实施方案中，转向镜2-180可将小量之经倍频输出传输至光电二极管2-182。波长选择性滤波器可放置在光电二极管2-182前面以阻挡或反射基谐波长。来自光电二极管2-182之输出可提供至PCB 2-190，其中信号可经处理以评估锁模稳定性及/或产生用于使半波板2-160旋转之控制信号以维持稳定输出功率。在某些实施方案中，光电二极管2-182可安装在PCB 2-190上且经倍频输出可经由光纤反射、散射、耦合，或透过基底底盘2-105中之孔及/或窗以其他方式引导至光电二极管。
在某些实施方案中，如2016年12月16日提出申请且标题为“紧密的光束整形和操纵装置”之单独的第62,435,679号美国专利申请案中所阐述之光束整形及操纵模块可组装在底板上或毗邻于基底底盘2-105而安装。来自雷射模块之输出光束可提供至光束整形及操纵总成以调适在基谐波长或经倍频波长下之输出光束以供在分析系统1-160中使用。
频率产生及系统控制
再次参考图1-1，不管用于产生短或超短脉冲之方法及设备如何，可携式分析仪器1-100可包含经组态以使分析系统1-160之至少某些电子操作(例如，数据采集及信号处理)与来自锁模雷射1-110之光学脉冲1-122之重复速率同步的电路。举例而言，当评估生物光电子芯片1-140中之荧光寿命时，准确地知晓样本之激发时间使得可正确地记录发射事件之定时系有益的。根据某些实施例，定时信号可自由锁模雷射产生之光学脉冲导出，且所导出定时信号可用于触发仪器电子器件。
发明人已认识到且了解到，锁模雷射1-110之操作(例如，用以将激发光学脉冲递送至反应室1-330)、信号获取电子器件之操作(例如，时间方格化光侦测器1-322之操作)及自生物光电子芯片1-140之数据读出的协调构成技术挑战。举例而言，为使在反应室处收集之经时间方格化信号为荧光衰变特性之准确表示，必须在每一激发光学脉冲到达反应室之后以精确定时触发时间方格化光侦测器1-322中之每一者。另外，必须与反应室处之数据采集大致同步地自生物光电子芯片1-140读取数据以避免数据超出及丢失数据。丢失资料在某些情形中可系不利的，例如，导致基因序列之错误识别。发明人已认识到且了解到，系统定时因被动锁模雷射之自然操作特性(例如，易于发生脉冲振幅之波动、脉冲间间隔T之波动及偶然脉冲下降)而进一步复杂化。
图5-1绘示其中定时器5-120将同步信号提供至分析系统1-160之系统。在某些实施例中，定时器5-120可产生同步至由脉冲光学源1-110产生之光学脉冲之频率信号，且将频率信号提供至分析系统1-160。在图5-1中，光学脉冲1-120在空间上经绘示为分开一距离D。根据关系T＝D/c(其中c系光速)，此分开距离对应于脉冲之间的时间T。在实务上，脉冲之间的时间T可用光电二极管及示波器来判定。根据某些实施例，T＝1/fsyncN，其中N系大于或等于1之整数且fsync表示所产生频率信号之频率。在某些实施方案中，T＝N/fsync，其中N系大于或等于1之整数。
根据某些实施例，定时器5-120可自侦测来自脉冲源1-110之光学脉冲之光电二极管接收模拟或经数字化信号。光电二极管2-154可安装在基底底盘2-105上且可系高速InGaAs光电二极管。定时器5-120可使用任何适合方法以依据所接收模拟或经数字化信号形成或触发同步信号。举例而言，定时器可使用史密斯触发器或比较器以依据所侦测光学脉冲形成数字脉冲串。在某些实施方案中，定时器5-120可进一步使用延迟锁定回路或相锁回路来使来自稳定电子频率源之稳定频率信号与自所侦测光学脉冲产生之数字脉冲串同步。该数字脉冲串或该经锁定稳定频率信号可提供至分析系统1-160以使仪器上之电子器件与光学脉冲同步。
发明人已设想出且开发了可用于产生频率信号且驱动可携式仪器1-100中之数据采集电子器件之频率产生电路。在图5-2中绘示频率产生电路5-200之实例。该频率产生电路可包含在安装于基底底盘2-105上之PCB 2-190上。根据某些实施例，频率产生电路可包含脉冲侦测、藉助自动增益控制进行信号放大、频率数字化及频率相锁之若干级。
根据某些实施例，脉冲侦测级可包括经反向偏压且连接在偏压电位(+V)与参考电位(例如，接地电位)之间的高速光电二极管5-210。光电二极管上之反向偏压可系任一适合值，且可使用固定值电阻器(R1,R2)来固定或可系可调整的。在某些情形中，电容器C可连接在光电二极管5-210之阴极与参考电位之间。来自光电二极管之阳极之信号可提供至放大级。在某些实施例中，脉冲侦测级可经组态以侦测具有介于大约100微瓦与大约25毫瓦之间的平均功率位准之光学脉冲。频率产生电路5-200之脉冲侦测级可安装在锁模雷射1-110上或附近，且经配置以侦测来自雷射之光学脉冲。
放大级可包括可包含可变增益调整或可调整衰减之一或多个模拟放大器5-220，使得来自模拟增益放大器之脉冲输出位准可设定在预定范围内。频率产生电路5-200之放大级可进一步包含自动增益控制放大器5-240。在某些情形中，模拟过滤电路5-230可连接至模拟放大器5-220之输出(例如，以移除高频率(例如，大于大约500MHz)及/或低频率噪声(例如，小于大约100Hz))。根据某些实施例，来自一或多个模拟增益放大器5-220之经滤波或未经滤波输出可提供至自动增益控制放大器5-240。
根据某些实施例，来自一或多个模拟放大器之最终输出信号可系正向的。发明人已认识到且了解到，随后自动增益控制(AGC)放大器在其将脉冲输入至正电压而非负电压时更可靠地操作。自动增益控制放大器可使其内部增益变化以补偿所接收电子脉冲串中之振幅波动。来自自动增益控制放大器5-240之输出脉冲串可具有大致恒定振幅，如图式中所绘示，然而至自动增益控制放大器5-240之输入可具有脉冲间振幅之波动。实例性自动增益控制放大器系可自马赛诸塞州诺伍德之Analog Devices,Inc.购得之型号AD8368。
根据某些实施方案，在频率数字化级中，来自自动增益控制放大器之输出可提供至比较器5-250以产生数字脉冲串。举例而言，来自AGC之脉冲串可提供至比较器5-250之第一输入，且参考电位(Vref)(在某些实施例中，其可系可用户设定的)可连接至比较器之第二输入。参考电位可确立每一所产生数字脉冲之上升边缘之触发点。
如可了解，光学脉冲振幅之波动将在AGC放大器5-240前面导致电子脉冲之振幅之波动。在不具有AGC放大器之情况下，此等振幅波动将导致来自比较器5-250之经数字化脉冲串中之脉冲之上升边缘之定时跳动。藉由用AGC放大器拉平脉冲振幅，显著减少在比较器后面之脉冲跳动。举例而言，可藉助AGC放大器将定时跳动减少至小于大约50皮秒。在某些实施方案中，来自比较器之输出可提供至逻辑电路5-270，逻辑电路5-270经组态以将经数字化脉冲串之工作循环改变至大致50％。
频率产生电路5-200之相锁级可包括用于产生一或多个稳定输出频率信号(例如，CLK1、CLK2、CLK3)以用于将仪器操作定时及同步之相锁回路(PLL)电路5-280。根据某些实施例，来自频率数字化级之输出可提供至PLL电路5-280之第一输入(例如，反馈输入)，且来自电子或机电振荡器5-260之信号可提供至PLL之第二输入(例如，参考输入)。在某些情形中，电子或机电振荡器可对抗机械扰动且对抗温度变化而系高度稳定的。根据某些实施例，来自电子或机电振荡器5-260之稳定频率信号之相位由PLL锁定至自锁模雷射导出之经数字化频率信号(其可系不那么稳定的)之相位。以此方式，电子或机电振荡器5-260可穿越锁模雷射1-110之短期不稳定性(例如，脉冲跳动、脉冲下降)，且亦大致同步至光学脉冲串。相锁回路电路5-280可经组态以产生自来自电或机电振荡器5-260之经相锁信号导出之一或多个稳定输出频率信号。可用于实施PLL之实例性电路系可自得克萨斯州奥斯特之SiliconLaboratories Inc.购得之IC芯片Si5338。
根据某些实施例，自PLL电路5-280输出之一或多个频率信号(CLK1、CLK2)可提供至生物光电子芯片1-140以将芯片上之数据采集电子器件定时。在某些情形中，PLL电路5-280可包含在其频率输出上之相位调整电路5-282、5-284或可连接至相锁回路之频率输出之单独相位调整电路。在某些实施方案中，生物光电子芯片1-140可提供来自芯片上之一或多个光侦测器之脉冲到达信号1-142，脉冲到达信号1-142指示来自锁模雷射1-110之光学激发脉冲之到达。脉冲到达信号可经评估且用于设定提供至生物光电子芯片1-140之频率信号之一或若干相位。在某些实施例中，脉冲到达信号可往回提供至相锁回路电路5-280且经处理以自动调整提供至芯片之(若干)频率信号之相位，使得经提供以驱动生物光电子芯片1-140上之数据采集之频率信号之触发边缘(例如，由时间方格化光侦测器1-322进行之信号获取之定时)经调整以在光学激发脉冲到达反应室中之后出现在预定时间处。
根据某些实施例，来自PLL电路5-280之频率信号(CLK3)亦可提供至包含于仪器1-100中之一或多个场可程序化门阵列(FPGA)5-290。该等FPGA可用于仪器上之各种功能，诸如自生物光电子芯片1-140之驱动数据读出、数据处理、数据传输、数据储存等。
发明人已认识到且了解到，AGC放大器5-240之回路带宽与相锁回路5-280之回路带宽之间可存在相互作用。举例而言，若相锁回路之回路带宽太高，则PLL可对经数字化脉冲串中之由AGC放大器及比较器引发之跳动做出回应，且不准确地追踪光学脉冲定时。另一方面，若AGC回路带宽及PLL回路带宽中之任一者或两者太低，则自PLL输出之所得频率信号将不准确地追踪光学脉冲定时。发明人已发现，与PLL 5-280之回路带宽相关联之积分时间常数应介于来自锁模雷射1-110之光学脉冲串之大约30个脉冲与大约80个脉冲之间。另外，与AGC放大器5-240之回路带宽相关联之积分时间常数应不超过PLL之积分时间常数之大于20％以上。
在某些实施方案中，来自放大级之一或多个信号可出于额外目的而在仪器1-100中使用。举例而言，模拟信号5-232可在AGC放大器5-240之前分裂且用于监测锁模雷射1-110中之锁模之质量。举例而言，可以电子方式在频域及/或时域中分析模拟信号5-232以侦测指示由锁模雷射进行之Q切换之开始之特性。若侦测到该等特性(及Q切换之开始)，则系统可自动对锁模雷射内之光学器件(例如，腔对准光学器件)进行调整以避免Q切换，或系统可指示误差及/或关断锁模雷射。
在某些实施例中，AGC放大器可提供表示将输出脉冲之振幅拉平所需要之实时增益调整之输出信号5-242(模拟或数字)。发明人已认识到且了解到，此输出信号5-242可用于评估锁模雷射之锁模质量。举例而言，可分析其光谱以侦测Q切换之开始。
尽管已使用自动增益控制放大器及相锁回路阐述频率产生及同步，但在可容忍较大量之频率跳动(例如，高达大约300ps)之其他实施例中可使用替代设备。在某些实施方案中，脉冲放大级中之放大器可经驱动至饱和中以提供上升边缘触发信号。频率之触发点可设定在上升边缘上之某一值处。由于放大器饱和，因此脉冲振幅之变化对触发定时具有比非饱和放大器小之效应。上升边缘可用于使覆晶时控电路(诸如场可程序化门阵列(FPGA)中所实施之彼等)双态切换。来自饱和放大器之返回至零之下降边缘可取决于自饱和释放放大器之输出之时间而具有明显更多之定时可变性。然而，下降边缘未由覆晶时控电路侦测到且对时控不具有效应。
诸多FPGA包含可替代PLL用于将稳定振荡器锁定至来自覆晶之雷射产生之时控信号的数字延迟锁定回路(DLL)。在某些实施例中，接收覆晶将来自光学脉冲串之时钟速率除以2，此可在二分之一之脉冲重复速率下将50％工作循环频率信号提供至DLL。DLL可经组态以产生将与光学脉冲串同步之经倍频频率。额外经同步较高频率频率亦可由DLL及FPGA产生。
根据某些实施例，在图5-3中绘示用于系统控制之系统电路之实例。泵模块控制电路5-300可组装在PCB上且安装至紧密的锁模雷射模块1-108(例如，安装在图2-1中所展示之模块1-108之背侧上)。泵模块控制电路5-300可与系统板5-320及安装在雷射模块1-108上之频率产生与雷射感测电路5-350(例如，PCB 2-190)介接。在某些实施方案中，泵模块控制电路5-300及频率产生与雷射感测电路5-350可组装在同一PCB上。在其他实施方案中，泵模块控制电路5-300、频率产生与雷射感测电路5-350及系统控制电路可组装在同一PCB上，使得不使用单独系统板5-320。
系统板5-320可包含协调其中安装有雷射模块1-108之系统之操作之中央处理器(例如，微控制器或微处理器)。系统板5-320可进一步包含功率分配电路及数据处置电路(例如，内存、收发器、网络接口板等)。
在某些实施例中，泵模块控制电路5-300可包含经组态以将电流供应至用于泵激增益介质1-105之雷射二极管4-130的电流源5-332。根据某些实施例，可经由系统板5-320控制电流源5-332。泵模块控制电路5-300可进一步包含可连接至雷射二极管4-130上之温度传感器或热阻器(未展示)之温度感测电路5-341。来自温度感测电路5-341之输出可提供至温度控制电路5-343，温度控制电路5-343可驱动其上安装有雷射二极管4-130之TEC 4-160。根据某些实施例，温度控制器可自系统板5-320接收用于调整及/或稳定化雷射二极管4-130之温度之控制信号。
在某些实施方案中，泵模块控制电路5-300可包含一或多个致动器控制电路(两个经展示)5-351、5-352。该等致动器控制电路可自系统板5-320接收控制信号以操作位于锁模雷射模块1-108上之一或多个致动器。举例而言，第一致动器控制电路5-351可经组态以操作使雷射窗2-128在锁模雷射1-110之雷射腔中旋转之第一致动器2-162。该第一致动器之操作可调整腔对准且用于改良雷射1-110之锁模。举例而言，第二致动器控制电路5-352可经组态以操作使半波板2-160在雷射模块1-108上旋转之第二致动器2-162。举例而言，半波板2-160之旋转可用于控制转换为经倍频波长之雷射功率量。
根据某些实施例，可在系统板5-320上基于来自频率产生与雷射感测电路5-350之输出而计算用于致动器电路5-351、5-352之控制信号。来自频率产生与雷射感测电路5-350之输出可由基谐传感器电路5-311(其可包含或连接至经组态以感测来自雷射1-110之基谐波长λ1之光电二极管2-154)、经倍频传感器电路5-312(其可包含或连接至经组态以感测自雷射之输出脉冲产生之经倍频波长λ2之光电二极管2-182)及二极管泵传感器电路5-313(其可包含或连接至经组态以感测用于激发雷射1-110中之增益介质1-105之泵波长λp之光电二极管2-116)产生。因此，对锁模雷射1-110及经倍频输出功率之反馈控制可藉由感测雷射操作及输出参数且经由校正或改良锁模雷射模块1-108之操作之致动器电路5-351、5-352施加信号而实施。将了解，某些实施例可包含额外传感器电路及/或用于控制紧密的锁模雷射模块1-108上之相同及/或额外组件之额外致动器控制电路。
所阐述技术之实施例包含以下组态及方法。
(1)一种锁模雷射模块，其包括：基底底盘；锁模雷射，其具有组装在该基底底盘上之雷射腔；及增益介质，其位于该雷射腔中且在该锁模雷射产生光学脉冲时展现介于1屈亮度与15屈亮度之间的正热透镜化值。
(2)如组态(1)之锁模雷射模块，其进一步包括经配置以用泵束激发该增益介质之雷射二极管，其中在该增益介质中对该泵束之吸收导致热透镜化。
(3)如组态(1)或(2)之锁模雷射模块，其中该增益介质包括安置在座架中且不具有主动冷却之固态晶体。
(4)如组态(2)或(3)之锁模雷射模块，其中该锁模雷射针对由于该泵束之光学功率之改变而在自8屈亮度至12屈亮度之范围内变化之热透镜化值在不对该雷射腔进行机械调整之情况下稳定地产生光学脉冲。
(5)如组态(1)至(4)中任一项之锁模雷射模块，其中该锁模雷射针对由于该泵束之光学功率之改变而在自1屈亮度至15屈亮度之范围内变化之热透镜化值稳定地产生光学脉冲。
(6)如组态(5)之锁模雷射模块，其中该泵束之该光学功率之该等改变介于2瓦与10瓦之间且来自该锁模雷射模块之平均输出光学功率介于350毫瓦与3.5瓦之间。
(7)如组态(1)至(6)中任一项之锁模雷射模块，其中该等光学脉冲之脉冲重复速率介于50MHz与200MHz之间且该基底底盘之最大边缘长度不大于350mm。
(8)如组态(1)至(7)中任一项之锁模雷射模块，其中该等光学脉冲之脉冲重复速率介于50MHz与200MHz之间，并且其中该模块具有最大边缘长度量测为不大于350mm且厚度量测为不大于40mm之板条形式，且该模块之重量不多于2千克。
(9)如组态(1)至(8)中任一项之锁模雷射模块，其中该等光学脉冲之脉冲重复速率介于50MHz与200Mhz之间且其中由该锁模雷射模块占据之最大体积不大于0.1立方英尺。
(10)如组态(1)至(9)中任一项之锁模雷射模块，其中该等光学脉冲之半高全宽脉冲宽度介于9皮秒与38皮秒之间。
(11)如组态(1)至(10)中任一项之锁模雷射模块，其中该增益晶体包括钒酸钕(Nd3+:YVO4)。
(12)如组态(1)至(11)中任一项之锁模雷射模块，其进一步包括跨越该底盘对角地延伸之增加该底盘之抗扭劲度之对角肋，其中该雷射腔之腔内光束穿过该对角肋中之多个开口。
(13)如组态(1)至(12)中任一项之锁模雷射模块，其进一步包括安装在该雷射腔之端处之板上之可饱和吸收镜，其中该板经组态而以仅两个自由度来调整，该两个自由度不包含相对于该雷射腔之入射于该可饱和吸收镜上之腔内光束之光学轴线进行之角度调整。
(14)如组态(13)之锁模雷射模块，其中该板包括具有金属涂层之印刷电路板或该板包括金属板。
(15)如组态(13)或(14)之锁模雷射模块，其中该腔内光束在该增益介质内之第一光束腰宽介于100微米与150微米之间且该腔内光束在该可饱和吸收器处之第二光束腰宽介于75微米与125微米之间。
(16)如组态(13)至(15)中任一项之锁模雷射模块，其进一步包括：第一聚焦光学器件，其位于该雷射腔内；及雷射窗或光学平板，其位于该雷射腔内，其中该第一聚焦光学器件及该雷射窗或光学平板经配置以藉由使该雷射窗或光学平板旋转而调整该腔内光束在该可饱和吸收镜上之入射角。
(17)如组态(13)至(16)中任一项之锁模雷射模块，其进一步包括位于该雷射腔内在该增益介质与该可饱和吸收镜之间的腔长度延长区域，其中该腔长度延长区域使该腔内光束折迭至少四次。
(18)如组态(17)之锁模雷射模块，其中该腔长度延长区域包括：第一反射器；及第二聚焦反射器，其位于该可饱和吸收镜与该增益介质之间，其中该第一反射器及该第二聚焦反射器使该腔内光束在连续反射时折迭三次。
(19)如组态(17)或(18)之锁模雷射模块，其中该腔长度延长区域包括使该腔内光束折迭多次之第一反射器。
(20)如组态(1)至(15)中任一项之锁模雷射模块，其进一步包括：输出耦合器，其位于该雷射腔之第一端处；可饱和吸收镜，其位于该雷射腔之第二端处；第一聚焦光学器件，其位于该雷射腔内在该增益介质与该可饱和吸收镜之间；及第二聚焦光学器件，其位于该雷射腔内在该第一聚焦光学器件与该可饱和吸收镜之间。
(21)如组态(20)之锁模雷射模块，其中该第一聚焦光学器件与该第二聚焦光学器件之间的腔内光束基本上经准直。
(22)如组态(20)或(21)之锁模雷射模块，其中该第一聚焦光学器件之焦距介于240mm与260mm之间且该第二聚焦光学器件之焦距介于240mm与260mm之间。
(23)如组态(20)至(22)中任一项之锁模雷射模块，其中该输出耦合器被定位成与该第一聚焦光学器件之距离介于280mm与300mm之间且该增益介质被定位成与该输出耦合器之距离介于4mm与8mm之间。
(24)如组态(1)至(23)中任一项之锁模雷射模块，其进一步包括位于该雷射腔内之仅一个镜，以在该锁模雷射操作时提供对该一个镜之角度调整。
(25)如组态(1)至(24)中任一项之锁模雷射模块，其进一步包括安装在该底盘上且经配置以使来自该雷射腔之输出光束之频率加倍之倍频晶体。
(26)一种锁模雷射模块，其包括：基底底盘；锁模雷射，其具有组装在该基底底盘上之雷射腔；输出耦合器，其安装在该雷射腔之第一端处之第一座架上，其中该第一座架不提供相对于入射于该输出耦合器上之腔内光束之光学轴线对该输出耦合器之角度调整；可饱和吸收镜，其安装在该雷射腔之第二端处之第二座架上，其中该第二座架不提供相对于入射于该可饱和吸收镜上之该腔内光束之该光学轴线对该可饱和吸收镜之角度调整；及增益介质，其位于该锁模雷射与该输出耦合器之间。
组态(26)可包含来自组态(2)至(25)中任一项之一或多个态样及特征。
(27)一种锁模雷射模块，其包括：基底底盘；输出耦合器及第一聚焦光学器件，其安装于该基底底盘上；可饱和吸收镜及第二聚焦光学器件，其安装于该基底底盘上，其中该输出耦合器及该可饱和吸收镜包括用于锁模雷射之雷射腔之端镜；增益介质，其沿着腔内光束之光学轴线位于该雷射腔内；及腔长度延长区域，其包括位于该输出耦合器与该可饱和吸收镜之间的两个反射器，其中该两个反射器将该腔内光束折迭多于两次。
组态(27)可包含来自组态(2)至(25)中任一项之一或多个态样及特征。
(28)一种锁模雷射模块，其包括：基底底盘；锁模雷射，其具有经组态而以介于50MHz与200MHz之间的脉冲重复速率操作之第一雷射腔，其中该锁模雷射组装在该基底底盘上；该第一雷射腔之第一端镜，其位于该第一雷射腔之第一端处；该第一雷射腔之第二端镜，其位于该第一雷射腔之第二端处；及增益介质，其位于该第一雷射腔内，其中该增益介质经组态以在以该第一雷射腔之操作功率经泵激时展现热透镜化，其中该热透镜化支持在形成于该第一雷射腔内之第二雷射腔中发出雷射，该第二雷射腔小于该第一雷射腔之长度之二分之一且包含该第一端镜及在该第一雷射腔中安装在该基底底盘上之第三端镜。
组态(28)可包含来自组态(2)至(25)中任一项之一或多个态样及特征。
(29)一种操作锁模雷射之方法，该方法包括如下动作：用光学泵束泵激雷射腔之增益介质，使得该增益介质展现屈亮度值范围介于8屈亮度与12屈亮度之间的热透镜化；使腔内光束自在该雷射腔之第一端处之输出耦合器及在该雷射腔之第二端处之可饱和吸收镜反射；及在该屈亮度值范围内产生稳定光学脉冲之输出。
(30)如(29)之方法，其进一步包括泵激该雷射腔之该增益介质，使得该增益介质展现屈亮度值范围介于1屈亮度与15屈亮度之间的热透镜化。
(31)如(29)或(30)之方法，其进一步包括藉由调谐该光学泵束之波长而调整该热透镜化之量。
(32)如(29)至(31)中任一项之方法，其进一步包括使该腔内光束自位于该增益介质与该可饱和吸收镜之间的第一聚焦反射器及第二聚焦反射器反射。
(33)如(32)之方法，其进一步包括在不相对于支撑该增益介质、该输出耦合器及该可饱和吸收镜之底盘调整该可饱和吸收镜之定向角度之情况下调整该腔内光束在该可饱和吸收镜上之入射角。
(34)如(29)至(33)中任一项之方法，其进一步包括使该腔内光束自位于该增益介质与该可饱和吸收镜之间的复数个镜反射以延长该雷射腔之长度。
(35)如(34)之方法，其进一步包括使该腔内光束在紧连反射时在该复数个镜中之两个镜之间反射多于两次。
(36)如(34)或(35)之方法，其进一步包括将孔隙应用于该腔内光束以抑制更高阶模式。
(37)如(29)至(36)中任一项之方法，其中该等光学脉冲具有介于50MHz与200MHz之间的脉冲重复速率，且上面安装有该输出耦合器及该可饱和吸收镜之底盘具有不大于350mm之最大边缘尺寸。
(38)如(29)至(37)中任一项之方法，其中泵激该增益介质包括将介于2瓦与10瓦之间的光学功率提供至该增益介质且来自该锁模雷射模块之平均输出功率介于350毫瓦与3.5瓦之间。
(39)如(29)至(38)中任一项之方法，其中该等光学脉冲之半高全宽脉冲宽度介于9皮秒与38皮秒之间。
Ⅳ.总结
在如此阐述锁模雷射之数个实施例之数个态样之后，应了解，
熟习此项技术者将容易想出各种变更、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于此类实施例或实例。相反，本发明教示囊括各种替代方案、修改及等效形式，如所属领域的技术人员将了解。
举例而言，实施例可经修改以在雷射腔中包含比上文所阐述的多或少之光学组件。此外，雷射腔组态可不同于所展示之彼等雷射腔组态，其中某些雷射腔在光学路径中具有更多或更少转弯或折迭。
虽然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或若干具体应用。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具体发明性实施例之诸多等效内容。因此，应理解，前述实施例仅系以实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，可不同于所具体阐述及主张来实施发明性实施例。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，且不应解释为限制以任何方式阐述之目标物。
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中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“毗邻”可系指彼此紧密接近地配置之两个组件(例如，在小于两个组件中之较大组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，毗邻组件之间可存在介入结构或层。在某些情形中，毗邻组件可在不具有介入结构或组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组件中之“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组件。以“及/或”列示之多个组件应以相同方式来理解，即，如此结合之组件中之“一或多者”。可视情况存在除由“及/或”从句特定识别之组件以外的其他组件，无论与特定识别之彼等组件相关还是不相关。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以外之组件)；在另一实施例中，系指仅B(视情况包含除A以外之组件)；在再一实施例中，系指A及B两者(视情况包含其他组件)；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，包含若干组件或组件列表中之至少一者(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”在申请专利范围中使用将系指包含若干组件或组件列表中之恰好一个组件。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以外之组件)；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以外之组件)；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(且视情况包含其他组件)；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组件，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 (10)

1.一种锁模雷射模块，其包括：
基底底盘；
锁模雷射，其具有组装在该基底底盘上之雷射腔；及
增益介质，其位于该雷射腔中且在该锁模雷射产生光学脉冲时展现介于1屈亮度与15屈亮度之间的正热透镜化值。
2.根据权利要求1所述的锁模雷射模块，其进一步包括经配置以用泵束激发该增益介质之雷射二极管，其中在该增益介质中对该泵束之吸收导致热透镜化。
3.根据权利要求1所述的锁模雷射模块，其中该增益介质包括安置在座架中且不具有主动冷却之固态晶体。
4.根据权利要求2所述的锁模雷射模块，其中该锁模雷射针对由于该泵束之光学功率之改变而在自8屈亮度至12屈亮度之范围内变化之热透镜化值，在不对该雷射腔进行机械调整之情况下稳定地产生光学脉冲。
5.根据权利要求2所述的锁模雷射模块，其中该锁模雷射针对由于该泵束之光学功率之改变而在自1屈亮度至15屈亮度之范围内变化之热透镜化值稳定地产生光学脉冲。
6.根据权利要求5所述的锁模雷射模块，其中该泵束之该光学功率之该改变介于2瓦与10瓦之间，且来自该锁模雷射模块之平均输出光学功率介于350毫瓦与3.5瓦之间。
7.根据权利要求1所述的锁模雷射模块，其中该光学脉冲之脉冲重复速率介于50MHz与200MHz之间，且该基底底盘之最大边缘长度不大于350mm。
8.根据权利要求1所述的锁模雷射模块，其中该光学脉冲之脉冲重复速率介于50MHz与200MHz之间，并且其中该模块具有最大边缘长度量测为不大于350mm且厚度量测为不大于40mm之板条形式，且该模块之重量不多于2千克。
9.根据权利要求1所述的锁模雷射模块，其中该光学脉冲之脉冲重复速率介于50MHz与200Mhz之间，且其中由该锁模雷射模块占据之最大体积不大于0.1立方英尺。
10.根据权利要求1所述的锁模雷射模块，其中该光学脉冲之半高全宽脉冲宽度介于9皮秒与38皮秒之间。
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