CN115296137A - 脉冲激光器及生物分析系统 - Google Patents

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杰森·W·希克勒
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F·艾哈迈德
保罗·E·格伦
杰克·朱厄尔
J·格伦
J·卡马拉
杰里米·克里斯托弗·乔丹
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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脉冲(1‑110)的设备及方法。高功率固态被动锁模激光器(1‑110)可制造成紧凑型模块，该紧凑型模块可并入至便携式仪器中以用于生物或化学分析。脉冲激光器可以以与电子数据采集速率相称的重复率产生亚100皮秒(ps)光脉冲。该光脉冲可激发该仪器的反应室中的样本，且用于产生操作该仪器的信号获取及信号处理电子器件的参考时钟。

Description

脉冲激光器及生物分析系统
本申请是申请日为2016年5月20日、申请号为2016800431349、发明名称为“脉冲激光器及生物分析系统”的申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请主张以下申请的优先权：2015年5月20日提出申请的标题为“脉冲激光器(Pulsed Laser)”的美国临时申请第62/164,485号，2016年3月18日提出申请的标题为“脉冲激光器和系统(Pulsed Laser and System)”的美国临时申请案第62/310,398号，2015年8月7日提出申请的标题为“用于对接收的光子进行时间分仓的集成器件(IntegratedDevice for Temporal Binning of Received Photons)”的美国申请案第14/821,656号，2015年8月7日提出申请的标题为“用于探测、检测和分析分子的集成器件(IntegratedDevice for Probing,Detecting and Analyzing Molecules)”的美国申请案第14/821,688号，2015年5月20日提出申请的标题为“核酸序列分析的方法(Methods for NucleicAcid Sequencing)”的美国临时申请案第62/164,482号，及2016年1月29日提出申请的之标题为“摩擦传动机电马达(Friction-Drive Electromechanical Motor)”的美国临时申请案第62/289,019号。前述申请中的每一个皆以其全文引用的方式并入本申请中。
技术领域
本申请涉及用于产生光脉冲的设备及方法以及用于使用该光脉冲来分析化学及生物样品的仪器。
背景技术
超短光脉冲(即，小于约100皮秒的光脉冲)在各种研究及开发领域中以及涉及时域分析的商业应用中是有用的。举例而言，超短光脉冲对于以下各项可能是有用的：时域光谱法、光学测距、时域成像(TDI)、光学相干断层扫描(OCT，Optical CoherenceTomography)、荧光寿命成像(FLI)以及用于基因测序的寿命分辨荧光检测。超短脉冲也可以用于包含光学通信系统的商业应用系统、医学应用及光电子装置的测试。
已经开发了用于产生超短光脉冲的常用的锁模激光器，且目前商业上可以获得多种此等激光器。举例而言，已经开发了用于递送具有远低于200飞秒的持续时间的脉冲的某些固态激光器及光纤激光器已。然而，对于某些应用，此等脉冲持续时间可能比所需要的脉冲持续时间短，且此等激光器系统的成本对于特定应用来说是价格高昂的。另外，此等激光器系统可以是独立系统，其具有一定大小的占地面积(例如，大约1ft2的量级或更大)且并非是易于携带的或作为模块并入至其他便携式系统中。
发明内容
本文中所阐述的技术是关于产生超短光脉冲的设备及方法。阐述了一种锁模激光器系统，该锁模激光器系统可实施为能够以100MHz脉冲重复率产生亚100皮秒脉冲的紧凑型低成本激光器。该等光脉冲可被递送至化学或生物分析系统的反应室。可以以电子方式检测来自该激光器的光脉冲且可以处理信号以产生用于与系统的数据采集电子器件同步且驱动该数据采集电子器件的电子时钟信号。发明者已认识并了解到，紧凑型低成本脉冲激光器系统可并入至仪器(例如，时差测距成像仪器、利用寿命分辨荧光检测的生物分析仪器、基因测序仪器、光学相干断层扫描仪器等)中，且可允许此仪器变为易于携带的并且相对于需要超短脉冲激光器的常用仪器的情形以明显低的成本来产生。高便携性可以使此等仪器对研究、开发、临床使用、现场部署及商业应用更有用。
某些实施例是关于一种锁模激光器，其包括：基底板，具有不大于350mm的最大边缘长度；增益介质，安装于所述基底板上；第一端镜，安装于位于激光器腔的第一端部处的所述基底板上；以及可饱和吸收器镜，安装于所述基底板上且形成所述激光器腔的第二端镜，其中所述锁模激光器配置为藉由被动锁模而以介于50MHz与200MHz之间的重复率来产生光脉冲。
某些实施例是关于一种用于对DNA测序的方法。该方法可包括以下动作：产生处于单一特征波长的脉冲激发能量；将所述脉冲激发能量朝向生物光电子芯片引导，其中所述生物光电子芯片支持将核苷酸或核苷酸类似物依序并入至与靶核酸互补的生长链中；接收表示荧光发射的信号，所述荧光发射由处于所述单一特征波长的脉冲激发能量所诱发，其中所述信号对应于核苷酸或核苷酸类似物至所述生长链中的所述依序并入；以及处理所接收的信号以判定并入至所述生长链中的四种不同核苷酸或核苷酸类似物的身份。
某些实施例是关于一种生物分析仪器，其包括：脉冲激光器系统，配置为产生处于单一特征波长的光激发脉冲；容座，用于接纳生物光电子芯片且与所述生物光电子芯片形成电连接和光学耦合，其中所述生物光电子芯片支持将核苷酸或核苷酸类似物依序并入至与靶核酸互补的生长链中；光束转向光学器件，布置成将所述激发脉冲朝向所述容座引导；以及信号处理器，配置为接收表示由处于所述单一特征波长的激发脉冲诱发的荧光发射的信号，且处理所接收的信号以判定并入至所述生长链中的四种不同核苷酸或核苷酸类似物的身份，其中所述所接收的信号对应于核苷酸或核苷酸类似物至所述生长链中的所述依序并入。
某些实施例是关于生物分析仪器，其包括：激光器，配置为产生处于单一特征波长的脉冲激发能量；以及时钟生成电路，配置为使来自电子或机电振荡器的第一时钟信号与因检测来自所述激光器的光脉冲而产生的第二时钟信号同步，且提供同步的所述第一时钟信号以对所述生物分析仪器所进行的数据采集进行定时。
某些实施例是关于一种系统，其包括：脉冲激光器；连续波激光器；第一非线性光学组件；以及第二非线性光学组件，其中所述系统配置为产生自所述第一非线性光学组件产生的处于第一特征波长的第一脉冲串及来自所述第二非线性光学组件的处于第二特征波长的第二脉冲串。
某些实施例是关于一种提供同步光脉冲的方法。该方法可包含以下动作：在第一特征波长下操作第一脉冲激光器；在第二特征波长下操作连续波激光器；将来自所述脉冲激光器的第一脉冲串耦合至所述连续波激光器的激光器腔中；以及在所述连续波激光器的激光器腔中产生处于第三特征波长的第二脉冲串。
某些实施例是关于一种系统，其包括：第一脉冲激光器；第二脉冲激光器；第一非线性光学组件；以及第二非线性光学组件，其中所述系统配置为产生由所述第一非线性光学组件产生的处于第一特征波长的第一脉冲串以及由所述第二非线性光学组件藉由和频产生得到的处于第二特征波长的第二脉冲串。
某些实施例是关于一种提供同步光脉冲的方法。该方法可包含以下动作：在第一特征波长下操作第一脉冲激光器；在第二特征波长下操作第二脉冲激光器；使所述第一脉冲激光器与所述第二脉冲激光器同步；使来自所述第一脉冲激光器的脉冲频率加倍以产生处于第三特征波长的第一脉冲串；将来自所述第一脉冲激光器及所述第二脉冲激光器的脉冲耦合至非线性光学组件中；以及藉由和频产生而产生处于第四特征波长的第二脉冲串。
某些实施例是关于一种系统，其包括：第一脉冲激光器；以及第二脉冲激光器，包含腔内可饱和吸收器镜，其中所述系统配置为将来自所述第一脉冲激光器的脉冲引导至所述第二脉冲激光器的可饱和吸收器镜上。
某些实施例是关于一种用于对两个激光器进行锁模的方法。该方法可包含以下动作：在第一特征波长下操作第一脉冲激光器；以及将来自所述第一脉冲激光器的脉冲串耦合至第二脉冲激光器的激光器腔中的可饱和吸收器镜上。
某些实施例是关于一种脉冲激光器系统，其包括：第一锁模激光器，具有第一激光器腔，所述第一锁模激光器配置为以第一重复率产生具有第一特征波长的脉冲；第二激光器，具有第二激光器腔，所述第二激光器配置为产生连续波辐射；非线性光学组件，处于所述第二激光器腔内；以及光学组件，将来自所述第一锁模激光器的输出引导至所述非线性光学组件中。
某些实施例是关于一种产生处于多个特征波长的光脉冲的方法。该方法可包含以下动作：在具有第一激光器腔的第一锁模激光器中产生处于第一特征波长的光脉冲；以连续波模式在第二特征波长下操作具有第二激光器腔的第二激光器；将来自所述第一锁模激光器的脉冲注入至所述第二激光器腔中的非线性光学组件中；以及在所述非线性光学组件中藉由和频产生而产生处于第三特征波长的光脉冲。
某些实施例是关于一种脉冲激光器，其包括：基底结构；二极管泵源，安装于所述基底结构内；以及激光器腔，处于所述基底结构内，所述激光器腔包含增益介质且配置为产生光脉冲，其中所述二极管泵源及所述增益介质各自安装于与所述基底结构部分地热隔离且机械隔离的平台上。
可结合附图从以下描述中更完全地理解本发明教导的前述及其他方面、实施方案、动作、功能性、特征及实施例。
附图说明
本领域技术人员应该理解的是，本文中所阐述的各附图仅是出于说明的目的。应理解的是，在某些示例中，本发明的各个方面可以夸大或放大地示出以便于理解本发明。在附图中，相似附图标号一般而言是指相似的特征、遍及各个附图中的功能上类似和/或结构上类似的组件。附图未必按比例绘制，相反，附图着重于说明教导的原理。附图并不意欲以任何方式限制本发明教导的范围。
图1-1A是根据某些实施例的分析仪器的框图绘示。
图1-1B绘示了根据某些实施例的并入至分析仪器中的脉冲激光器。
图1-2绘示了根据某些实施例的一串光脉冲。
图1-3绘示了根据某些实施例的平行反应室及每一室的相应检测器的实例，该等平行反应室可经由一或多个波导藉由脉冲激光器而进行光激发。
图1-4说明了根据某些实施例的由波导进行的反应室的光激发。
图1-5绘示了根据某些实施例的集成反应室、光学波导及时间分仓(time-binning)光电探测器的其他细节。
图1-6绘示了根据某些实施例的可发生于反应室内的生物反应的实例。
图1-7绘示了具有不同衰变特性的两个不同荧光团的发射概率曲线。
图1-8绘示了根据某些实施例的荧光发射的时间分仓检测。
图1-9绘示了根据某些实施例的时间分仓光电探测器。
图1-10A绘示了根据某些实施例的样本的荧光发射的脉冲激发及时间分仓检测。
图1-10B绘示了根据某些实施例的在样本的重复脉冲激发之后各种时间仓(bin)中累积的荧光光子计数的直方图。
图1-11A至图1-11D绘示了根据某些实施例的可对应于四种核苷酸(T、A、C、G)或核苷酸类似物的不同直方图。
图2-1A绘示了根据某些实施例的脉冲激光器系统。
图2-1B绘示了根据某些实施例的并入至便携式仪器中的脉冲激光器系统。
图2-2A绘示了根据某些实施例的集成光学底座。
图2-2B绘示了根据某些实施例的安装于集成光学底座中的光学器件。
图3-1绘示了根据某些实施例的二极管泵浦固态锁模激光器。
图3-2A至图3-2D绘示了根据某些实施方案的可作为激光器腔的一部分而并入的光路长度延伸器的各种实施例。
图3-3A绘示了根据某些实施例的二极管泵浦固态锁模激光器，其中，频率加倍(倍频)是在激光器腔外部进行的。
图3-3B绘示了根据某些实施例的二极管泵浦固态非线性镜锁模激光器。
图3-3C绘示了根据某些实施例的二极管泵浦固态多波长锁模激光器。
图3-4A绘示了根据某些实施方案的可饱和吸收器镜的一部分。
图3-4B绘示了根据某些实施例的图3-4A的可饱和吸收器镜的带隙图。
图3-4C说明了根据某些实施例的可饱和吸收器镜中量子阱吸收器的位置处的强度量变曲线。
图3-5A绘示了根据某些实施例的多波长锁模激光器的输出耦合器。
图3-5B绘示了根据某些实施例的多波长锁模激光器的输出耦合器。
图3-6说明了根据某些实施例的增益介质或可用于紧凑型锁模激光器的其他高功率光学组件的底座。
图3-7A在平面图中绘示了根据某些实施例的用于安装增益介质或安装可以用于紧凑型锁模激光器的其他高功率光学系统的平台。
图3-7B及图3-7C绘示了根据某些实施例的图3-7A所示的平台的正视图。
图3-8A绘示了根据某些实施例的用于产生两个波长的同步脉冲串的双激光器系统，在该双激光器系统中，一个激光器以连续波模式运行。
图3-8B绘示了根据某些实施例的用于产生两个波长的同步脉冲串的双激光器系统，在该双激光器系统中，一个激光器以连续波模式运行。
图3-9绘示了根据某些实施例的用于产生两个波长的同步脉冲串的双激光器系统，在该双激光器系统中，一个激光器使第二激光器的可饱和吸收器被部分地漂白(bleach)。
图3-10绘示了根据某些实施例的用于控制同步激光器系统中的激光器腔长度的机电控制电路。
图4-1及图4-2绘示了根据某些实施例的锁模激光器二极管。
图4-3绘示了根据某些实施方案的包含一定长度的光纤以作为光学延迟组件的锁模激光器二极管。
图5-1至图5-3绘示了根据某些实施例的锁模光纤激光器。
图6-1A说明了根据某些实施例的用于增益切换(gain switching)的光学泵及输出脉冲。
图6-1B说明了根据某些实施例的松弛振荡。
图6-1C绘示了根据某些实施例的示出了拖尾的光输出脉冲。
图6-2A绘示了根据某些实施例的脉冲半导体激光器二极管。
图6-2B绘示了根据一个实施例的用于对激光器二极管或发光二极管施加脉冲的脉冲器电路示意图。
图6-2C说明了根据某些实施例对递送至激光器二极管的电流进行的改良。
图6-3绘示了根据某些实施例的用于对激光器二极管进行增益切换的驱动波形。
图6-4A绘示了在某些实施例中用于驱动激光器二极管或发光二极管的脉冲器电路。
图6-4B绘示了根据某些实施例的用于驱动激光器二极管或发光二极管的脉冲器电路示意图。
图6-4C绘示了根据某些实施例的用于驱动激光器二极管或发光二极管的脉冲器电路示意图。
图6-4D绘示了根据某些实施例的用于对激光器二极管或发光二极管施加脉冲的RF驱动器。
图6-4E说明了根据某些实施例的由图6-4D的电路产生的驱动波形。
图6-4F绘示了根据某些实施例的用于对激光器二极管或发光二极管施加脉冲的RF驱动器。
图6-4G说明了根据某些实施例的由图6-4F的电路产生的驱动波形。
图6-4H绘示了根据某些实施例的用于驱动激光器二极管或发光二极管的脉冲器电路示意图。
图6-4I说明了根据某些实施例的耦合至激光器二极管的功率的效率。
图6-4J绘示了根据某些实施例的用于对来自激光器二极管或发光二极管的光发射施加脉冲的脉冲器及驱动器电路。
图6-4K绘示了根据某些实施例的用于产生一串脉冲的脉冲器电路。
图6-4L说明了根据某些实施例的至脉冲器电路中的逻辑门的数据输入。
图6-4M绘示了根据某些实施例的用于用电脉冲驱动激光器二极管或发光二极管的驱动器电路。
图6-5A绘示了根据某些实施例的用于对激光器二极管进行增益切换的脉冲器电路。
图6-5B说明了根据某些实施例的来自脉冲器电路的驱动电压。
图6-5C及图6-5D说明了根据某些实施例的由增益开关(增益切换)激光器二极管产生的超快光脉冲的示例性测量。
图6-6A绘示了根据某些实施例的可以进行增益切换或调Q的板坯耦合光学波导半导体激光器。
图6-6B说明了根据某些实施例的板坯耦合光学波导激光器中的光学模式量变曲线。
图6-6C绘示了根据某些实施例的集成增益开关半导体激光器及耦合可饱和吸收器。
图7-1A绘示了根据某些实施例的配置为由连续波激光器产生脉冲的光学转换器(开关)阵列。
图7-1B说明了根据某些实施方案的图7-1A所绘示的光学转换器阵列的转换器的驱动波形。
图7-1C绘示了根据某些实施方案的图7-1A所绘示的光学转换器阵列的数个端口中的光强度。
图7-1D说明了根据某些实施方案的图7-1A所绘示的光学转换器阵列的转换器的驱动波形。
图7-1E绘示了根据某些实施方案的图7-1A所绘示的光学转换器阵列的数个端口中的光强度。
图8-1绘示了根据某些实施例的光束转向模块。
图8-2绘示了根据某些实施例的光束转向模块的光学细节。
图8-3根据某些实施例绘示了将脉冲激光器光束对准至芯片上的光学耦合器。
图8-4绘示了根据某些实施例的用于将光脉冲从脉冲激光器耦合至生物光电子芯片的多个波导中的检测及控制电路。
图8-5绘示了根据某些实施例的与将光脉冲从脉冲激光器耦合至生物光电子芯片的多个波导中的方法相关联的动作。
图9-1绘示了根据某些实施例的用于使光脉冲的时序与仪器电子器件同步的系统。
图9-2绘示了根据某些实施例的用于使光脉冲的时序与仪器电子器件同步的系统。
图9-3绘示了根据某些实施例的并入有脉冲光源的分析仪器的时钟生成电路。
图9-4绘示了根据某些实施例的用于使来自两个脉冲源的光脉冲的时序与仪器电子器件同步的系统。
图9-5A绘示了根据某些实施例的用于使来自两个脉冲源的光脉冲的经交错时序与仪器电子器件同步的系统。
图9-5B绘示了根据某些实施例的来自两个脉冲光源的交错同步脉冲串。
图9-6A绘示了根据某些实施例的用于产生处于两个或两个以上波长下的同步脉冲串的双激光器系统。
图9-6B绘示了根据某些实施例的用于产生处于两个波长下的同步脉冲串的双激光器系统。
在结合附图的情况下，依据下文所陈述的详细说明将更明了本发明的特征及优点。当参考附图阐述实施例时，可使用方向性参考(“上方”、“下方”、“顶部”、“底部”、“左侧”、“右侧”、“水平”、“垂直”等)。此等参考仅意欲作为对在正常方向上观看附图的读者的协助。此等方向性参考并不意欲阐述所体现装置的较佳或唯一定向。可以其他方向来体现装置。
具体实施方式
I.介绍
发明者已认识并了解到，常用超短脉冲激光器通常是大的、昂贵的且不适用于诸多移动应用和/或并入至可以适用于成像、测距或生物分析应用的便携式仪器中。因此，发明者已设想了紧凑、超短脉冲激光器系统，该等激光系统可以提供处于选定波长且处于最高达～400毫瓦特(mW)的平均光功率的亚100皮秒脉冲。激光系统可以配置为提供介于约50MHz与约200MHz之间的光脉冲的重复率。在某些实施例中，由脉冲激光器及其光学器件占据的面积可以是约具有约40mm或更小的厚度的A4纸张的大小。在某些实施方案中，脉冲半导体激光器实质上可以小于此大小。
术语“光(optical)”可以指紫外线光谱带、可见光谱带、近红外线光谱带及短波长红外线光谱带。
在某些生物分析应用(诸如基因测序或大规模平行测定)中，紧凑型脉冲激光系统可用于将光激发能量递送至集成至芯片上的多个反应室。根据某些实施方案，芯片上的反应室的数目可介于约10,000与约10,000,000之间，且该等室可含有可以在时间周期内经历多个生物反应的样本。在其他实施方案中，可在芯片上存在更少或更多反应室。根据某些实施例，可用发荧光的一或多个荧光团标记样本或与样本相互作用的分子，或该等样本本身可在受到来自脉冲激光器的光脉冲的激发之后而发荧光。对来自反应室的荧光进行检测及分析提供了关于该等室内的样本的信息。
为制造包含如此大量的反应室且使用多个不同荧光团的便携式仪器，存在多个技术挑战。脉冲激光系统必须是小的且轻量的，且其必须提供足够的光功率来激发所有反应室中的荧光团。另外，必须存在某一方式以用脉冲激光器激发不同荧光团(例如，具有用于DNA测序的不同发射特性的四个荧光团)，且在每一反应室处检测来自荧光团的不同发射特性，使得每一荧光团可与其他荧光团区分开。
概括而言，分析仪器1-100可包括一或多个脉冲激光器1-110，该一或多个脉冲激光器安装于该仪器内或以其他方式耦接至该仪器，如在图1-1A中所绘示。根据某些实施例，脉冲激光器1-110可以是锁模激光器。锁模激光器可以包含位于激光器腔中或耦接至激光器腔的组件(例如，可饱和吸收器、声光调制器、克尔(Kerr)透镜)，该组件诱发激光器的纵向频率模式的相位锁定。在其他实施例中，脉冲激光器1-110可以是增益切换(增益开关)激光器。增益切换激光器可包括调变激光器的增益介质中的光增益的外部调制器。
仪器1-100可以包含光学系统1-115及分析系统1-160。光学系统1-115可以包含一或多个光学组件(例如，透镜、镜、光学滤波器、衰减器)且配置为对来自脉冲激光器1-110的光脉冲1-122进行操作和/或将光脉冲1-122递送至分析系统1-160。分析系统可包含诸多组件，该等组件布置成将光脉冲引导至待分析的至少一个样本，从该至少一个样本接收一或多个光信号(例如，荧光、反向散射辐射)，且产生表示所接收的光信号的一或多个电信号。在某些实施例中，分析系统1-160可包含一或多个光电探测器及配置为处理来自该等光电探测器的电信号的信号处理电子器件(例如，一或多个微控制器、一或多个现场可编程门阵列、一或多个微处理器、一或多个数字信号处理器、逻辑门等)，且也可包含数据传输硬件，该数据传输硬件配置为经由数据通信链路传输并接收去往及来自外部装置的数据。在某些实施例中，分析系统1-160可配置为接纳生物光电子芯片1-140，该生物光电子芯片持有待分析的一或多个样本。
尽管光脉冲1-122绘示为具有单一横向光学模式，但在某些实施例中，来自脉冲激光器1-110的光输出可以是多模式的。举例而言，横向输出光束量变曲线可以由于激光器的多模式操作而具有多个强度峰值及最小值。在某些实施例中，当耦合至分析系统1-160时，多模式输出可以均匀分布(例如，藉由使光学器件漫射)。在某些实施方案中，多模式输出可耦合至分析系统1-160中的多个光纤或波导。举例而言，多模式输出的每一强度峰值皆可耦合至连接至生物光电子芯片1-140的单独波导。允许脉冲激光器以多模状态运行可达成来自脉冲激光器的较高输出功率。
图1-1B绘示了分析仪器1-100的进一步详细实例，该分析仪器包含脉冲激光器1-110，该脉冲激光器可安装至该仪器的仪器底盘或框架1-102。分析仪器可以配置为接纳可移除的封装生物光电子芯片1-140。该芯片可包含多个反应室，布置成将光激发能量递送至反应室的集成光学组件，及布置成检测来自反应室的荧光发射的集成光电探测器。在某些实施方案中，芯片1-140可以是一次性的，然而在其他实施方案中芯片可以是可再用的。当仪器接纳芯片时，该芯片可与脉冲激光器电连通和光学连通且与分析系统1-160电连通和光学连通。
在某些实施例中，生物光电子芯片可安装(例如，经由插座连接)于可包含额外仪器电子器件的电子电路板1-130(诸如印刷电路板(PCB))上。举例而言，PCB 1-130可包含配置为提供至生物光电子芯片1-140的电功率、一或多个时钟信号及控制信号的电路，及布置成接收表示从反应室中检测到的荧光发射的信号的信号处理电路。PCB 1-130也可包含电路，该电路配置为接收与耦合至生物光电子芯片1-140的波导中的光脉冲1-122的光学耦合及功率水平有关的反馈信号。自生物光电子芯片传回的数据可部分地或完全地由仪器处理，但在某些实施方案中，数据也可经由网络连接而传输至一或多个远程数据处理器。
根据某些实施例，超短脉冲激光器1-110可包括增益介质1-105(在某些实施例中其可以是固态材料)、用于激发增益介质的泵源(例如，激光器二极管，未展示)、输出耦合器1-111及激光器腔端镜1-119。激光器的光学腔可以被输出耦合器及端镜限制。激光器腔的光学轴1-125可具有一或多个折叠(转弯)以增加激光器腔的长度。在某些实施例中，可在激光器腔中存在额外光学组件(未展示)以用于光束整形、波长选择和/或脉冲形成。在某些情形中，端镜1-119可包括可饱和吸收器镜(SAM)，该可饱和吸收器镜诱发纵向腔模式的被动锁模且引起激光器1-110的脉冲操作。
当进行被动锁模时，腔内脉冲1-120可以在端镜1-119与输出耦合器1-111之间循环，且腔内脉冲的一部分可以透射穿过输出耦合器1-111而作为输出脉冲1-122。因此，当腔内脉冲1-120在激光器腔中于输出耦合器1-111与端镜1-119之间来回反弹时，可在输出耦合器处检测到如在图1-2的图中所绘示的一串输出脉冲1-122。
图1-2绘示输出脉冲1-122的时间强度量变曲线。在某些实施例中，所发射脉冲的峰值强度值可以是大致相等的，且量变曲线可具有高斯(Gaussian)时间分布，但也可以是其他量变曲线(诸如sech2量变曲线)。在某些情形中，脉冲可以不具有对称时间量变曲线且可以具有其他时间形状。每一脉冲的持续时间可藉由半峰全宽(FWHM)值来表征，如在图1-2中所指示。根据脉冲激光器的某些实施例，超短光脉冲可具有小于100皮秒(ps)的FWHM值。在某些情形中，FWHM值可以小于30ps。
各输出脉冲1-122可以被规则间隔T分离。在某些实施例中(例如，针对锁模激光器)，可藉由在输出耦合器1-111与腔端镜1-119之间的往返行进时间而判定T。根据某些实施例，脉冲分离间隔T可介于约1ns与约30ns之间。在某些情形中，脉冲分离间隔T可介于约5ns与约20ns之间，对应于介于约0.7米与约3米之间的激光器腔长度(位于激光器腔内的光学轴1-125的近似长度)。
根据某些实施例，可结合芯片1-140上的反应室的数目、荧光发射特性及用于从生物光电子芯片1-140读取数据的数据处置电路的速度来判定所要的脉冲分离间隔T及激光器腔长度。发明者已认识并了解到，可藉由荧光团的不同荧光衰变速率而区分不同荧光团。因此，需要存在充分的脉冲分离间隔T以收集选定荧光团的充足统计资料，以便在其不同衰变速率之间加以区分。另外，若脉冲分离间隔T过短，则数据处置电路无法跟上正由大量反应室收集的大量资料。发明者已认识并了解到，介于约5ns与约20ns之间的脉冲分离间隔T适合于具有最高达约2ns的衰变速率的荧光团且适合于处置来自介于约60,000个与600,000个之间的反应室的数据。
根据某些实施方案，光束转向模块1-150可自脉冲激光器1-110接收输出脉冲且配置为调整到生物光电子芯片1-140的光学耦合器上的光脉冲的位置及入射角。根据某些实施例，可由光束转向模块1-150对来自脉冲激光器的输出脉冲进行操作，该光束转向模块配置为将输出脉冲的光束对准至生物光电子芯片1-140上的光学耦合器。光束转向模块可以为光学耦合器处的光学光束提供位置及入射角调整。在某些实施方案中，光束转向模块可以进一步提供输出脉冲的光束至光学耦合器上的聚焦。
参考图1-3，输出脉冲1-122可以耦合至生物光电子芯片上的一或多个光学波导1-312中。在某些实施例中，光脉冲可以经由光栅耦合器1-310耦合至一或多个波导，但在某些实施例中也可以使用至生物光电子芯片上的光学波导的端部的耦合。根据某些实施例，四象限检测器1-320可以位于半导体基板1-305(例如，硅基板)上以用于协助将光脉冲1-122的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可以集成在相同的半导体基板上，其中，在基板、波导、反应室及光电探测器1-322之间介入介电层(例如，二氧化硅层)。
每一波导1-312可包含位于反应室1-330下方的锥形部1-315以均衡沿波导耦合至反应室的光功率。减少锥度可以迫使更多光能量在波导芯的外部，从而增加至反应室的耦合且补偿沿着波导的光损耗(包含耦合至反应室中的光的损耗)。第二光栅耦合器1-317可位于每一波导的端部处，以将光能量引导至集成光电二极管1-324。集成光电二极管可以(举例而言)检测沿波导向下耦合的功率的量且将检测信号提供至控制光束转向模块1-150的反馈电路。
反应室1-330可与波导的锥形部1-315对准且凹入槽1-340中。可以存在对应每一反应室1-330的位于半导体基板1-305上的时间分仓光电探测器1-322。可围绕反应室并在波导上方形成金属涂层和/或多层涂层1-350以防止不在反应室中(例如，分散于反应室上方的溶液中)的荧光团的光激发。金属涂层和/或多层涂层1-350可与被升高而超过槽1-340的边缘，以便在每一波导1-312的输入端及输出端处减少波导中的光能量的吸收损耗。
可在生物光电子芯片1-140上存在多个波导列、反应室及时间分仓光电探测器。举例而言，在某些实施方案中，可存在128个列，每一列具有512个反应室，总共是65,536个反应室。其他实施方案可以包含更少或更多反应室，且可以包含其他布局配置。来自脉冲激光器1-110的光功率可以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的光学耦合器与多个波导之间的任何其他构件而分布至多个波导。
图1-4说明了从波导1-315内的光脉冲1-122耦合至反应室1-330的光能量。附图是依据光波的电磁场仿真而产生的，该电磁场仿真考虑到了波导尺寸、反应室尺寸、不同材料的光学特性及波导1-315距反应室1-330的距离。举例而言，波导可由在二氧化硅的周围介质1-410中的氮化硅形成。可藉由微制作工艺形成波导、周围介质及反应室，该等微制作工艺在2015年8月7日提出申请的标题为“用于探测、检测和分析分子的集成器件(IntegratedDevice for Probing,Detecting and Analyzing Molecules)”的美国申请第14/821,688号中进行阐述。根据某些实施例，短暂的光场1-420将由波导输送的光能量耦合至反应室1-330。
在图1-5中绘示了在反应室1-330中发生的生物反应的非限制性实例。在此实例中，正在反应室中发生将核苷酸或核苷酸类似物依序并入至与靶核酸互补的生长链中。可以检测依序并入以对DNA测序。反应室可具有介于约150nm与约250nm之间的深度及介于约80nm与约160nm之间的直径。金属化层1-540(例如，电参考电势的金属化)可在光电探测器上方图案化，以提供用于阻挡来自毗邻反应室及其他非所要光源的杂散光的孔隙。根据某些实施例，聚合酶1-520可位于反应室1-330内(例如，附接至该室的基底)。聚合酶可以开始处理靶核酸1-510(例如，来源于DNA的核酸的一部分)，且对互补核酸的生长链测序以产生DNA的生长链1-512。用不同荧光团标记的核苷酸或核苷酸类似物可以分散于反应室上方及反应室内的溶液中。
当标记的核苷酸或核苷酸类似物1-610被并入至互补核酸的生长链中时，如在图1-6中所绘示，一或多个附接的荧光团1-630可以被从波导1-315耦合至反应室1-330中的具有光能量的脉冲重复激发。在某些实施例中，一或若干荧光团1-630可用任何适合的链接体1-620附接至一或多个核苷酸或核苷酸类似物1-610。并入事件可持续最高达约100ms的时间段。在此时间内，可用时间分仓光电探测器1-322来检测由荧光团的激发引起的荧光发射的脉冲。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)的荧光团附接至不同核苷酸(A、C、G、T)，以便当DNA链1-512并入核酸且能够判定DNA的生长链的基因序列时检测并区分不同发射特性。
根据某些实施例，配置为基于荧光发射特性来分析样本的分析仪器1-100可以检测不同荧光分子之间的荧光寿命和/或强度的差别，和/或不同环境中的相同荧光分子的寿命和/或强度之间的差别。以阐释方式，图1-7标绘了两个不同荧光发射概率曲线(A及B)，其可表示(举例而言)来自两个不同荧光分子的荧光发射。参考曲线A(虚线)，在被短或超短光脉冲激发之后，来自第一分子的荧光发射的概率pA(t)可随时间衰变，如所绘示。在某些情形中，可由指数衰变函数
Figure BDA0003790587190000201
来表示光子被发射的概率随着时间的降低，其中PAo是初始发射概率且τA是表征发射衰变概率的与第一荧光分子相关联的时间参数。τA可被称为第一荧光分子的“荧光寿命”、“发射寿命”或“寿命”。在某些情形中，τA的值可能由于荧光分子的局部环境而更改。其他荧光分子可具有不同于在曲线A中所展示的发射特性的发射特性。举例而言，另一荧光分子可具有不同于单一指数衰变的衰变量变曲线，且其寿命可藉由半衰期值或某些其他度量而表征。
第二荧光分子可具有衰变量变曲线，该衰变量变曲线是指数的，但具有可量测的不同寿命τB，如在图1-7中的曲线B所绘示。在所展示的实例中，曲线B的第二荧光分子的寿命比曲线A的寿命短，且发射的概率在激发第二分子之后不久即高于曲线A。在某些实施例中，不同荧光分子可以具有介于自约0.1ns至约20ns的范围内的寿命或半衰期值。
发明者已认识并了解到，荧光发射寿命的差别可用于在不同荧光分子的存在或不存在之间进行辨别和/或在荧光分子所经受的不同环境或状况之间进行辨别。在某些情形中，基于寿命(而非(举例而言)发射波长)辨别荧光分子可以简化分析仪器1-100的各方面。作为实例，当基于寿命辨别荧光分子时，波长区别光学器件(诸如波长滤波器、对应每一波长的专用检测器、处于不同波长的专用脉冲光源和/或衍射光学器件)的数目可以减少或可被消除。在某些情形中，在单一特征波长下操作的单一脉冲光源可用于激发不同荧光分子，该等不同荧光分子在光学光谱的相同波长区域内发射但具有可量测的不同寿命。使用单一脉冲光源而非处于不同波长的多个源来激发并辨别在相同波长区域中发射的不同荧光分子的分析系统可以更易于操作及维护、更较紧凑且可以以较低成本制造。
尽管基于荧光寿命分析的分析系统可具有特定益处，但可以允许附加的检测技术来增加由分析系统获得的信息量和/或检测准确性。举例而言，某些分析系统1-160可另外配置为基于荧光波长和/或荧光强度来辨别样本的一或多个性质。
再次参考图1-7，根据某些实施例，可用光电探测器区分不同荧光寿命，该光电探测器配置为在激发荧光分子之后对荧光发射事件进行时间分仓。时间分仓可在光电探测器的单一电荷累积循环期间发生。电荷累积循环是读出事件之间的间隔，在该间隔期间，光生载流子累积于时间分仓光电探测器的仓中。藉由发射事件的时间分仓来判定荧光寿命的概念在图1-8中以图形方式引入。在时间te处(就在t1之前)，藉由短或超短光脉冲激发荧光分子或相同类型(例如，对应于图1-7的曲线B的类型)的整组荧光分子。针对一大分子组，发射的强度可具有类似于曲线B的时间量变曲线，如在图1-8中所绘示。
然而，针对单一分子或少量分子，荧光光子的发射根据图1-7中的曲线B的统计数据发生(针对此实例)。时间分仓光电探测器1-322可将自发射事件产生的载流子累积至分立的时间仓中(在图1-8中指示为三个)，该等分立的时间仓相对于荧光分子的激发时间而在时间上进行分辨(resolve)。当加总大量发射事件时，所得时间仓可近似成在图1-8中所展示的衰变强度曲线，且分仓的信号可用于在不同荧光分子之间或荧光分子所处的不同环境之间加以区分。
时间分仓光电探测器1-322的实例阐述于2015年8月7日提出申请之标题为“用于对接收的光子进行时间分仓的集成器件(Integrated Device for Temporal Binning ofReceived Photons)”的美国专利申请第14/821,656号中，该美国专利申请以引用方式并入本文中。出于阐释目的，在图1-9中绘示了时间分仓光电探测器的非限制性实施例。单一时间分仓光电探测器1-900可以包括光子吸收/载流子产生区域1-902、载流子行进区域1-906及全部形成于半导体基板上的多个载流子储存仓1-908a、1-908b、1-908c。载流子行进区域可藉由载流子输送通道1-907连接至该多个载流子储存仓。仅展示三个载流子储存仓，但可存在更多。可存在连接至载流子储存仓的读出通道1-910。可藉由局部地掺杂半导体和/或形成毗邻绝缘区域而形成光子吸收/载流子产生区域1-902，载流子行进区域1-906，载流子储存仓1-908a、1-908b、1-908c及读出通道1-910以提供光电检测能力并限制载流子。时间分仓光电探测器1-900也可包含形成于基板上的多个电极1-920、1-922、1-932、1-934、1-936、1-940，该多个电极配置为在装置中产生电场以用于输送载流子穿过装置。
在操作中，荧光光子可在不同时间处于光子吸收/载流子产生区域1-902处被接收并产生载流子。举例而言，在大约时间t1处，三个荧光光子可以在光子吸收/载流子产生区域1-902的耗尽(depletion)区域中产生三个载流子电子。装置中的电场(由于掺杂和/或在外部施加至电极1-920及1-922以及视情况或替代地施加至1-932、1-934、1-936的偏压引起)可将载流子移动至载流子行进区域1-906。在载流子行进区域中，行进的距离在荧光分子的激发之后表现为时间。在一稍后时间t5处，另一荧光光子可在光子吸收/载流子产生区域1-902中被接收并产生一额外载流子。在此时间处，前三个载流子已行进至毗邻于第二储存仓1-908b的载流子行进区域1-906中的位置。在一稍后时间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流子自载流子行进区域1-906横向地输送至储存仓。前三个载流子然后可以输送至第一仓1-908a并保持于第一仓1-908a中，且稍后产生的载流子可以输送至第三仓1-908c并保持于第三仓1-908c中。在某些实施方案中，对应于每一储存仓的时间间隔皆处于亚纳秒时间尺度下，但在某些实施例中亦可以使用更长的时间尺度(例如，在荧光团具有更长衰变时间的实施例中)。
在激发事件(例如，来自脉冲光源的激发脉冲)之后产生载流子且对其进行时间分仓的过程可以在单一激发脉冲之后发生一次或在光电探测器1-900的单一电荷累积循环期间于多个激发脉冲之后被重复多次。在电荷累积完成之后，可经由读出通道1-910自储存仓读出载流子。举例而言，可将适当的偏压序列施加至至少电极1-940及下游电极(未展示)，以便从储存仓1-908a、1-908b、1-908c移除载流子。
在若干个激发事件之后，每一电子储存仓中的累积信号可以被读出以提供具有(举例而言)表示荧光发射衰变速率的对应仓的直方图。此过程经图解说明于图1-10A及图1-10B中。直方图的仓可以指示在激发荧光团之后的每一时间间隔期间所检测的反应室中的若干光子。在某些实施例中，将在大量激发脉冲之后累积仓的信号，如在图1-10A中所绘示。激发脉冲可在由脉冲间隔时间T分离的时间te1、te2、te3、…teN处发生。在累积电子储存仓中的信号的期间可以存在施加至反应室的介于105个与107个之间的激发脉冲。在某些实施例中，一个仓(仓0)可以配置为检测随每一光脉冲递送的激发能量的振幅且可用作参考信号(例如，以使数据归一化)。
在某些实施方案中，在激发事件之后平均仅有单一光子从荧光团发射，如在图1-10A中所绘示。在时间te1处的第一激发事件之后，在时间tf1处的发射光子可以发生于第一时间间隔内，使得所得电子信号累积于第一电子储存仓中(促成仓1)。在时间te2处的后续激发事件中，在时间tf2处的发射光子可以发生于第二时间间隔内，使得所得电子信号促成仓2。
在大量激发事件及信号累积之后，可以读出时间分仓光电探测器1-322的电子储存仓以提供对应反应室的多值信号(例如，具有两个或两个以上值的直方图、N维向量等)。每一仓的信号值可以取决于荧光团的衰变速率。举例而言且再次参考图1-8，具有衰变曲线B的荧光团将比具有衰变曲线A的荧光团具有一更高的仓1比仓2的信号比率。来自仓的值可经分析且与校准值比较和/或彼此比较，以判定特定荧光团，这又能识别当在反应室中时链接至荧光团的核苷酸或核苷酸类似物(或相关的任何其他分子或样品)。
为进一步协助理解信号分析，累积的多仓值可标绘为如(举例而言)在图1-10B中所绘示的直方图，或可记录为N维空间中的向量或位置。可单独地执行校准运行以获取对应链接至四种核苷酸或核苷酸类似物的四个不同荧光团的多值信号的校准值(例如，校准直方图)。作为实例，校准直方图可如在图1-11A中(与T核苷酸相关联的荧光标记)、在图1-11B中(与A核苷酸相关联的荧光标记)、在图1-11C中(与C核苷酸相关联的荧光标记)及在图1-11D中(与G核苷酸相关联的荧光标记)所绘示的那样来显现。测量的多值信号(对应于图1-10B的直方图)与校准多值信号的比较可判定身份(identity)为“T”(图1-11A)的核苷酸或核苷酸类似物正并入至DNA的生长链中。
在某些实施方案中，可另外或替代地使用荧光强度以在不同荧光团之间加以区分。举例而言，即使某些荧光团的衰变速率可能是类似的，该等荧光团也可以在显著不同的强度下发射或其激发的概率具有显著差别(例如，至少约35％之差别)。使分仓信号(仓1至仓3)参考测量的激发能量仓0，可能可以基于强度水平来区分不同荧光团。
在某些实施例中，同一类型不同数目的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来识别核苷酸。举例而言，两个荧光团可以链接至第一核苷酸(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。由于不同数目的荧光团，因此可能存在与不同核苷酸相关联的不同激发及荧光团发射概率。举例而言，可在信号累积间隔期间对应“T”核苷酸或核苷酸类似物存在更多发射事件，使得仓的视在强度(apparent intensity)显著高于“C”核苷酸或核苷酸类似物的对应情况。
发明者已认识并了解到，基于荧光团衰变速率和/或荧光团强度来区分核苷酸或任何其他生物或化学样品能够简化分析仪器1-100中的光激发及检测系统。举例而言，可用单波长源执行光激发(例如，产生一个特征波长的源，而非多个源或在多个不同特征波长下操作的源)。另外，在检测系统中可能不需要波长区别光学器件及滤波器。此外，单一光电探测器可用于每一反应室以检测来自不同荧光团的发射。
词组“特征波长”或“波长”用于指代有限辐射带宽内的中心或主波长(例如，由脉冲光源输出的20nm带宽内的中心或峰值波长)。在某些情形中，“特征波长”或“波长”可用于指代由源所输出的总辐射带宽内的峰值波长。
发明者已认识并了解到，具有介于约560nm与约900nm之间的范围内的发射波长的荧光团可以提供时间分仓光电探测器(其可使用CMOS工艺而制作于硅晶片上)所要检测的充足量的荧光。此等荧光团可链接至所关注的生物分子(诸如核苷酸或核苷酸类似物)。在此波长范围内的荧光发射可以在硅基光电探测器中以比处于较长波长的荧光高的响应度来检测。另外，此波长范围内的荧光团及相关联链接体可以不干扰核苷酸或核苷酸类似物被并入至DNA的生长链中。发明者也已认识并了解到，可用单波长源光学地激发具有介于约560nm与约660nm之间的范围内的发射波长的荧光团。处于此范围内的实例性荧光团是可自马萨诸塞州沃尔瑟姆市(Waltham)的Thermo Fisher Scientific公司购得的Alexa Fluor647。发明者也已认识并了解到，脉冲激光器可能需要较短波长(例如，介于约500nm与约650nm之间)处的激发能量以激发发射介于约560nm与约900nm之间的波长的荧光团。在某些实施例中，时间分仓光电探测器可(例如)藉由将其他材料(诸如Ge)并入至光电探测器有源区域中而高效地检测来自样本的较长波长发射。
发明者也已认识并了解到，来自脉冲激光器的光脉冲对于上文所阐述的检测方案来说应该快速消退，使得激发能量不会压制或干扰随后检测的荧光信号。在某些实施例中且再次参考图1-5，在波导1-315与时间分仓光电探测器1-322之间可以不存在波长滤波器。为避免激发能量干扰后续信号收集，激发脉冲的强度可能需要在从激发脉冲的峰值开始后的约100ps内减少至少50dB。在某些实施方案中，激发脉冲的强度可能需要在从激发脉冲的峰值开始后的约100ps内减少至少80dB。发明者已认识并了解到，锁模激光器可以提供这种快速的关断特性。在发射波长显著长于激发波长的某些情形中，可在光电探测器上边并入简单的光学滤波器以进一步减少激发脉冲对时间分仓光电探测器的影响。根据某些实施例，若激发能量被引导远离荧光信号的检测设备，则脉冲之间的激发能量在强度上的减小量可另外减少20dB或更多。举例而言，激发能量可如在图1-3中所绘示地在波导中递送，沿不同于荧光检测路径的方向传播(例如，两个路径的方向可大致正交，如在图式中所绘示)。脉冲之间的激发能量的减少也可以透过波导材料开发及装置制作(例如，展现出减少的散射损耗及减少的荧光的波导材料以及产生平滑波导侧壁的蚀刻工艺)而达成。此外，自反应室散射掉的激发能量可基于来自电磁仿真的结果，藉由挑选室的几何形状、材料及周围结构的几何形状而减少。
发明者也已认识并了解到，脉冲激光器在每脉冲上应提供足够能量，以便对于每一激发脉冲在生物光电子芯片上的每一反应室中均激发至少一个荧光团。针对包含约65,000个反应室的芯片且考虑到遍及系统的光损耗的情况来说，发明者已判定脉冲激光器应提供处于激发波长的约300mW或更多的平均光功率。
发明者已进一步认识并了解到，脉冲激光器的光束质量应该是高的(例如，小于1.5的M2值)，使得对于生物光电子芯片1-140的光学耦合器及波导可以达成高效的耦合。
具有前述特性且可以以紧凑封装(例如，占据小于约0.5ft3的体积)来操作的脉冲激光器系统将对于便携式分析仪器1-100(诸如如上文所阐述配置为对DNA测序的仪器)是有用的。
Ⅱ.脉冲激光器实施例
Ⅱ.A.锁模激光器
发明者已设想并建立脉冲激光器系统1-110，该脉冲激光器系统就平均功率、紧凑性、光束质量、脉冲重复率、操作波长及光脉冲的关断速度而言达成了上述性能规范。根据某些实施例，脉冲激光器包括如在图2-1A中所绘示的固态锁模激光器。激光系统的光学组件可安装于基底板2-105上，该基底板测量有介于约20cm与约40cm之间的长度，介于约10cm与约30cm之间的高度，且具有介于约10mm与约18mm之间的厚度。在某些实施方案中，基底板的尺寸的长度可以是约30cm，高度可以是约18cm，且厚度可以是约12mm。在某些实施例中，12mm直径光学组件(或更小)可用于激光器系统中且部分地凹入至基底板中(如稍后结合图2-2A所阐述的)，使得包含光学组件及相关联光学底座的激光系统的总体厚度可介于4cm与约6cm之间。根据某些实施例，由激光系统占据的体积可以是约30cm×18cm×5cm或约0.1ft3。
脉冲激光器可以包括处于激光器腔的输出端的输出耦合器1-111、增益介质1-105及处于激光器腔的相对端的可饱和吸收器镜(SAM)1-119。可在激光器腔内存在多个镜以折叠光学轴1-125且使激光器腔的长度延伸来达成所要的脉冲重复率。也可在激光器腔内存在光束整形光学器件(例如透镜和/或曲面镜)以更改腔内激光器光束的大小和/或形状。
根据某些实施例，输出耦合器1-111可以是具有10-5(划痕(scratch)与麻点(dig))的表面质量及至多λ/10的波前误差的高质量激光器光学器件。输出耦合器的一个表面可涂布有多层电介质以提供针对激射波长λl的介于约75％与约90％之间的反射率。输出耦合器的第二表面可以涂布有抗反射涂层，且可以以相对于反射性表面的角度定向。输出耦合器上的涂层可以是二向色的，以便以可忽略的反射而透射来自可以用于激发增益介质1-105的二极管泵激光器的泵波长λp。输出耦合器可安装于双轴可调整底座中，该双轴可调整底座提供围绕两个正交轴的相对于入射光学轴1-125的角度调整。在某些实施例中，输出耦合器可安装于不可调整底座上。
增益介质1-105可以包括安装于导热底座(例如，铜区块)中的钕掺杂材料，该导热底座将热耗散至基底板2-105中。为改良自增益介质至铜区块的热传递，可将增益介质包裹在改良了到导热底座的热传递的铟箔或任何其他适合材料中。在某些情形中，增益介质及导热底座可安装于热电冷却器(TEC)上，该热电冷却器可将热下沉至基底板2-105中。TEC可以提供对增益介质的温度控制。在某些实施方案中，增益介质可以包括具有介于约3mm与约10mm之间的长度的钒酸钕(例如，Nd3+:YVO4)。钕掺杂剂程度可介于约0.10％与约1％之间。晶体的端切面(facet)可针对激射波长λl而进行抗反射涂布(其对于钒酸钕可与是约1064nm)。增益介质1-105可以沿增益介质的端切面具有相对于激光器腔的光学轴1-125取向介于约1度与约3度之间的角度的法向向量的定向而安装于不可调整底座(不提供精细角度或位置调整的底座)中。
可饱和吸收器镜1-119可包括多层半导体结构(例如，多量子阱)及高反射器。半导体结构可展现出非线性光学吸收。举例而言，SAM可在低光强度下展现较高吸收，且在高光强度下可以漂白(bleach)或展现极少吸收。半导体结构在SAM中可与高反射器间隔开，使得半导体结构大约位于由光场形成的入射于高反射器上且自高反射器反射的光驻波的峰值强度下。SAM实例是可自德国耶拿市(Jena)的BATOP Optoelectronics GmbH购得的部件号SAM-1064-5-10ps-x。由于SAM的非线性光学吸收，因此激光器优先地以脉冲操作模式(被动锁模)操作。在某些实施方案中，SAM可安装于旋转和/或横向定位的底座中，使得SAM的表面可沿横向于光学轴1-125的方向移动。万一SAM受到损坏，则可将该SAM移动和/或旋转，使得腔内光束聚焦至SAM的未损坏区域上。在其他实施例中，SAM可安装于不可调整底座上。
为了激发增益介质1-105，来自泵模块2-140中的激光器二极管的连续波输出(由图2-1A中的黑色点线指示)可使用耦合透镜2-142而聚焦至增益介质中。在某些实施例中，来自激光器二极管的光束可以具有矩形或方形剖面且可稍微发散(例如，介于约5度与约10度之间)。在某些实施方案中，耦合透镜2-142的焦距可介于约20mm与约30mm之间。未吸收泵辐射可通过激光器腔转向镜2-115且在光束集堆(beam dump)2-116中被吸收。
在其他实施例中，其他激发源可用于泵浦增益介质1-105，且本发明并不限于激光器二极管。在某些实施例中，光纤或光纤耦合激光器可用于泵浦脉冲激光器1-110的增益介质1-105。光纤激光器可包括作为由一或多个激光器二极管泵浦的光纤激光器腔的一部分的有源光纤。光纤耦合激光器可包括一或多个激光器二极管，该一或多个激光器二极管使其输出耦合至光纤中。来自光纤(其携载来自光纤激光器或光纤耦合激光器的光能量)的输出光束可使用用于激光器二极管的相同或类似光学器件而被引导至增益介质且聚焦至增益介质中。来自光纤的光光束可比直接来自高功率激光器二极管泵源的光束具有更圆、更均匀和/或更高斯(或顶帽形)的空间量变曲线。在某些实施例中，泵源可以或可以不安装于除基底板2-105之外的夹具上，且携载泵能量的光纤的端部可附接至脉冲激光器上的底座(该底座位于与增益介质1-105相同或相对的基底板的一侧上)，或可以距激光器腔结构进行远程安装。
耦合透镜2-142的焦距、泵光束的大小及透镜距增益介质1-105的距离判定增益介质中的泵光束之大小(剖面尺寸)。在实施例中，增益介质中的泵光束的大小大致匹配(例如，在15％以内)至增益介质中的激光器光束的模场大小。可主要藉由激光器腔内的曲面镜2-117的焦距、增益介质中的泵光束的腰宽及增益介质距曲面镜的距离来判定增益介质中的激光器光束的模场大小。在某些实施例中，曲面镜2-117的焦距可介于约200mm与约300mm之间。
根据某些实施例，增益介质1-105中的泵光束的位置是藉由泵模块2-140中的可调整底座而在两个自由度中(沿横向于激光器腔的光学轴1-125的方向)调整。此等可调整底座是在脉冲激光器腔外侧。泵光束的可调整底座可用于使泵光束转向以使增益介质1-105中的激光器光束重叠并改良激光器的泵浦效率。
为利用SAM 1-119中的非线性光学吸收，聚焦透镜2-123接近SAM而并入至激光器腔中。根据某些实施例，聚焦透镜2-123的焦距介于约70mm与约130mm之间，且SAM大约位于聚焦透镜2-123的焦距处。聚焦透镜减小SAM上的腔内激光器光束的光斑大小，从而提升其强度。
发明者有些惊讶地发现，对于某些激光器腔配置，SAM上的激光器光束的光斑大小对曲面镜2-117与激光器的输出耦合器1-111之间的距离的改变比对聚焦透镜2-123与SAM1-119之间的距离的改变更敏感。此结果与曲面镜2-117与聚焦透镜2-123之间的延伸的腔长度有关。延伸的腔长度包括多个高反射性光学器件2-121(例如，具有介于约99.9％与约99.999％之间的反射性)，该等高反射性光学器件使光脉冲在基底板2-105上来回反弹，从而增加曲面镜2-117与聚焦透镜2-123之间的行进距离。沿着此延伸的腔长度，激光器光束可以被大致准直。曲面镜2-117与输出耦合器1-111之间的距离的改变可以影响在延伸的腔中的准直，且增加的腔长度使聚焦透镜2-123处的光束大小的改变放大。此放大又比聚焦透镜2-123与SAM 1-119之间的距离的改变更强烈地影响SAM中的光斑大小。
在某些实施例中，可与输出耦合器1-111和/或曲面镜2-117一起包含精细定位控制(例如，精密定位平台(micro-positioning stage))以提供输出耦合器与曲面镜之间的距离的操作调谐。由于曲面镜2-117的焦距可具有一规定容差(例如，±2mm)，因此精细定位控制的范围可在包含曲面镜的规定焦距容差的至少一范围内延伸。在某些实施方案中，可不与输出耦合器1-111和/或曲面镜2-117一起包含精细定位控制。替代地，可在安装之前判定曲面镜的焦距，且相应地，曲面镜位于腔中。在某些情形中，输出耦合器1-111可安装于不可调整底座上，且曲面镜2-117可安装于双轴倾斜调整底座上。在某些实施例中，用于曲面镜的可调整底座可以是脉冲激光器腔中的唯一可调整底座，当激光器正在操作且在调整激光器光束时提供两个自由度时，该可调整底座可被调整。因此，脉冲激光器可以仅经由位于腔端镜之间的曲面镜底座而仅在两个自由度内进行操作调整。在图2-1中绘示的激光器腔的剩余光学组件可安装于不可调整底座上。使用不可调整底座及仅一个可调整底座可使脉冲激光器在操作期间更可靠且更稳健，且减少脉冲激光器中的光学组件的漂移及不对准。
在某些实施例中，可在激光器腔中包含额外组件。举例而言，可在聚焦透镜2-123之前和/或在聚焦透镜2-123之后(在图2-1A中绘示为在聚焦透镜之前)包含腔内光束转向模块2-130。腔内光束转向模块可包括受过抗反射涂布的光学平面，该等受过抗反射涂布的光学平面可围绕两个正交轴、相对于激光器光束成角度以沿两个方向平移激光器光束。当腔内光束转向模块2-130的光学平面位于聚焦透镜2-123之前时，激光器光束的平移将主要引起SAM 1-119上激光器光束的入射角的改变。针对位于聚焦透镜之后的光学平面，激光器光束的平移将主要引起SAM上的激光器光束的位置的改变。在某些实施方案中，腔内光束转向模块2-130可用于提供腔对准的自动化精细调谐(例如，基于来源于激光器的平均功率或其他脉冲操作特性的反馈信号的自动化调谐和/或对准)。在某些情形中，腔内光束转向模块可用于将SAM上的激光器光束重新定位(例如，万一SAM受到损坏，则将激光器光束移动于焦斑处)。
根据某些实施例，并非对激光器光束的腔内重新对准使用旋转光学平面，另一可能性是在增益介质1-105中诱发非对称热梯度，这可以影响增益介质内的热透镜效应(thermal lensing)。增益介质1-105中的非对称热梯度可在腔内激光器光束通过增益介质时导致其小的角度偏离。在某些实施方案中，一或多个温度控制装置(例如，电阻加热组件、TEC冷却器或其组合)可耦接至增益介质的一或多个边。根据某些实施例，增益介质1-105可以具有热耦合至增益介质的四个面(四个纵向边缘)的四个可独立操作的加热组件。热耦合可包括位于温度控制装置与增益介质的面之间的热环氧树脂或铟箔。每一温度控制装置也可包含至处于温度控制装置的相对侧上的散热器(诸如激光器区块)的热耦合。在某些情形中，位于增益介质的第一相对面上的第一对温度控制装置中的一或多者可提供沿法向(normal)于两个第一相对面的方向(例如，±x方向)的光束偏离。位于增益介质的一对正交第二相对面的第二对温度控制装置中的一或多者可提供沿正交方向(例如，±y方向)的光束偏离。藉由选择性地更改温度控制装置处的温度，腔内激光器光束可以被转向且被重新对准。转向及重新对准可改变SAM 1-119上的腔内光束的位置。在某些情形中，曲面镜2-117或腔端镜可另外调整以将腔内激光器光束重新对准。
在某些实施例中，脉冲激光器1-110可提供用于激光器内的光学组件中的一者或几者的可调整底座。可调整底座可允许操作者在激光器产生激光时精细地调整光学组件的位置和/或定向，使得可针对稳定性、光束质量、输出功率和/或脉冲特性而调谐激光器的操作。精细调谐可(举例而言)藉由对镜底座上的千分尺调整和/或精细螺纹的螺丝调整来达成。在某些实施例中，脉冲激光器1-110可包含仅用于输出耦合器1-111(角度调整)、曲面镜2-117(位置及角度调整)及SAM 1-119(角度调整)中的一或多者的可调整底座。在某些实施方案中，耦合透镜2-142可包含可调整定位底座。激光器腔的剩余光学组件可在制造期间在固定不可调整底座中对准。下文结合图2-2A阐述集成自对准的不可调整底座的实例。
发明者已认识并了解到，激光器1-110的稳定的脉冲操作可对应增益介质1-105中与SAM 1-119上的腔内激光器光束的相对光斑大小的范围而发生。举例而言，增益介质中的最小束腰与SAM上的聚焦束腰的比率可介于约4:1与约1:2之间。根据某些实施例，增益介质中的光束半径(1/e2强度值)可介于约20μm与约200μm之间，且SAM上的光束半径(1/e2强度值)可介于约50μm与约200μm之间。针对此等范围外部的比率及光束半径，脉冲操作可能变得不稳定且激光器可能进行调Q(Q-switch)，此可以损坏SAM。根据某些实施例，SAM的规格可以是其饱和通量(saturation fluence)，且SAM上的聚焦激光器光束的强度可与饱和通量成比例。举例而言，聚焦激光器光束的强度可介于SAM的饱和通量之大约1倍与10倍之间。
发明者已认识并了解到，脉冲激光器的平均功率和/或光谱特性可决定稳定的锁模操作。举例而言，若在锁模操作期间激光器的平均功率下降低于一特定值，则在SAM中可能不存在用以支持锁模的足够的非线性光学吸收。然后，激光器可能进行调Q且损坏SAM。在某些情形中，除锁模之外，激光器的平均输出功率的快速波动可以指示激光器正进行调Q，这可以损坏SAM。在某些实施例中，可以包含传感器2-154(例如，光电二极管)且该传感器布置成感测由激光器1-110产生的光功率。若感测到的平均激光器功率漂移低于一预设水平或检测到功率波动，则可以执行自动化腔对准例程以恢复功率和/或可以关闭激光器以进行维护。
如可了解的，由于高数目的镜，激光器腔光学器件的对准可能是困难的。在某些实施例中，脉冲激光器可包含沿着激光器腔的光学轴定位(例如，介于曲面镜2-117与聚焦透镜2-123之间)的安装特征2-118(例如，螺丝孔和/或配准特征)。安装特征2-118可配置为接纳可以安装第二输出耦合器的光学底座。当光学底座及第二输出耦合器处于适当位置时，激光器可经对准以在缩短激光器腔的情况下以连续波模式产生激光。第二输出耦合器可传输少量功率(例如，2％或任何其他适合的值)且提供激光器光束，该激光器光束可用于将插入的光学底座与SAM 1-119之间的激光器的光学组件对准。一旦此等剩余组件被对准，插入的光学底座即可移除，使得激光器1-110可以被调谐以在完全腔长度的情况下以脉冲模式操作。
发明者已认识并了解到，来自二极管泵模块2-140的热可能不利地影响脉冲激光器1-110的操作。举例而言，来自二极管泵模块2-140的热可以使基底板2-105的显著面积变暖且随着时间而改变激光器腔光学器件的对准。为避免由来自二极管泵激光器的热所引起的有害效果，可透过孔2-145而将二极管泵模块2-140安装于基底板2-105中。根据某些实施例，来自激光器二极管的光束可以被引导(沿页面向外的方向)至在二极管泵模块2-140内以45°定向的二向色镜且该二向色镜位于脉冲激光器的输出光束路径2-125上。二向色镜可包含可将激光器二极管的泵光束对准至增益介质1-105及激光器腔的光学轴的调整。
在某些实施例中，二极管泵模块2-140可使用热绝缘安装硬件而附接至基底板2-105。举例而言，尼龙螺丝可用于附接二极管泵模块且尼龙或陶瓷垫圈可以放置于基底板与二极管泵模块的安装表面之间。在某些实施方案中，小的不锈钢螺丝(例如，4-40或更小的螺丝大小)可与尼龙或陶瓷垫圈一起使用。另外，二极管泵模块的TEC、散热片和/或强制气冷(forced-air cooling)可以实施于基底板2-105的反向侧上，使得热经传导离开基底板及激光器腔光学器件。根据某些实施例，二极管泵模块2-140可位于基底板2-105的边缘的约2cm内，且耗散的热(举例而言)藉由风扇朝向该边缘且远离基底板而进行引导。基底板2-105可另外充当挡风板，从而保护在基底板的一侧上的激光器光学器件及激光器腔免受从中移除热的该板的反向侧上的空气流或湍流。在某些实施方案中，TEC可连接至反馈及控制电路且用于将二极管泵激光器维持于所要操作温度下。
在图2-1B中展示了包含脉冲激光器1-110的经部分组装的便携式仪器1-100的实例。在相片中也可见其上安装有生物光电子芯片1-140的印刷电路板1-130。光束转向模块1-150也可附接至PCB 1-130。在此实施例中，脉冲激光器的光学器件安装于具有诸多螺孔的光学试验电路板上。在某些实施例中，脉冲激光器的某些光学器件可安装于形成在基底板2-105中的集成自对准光学底座中。
在图2-2A中绘示了集成合自对准的光学底座2-210的实例。集成光学底座2-210可包括经机械加工或以其他方式形成至脉冲激光器1-110的基底板2-105中的轴向沟槽2-220。轴向沟槽2-220可沿平行于脉冲激光器腔的光学轴的方向延伸。集成光学底座可进一步包括大致横向于轴向沟槽2-220而形成的共面表面2-230。可藉由沿大致正交于轴向沟槽2-220的方向机械加工或研磨出短的沟槽而形成该等共面表面。在某些情形中，共面表面可以以小角定向，使得来自安装的光学器件的背向反射将从激光器腔的光学轴移位。在轴向沟槽2-220的基底处可存在倾斜表面2-240(在图2-2A中仅一个倾斜表面可见)。倾斜表面2-240可经机械加工、研磨或以其他方式而形成为接近轴向沟槽的基底且位于轴向沟槽2-220的相对侧上。倾斜表面可沿朝向共面表面2-230的方向偏斜，且为安装于其上的光学器件提供支撑。
脉冲激光器的(举例而言)光学组件2-250可由集成光学底座2-210支撑，如在图2-2B中所绘示。光学器件2-250可(举例而言)包括腔镜、激光器腔内的透镜或增益介质1-105。在某些情形中，光学器件2-250可单独地安装于集成光学底座2-210中，如在附图中所绘示。在其他实施例中，光学器件可安装于可以放置于集成光学底座2-210中的支撑夹具(例如，环形板、可调整底座)内。
根据某些实施例，光学组件2-250或支撑夹具可包含配准至且搁靠在集成光学底座2-210的共面表面2-230的平坦表面。光学器件或夹具可藉由柔性(compliant)保持装置(例如，安装于可以紧固至基底板的棒条、软塑料棒条或臂等上的O形环)而保持于集成底座中。柔性保持装置可以接触光学器件2-250或支撑夹具的顶部边缘，且可沿朝向偏斜表面2-240及共面表面2-230的方向将力施加于光学器件或夹具上。光学器件2-250或支撑夹具的下部边缘可接触偏斜表面2-240上的点。偏斜表面2-240也可提供抵靠光学器件或夹具的力，该力具有部分地朝向共面表面2-230引导的分量。偏斜表面2-240处的接触点及朝向共面表面2-230引导的力可使光学器件或夹具自对准至激光器腔内的所要定向及位置。在某些实施方案中，光学器件或支撑夹具可在对准的定向中接合于集成光学底座中(例如，使用黏合剂)。
根据某些实施例，一或多个集成光学底座2-210可形成于脉冲激光器1-110的基底板中。在某些情形中，轴向沟槽2-220可延伸穿过数个集成光学底座，如在图2-2A中所绘示。在集成光学底座的有利特征中是降低了脉冲激光器的光学轴。这可以降低可能本应该耦合至从基底板的表面延伸的光学底座中并藉由该等光学底座而放大的机械振动的影响，并且可以降低可能本应该藉由从基底板的表面延伸的光学底座的运动来放大的热膨胀(例如，基底板2-105的轻微翘曲)的影响。
再次参考图2-1，脉冲激光器1-110的输出可透过透镜2-164而聚焦至频率加倍晶体2-170中以使输出脉冲的光波长减半。举例而言，脉冲激光器1-110可产生具有约1064nm的特征波长的脉冲，且频率加倍晶体2-170可将波长转换至约532nm。频率加倍的输出可用于在生物光电子芯片1-140处激发具有不同发射特性的荧光团。
在某些实施例中，半波板2-160可以安装于旋转角受致动器2-162控制的可旋转底座中，且可位于频率加倍晶体2-170之前的脉冲激光器的输出光路径中。根据某些实施例，致动器2-162可包括步进马达、压电马达、具有精密轴承且配置为使光学组件旋转的电流计、DC马达或任何其他适合的致动机制。使半波板2-160旋转可更改激光器的输出脉冲的偏振并改变频率加倍晶体2-170中的二次谐波转换效率。对半波板的控制然后可以用于控制递送至生物光电子芯片1-140的处于频率加倍的波长下的功率的量。藉由使半波板(或频率加倍晶体)旋转，处于经频率加倍波长下的光功率可在不影响处于基波长下的激光器的操作的情况下而在大范围内(例如，超过一个数量级或更多)精确地变化一小的量。亦即，可在不影响锁模稳定性、热耗散及脉冲激光器1-110的其他特性的情况下更改处于频率加倍波长下的功率。在某些实施例中，可在不影响基本激光器操作的情况下另外或替代地使用其他调整以控制频率加倍的功率。举例而言，可以以自动化方式控制频率加倍晶体2-170上的脉冲激光器光束的入射角和/或透镜2-164与频率加倍晶体之间的距离，以便更改频率加倍效率和/或使频率加倍效率最大化。
在某些实施例中，频率加倍的输出脉冲可由转向镜2-180引导至光束转向模块1-150。转向镜2-180可是二向色的，使得其将未由频率加倍晶体2-170降频转换的光辐射透射至光束集堆(未展示)。
在操作中，采用Nd3+:YVO4作为增益介质(其具有7mm的长度及约0.25％的掺杂程度)的脉冲激光器1-110可产生具有大约20ps的FWHM值的处于1064nm的脉冲。该脉冲在从脉冲的峰值开始后的100ps内消退大约80dB。脉冲重复率大约是90MHz，且处于基波长的脉冲激光器的平均功率是约900mW。平均频率加倍功率是约300mW。用以操作激光器所需要的AC功率小于约20瓦特。激光器是紧凑的，其占据小于0.1ft3的体积，重量为大约10磅，且可易于作为模块并入至便携式分析仪器(诸如用于对DNA测序的桌上型仪器)中。
可在某些实施方案中使用额外的锁模激光器配置及特征。图3-1仅绘示了紧凑型锁模激光器3-100的一个实例。概括而言，紧凑型锁模激光器可包括二极管泵源3-105、增益介质3-107、频率加倍组件3-109、光学延迟组件3-110及两个激光器腔端镜TC1及可饱和吸收器镜3-120。增益介质3-107可在波长λp下被二极管泵源3-105激发以产生处于激射波长λ1下的光发射。频率加倍组件3-109可将激射波长转换成处于λ2的频率加倍输出波长，该频率加倍输出波长是激射波长的一半。
根据某些实施例，所绘示光学泵浦激光系统中的任一者的泵波长λp可介于大约450nm与大约1100nm之间。根据某些实施方案，所绘示激光系统中的任一者的激射波长λ1可介于大约800nm与大约1500nm之间。在某些情形中，所绘示激光系统中之任一者的输出波长λ2可介于大约400nm与大约750nm之间。在某些情形中，输出波长λ2可介于大约500nm与大约700nm之间。根据某些实施例，输出脉冲持续时间可介于约1皮秒与约100皮秒之间。在某些情形中，输出脉冲持续时间可介于约1皮秒与约30皮秒之间。
在某些实施例中，所绘示的激光系统中的任一者的光学泵源3-105、增益介质3-107及频率加倍组件3-109可经选择以产生所要的输出波长λ2。举例而言，若绿色输出波长是所要的，则增益介质可以是Nd:YAG或Nd:YLF(其分别在1064nm及1053nm下产生激光)。在某些实施方案中，频率加倍组件3-109可以是KTP或BBO，且泵源可包括在大约800nm下产生激光的一或多个激光器二极管。其他材料可经选择以达成其他所要输出波长λ2。举例而言，Cr:镁橄榄石可用作增益介质，其可在1280nm下产生激光且经频率加倍至640nm(处于光学光谱的红色区域中)。在某些实施例中，Pr:LiYF4可用作增益介质3-107以在不进行频率加倍的情况下直接在640nm下(在红色中)产生激光。发明者已认识并了解到，Nd:YVO4可用作增益介质以在一个或两个波长1064nm和/或1342nm下产生激光，该(等)波长可经加倍至532nm(绿色)和/或671nm(红色)。发明者也已认识并了解到，可在非线性晶体中执行和频产生(sum-frequency generation)以获得额外的波长。举例而言，可在非线性晶体中混合来自Nd:YVO4的处于两个激射波长的脉冲以产生处于大约594nm的辐射。可透过增益介质、光学泵源、非线性组件3-109的选择而产生且是用于激发荧光团相关的额外波长包含但不限于：515nm、563nm、612nm、632nm及647nm。不同增益介质包含但不限于：钕掺杂钇铝石榴石(Nd:YAG)、镱掺杂YAG(Yb:YAG)、镱掺杂玻璃(Yb:玻璃)、铒掺杂YAG(Er:YAG)或钛掺杂蓝宝石(Ti:蓝宝石)。
在某些实施方案中，紧凑型二极管泵浦锁模激光器可包括修改的高功率激光器指针。高功率激光器指针可以以适中成本购得，且发明者已认识并了解到，此激光器指针可经修改以形成紧凑型锁模激光器。举例而言，二向色镜DC1可插入于二极管泵源3-105与激光器增益介质3-107之间。该二向色镜可替换激光器腔的端镜，使得腔长度可以增加以并入额外光学组件。二向色镜DC1实质上可以反射所有激射波长λ1且实质上可以透射所有泵波长λp。
一个二向色镜DC1可允许来自激光器腔的光束被引导至光学延迟组件3-110。来自光学延迟组件的输出可被发送至可饱和吸收器镜3-120。可饱和吸收器镜3-120可经添加以在激光器腔中提供依赖强度的损耗组件，该依强度变化(intensity dependent)的损耗组件将对激光器指针进行锁模且产生超快光脉冲。
根据某些实施例，二极管泵源3-105提供处于波长λp的光学泵光束，由光学系统OS1的一或多个透镜对该光学泵光束进行操作且该光学泵光束被引导至增益介质3-107。根据某些实施例，泵波长可介于大约700nm与大约900nm之间。激光器二极管泵源的实例是可自中国陕西西安市的FocusLight公司购得的激光器二极管型号FL-FM01-10-808。在某些实施例中，二极管泵源3-105可经热冷却以耗散由该泵源产生的热。举例而言，热电冷却器(TEC)可被热耦合至二极管泵源以从二极管组件提取热。在某些实施方案中，增益介质3-107和/或频率加倍组件3-109也可(举例而言)使用一或多个热电冷却器3-103而进行温度控制。
在某些实施方案中，可不使用TEC。替代地，可以经历升高的热阶的光学组件(例如，二极管泵源、增益介质、非线性光学组件)可安装于导热散热片上，该等导热散热片可传导和/或耗散来自光学组件的热。在某些实施例中，散热片可包括固体铜底座，该等固体铜底座与光学组件和导热和/或热耗散支撑板热接触。在某些情形中，导热膜(例如，有延展性的铟膜)可放置于散热片与光学组件之间以改良自组件至底座的热传导。
锁模激光器可进一步包括第一光学系统OS1，该第一光学系统配置为将来自泵源3-105的光束重新整形和/或改变该光束的发散度。举例而言，第一光学系统OS1可增加或减小来自泵源的光束的大小，使得泵源光束腰宽将大致匹配增益介质处的激光器光束的束腰。另外或替代地，第一光学系统可将光束的剖面形状(举例而言)自椭圆形改变至圆形或方形形状的光束。在某些实施例中，发明者已发现，来自二极管泵源3-105的方形形状或矩形形状光束是泵浦增益介质3-107所要的，且可显著地改良锁模激光器的泵浦效率。
在某些实施例中，第一光学系统OS1可包括一或多个圆柱形透镜。举例而言，第一光学系统可包括一对交叉的圆柱形透镜。第一圆柱形透镜可具有一短焦距(例如，小于约5mm)且第二圆柱形透镜可具有一较长焦距。在某些实施方案中，第一圆柱形透镜可包括具有小于约150微米的直径的光纤的长度。该第一圆柱形透镜的焦距可小于500微米。第二圆柱形透镜可具有介于约5mm与约10mm之间的焦距。
在某些实施例中，锁模激光器腔可包括多个光学组件，如在图3-1中所绘示。在某些实施例中，激光器腔的一个端部可包括三向色镜TC1。三色镜可具有多层涂层，该多层涂层经设计以反射激射波长λ1及泵波长λp，且传递频率加倍的输出波长λ2。激光器腔可进一步包含第二光学系统OS2，该第二光学系统配置为将来自泵源的光束及进入增益介质3-107和非线性光学组件3-109中的激光器光束重新整形和/或改变这些光束的发散度。在某些实施例中，可存在位于增益介质与非线性光学组件之间的第五光学系统(未展示)。激光器腔可包含上文所阐述的二向色反射器DC1，该二向色反射器将腔内激光器光束反射至光学延迟组件3-110。该光学延迟组件可配置为给呈紧凑型配置的激光器腔添加光路径长度。举例而言，光学延迟组件3-110可包括光学系统，该光学系统在每一侧上测量为小于5cm但是提供长度大于约40cm的组件内的光路径长度。在某些实施例中，光学延迟组件可给激光器腔添加光路径长度的量，该量大于其上或其中安置有激光器腔的基底结构或外壳的任何横向尺寸。激光器腔可进一步包含包括一或多个透镜的第三光学系统OS3，该第三光学系统配置为重新整形和/或聚焦从光学延迟组件到可饱和吸收器镜3-120上的光束。激光器腔内的激光器光束3-101可在三向色镜TC1与可饱和吸收器镜3-120之间来回反射。
根据某些实施例，锁模激光器3-100可进一步包含输出光学系统OS4及光学滤波器F1。该输出光学系统可配置为将来自激光器腔的输出光束重新整形和/或改变该输出光束的发散度。该滤波器可配置为吸收或阻挡泵波长λp及激射波长λ1中的一者或两者。
在操作中，可运用光学系统OS1而将来自二极管泵源的泵光束重新整形以高效地激发增益介质3-107。可饱和吸收器镜3-120(下文将进一步详细地阐述其实例)展现出依强度变化的损耗，使得在低损耗下，低强度被镜吸收且高强度被镜反射。由于镜的依强度变化的损耗，因此激光器优先地以短的高强度脉冲在锁模状态中操作。在此状态中，高强度脉冲以低损耗从可饱和吸收器镜3-120反射。在脉冲操作中，脉冲在激光器腔中的两个端镜TC1、3-120之间来回循环，且由频率加倍组件3-109进行频率加倍。以此方式，锁模激光器产生处于加倍波长λ2的一串输出脉冲。
在图3-2A至图3-2D中绘示光学延迟组件3-110的实例。仅根据一个实施例，光学延迟组件可包括菱格纹(argyle)区块，如在图3-2A的平面图中所绘示。菱格纹区块可包括第一直角棱镜3-112及第二直角棱镜3-114。根据某些实施例，棱镜的各垂直侧面可以是未经涂布的，但在其他实施例中，该垂直面可包含高反射性涂层。在某些实施方案中，一个棱镜上的垂直面的长度可测量为介于约20mm与约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或熔融石英)形成。为达成高热稳定性，延迟组件可由超低胀玻璃(诸如可自Corning购得的ULE)形成。棱镜的侧面可经抛光以具有高光学质量，举例而言，具有λ/10或更佳的平坦度。
第一棱镜3-112及第二棱镜3-114可经偏移且黏合在一起，如在附图中所绘示。可经由光学接合或使用光学黏合剂来黏合棱镜。在某些实施方案中，光学延迟组件3-110可藉由切割并抛光而由单件玻璃形成。激光器腔光束3-101可透过延迟组件的第一端口进入且在离开菱格纹区块的第二端口之前沿着迂回的光路径(绘示为点划线)在内部反射。根据某些实施方案，延迟组件是双程的，以使激光器腔内的组件的光路径长度加倍。
在图3-2B中绘示光学延迟组件3-212的另一实施例。根据某些实施例，光学延迟组件可包括以矩形形状形成的单一光学区块。延迟组件3-212可包括垂直边缘面3-230，该等垂直边缘面使激光器光束在延迟组件内来回反射，如在附图中藉由点划线所绘示。延迟组件可进一步包含两个抛光面，这两个抛光面提供延迟组件的进入端口3-232及离开端口2-234。在某些实施例中垂直侧面可以是未经涂布的，或在其他实施例中可涂布有高反射性涂层(例如，多层涂层)。延迟组件3-212可以是双程的，以增加激光器腔内的光路径长度。在某些实施方案中，延迟组件的边缘的最大长度可测量为介于约20mm与约60mm之间。沿进入页面的方向量测的区块的厚度可介于约5mm与约20mm之间。延迟组件3-212可由任何适合光学质量玻璃形成，如上文所阐述。反射性边缘面可经抛光以具有高光学质量，举例而言，具有λ/10或更佳之一平坦度。
图3-2C绘示光学延迟组件3-214的又一实施例。根据某些实施例，延迟组件可包括一对平面镜M1、M2，该对平面镜在其中心处间隔开一距离D且以一轻微角度α相对于彼此偏斜。每一镜可具有一长度L。根据某些实施例，镜的间隔D可介于约10mm与约50mm之间。根据某些实施例，镜的长度L可介于约20mm与约60mm之间。根据某些实施例，角度α可介于约0°与约10°之间。沿着进入页面的方向测量的镜M1、M2的高度可介于约5mm与约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。镜的反射性表面可经抛光以具有高光学质量，举例而言，具有λ/10或更佳的平坦度。在某些实施方案中，该等反射性表面可涂布有高质量、高反射性多层涂层且具有大于约99.5％的反射性。在某些实施例中，反射性可大于约99.9％。在某些实施例中，反射性可大于约99.99％。在某些实施方案中，反射性可大于约99.999％。
在图3-2D中绘示了光学延迟组件3-216的另一实施例。此实施例可包括类似于在图3-2C中所绘示的实施例的固体区块。根据某些实施方案，光学延迟组件3-216可包括光学材料的固体区块，该固体区块具有五个表面，如在附图中所绘示。两个表面3-234可以以一轻微角度α相对于彼此偏斜。该等表面可包含高反射性涂层以使光射束3-101沿着如在附图中所指示的点划线路径在所述表面之间来回反射。延迟组件3-216可进一步包含提供到延迟组件的进入端口及从延迟组件出来的离开端口的两个未经涂布或经抗反射涂布的表面3-232。根据某些实施例，可以布置延迟组件使得腔内激光器光束3-101以布儒斯特(Brewster)角进入并离开延迟组件。延迟组件3-216可由任何适合光学质量玻璃形成，如上文所阐述。反射性表面3-234可经抛光以具有高光学质量，举例而言，具有λ/10或更佳的平坦度。在某些实施方案中，该等反射性表面可涂布有高质量、高反射性多层涂层且具有大于约99.5％的反射性。在某些实施例中，反射性可大于约99.9％。在某些实施例中，反射性可大于约99.99％。在某些实施方案中，反射性可大于约99.999％。
在图3-2A、图3-2B及图3-2D中绘示的固体区块延迟组件3-110、3-212、3-216的优点是当插入至激光器腔中时此等组件不需要与多组件延迟组件(诸如图3-2C的两个镜)一样精确的对准。然而，固体区块组件在制造过程期间将需要更仔细，此可导致增加的制造成本。在图3-2C中所绘示的多组件延迟组件3-214在制造过程期间将不需要一样仔细，然而其在经添加至激光器腔时将需要更仔细及更精确地进行镜相对于彼此的对准。
可在紧凑型超短脉冲激光器系统中实施并入有光学延迟组件的其他锁模激光器设计。图3-3A至图3-3C绘示了紧凑型超快锁模激光器的额外实施例。图3-3A绘示了频率加倍组件3-109位于激光器腔外侧的可饱和吸收器镜(SAM)锁模激光器3-300的实施例。类似于结合图3-1阐述的锁模激光器3-100的组件的锁模激光器的组件运用类似附图标号进行编号且不重复其阐述。根据某些实施例，SAM锁模激光器可包含输出耦合器TC1及可饱和吸收器镜3-120以作为腔端镜。输出耦合器可包括三向色镜，该三向色镜配置为传递泵波长λp且对于激射波长λ1及频率加倍波长λ2是高度反射性的。在某些实施例中，输出耦合器TC1可透射介于约2％与约15％之间的激射波长λ1。二向色镜DC2可位于激光器腔中以使泵波长λp穿过增益介质3-107向后反射且将激射波长λ1透射至延迟组件3-110。来自激光器腔的输出光束可经引导至可以位于激光器腔外侧的频率加倍组件3-109。可包含滤波器F1以阻挡激射波长，以及视情况阻挡泵波长。
图3-3B绘示了根据某些实施例的非线性镜锁模(NMM)激光器3-302的实施例。此实施例可以或可以不使用可饱和吸收器。替代地，频率加倍组件3-109及二向色镜DC2可提供导致激光器的锁模的依强度变化的损耗机制。类似于结合图3-1阐述的锁模激光器组件的锁模激光器的组件运用类似附图标号进行编号且不重复其阐述。
根据某些实施例，NMM激光器腔可包含充当输出耦合器的三向色镜TC1及充当用于频率加倍波长λ2的高反射器的二向色镜DC2。三向色镜TC1可配置为传递泵波长λp并且对激射波长λ1是高度反射性的且对于频率加倍波长λ2是高度反射性的。激光器腔可包含额外三向色反射器TC2，该额外三向色反射器配置为使泵波长穿过增益介质向后反射且传递激射波长及频率加倍波长。激射波长λ1可入射于频率加倍组件3-109上(在该频率加倍组件3-109处激射波长λ1在激光器腔内转换成频率加倍波长λ2)。二向色反射器DC2可展现对频率加倍波长λ2的高反射性。举例而言，其可反射介于约95％与约100％之间的频率加倍波长，及介于约60％与约75％之间的激射波长λ1。由于激射波长的较高损耗，因此激光器将更趋向于在具有高强度的脉冲的锁模状态中操作，这是因为这些高强度脉冲可藉由频率加倍组件3-109而更高效地转换成加倍频率且更高效地从二向色镜DC2反射。频率加倍波长λ2然后可以从锁模激光器与二向色镜DC1耦合。
图3-3C绘示了配置为产生两个频率加倍输出波长λ3、λ4的紧凑型锁模激光器的又一实施例。在某些实施方案中，增益介质3-308可包括Nd:YVO4且激光器腔中的光学组件上的涂层可被工程设计成具有反射值及透射值，以提供处于1064nm及1342nm波长下的同步激光产生。可运用(举例而言)位于激光器腔外部的加倍组件3-109来对这些波长进行频率加倍。
根据某些实施例，双波长锁模激光器可类似于在图3-3A中所绘示的SAM锁模激光器来布置。然而，用三向色镜TC1替换第一二向色镜，且用第三三向色镜TC3替换第二二向色镜。另外，已选择可在两个波长λ1、λ2下产生激光的增益介质。此外，可饱和吸收器镜3-325已经修改以展现出处于该两个激射波长下的依强度变化的损耗。
根据某些实施例，三向色镜TC1可配置为将泵波长高效地反射至增益介质3-308且将两个激射波长λ1、λ2传递至频率加倍组件3-109。三向色镜TC3可配置为使泵波长λp穿过增益介质3-308向后反射，且将两个激射波长λ1、λ2传递至延迟组件3-110且继续传递至可饱和吸收器镜3-325。SAM 3-325及三向色镜TC2可以是激光器腔的端镜。当被泵源激发时，双波长激光器可在两个激射波长上进行锁模。
在图3-1及图3-3A至图3-3C中所绘示的锁模激光器系统可以或可以不配置成如在附图中所绘示的直线式配置。在某些实施方案中，可在不脱离本发明的范围的情况下用处于各种角度及不同几何形状的配置的额外镜来折叠腔。形成于光学组件上的反射性涂层及透射性涂层将根据设计有涂层的相应激射光束、泵光束及频率加倍光束的入射角而进行工程设计。举例而言，在法向光束入射的情况下针对高反射率而工程设计的具有特定波长的涂层对于具有相同波长的以45°入射于镜上的光束将具有不同设计。在某些实施例中，涂层可针对特定光束入射角而量身定做。
现在将阐述双波长可饱和吸收器镜3-325的细节。根据某些实施例，在图3-4A中绘示可形成于半导体基板3-405上的双波长SAM。基板3-405的表面可包含高反射率涂层3-430。在某些实施方案中，该高反射率涂层可包括多层介电质涂层。在某些情形中，高反射率涂层可包括金属涂层。第一多量子阱结构3-412可形成于基板上，其距高反射率涂层一距离d1。第二多量子阱结构3-410可形成为距高反射率涂层3-430一第二距离d2。根据某些实施例，第一多量子阱结构及第二多量子阱结构可由中间半导体层3-407分离。可以存在或可以不存在毗邻第二多量子阱结构3-410形成的一或多个额外层3-409。来自激光器腔的光可入射于可饱和吸收器镜的第一表面3-402上。
根据某些实施例，基板3-405、中间层3-407及一或若干额外层3-409中的一或多者可包括硅或其他半导体材料。根据某些实施例，多量子阱结构3-412、3-410可藉由磊晶生长或原子层沉积而形成。多量子阱结构可由交替具有包括以下元素中的一或多者的组分的材料层而形成：In、Ga、As、Al、P。
图3-4B绘示了根据某些实施例的能带间隙图，该能带间隙图标绘为随距在图3-4A中所绘示的可饱和吸收器镜3-325的高反射率表面3-430的距离而变。第一多量子阱结构3-412可形成第一能带间隙BG2，且第二多量子阱结构3-410可形成第二能带间隙BG4，如在附图中所绘示。第一能带间隙及第二能带间隙可小于周围区域的带隙BG1、BG3及BG5。第一能带间隙BG2可以被工程设计成可饱和地吸收第一激射波长λ1，且第二能带间隙BG4可以被工程设计成可饱和地吸收第二激射波长λ2。第一激射波长及第二激射波长可以通过具有更大带隙的周围区域，并极少伴随或不伴随衰减。
第一多量子阱结构3-412及第二多量子阱结构3-410的位置可以被定位以分别与从反射性表面3-430反射的第一激射波长λ1及第二波长λ2的强度波腹大致对准，如在图3-4C中所绘示。所示强度波腹3-442、3-441可定位成距高反射率表面3-430一距离d1及d2。所示强度波腹可能并非是唯一的强度波腹，且可能在所示波腹与高反射率表面之间存在更多强度波腹以及存在距高反射率表面更远的额外强度波腹。根据某些实施例，具有较小带隙BG2的多量子阱结构3-412将定位成较接近于高反射率表面3-430。这可以允许较长波长λ1在不被明显衰减的情况下通过第二多量子阱结构3-410。仅作为一个实例，第一多量子阱结构3-412可依被工程设计成具有大致对应于1342nm的波长的带隙BG2，且第二多量子阱结构3-410可以被工程设计成具有对应于大约1064nm的带隙BG4。以此方式，可提供对应两个激射波长的依强度变化的损耗，以便产生处于两个激射波长下的锁模。
再次参考图3-3C，当在操作中时，双波长激光器3-304可产生同时处于两个激射波长λ1、λ2的超快脉冲。处于两个不同波长的脉冲的重复率将取决于激光器腔内的每一波长的光路径长度。由于在激光器腔中存在激射光束必须通过的光学组件(例如，增益介质3-308、三向色镜TC3、光学系统OS2、光学延迟组件3-110)且由于每一组件中的折射率对于两个波长可能是不同，于是激光器腔内的第一激射波长及第二激射波长的光路径长度将不同。光路径长度的差别可导致两个不同的脉冲重复率，这对于某些应用可能是不合意的。
在某些实施例中，两组多量子阱紧密定位在一起，使得来自一个激光器的光辐射可以影响两个量子阱中的载流子密度。该等量子阱可设计为具有对应于λ1及λ2的吸收状态。量子阱的交叉饱和可能有助于使来自两个激光器源的脉冲的时序同步。
为避免产生处于两个不同脉冲重复率的脉冲串，发明者已认识并了解到，应在激光器腔内包含补偿光学系统以使两个激射波长的光路径长度大致相等。参考图3-5A，发明者已认识并了解到，单一路径长度补偿组件3-500(诸如，端镜或输出耦合器)可被工程设计成补偿激光器腔内的两个激射波长的光路径长度的差别。根据某些实施例，输出耦合器可在输出耦合器的第一侧上包含位于第一激射波长的第一表面3-552处的第一二向色高反射率涂层，且在输出耦合器的第二侧上包含位于第二表面3-554处的第二二向色高反射率涂层。对于输出耦合器，对应相应波长每一涂层的反射性可介于约70％与约98％之间，且每一涂层可透射98％以上的另一波长。在一个端镜用作补偿组件的实施例中，每一涂层的反射性都可以大于98％。
补偿组件3-500的材料及厚度t可经选择以补偿第一激射波长及第二激射波长的激光器腔的光路径长度的差别。作为实例且在不受限于任何特定理论的情况下，可根据以下关系选择补偿组件的厚度t：
Figure BDA0003790587190000521
其中δopl(λ1，λ2)表示对应处于第一激射波长λ1及第二激射波长λ2下的脉冲的激光器腔中的光路径的差别，且nλ1及nλ2分别表示对应第一激射波长及第二激射波长的补偿组件的基板(位于反射性涂层之间)的分组指数的值。最初可以藉由对输出耦合器3-500的第一表面3-552的测量而估计激光器腔的光路径差别δopd(λ1，λ2)。脉冲分离间隔T可用于更准确地判定腔长度。第一表面可朝向激光器腔而定向。无论哪个激射波长在激光器腔中具有更短光路径差别，其皆将经过选择以双程通过补偿组件的基板到第二表面3-554。举例而言，若处于波长λ2下的脉冲在腔中具有更短光路径，则在等式1中使用nλ2的值。从第二表面3-554反射的脉冲在耦合器3-500中采取额外光路径，而处于另一激射波长的脉冲从第一表面3-552反射。为处于一个激射波长的脉冲添加的额外光路径可以补偿激光器腔中的其他光路径差别。
在某些情形中，补偿组件3-500的厚度t可小于约1mm。此一薄基板可能不适合于高质量激光器腔镜。举例而言，可能难以在薄基板上制造或保持光学平坦表面(例如，具有λ/10或更佳的平坦度)。在某些实施例中，补偿组件3-502可形成于支撑基板3-556上或接合至该支撑基板，如在图3-5B中所绘示。支撑基板可包括毗邻补偿组件的光学平坦表面(例如，具有λ/10或更佳的平坦度)。在某些实施方案中，补偿组件可以光学接触至或运用光学黏合剂黏合至支撑基板3-556。
在某些实施例中，补偿组件可形成于支撑基板3-556上。举例而言，第一高反射率多层涂层3-562可形成于支撑基板3-556上。然后，中间层3-564可沉积成厚度t。中间层可在某些实施例中藉由物理沉积工艺，或在某些情形中藉由气相沉积工艺来沉积。在某些实施方案中，中间层3-564可以或可以不在沉积之后被抛光成光学平坦表面。随后，第二高反射率多层涂层3-566可形成于中间层3-564上。
补偿组件朝向激光器腔的第一反射性涂层可以是二向色涂层，该二向色涂层高度反射第一激射波长且高度透射第二激射波长。举例而言，第一反射性涂层3-566可反射介于约85％与约98％之间的第一激射波长λ1，且可透射约98％以上的第二激射波长λ2。第二反射性涂层3-562可高度反射第二激射波长，且可以或可以不高度透射第一激射波长。若补偿组件3-500、3-502用作腔端镜，则第二反射性涂层(距激光器腔的中心最远)可对两个激射波长都是高度反射性的。此一涂层可能制造起来较容易且成本较低。若补偿组件3-500、3-502用作输出耦合器，则第二反射性涂层可对一个激射波长是高度反射性的且对另一波长是高度透射性的。
发明者已认识并了解到，热加热效应和/或激光器腔内的光学组件上的机械应力可能是可以影响紧凑型锁模激光器的性能的显著因素。在某些实施方案中，热加热可出现于泵源3-105、增益介质3-107和/或频率加倍组件3-109处。关于增益介质，发明者已认识并了解到，在安装增益晶体时必须格外仔细。底座应允许热耗散，且也避免机械地加应力于晶体。在图3-6中展示根据某些实施例的用于增益晶体的安装结构3-600的实例。所绘示的底座是针对具有方形剖面的增益介质而设计的，但该底座也可以针对诸如矩形或多边形的其他剖面来设计。增益介质可具有沿着进入页面的方向延伸的长度L。
根据某些实施例，增益介质的安装结构3-600可包括配置为在夹紧装置中接合在一起的第一部3-620及第二部3-622。举例而言，第一部及第二部可含有螺丝的通孔3-640，该等通孔允许该两个部紧固至支撑基底板且放置成与该支撑基底板热接触。第一部3-620及第二部3-622可由高导热材料(诸如铜或铝)形成，但在其他实施例中亦可使用其他材料。第一部分及第二部分可具有数个内部面3-615，这些内部面布置成以与激光器腔的增益介质热接触的方式设置。根据某些实施例，可存在位于处在增益介质的角落的底座的区域处的沟槽或开口3-630(例如，当增益介质安装于安装结构3-600中时)。沟槽或开口3-630可减少原本将诱发在增益介质上的机械应力和/或热应力。沟槽或开口可在增益介质的角落位置的任一侧上延伸介于约1mm与约3mm。发明者已发现，增益介质的角落处的开口可减轻原本可能使增益介质破裂和/或不利地影响激光器的光学模式量变曲线的热应力及机械应力。
在某些实施方案中，安装结构3-600的第一部3-620及第二部3-622可经热冷却，例如，接触至热电冷却器。根据某些实施例，第一部可被可控制地冷却至不同于第二部的温度或反之亦然，使得可跨越增益介质建立温度梯度。此差分控制可用于(例如)出于对准目的或出于调谐脉冲操作的目的而在激光器腔内转向激光器光束。
发明者已进一步认识并了解到，耗散热的安装结构可不利地影响激光器腔的光学对准。举例而言，用于增益介质或二极管泵源3-105的安装结构3-600可紧固至紧固有脉冲激光器的其他光学组件的基底板。安装结构可将热耗散至基底板中，且该热可导致膨胀和/或翘曲或基底板的其他变形。结果是，基底板的运动可使激光器腔的光学组件不对准且不利地影响激光器性能。
根据某些实施例，需要显著热耗散的安装结构或脉冲激光器的组件可安装于被部分隔离的平台3-710上，如在图3-7A中的平面图中所绘示。该平台可将热耗散部分地隔离至脉冲激光器的基底板中。在图3-7B及图3-7C中绘示了平台的正视图。根据某些实施方案，被部分隔离的平台3-710可藉由机械加工工艺而形成于基底板3-705中。举例而言，基底板3-705可已是经机械加工以形成紧凑型锁模激光器的外壳的材料的固体区块的一部分。一或多个沟槽或槽体3-730可穿过基底板3-705经机械加工以形成被部分隔离的平台3-710。这些槽体可延伸穿过基底板3-705(如在图3-7C中所绘示)且将平台3-710与基底板3-705部分地分离并热隔离。举例而言，热无法容易地自平台耗散至基底板中。
可在形成槽体3-730的机械加工程序之后留下多个支撑突片(tab)3-720。该等支撑突片提供对平台3-710的机械支撑，并且向基底板3-705提供部分热传导。根据某些实施方案，平台3-710的下部表面可热接触至热电冷却器(未展示)。在各种实施例中，支撑突片3-720相对于平台的厚度被中心定位于平台3-710的上部表面与下部表面之间，如在图3-7B中所绘示。举例而言，支撑突片3-720可位于基底板3-705的中性机械平面中，如在图3-7B中所示。相对于平台及基底板的厚度对支撑突片3-720进行中心定位可减少在基底板3-705与平台3-710之间所赋予的平面外热-机械应力的量。减少耗散至基底板中的热的量并减少平面外应力可减少基底板的翘曲及激光器腔中的其他光学组件的非期望相对运动。在某些实施例中，支撑突片包括挠性部件，该等挠性部件允许平台相对于基底板3-705移动，例如，以适应由平台诱发的热机械应力。某些激光器组件(例如，增益介质3-107)的运动可能不如其他组件(例如，腔镜)一样多地影响激光器的操作，且因此可被容许。平台3-710的部分热机械隔离可改良激光器的稳定性，且减少对由熟练操作者进行的调整的需求。
根据某些实施例，一或多个平台3-710可用于支撑脉冲激光器中的高温组件。举例而言，第一平台3-710可用于支撑二极管泵源3-105或泵模块2-140，且第二平台可用于支撑激光器增益介质3-107、1-105。在某些实施方案中，第三平台可用于支撑非线性组件3-109、2-170。
在某些实施例中，可使用在不同特征波长下操作的多个脉冲激光器。发明者已认识并了解到，来自两个激光器的脉冲串可在不具有机电反馈控制电路的情况下是同步的。在某些实施例中，来自第一锁模激光器的脉冲串可用于从第二连续波激光器产生脉冲，如在图3-8A中所绘示。第一激光器1-110a可产生处于一第一特征波长λ1的第一串脉冲3-820a。来自脉冲的某些能量可经由第一非线性光学组件3-830处的二次谐波产生(SHG)转换成二次谐波。处于基波长的剩余能量可由第一二向色镜DC1引导至第二激光器3-800中，该第二激光器包括第一端镜DC2、用于和频产生(SFG)的第二非线性光学组件3-840、增益介质3-810及第二端镜DC3。端镜可以是二向色镜，其对第二激射波长λ2是高度反射性的且可透射其他波长。举例而言，端镜对于第二激射波长可具有大于99％的反射性值，且可透射第一激射波长λ1。第二激光器3-800也可包含三向色反射器TC1，通过该三向色反射器，增益介质的泵波长λp可被引入至腔中。
根据某些实施例，第二激光器3-800可以以连续波模式进行操作。因此，第二激光器本身将不产生脉冲。另外，由于第二激光器的腔镜具有高反射性值，因此，由于激光器不需要在其操作波长λ2处提供腔外部的功率而导致腔内功率可能是极高的。高腔内功率然后可以用于和频产生，其中脉冲自第一激光器1-110a注入至腔中以产生处于第三波长λ3的脉冲串3-820c。由于第二激光器3-800以连续波模式进行操作，因此第二激光器的腔长度不与脉冲重复率相关，因此可不需要腔长度控制。此外，由于经由SFG的脉冲产生是藉由来自第一激光器1-110a的脉冲而判定，因此处于和频波长λ3的所产生的脉冲自动地与来自第一激光器的脉冲同步，且不需要两个脉冲串的电子同步。仍将需要与仪器电子器件的同步。
图3-8B绘示一个激光器以连续波模式进行操作的双激光器系统的替代实施例。在此系统中，SFG在SHG之前发生。在某些情形中，和频产生的效率可小于二次谐波产生，使得首先执行SFG可能是有利的，以便第一激光器脉冲的强度更高。
针对采用经由非线性光学组件的波长转换以获得所要波长的激光器实施例，非线性光学组件可被支撑于底座中，该等底座允许光学组件相对于穿过光学组件的光射束轴的角度调整。角度调整可允许非线性组件旋转至相位匹配角度以达成高转换效率。角度调整可(例如)在制造时藉由调整螺丝而手动地进行，然后经由胶合、树脂或其他方法来固定。在某些实施例中，角度调整可能并非是固定的，使得使用者或技师可在需要时进行进一步调整。
发明者已设想到有助于使来自两个激光器(其中至少一个激光器包含可饱和吸收器)的脉冲串同步的额外方法。图3-9绘示了双激光器系统3-900，其中来自第一锁模激光器1-110a的漂白脉冲串3-820b经引导至第二锁模激光器3-910的可饱和吸收器镜3-120。该第二锁模激光器可包括增益介质3-810及输出耦合器OC1。第二激光器的增益介质可与第一激光器的增益介质相同。
根据某些实施例，漂白脉冲串3-820b可藉由分束器BS1与第一激光器的主输出脉冲串3-820a分开。当漂白脉冲串射至可饱和吸收器镜时，其将在每一脉冲期间辅助可饱和吸收器镜的漂白(减少光损耗)。此短的损耗减少将影响第二激光器3-910中的光脉冲3-820c的形成及时序。在各种实施例中，漂白脉冲应在空间上对准至用第二激光器光束照射的可饱和吸收器镜的区域。由于第二激光器3-910的光脉冲一旦形成也将漂白可饱和吸收器，因此期望当两个激光器以稳态进行操作时，这些光脉冲与来自第一激光器的脉冲同时射至可饱和吸收器镜3-120。因此，机电控制电路3-920可用于控制第二激光器的腔长度(及脉冲重复率)。
在图3-10中绘示了用于控制腔长度的机电控制电路3-1000的实例。其他实施例可使用不同的信号处理电路。在某些实施方案中，可用两个光电探测器3-1010、3-1012检测来自两个激光器的脉冲。光脉冲可以是(举例而言)用分束器分出的部分激光器光束或者来自激光器腔内的光学组件的杂散反射、散射或残余透射。来自光电探测器的信号可用放大器3-1020、3-1022来放大，且用低通或带通滤波器3-1030、3-1032来滤波。可变相位延迟3-1034可包含于一个信号路径中以允许两个信号被正交地混合。放大器可包括运算放大器或射频放大器且可以是数字或模拟的。滤波器可以是数字滤波器或模拟滤波器，且可产生实质上对应于两个激光器的脉冲重复率的基频或谐波频率的正弦输出。来自两个滤波器的输出然后可以在混合器3-1040处混合以产生和频及差频。
根据某些实施例，来自混合器的输出可用低通滤波器3-1040来滤波以产生DC信号，这提供了与两个频率之间的相移成比例的误差信号。DC信号电位可被提供至机电控制电路3-920且经监测以判定腔长度匹配的程度。当腔长度匹配时，DC信号电平可接近于零值。当腔长度不匹配时，DC信号电平的量值可增加，且控制电路3-920可产生至用于移动腔端镜的致动器3-930的控制信号，举例而言，以减小DC信号电平的量值。
在某些实施例中，可替代机电控制电路中的混合器3-1040而使用锁相回路。举例而言，来自滤波器3-1030、3-1032的正弦或数字化方形波信号可被施加至锁相回路的相位检测器。来自相位检测器的输出可经滤波且被提供至机电控制电路3-920。
Ⅱ.B.锁模半导体激光器
在某些实施方案中，半导体激光器二极管可经锁模以提供低成本的超快脉冲源。根据某些实施例，锁模激光器二极管可产生处于所要波长(例如，处于蓝色、绿色或红色的波长)的脉冲，该等脉冲将直接用于探测样本或进行测量。在某些情形中，由激光器二极管产生的脉冲可被转换成另一波长(例如，经频率加倍)以供在探测或量测应用中使用。举例而言，锁模激光器二极管可产生处于红外线波长的脉冲，且这些脉冲可被频率加倍到光学光谱的蓝色、绿色或红色区域。
在图4-1中绘示了锁模激光器二极管4-100的一个实施例。锁模半导体激光器可包括激光器二极管4-105及可饱和吸收器镜3-120。根据某些实施例，激光器腔的端部可藉由形成于半导体激光器二极管4-105的一个端部上的反射性涂层4-112及可饱和吸收器镜3-120来界定。激光器腔可包含第一光学系统OS1，该第一光学系统将来自激光器二极管的光射束重新整形和/或改变该光射束的发散度。激光器腔可进一步包含第二光学系统OS2，该第二光学系统可将腔内光束重新整形和/或将该腔内光束聚焦至可饱和吸收器镜上。在某些实施例中，激光器腔可包含光学延迟组件3-110。该光学延迟组件可以是上文结合图3-2A至图3-2D所阐述的延迟组件的任何实施例。锁模激光器二极管可产生处于波长λ1下的激光且产生具有短于约100ps的持续时间的一串超快脉冲。
在某些实施方案中，激光器二极管4-105可在光学波导结构的任一端部上包含光学涂层。可藉由任何适合的沉积工艺(诸如气相沉积工艺或物理沉积工艺)形成光学涂层4-110、4-112。在某些实施方案中，激光器二极管的第一端部可包含充当激光器腔的输出耦合器的部分透射性涂层4-112。透射性涂层4-112可将激射光束的一部分透射至腔外侧以提供一串超快脉冲。根据某些实施例，涂层4-112的透射率可介于大约2％与大约15％之间，且其反射性可介于约98％与约85％之间。激光器二极管4-105的相对端部可涂布有抗反射涂层4-110，以便允许来自激光器二极管的大部分辐射在不具有显著反射的情况下传递至激光器腔中。举例而言，抗反射涂层4-110可反射小于1％的激射波长λ1。
在某些实施例中，用于锁模激光器二极管4-200的可饱和吸收器可与半导体激光器二极管一起集成在同一芯片上，如在图4-2中所绘示。举例而言，可饱和吸收器4-665可以集成至其上形成有激光器二极管4-620的基板上。激光器腔可包括光学系统OS1，该光学系统将来自激光器二极管的光束重新整形和/或改变该光束的发散度。在某些实施例中，光学系统OS1可以是激光器腔中的唯一光学系统，该光学系统用于改变腔中的光束的形状和/或发散度。激光器腔也可包含光学延迟组件3-110及输出耦合器OS1。输出耦合器可包括分束器，该分束器将激射光束的一部分透射至腔外侧且将大部分激射光束在激光器腔内向后反射。根据某些实施例，输出耦合器OS1的透射率可介于大约2％与大约15％之间。如上文所阐述，与可饱和吸收器4-665相对的激光器二极管4-620的一个端部可包含抗反射涂层。可饱和吸收器可包含高反射性涂层，该高反射性涂层将来自激光器二极管的大多数辐射向后反射至激光器腔中。
在图4-3中绘示锁模激光器二极管4-300的另一实施例。在此实施例中，光纤4-320用作激光器腔的光学延迟组件。根据某些实施例，激光器腔可包含可饱和吸收器4-665及毗邻该可饱和吸收器的高反射率涂层，该可饱和吸收器及该高反射率涂层集成至与激光器二极管4-620相同的基板上。激光器腔可进一步包含用于将来自激光器二极管4-620的辐射耦合至光纤4-320中的光学耦合组件4-310。根据某些实施例，光输出耦合组件4-330可位于光纤4-320的第二端部处且配置成用于激光器腔的输出耦合器。
在某些实施方案中，光学耦合组件4-310可包括光学黏合剂。举例而言，光纤4-320可使用该光学黏合剂对准且黏合至激光器二极管的端部。光纤端可接合于来自激光器二极管的波导区域的辐射较高效地耦合至光纤中的位置处。在某些实施例中，光学耦合组件4-310可包括球型透镜或渐进型折射率(GRIN)透镜。根据某些实施例，在光纤的相对端部处的输出光学耦合组件4-330的表面可包含反射性涂层4-332以便提供来自激光器腔的输出耦合。在某些实施方案中，输出耦合组件4-330可包括球型透镜或GRIN透镜。在某些实施例中，输出耦合组件4-330可包括接近光纤4-320的端部安装的透镜。
在图4-1至图4-3中所示的锁模激光器二极管的所绘示实施例中的任一者可以或可以不包含波长转换组件3-109。根据某些实施例，波长转换组件可包括对准至来自激光器腔的光束的频率加倍晶体，或可包含用于进行参数转换或四波混合的非线性组件。在某些实施例中，非线性组件可包括周期性极化材料(诸如，铌酸锂)，该周期性极化材料可集成于与激光器二极管相同的基板上。
使用锁模激光器二极管对于不需要高量的功率(举例而言，超过约300mW的功率水平)的某些实施例可能是有利的。锁模激光器二极管的一个优点是其紧凑的尺寸且减少了在激光器中使用的光学组件的数目。由于激射介质可以是极小的(例如，宽度小于5mm)，因此在某些实施例中可以使用锁模激光器二极管阵列。在某些实施方案中，锁模激光器二极管阵列可共享共同的光学组件。举例而言，两个或两个以上激光器二极管可共享一或多个光学组件(例如，光学延迟组件3-110，光学系统OS1、OS2及可饱和吸收器镜3-120中的一或多者)。
Ⅱ.C.锁模光纤激光器
根据某些实施例，也可使用锁模光纤激光器来产生超快脉冲。在图5-1至图5-3中绘示了锁模光纤激光器的某些实例。锁模光纤激光器可包含在二极管泵浦固态激光器中所使用的光学组件，如上文所阐述且在图3-3A至图3-3C中所绘示。然而，在锁模光纤激光器中，增益介质包括一定长度的光纤5-120，该光纤也可提供用于激光器腔的光学延迟组件。根据某些实施例，二极管泵源3-105可提供耦合至光纤5-120的端部中的泵波长λp，如在图5-1中所绘示。在某些实施方案中，光纤激光器腔可藉由第一二向色端镜DC1及导致光纤激光器的被动锁模的可饱和吸收器镜3-120来界定。
参考图5-1且根据某些实施例，锁模光纤激光器5-100可包括第一光学系统OS1，该第一光学系统配置为将输出光束从二极管泵源3-105耦合至充当激光器的增益介质的光纤5-120中。在某些实施方案中，来自二极管泵源3-105的光束可耦合至光纤的包层中以激发光纤5-120的芯及增益介质。第二光学系统OS2可布置为耦合来自光纤的辐射(例如)以形成激射波长λ1处的光束。激光器腔可进一步包含接近光纤5-120的端部或在光纤5-120的端部处定位的二向色镜DC2，如在附图中所绘示。第二二向色镜DC2可将大多数激射波长λ1透射至可饱和吸收器镜3-120，且将大部分泵波长λp穿过光纤向后反射。举例而言，第二二向色镜DC2可透射约98％以上的激射波长且反射约98％以上的泵波长。可在激光器腔外侧包含介于泵源与光纤之间的第三二向色镜DC3，且该第三二向色镜可用于引导来自光纤激光器5-100的输出激光器光束。根据某些实施方案，该第三二向色镜可透射大多数(例如，约98％以上)泵波长λp且反射大多数(例如，约98％以上)激射波长λ1。
在图5-2中绘示了锁模光纤激光器5-200的另一实施例。在某些实施方案中，光学耦合组件可被制作或接合于光纤5-120的相对端部处。举例而言，第一光学组件5-210可接合至光纤的第一端部或形成于该第一端上。第一光学组件可包括直接附接或运用支撑结构附接至光纤的端部的球型透镜或渐进型折射率透镜。另外，第一光学组件5-210可包含二向色涂层，该二向色涂层透射大多数(例如，约98％以上)泵波长λp且反射大多数(介于约98％与约85％之间)激射波长λ1。因此，第一光学组件5-210可包括用于光纤激光器5-200的输出耦合器。
在某些实施例中，第二光学组件5-220可包括形成于光纤的端部上的二向色涂层，该二向色涂层经工程设计以透射大多数(例如，约98％以上)激射波长λ1且将大多数(例如，约98％以上)泵波长λp向后反射至光纤中。在某些实施例中，第二光学组件5-220可包括直接附接或运用支撑结构耦合至光纤的端部的球型透镜或GRIN透镜。举例而言，GRIN透镜可运用光学黏合剂而黏合至光纤的端部，且GRIN透镜的曝露端可涂布有二向色涂层，该二向色涂层经工程设计以透射大多数(例如，约98％以上)激射波长λ1且将大多数(例如，约98％以上)泵波长λp向后反射至光纤中。根据某些实施例，可存在用于将泵辐射自激光器二极管3-105耦合至光纤中的第一光学透镜系统OS1，及用于将来自光纤的辐射聚焦至可饱和吸收器镜3-120上的第二光学透镜系统OS2。
图5-3绘示锁模光纤激光器5-300的又一实施例。此一实施例可包括比在上文所阐述的光纤激光器的先前实施例中少的光学组件。根据某些实施方案，光纤激光器腔可藉由位于光纤5-120的端部处的光学棱镜5-310及位于光纤的相对端部处的可饱和吸收器镜3-120来界定。光学棱镜5-310可包含覆盖有第一二向色涂层5-312的第一表面。该第一二向色涂层可透射大多数(例如，约98％以上)泵源波长λp且反射大多数(例如，约98％以上)激射波长λ1。光学棱镜5-310的第二表面可包含第二二向色涂层5-314，该第二二向色涂层配置为透射大多数(例如，约98％以上)泵波长λp且将大多数(例如，介于约85％与约98％之间)激射波长λ1向后反射至光纤中。第二二向色涂层5-314可充当用于光纤激光器的输出耦合器。举例而言，第二二向色涂层5-314可透射介于大约2％与大约15％之间的激射波长λ1。根据某些实施例，可存在位于光纤5-120的相对端部处的输出耦合组件5-220。输出耦合组件5-220可将来自光纤的激射辐射耦合至可饱和吸收器镜3-120。在某些实施例中，光纤输出耦合组件可包括黏合至光纤的端部的球型透镜或渐进型折射率透镜。在某些实施方案中，输出光学耦合组件5-220可包含二向色涂层，该二向色涂层经工程设计以透射大多数激射辐射λ1且将大多数泵辐射λp向后反射至光纤中。输出光学耦合组件5-220可耦合去往及来自可饱和吸收器镜3-120的激射辐射λ1，且可以或可以不与SAM接触。
Ⅱ.D.增益切换激光器
在某些实施例中，增益切换激光器可用作用于分析仪器1-100的脉冲激光器1-110。增益切换激光器通常具有比锁模激光器长的脉冲，但可具有较低复杂性且可以以较低成本制造。当样本的荧光寿命具有较长衰变速率(例如，大于约5ns)时，增益切换激光器可能是有用的。
发明者已设想用于自激光器二极管及发光二极管产生短及超短光脉冲的脉冲器电路及技术。已在某些实施方案中采用脉冲电路及技术来对半导体激光器进行增益切换且以最高达100MHz的重复率(T短至10纳秒)产生具有大约1W的峰值功率的一串85皮秒(ps)脉冲(FWHM)。在某些实施例中，单极或双极电流波形可由脉冲器电路产生且用于以激发光脉冲且抑制脉冲的尾部处的发射的方式驱动激光器二极管的增益介质。在某些实施例中，单极或双极电流波形可由脉冲器电路产生且可用于驱动一或多个发光二极管以输出短或超短光脉冲。
出于阐述激光器二极管中的增益切换的目的，包含图6-1A至图6-1C以说明与增益切换相关联的激光器动态。图6-1A说明了根据某些实施例的表示施加至增益切换激光器的增益介质的泵功率的泵功率曲线6-110。如所绘示，泵功率可施加至激光器腔中的增益介质达一短暂持续时间(经绘示为大约0.6微秒)。针对半导体激光器二极管，泵功率的施加可包括跨越激光器二极管的p-n结或多量子阱(MQW)而施加偏压电流。泵功率脉冲可以以规则间隔的时间间隔(举例而言，以脉冲分离间隔或脉冲重复时间T)而重复地施加。
在施加泵功率脉冲期间，激光器腔中的光增益增加，直至该增益开始超过该腔中的光损耗为止。在此点之后，激光器可开始产生激光(亦即，藉由受激发射的过程放大通过增益介质的光子)。放大过程引起激光器光的快速增加及增益介质中的激发状态的消耗，从而产生如所绘示的至少一个输出脉冲6-130。在某些实施例中，泵功率脉冲6-110经定时以在与出现输出脉冲的峰值大致相同的时间处关断。关断泵功率脉冲会终止进一步产生激光，使得输出脉冲6-130淬灭。在某些实施例中，输出脉冲6-130可具有比泵脉冲6-110短的持续时间，如在附图中所绘示。举例而言，由增益切换产生的输出脉冲6-130可小于泵脉冲6-110的持续时间的1/5。
若泵功率脉冲不被关断，则可能发生在图6-1B中绘示的动态。在此情形中，绘示为阶梯函数的泵功率曲线(展示为泵电流密度)6-140表示施加至半导体激光器的电流密度。图展示了增益介质受泵浦电流密度激发，着在激光器二极管的增益区域中产生载流子密度N。在时间t＝0处施加约两倍于激光阈值电流密度Ith的泵电流密度I，然后使其继续。该图展示了半导体增益区域的载流子密度N的增加，直至激光器的光增益超过腔中的损耗为止。在此点之后，第一脉冲6-161累加(从而使载流子密度及光增益消耗至小于腔损耗的值)且被发射。随后，第二脉冲6-162累加，消耗载流子密度N，且被发射。载流子密度的累加及消耗重复了数个循环，直至激光器稳定成连续波操作为止(例如，在此实例中是在约7纳秒之后)。脉冲(脉冲6-161、脉冲6-162及后续脉冲)的循环被称为激光器的松弛振荡。
发明者已认识并了解到，当对激光器进行增益切换以产生超短脉冲时的挑战是避免持续松弛振荡的有害效应。举例而言，若泵功率脉冲6-110未足够快速地终止，则至少第二光脉冲6-162(由于松弛振荡)可在激光器腔中开始累加且将尾部6-172添加至经增益切换的输出脉冲6-170，如在图6-1C中所绘示。发明者已认识并了解到，该尾部在某些应用(诸如目的在于基于荧光寿命来区分荧光分子的应用)中可能是不合意的。若激发脉冲的尾部未充分快速地减少，则除非采用波长滤波，否则激发辐射可能压制检测器。替代地或另外，激发脉冲上的尾部可继续激发荧光分子且可使荧光寿命的检测复杂化。
若激发脉冲的尾部充分快速地减少，则可在荧光发射期间存在可忽略的激发辐射。在此等实施方案中，可能不需要在荧光发射的检测期间对激发辐射进行滤波以检测荧光发射并区分荧光分子寿命。在某些情形中，激发滤波的消除可显著简化分析系统1-160且减少该分析系统的成本并且允许该系统的较紧凑的配置。举例而言，当不需要滤波器以在荧光发射期间抑制激发波长时，激发源及荧光电探测器可位于很近的位置(例如，在相同电路板或集成器件上，且甚至彼此间距几微米以内)。
发明者亦已认识并了解到，在某些情形中，可以容许激发脉冲上的尾部。举例而言，分析系统1-160可具易于让波长滤波器并入至检测光路径中的光学配置。波长滤波器可经选择以拒绝激发波长，使得检测器从生物样本接收可量化荧光。因此，来自脉冲光源的激发辐射不会压制所检测的荧光。
在某些实施例中，荧光分子的发射寿命τ可根据某些实施例表征为1/e强度值，但在某些实施例中也可使用其他度量(例如，1/e2、发射半衰期等)。当用于激发荧光分子的激发脉冲具有小于荧光分子的寿命的持续时间时，判定荧光分子的寿命的准确性得以改良。较佳地，激发脉冲具有比荧光分子的发射寿命小至少三分之一的FWHM持续时间。具有较长持续时间的激发脉冲或具有可感知能量的尾部6-172可在正在评估衰变发射期间继续激发荧光分子，且使荧光分子寿命的分析复杂化。为改良在此等情形中的荧光寿命判定，可使用去卷积(deconvolution)技术来使来自所检测的荧光的激发脉冲量变曲线去卷积。
在某些情形中，使用超短脉冲来激发荧光分子以便减少荧光分子或样本的淬灭可能是较佳的。已发现，荧光分子的延长泵浦可使荧光分子随着时间而漂白(bleach)和/或损坏，然而较短持续时间的较高强度(即使对于分子的相同总量的能量)可能不如较低强度下的经迁延曝光(prolonged exposure)对荧光分子具有损坏性。减少曝露时间可避免或减少对荧光分子的光致损坏，且增加可以在分析系统1-160中使用荧光分子的时间量或测量次数。
在某些应用中，发明者已发现，激发脉冲快速终止(例如，在自脉冲的峰值开始经过约250ps内)至低于脉冲的峰值功率水平的至少约40dB的功率水平是合意的。某些实施例可容许进行更小量的功率减少，例如，在约250ps内达到介于约20dB与约40dB之间的功率减少。某些实施例可需要在约250ps内进行类似或更高量的功率减少，例如，介于约40dB与约80dB之间(在某些实施例中)或介于约80dB与约120dB之间(在某些实施例中)。在某些实施例中，可能在从泵浦脉冲的峰值经过约100ps内需要这种水平的功率降低。
根据某些实施例，脉冲分离间隔T(参见图1-2)也可是脉冲激光器系统的重要方面。举例而言，当使用脉冲激光器来评估和/或区分荧光分子的发射寿命时，激发脉冲之间的时间较佳地长于所检查的荧光物质的任何发射寿命，以便允许足够准确地判定发射寿命。举例而言，后续脉冲应不在自受激发荧光分子或整组荧光分子被前一脉冲激发开始后具有一合理的时间量之前到达以发出荧光。在某些实施例中，间隔T需要足够长以便在终止激发脉冲之后且在下一激发脉冲之前判定用于激发荧光分子的激发脉冲与由该荧光分子发射后续光子之间的时间。
尽管激发脉冲之间的间隔T应足够长以判定荧光物质的衰变性质，但脉冲分离间隔T足够短以便允许在短时间周期中进行诸多量测也是合意的。以非限制性示例来说，在某些应用中使用的荧光分子的发射寿命(1/e值)可处于约100皮秒至约10纳秒的范围内。因此，根据所使用的荧光分子，可使用短至约200ps的脉冲分离间隔，然而针对较长寿命荧光分子，可使用大于约20纳秒的脉冲分离间隔T。因此，根据某些实施例，用于激发荧光以进行荧光寿命分析的激发脉冲可具有介于约25皮秒与约2纳秒之间的FWHM持续时间。
在使用积分(integrated)时域成像阵列以检测荧光并提供寿命分析的数据和视觉显示的一些应用(诸如荧光寿命成像)中，脉冲分离间隔T可不必短于成像系统的帧速率。举例而言，若在单一激发脉冲之后存在充足的荧光信号，则可能不需要成像帧在多个激发脉冲内的信号累积。在某些实施例中，脉冲光源1-110的脉冲重复率Rp可与成像系统的帧速率Rf同步，使得脉冲重复率可慢至约30Hz。在其他实施例中，脉冲重复率可明显地高于帧速率，且影像中的每一像素的荧光衰变信号可以是在多个激发脉冲之后的积分值。
在图6-2A中绘示了增益切换脉冲激光器6-200的示例。根据某些实施例，脉冲激光器6-200可包括形成于基板6-208上的商用或定制半导体激光器二极管6-201。激光器二极管可封装于包含电连接器6-224的外壳6-212中。可存在包含在封装中的一或多个光学组件6-205(例如，一或多个透镜)以将来自激光器的输出光束重新整形和/或改变该输出光束的发散度。激光器二极管6-201可由脉冲器电路6-210驱动，该脉冲器电路可经由连接电缆6-226及至少一个导线6-220将电流脉冲的序列提供至二极管6-201。来自脉冲器电路6-210的驱动电流可产生一串光脉冲6-222，该串光脉冲自激光器二极管。
根据某些实施例，激光器二极管6-201可包括半导体结，该半导体结包括具有第一导电类型(例如，p型)的第一层6-202及具有相反导电类型的第二层6-206。可存在形成于第一层与第二层之间的一或多个中间层6-204。举例而言，中间层可包括多量子阱(MQW)层，其中自第一层及第二层注入的载流子重新组合以产生光子。在某些实施例中，中间层可包含电子和/或空穴阻挡层。在某些实施方案中，激光器二极管可包括无机材料和/或有机半导体材料。材料可经选择以获得一所要发射波长。举例而言且针对无机半导体，Ⅲ副族氮化物化合物可用于在小于约500nm的波长下发射的激光器，且Ⅲ副族砷化物或Ⅲ副族磷化物化合物可用于在大于约500nm的波长下发射的激光器。可使用任何适合类型的激光器二极管6-201，包含但不限于垂直腔面发射激光器(VCSEL)、边缘发射激光器二极管或板坯耦合光学波导激光器(SCOWL)。
根据某些实施例，可替代增益切换激光器二极管而使用一或多个脉冲LED。脉冲LED对于时差测距、3-D成像及荧光成像应用可能是有用的。LED可具有低于LD的强度，因此可使用多个LED。由于LED不经历与激光作用(lasing action)相关联的松弛振荡或动态，因此其输出脉冲可以具有较长持续时间且具有比激光器原本出现的光谱带宽宽的光谱带宽。举例而言，输出脉冲可介于约100ps与约2ns之间，且光谱带宽可以是约20nm或更大。在某些实施方案中，来自LED的输出脉冲可介于约100ps与约500ps之间。较长激发脉冲对于激发具有较长衰变时间的荧光分子可能是可接受的。另外，LED可产生未偏振或部分偏振的输出光束。在脉冲光源的某些实施方案中，下文所阐述的脉冲器电路的实施例可用于驱动一或多个LED。
使用LED的一个优点是其相比于激光器二极管的较低成本。另外，LED提供可能更适合于成像应用的较宽广(通常不相干的)光谱输出(例如，LED可产生较少光学干扰伪像(artifact))。针对激光器二极管，相干辐射可在成像应用中引入光斑，除非采取措施以避免所收集影像中的光斑。此外，LED可将激发波长延伸至紫外线中(例如，小至约240nm)，且可用于激发生物样本中的自发荧光。
发明者已认识到，某些常用激光器二极管系统包括可如在图6-2B中所绘示的模型化的电流驱动器电路。举例而言，电流驱动器6-210可包括配置为将电流脉冲递送至激光器二极管的脉冲电压源6-230。通常透过电缆6-226、适配器或连接器6-224及接合至激光器二极管6-210上的接触垫的单一导线6-220完成至激光器二极管的连接。适配器6-224与激光器二极管之间的连接可包含串联电感L1及串联电阻R1。连接也可包含与接触点和/或二极管结相关联的小的结电容(未展示)。
发明者已认识并了解到，增加接合导线(例如，介于连接器6-224与激光器二极管6-201之间)的数目可能减少连接至激光器二极管6-201的电感和/或电阻。电感和/或电阻的此类减少可达成激光器二极管的较高速度电流调变及较短输出脉冲。根据某些实施例，可用多个平行接合导线替换单一接合导线6-220以改良激光器二极管的速度。举例而言，接合导线的数目可增加至三个或三个以上。在某些实施方案中，可存在多达50个至激光器二极管的接合导线。
发明者已研究增加接合导线6-220的数目对商用激光器二极管的影响。所考虑的实例性商用激光器是现在可自加利福尼亚州赛普里斯(Cypress)的Ushio购得的Oclaro激光器二极管(型号HL63133DG)。在图6-2C中说明了增加接合导线的数目的数值仿真的结果。该仿真将接合导线的数目从商用器件的单一接线(曲线6-250)增加至三个接合导线(曲线6-252)以及增加至36个接合导线(曲线6-254)。针对三种不同情形在频率范围内判定递送至激光器二极管的平均驱动电流(针对固定18V脉冲)。结果指示出更高数目的接合导线允许以更高频率将更多电流递送至激光器二极管。举例而言，在1GHz处，仅使用三个接合导线(曲线6-252)对于使用单一接合导线来说允许将多于四倍以上的电流递送至激光器二极管。由于短及超短脉冲需要较高带宽(用以形成短脉冲的较高频率分量)，因此相比于单一接合导线，添加多个接合导线允许较高频率分量以较短脉冲来驱动激光器二极管。在某些实施方案中，多个接合导线可在激光器二极管上的单一接触垫或多个接触垫与激光器二极管封装上的适配器或连接器6-224之间延伸。连接器可配置为连接至外部标准化电缆(例如，连接至50欧姆BNC或SMA电缆)。
在某些实施例中，接合导线的数目及接合导线配置可经选择以匹配连接至激光器二极管的适配器和/或电缆的阻抗。举例而言，根据某些实施例，接合导线的阻抗可匹配至连接器6-224的阻抗以减少自激光器二极管至电流驱动器的功率反射。在其他实施例中，接合导线的阻抗有意地不与二极管的输出阻抗匹配。该不匹配可以产生正电流驱动脉冲之间的负脉冲。选择用于激光器二极管的封装方法(例如，选择自适配器至激光器二极管的接合导线的数目)可改良以较高频率供应至激光器二极管的电流调变。此可使激光器二极管对高速增益切换信号更具响应性，且可达成较短光脉冲、在脉冲峰值之后光功率的较快降低和/或增加的脉冲重复率。
现在参考图6-3，发明者已进一步认识并了解到，将双极脉冲波形6-300应用于激光器二极管可抑制所产生的光脉冲上的不合意的发射尾部6-172(参见图6-1C)。双极脉冲也可用于缩短来自LED的光脉冲。双极脉冲可包括具有第一极性的第一脉冲6-310，紧接着是具有相反极性的第二脉冲6-312。第二脉冲6-312的量值可不同于第一脉冲的量值。在某些实施例中，第二脉冲可具有大约等于或小于第一脉冲6-310的量值。在其他实施例中，第二脉冲6-312可具有大于第一脉冲6-310的量值。
在某些实施例中，第二脉冲的量值可介于约10％的第一脉冲的量值与约90％的第一脉冲的量值之间。在某些实施方案中，第二脉冲的量值可介于约25％的第一脉冲的量值与约90％的第一脉冲的量值之间。在某些情形中，第二脉冲的量值可介于约50％的第一脉冲的量值与约90％的第一脉冲的量值之间。在某些实施例中，第二脉冲中的能量的量可介于约25％的第一脉冲中的能量的量与约90％的第一脉冲中的能量之间。在某些实施方案中，第二脉冲中的能量的量可介于约50％的第一脉冲中的能量的量与约90％的第一脉冲中的能量之间。
第一驱动脉冲可使激光器二极管结正向偏压且藉此在二极管有源区域中产生载流子，该载流子可重新组合以产生光脉冲。极性相反的第二驱动脉冲6-312可使二极管结反向偏压且从有源区域中加速移除载流子以终止光子产生。当对第二电脉冲6-312定时以在与第二松弛振荡脉冲(参见图6-1B的脉冲6-162)大约相同的时间处发生或就在第二松弛振荡脉冲之前(例如，在约200ps内)发生时，原本将产生第二光脉冲的载流子浓度被削弱，使得发射尾部6-172被抑制。
可使用各种电路配置来产生双极脉冲波形。图6-4A仅绘示了可用于驱动具有双极脉冲波形的激光器二极管或者一或多个LED的电路的一个示例。在某些实施例中，传输线6-410(例如，条带线或同轴导体组件)可配置在脉冲器电路6-400中以将双极脉冲递送至半导体激光器二极管6-420或至少一个LED。传输线6-410可以以U形配置形成且透过充电电阻器Rch藉由DC电压源VDD在第一导体上加偏压。根据某些实施例，传输线可具有大致匹配激光器二极管的阻抗的阻抗。在某些实施例中，传输线的阻抗可以是大约50欧姆。在某些实施方案中，传输线的阻抗可介于大约20欧姆与大约100欧姆之间。在某些实施方案中，传输线的阻抗可介于大约1欧姆与大约20欧姆之间。
脉冲器6-400可进一步包含端接电阻器Zterm，该端接电阻器连接于处于传输线的一端的传输线的第二导体与参考电势(例如，在所绘示实例中为接地)之间。传输线的第二导体的另一端可连接至激光器二极管6-420。传输线的第一导体的端部可连接至转换器M1(例如，场效应晶体管或双极面结晶体管)，该转换器可经启动以将第一导体的端部周期性地分流至参考电势(例如，接地)。
在某些实例中，端接阻抗Zterm大约可以等于传输线6-410的阻抗以便减少返回到线中的反射。或者，端接阻抗Zterm可以小于线的阻抗以便将负脉冲反射至线中(在藉由转换器M1的分流之后)且反射至激光器二极管6-420。在某些实施方案中，端接阻抗Zterm可包含经选择以控制所反射的负脉冲的形状的电容和/或电感组件。如在图6-4A中所绘示的传输线脉冲器可用于产生具有在介于约30Hz至约200MHz之间的范围内的重复率的电双极脉冲。根据某些实施例，用于传输线脉冲器的传输线6-410可形成于印刷电路板(PCB)上，如在图6-5A中所绘示。
图6-4B绘示连接至光学半导体二极管6-423(例如，激光器二极管或者一或多个LED)的驱动器电路6-401的实施例，该驱动器电路可使用分立组件形成，且可被集成在基板(诸如一芯片或PCB)上。在某些实施例中，该电路可集成至与激光器二极管或LED 6-423相同的基板上。激光器驱动器电路6-401可包括连接至晶体管M1的栅极或基极的控制输入端6-405。晶体管可以是CMOS FET、双极面结晶体管或高电子迁移率晶体管(诸如GaN pHEMT)，但也可使用其他高速、高电流处理晶体管(handling transistor)。晶体管可连接于电流源6-430与参考电势(例如，接地电势，但也可使用其他参考电势值)之间。晶体管M1可与激光器二极管6-423(或者一或多个LED)及电阻器R1(其与激光器二极管串联连接)并联连接于电流源6-430与参考电势之间。根据某些实施例，驱动器电路6-401可进一步包含与电阻器R1并联连接于激光器二极管与参考电势之间的电容器C1。尽管阐述了晶体管M1，但也可使用具有高导电及低导电状态的任何适合的可控转换器。
在操作中，驱动器电路6-401可提供电流，当晶体管M1接通或处于一导通状态中时，该电流绕过激光器二极管6-423。因此，不存在来自激光器二极管的光输出。当晶体管M1关闭时，可能由于晶体管处增加的电阻路径而导致电流流过激光器二极管。电流接通激光器二极管，直至晶体管被再次打开为止。可藉由在接通与关断状态之间调变晶体管的控制栅极以将电流脉冲提供至激光器二极管而产生光脉冲。与某些脉冲产生技术相比，此方法可减少用以驱动激光器所需要的供应器上的电压及晶体管上的电压的量，这是用于实施此类高速电路的重要方面。
由于存在电阻器R1及并联电容器C1，电荷将在二极管正向导通时累加于电容器上。这可以在晶体管M1处于“关断”状态(例如，低导通或不导通状态)中时发生。当晶体管被接通时，电容器间储存的电压将使激光器二极管反向偏压。反向偏压有效地产生跨越激光器二极管的负脉冲，这可以减少或消除原本将在无负脉冲的情况下发生的发射尾部6-172。可选择电阻器R1的值，使得电容器基本上所有的电荷将在转换器随后被断开和/或由激光器二极管产生后续光脉冲之前被释放。举例而言，时间常数t1＝R1C1可被工程设计为小于脉冲重复间隔T的约一半或三分之一。在某些实施方案中，时间常数t1＝R1C1可介于大约0.2ns与大约10ns之间。
在某些实施方案中，晶体管M1可配置为在来自激光器二极管的输出光脉冲的第一峰值之后切换至导通状态。举例而言且参考图6-1B，光学检测及逻辑电路可感测第一脉冲6-161的衰变强度且触发晶体管M1以切换至导通状态。在某些实施例中，晶体管M1可经触发以基于稳定的时钟信号切换至导通状态(例如，参考同步时钟边缘而触发)。在某些实施方案中，晶体管M1可经触发以根据自晶体管M1切换至非导通状态时开始量测的预定延迟时间而切换至导通状态。在选定时间处将晶体管M1切换至导通状态可减少在峰值光脉冲之后不久的激光器功率、缩短激光脉冲和/或减少脉冲的尾部发射。
尽管在图6-4B中所展示的驱动电路展示了位于激光器的阳极侧上的电流源6-430，但在某些实施例中，电流源也可以可替代地或另外位于激光器的阴极侧上(例如，连接于晶体管M1、电阻器R1及参考电势(诸如接地)之间)。
用于产生超短脉冲的驱动电路的其他实施例是可能的。举例而言，激光器二极管或LED的电流脉冲驱动电路6-402可包括连接至激光器二极管节点的多个电流驱动分支，如在图6-4C中所绘示。驱动器电路6-402可使用分立或集成组件形成且集成至基板(例如，ASIC芯片或PCB)上。在某些实施例中，驱动器电路可集成至与一或多个光学半导体二极管6-425(例如，激光器二极管或者一或多个发光二极管)相同的基板上。尽管附图将驱动器电路绘示为连接至激光器二极管6-425的阳极，但在某些实施例中，类似的驱动电路可以可替代地或另外连接至激光器二极管的阴极。与用于激光器二极管的阳极侧上的晶体管及电压源相比，连接至激光器二极管的阴极侧的驱动电路可采用相反类型的晶体管及具有相反极性的电压源。
根据某些实施方案，可存在配置为将N个正向偏压电流脉冲施加至激光器二极管6-425或LED的N个电路分支(例如，电路分支6-432、6-434、6-436)及配置为将M个反向偏压电流脉冲施加至激光器二极管的M个电路分支(例如，电路分支6-438)。在图6-4C中，N＝3且M＝1，但也可使用其他值。每一正向偏压电流分支可包括配置为将正向偏压电流递送至激光器二极管的电压源Vi。每一反向偏压电流分支可包括配置为将反向偏压电流递送至激光器二极管的电压源Vj。每一电路分支可进一步包含与转换器或晶体管Mi串联连接的电阻器Ri。每一电路分支可包含电容器Ci，该电容器的一侧连接至晶体管Mi与电阻器Ri之间的节点，且其另一侧连接至固定的参考电势。在某些实施例中，电容Ci可以是与晶体管Mi相关联的结电容(例如，源极至基体电容(source-to-body capacitance))，且可以不设置单独分立的电容器。在某些实施方案中，可包含与二极管6-425串联的至少一个额外电阻器以限制自电路分支递送的总电流的量。
在操作中，定时和脉冲控制信号可施加至转换器或晶体管Mi的控制输入端Si，以便从每个电路分支中产生电流脉冲序列，该电流脉冲序列经加总并跨越激光器二极管结来施加。每一分支中的分量(Vi、Vj、Ri、Ci)的值以及施加至控制输入端Si的控制脉冲的时序及脉冲持续时间可独立地选择以产生施加于激光器二极管6-425的合意的双极电流脉冲波形。仅作为一个示例，V1、V2及V3的值可选择成具有不同的值。R1、R2及R3的值可以是相同的，且C1、C2及C3的值可以是相同的。在此示例中，至控制输入端Si的脉冲信号的交错(staggering)可产生来自正向偏压电路分支的重叠的电流脉冲的交错序列，此重叠的电流脉冲的交错序列具有类似的脉冲持续时间，但具有不同的脉冲振幅。来自反向偏压电路分支的定时脉冲可产生可以淬灭或快速地关断正向偏压脉冲的具有相反极性的电流脉冲，且可进一步产生可抑制来自激光器二极管的尾部发射的反向偏压脉冲。可以仔细地对反向偏压脉冲进行定时，使得其与正向偏压脉冲中的一或多个至少部分地在时间上重叠。因此，在图6-4C中所绘示的电路可用于合成如在图6-3中所绘示的双极电流脉冲。
图6-4D绘示脉冲驱动器6-403的另一实施例，该脉冲驱动器可使用射频(RF)组件制造。根据某些实施例，RF组件可设计成处置介于约50MHz与约1GHz之间的频率下的信号。在某些实施方案中，脉冲驱动器6-403可包括输入DC区块6-435，该输入DC区块将输入波形(例如，方形波或正弦波)AC耦接至驱动器。该DC区块之后可以接着放大器6-440，该放大器产生分别沿着单独的电路路径6-440a、6-440b继续进行的非反相及反相输出波形。第一电路路径6-440a可包含一或多个适配器6-442。可变移相器6-445可包含于第二电路路径6-440b中以使第二路径中的信号相对于第一路径中的信号选择性地相移。
第一电路路径及第二电路路径可连接至RF逻辑门6-450(例如，AND门或其他逻辑门)的非反相输入端。可用适合的经阻抗匹配的端接器6-446来端接逻辑门6-450的反相输入端以避免该门处的虚功率反射。逻辑门6-450的非反相输出端及反相输出端可沿着两个电路路径6-450a、6-450b连接至合路器6-460。反相电路路径6-450b可包含延迟组件6-454及衰减器6-456，该延迟组件及该衰减器中的任意一者或两者可以是可调整的。延迟组件可用于使反相信号相对于非反相信号延迟，且衰减器可用于调整反相信号的振幅。
来自逻辑门的所得反相信号及非反相信号然后可以在合路器6-460处加总。引自合路器6-460的输出端可连接至RF放大器6-470，该RF放大器提供输出双极脉冲以驱动激光器二极管或者一或多个LED。输出双极脉冲可具有如在图6-4E中所绘示的波形。
在操作中，输入方形波或正弦波可经AC耦合至驱动器中且作为非反相版本及反相版本而被分压至两个电路路径6-440a、6-440b中。根据某些实施例，第一放大器6-440可以是限幅放大器(limiting amplifier)，其使正弦波形成方形。在第二电路路径6-440b中，可用可调整移相器6-445来使反相波形相移以使反相波形相对于非反相波形在时间上延迟。从第一放大器6-440所得的波形然后可以由RF逻辑门6-450(例如，AND门)处理以在逻辑门的非反相输出端及反相输出端处产生短RF脉冲。根据某些实施例，可使用移相器6-445来调整短RF脉冲的持续时间。举例而言，移相器可调整时间周期，在该时间周期期间，在至逻辑AND门6-450的输入端处的非反相波形及反相波形两者同时处于“接通”状态中，这将判定输出脉冲的长度。
参考图6-4E，来自逻辑门6-450的短反相脉冲6-417可藉由延迟组件6-454而相对于非反相脉冲6-415延迟一量δ且在与非反相脉冲合路之前藉由衰减器6-456衰减至所要振幅。在某些实施例中，负脉冲量值|Vp-|可小于正脉冲振幅Vp+。脉冲分离间隔T可藉由至脉冲驱动器6-403中的正弦波或方形波输入的频率来判定。输出脉冲波形可以包含或可以不包含DC偏移。尽管输出波形绘示为具有方形形状波形，但RF组件和/或电缆布线(cabling)中的电容及电感可产生具有更像圆形波形的输出脉冲(更像在图6-3中所绘示的波形)。
如较早结合图6-4C及图6-4B所提及的，在某些实施例中，将电流或电压施加至激光器二极管或LED可以是施加至二极管的阳极及阴极两者。在图6-4F中绘示了射频脉冲驱动器电路6-404可将分压或差分电压或电流脉冲施加至二极管的阴极及阳极两者。根据某些实施例，该电路的前端可以类似于在图6-4D中所绘示的脉冲驱动器电路6-403的前端。然而，在脉冲驱动器电路6-404中，来自逻辑门6-450的非反相及反相输出可不经合路，反而作为差分驱动而施加至激光器二极管的阳极及阴极。为简化起见，在图6-4F中未展示与产生后续负脉冲或反向偏压脉冲相关联的电路。
在图6-4G中绘示由差分脉冲驱动器电路6-404产生的分压或差分驱动的示例。来自逻辑门6-450的第一输出端可产生具有振幅+Vp的正脉冲6-416，且来自逻辑门6-450的第二反相输出端可产生具有相反振幅-Vp的负脉冲6-418。在某些实施例中，脉冲串可以或可以不具有小的DC偏移。正脉冲6-416及负脉冲6-418的存在会产生跨越激光器二极管的具有有效振幅2Vp的正向偏压脉冲。藉由对跨越激光器二极管的偏压进行分压且将部分偏压施加至阳极及阴极，脉冲驱动器6-404处置的电压脉冲的振幅可有效地减少至二分之一。因此，与原本可能对较高振幅脉冲所可能实现的情况相比，脉冲驱动器6-404可以以更高频率操作且产生更短脉冲。或者，与仅将偏压脉冲+Vp提供至激光器二极管的阳极的驱动电路相比，脉冲驱动器电路6-404可有效地使跨越激光器二极管所施加的驱动脉冲的振幅加倍。在此等实施例中，来自激光器二极管的功率输出可能增加。
在图6-4H中绘示了可增加施加至激光器二极管的功率和/或驱动速度的另一方式。根据某些实施例，多个脉冲驱动器输出6-470可连接至激光器二极管6-425或LED的阳极。在此实例中，四个脉冲驱动器连接至激光器二极管的阳极。在使用差分脉冲驱动器电路的某些实施例中，也可存在连接至激光器二极管的阴极的多个驱动器。每一驱动器及其相关联的电缆布线可具有阻抗Z0，且激光器二极管6-425可以作为阻抗ZL。由于它们并联连接，因此驱动器的输出阻抗要除以连接至激光器二极管的驱动器的数目。当脉冲驱动器的合路阻抗大致匹配激光器二极管6-425的阻抗时，递送至二极管中的功率可能增加，或反之亦然。
图6-4I中的图说明了针对四个驱动源，耦合至激光器二极管6-425中的功率效率的增加随激光器二极管的阻抗及激光器二极管电路而变。在示例中，四个脉冲驱动器各自具有约50欧姆的线路阻抗(line impedance)且它们被配置为递送具有大约100mA的最大电流的5V振幅的输出脉冲。标绘图展示当激光器二极管的阻抗处于大约10欧姆时，耦合至激光器二极管中的功率达到最大值。此值大约等于四个脉冲驱动器输出6-470的并联输出阻抗。因此，根据某些实施例，激光器二极管6-425的阻抗及其相关联电路可以设计为大致匹配用于驱动激光器二极管的一或多个脉冲驱动器的合路阻抗。
可使用其他电路驱动器配置来施加脉冲于激光器二极管或发光二极管。根据某些实施例，注入至发光二极管中的电流可经施加脉冲以使用脉冲器电路产生亚纳秒脉冲，该脉冲器电路阐述于由P.H.Binh等人著作的“具有高重复率和峰值功率的简化亚纳秒紫外线光脉冲发生器(A simple sub-nanosecond ultraviolet light pulse generator withhigh repetition rate and peak power)”(Rev.Sci.Instr.84卷，083102(2013))中，或阐述于由T.Araki等人著作的“使用用于检测光电探测器的发光二极管的紫外线纳秒光脉冲发生器(An ultraviolet nanosecond light pulse generator using a light emittingdiode for test of photodetectors)”(Rev.Sci.Instr.68卷，1365(1997))中。
在图6-4J中绘示脉冲器电路的另一实例。根据某些实施例，脉冲器电路可包括脉冲发生器6-480，该脉冲发生器可(举例而言)从系统时钟接收一或多个时钟信号且将一串电脉冲输出至驱动器电路6-490，该驱动器电路响应于从脉冲发生器所接收的电脉冲而将电流脉冲注入至激光器二极管或发光二极管中。因此，输出光脉冲可与系统时钟同步。系统时钟也可用于操作检测电子器件(例如，成像阵列)。
根据某些实施例，脉冲发生器6-480可由被动(passive)电子组件与数字电子组件的组合形成，且可形成于第一电路板上。在某些情形中，脉冲发生器可包含模拟电路组件。在其他实施例中，脉冲发生器的一部分可与驱动器电路6-490形成于相同板上，且脉冲发生器的一部分可形成于远离驱动器电路的单独板上。驱动器电路6-490可由被动、模拟电子组件及数字电子组件形成，且可与脉冲发生器或脉冲发生器的一部分形成于相同或不同的电路板上。光源(激光器二极管或发光二极管)可与驱动器电路一起包含于电路板上，或可位于系统中且藉由高速电缆布线(例如，SMA电缆)连接至驱动器电路6-490。在某些实施方案中，脉冲发生器6-480及驱动器电路6-490可包含发射极耦合逻辑组件(emitter-coupledlogic element)。根据某些实施例，脉冲发生器6-480、驱动器电路6-490及光学半导体二极管6-423可集成至相同印刷电路板、层压板或集成电路上。
在图6-4K中绘示了脉冲发生器6-480的示例。在某些实施方案中，脉冲发生器可包含第一级，该级产生两个差分时钟输出(一个时钟输出相对于另一时钟输出是延迟)。该第一级可以接收时钟输入且包含扇出6-481及延迟6-483。扇出可包括布置为产生时钟信号的两个复本及时钟信号的两个反相复本的逻辑驱动器及逻辑反相器。根据某些实施例，时钟可具有对称占空比，但在其他实施例中也可使用不对称的占空比。一个复本及一个反相复本可形成差分时钟输出(CK1、
Figure BDA0003790587190000841
)且可藉由延迟组件6-483而相对于第二复本及第二经相复本(CK2、
Figure BDA0003790587190000842
)延迟。延迟组件可包括任何适合的可变或固定延迟组件。延迟组件的示例包含RF延迟线及逻辑门延迟。在某些实施方案中，第一对时钟信号(CK1、
Figure BDA0003790587190000843
)相对于第二对时钟信号(CK2、
Figure BDA0003790587190000844
)至少延迟时钟周期的一部分(fraction)。除一部分循环之外，延迟可包含一或多个全周期。在每一对时钟信号内，反相信号可与其对应者同步，使得时钟的上升边缘与下降边缘基本上同时发生。
发明者已发现，可藉由调整来自脉冲发生器6-480的电流驱动脉冲的长度并维持固定振幅(而非调整超短电流驱动脉冲的振幅)而较可靠地控制激光器二极管或LED的超短脉冲产生。调整电流驱动脉冲的长度会调整每个脉冲递送至激光器二极管的能量的量。在某些实施例中，高速电路允许对信号相位进行高分辨率控制(例如，藉由运用模拟或数字延迟组件6-483来调整延迟或相位)，此可(根据某些实施方案)用于获得脉冲长度的高分辨率控制。
在某些情形中，脉冲发生器6-480的第一级可包括双输出时钟以替代扇出6-481及延迟6-483。双输出时钟可产生两个差分时钟信号，且提供两个差分时钟信号之间的可调整相位延迟。在某些实施方案中，可调整相位延迟可具有小至3ps的相应时间分辨率。
不管延迟时钟信号CK1、CK2及其逆信号如何产生，该等信号皆可经由高速传输线传输至高速逻辑门6-485。针对经由板之间的电缆进行的信号传输，时钟脉冲可能由于电缆布线而劣化。举例而言，传输线的有限带宽可使时钟脉冲发生不同失真且引起不相等的时序。在某些实施方案中，相同类型的电缆布线或传输线可用于所有时钟信号，使得传输失真同样地影响四个时钟信号。举例而言，当信号失真及时序偏移对于四个时钟信号而言基本上相同时，由接收逻辑门6-485产生的所得驱动脉冲将基本上相同，就像是不存在来自时钟信号的传输的信号失真的情况下一样。因此，可在不影响驱动脉冲持续时间的情况下容许在数英尺距离内传输时钟信号。此对于产生与系统时钟同步且具有可精细调整脉冲持续时间(例如，可以进行约3ps的增量调整)的超短驱动脉冲是有用的。若在局部产生时钟信号(例如，在与驱动器电路6-490相同的板上)，则与时钟信号的传输相关联的信号失真可能不显著且传输线可以在某种程度上不同。
根据某些实施例，时钟信号可与电容器C1 AC耦合且被提供至高速逻辑门6-485的数据输入端。电容器C1可具有介于约10nF与约1μF之间的电容。根据某些实施例，逻辑门可包括发射极耦合逻辑(ECL)、双输入差分AND/NAND门。逻辑门6-485的示例包含可自罗得岛州东格林威治(East Greenwich)的ON Semiconductor购得的型号MC100EP05。在至逻辑门的数据输入端处的AC耦合信号可显现为类似于在图6-4L中所绘示的信号，其中水平虚线指示零电压电平。图6-4L中的绘示不包含藉由传输线引入的失真。该失真可将信号量变曲线的形状修圆且更改其形状，但当相同类型及长度的电缆布线用于每个时钟信号时可不影响该时钟信号的相对相位。延迟组件6-483可提供由垂直虚线指示的延迟Δt，该延迟可以进行小至3ps的增量调整。在某些实施方案中，延迟组件6-483可提供具有介于1ps与10ps之间的值的增量的可调整延迟。逻辑门6-485可处理所接收的时钟信号且在输出端口Q处产生输出信号，该输出信号对应于藉由延迟组件2-483引入的延迟。在小的延迟的情况下，输出包括短或超短脉冲的序列。运用高速逻辑门6-485，脉冲持续时间可在某些实施例中介于约50ps与约2ns(FWHM)之间，在某些实施例中介于约50ps与约0.5ns之间，在某些实施例中介于约50ps与约200ps之间，且在某些实施例中也介于约50ps与约100ps之间。来自端口Q的驱动脉冲可由于ECL逻辑门6-485的高速转换速率(slew rate)而具有大致上是方形的量变曲线。偏压电路6-487可连接至输出端口Q，且电压V1施加以用于正发射极耦合逻辑。根据某些实施例，自脉冲发生器6-480的输出端子Pout提供的输出脉冲可包含DC偏移。
在某些实施方案中，两个或两个以上高速逻辑门6-485可并联连接于电容器C1与偏压电路6-487之间。该等逻辑门可以是相同的，且并行操作以在脉冲发生器的输出端处提供较大的电流驱动能力。发明者已认识并了解到，一或若干逻辑门6-485需要提供高速切换(即，快速的上升及下降时间以产生超短驱动脉冲)，且需要提供足够的输出电流以驱动驱动器电路6-490中的高电流晶体管M1。在某些实施方案中，将逻辑门6-485并联连接提供了脉冲器电路的改良性能且允许产生亚100ps光脉冲。。
图6-4M绘示可连接至激光器二极管或LED 6-423的驱动器电路6-490的实施例。驱动器电路可包含AC耦合输入端，该AC耦合输入端具有与电阻器R3串联的电容器C2，该电阻器R3连接至高速晶体管M1的栅极。根据某些实施例，C2的电容可介于大约0.1μF与大约10μF之间，且R3可具有介于大约10欧姆与大约100欧姆之间的值。根据某些实施例，晶体管M1可包括高电子迁移率场效应晶体管(HEMT FET)，该高电子迁移率场效应晶体管能够切换高电流(例如，至少一安培且在某些情形中最高达四安培或更多)。晶体管M1可以是能够以数千兆赫的速度切换此等大电流的高速晶体管。根据某些实施例，晶体管M1可以持续介于约50ps与约2ns之间的电脉冲持续时间以介于30Hz与大约200MHz之间的重复率来切换1安培以上。晶体管M1的示例包含可自加利福尼亚州圣何塞市(San Jose)的Avago Technologies购得的型号ATF-50189-BLK。偏压及滤波电路组件(例如，电阻器R4、R7及C3)可连接于电容器C2与晶体管M1的栅极之间。晶体管M1的漏极可直接连接至激光器二极管或发光二极管6-423的阴极，且晶体管M1的源极可连接至参考电势(例如，接地)。二极管6-423的阳极可连接至二极管电压源VLD。电阻器R6及电容器C4可跨越二极管6-423并联连接。根据某些实施例，电阻器R6可具有介于大约50欧姆与大约200欧姆之间的值，且C4可具有介于大约5pF与大约50pF之间的电容。电容器C5(具有介于大约1μF与大约5μF之间的值)也可连接于二极管电压源VLD与参考电势(例如，接地)之间，且与二极管6-423及晶体管M1并联。
在某些实施例中，保护二极管(未展示)可跨越激光器二极管6-423的阴极及阳极沿反向方向连接。保护二极管可保护激光器二极管免受可以击穿激光器二极管结的过度的反向偏压电势。
在操作中，来自脉冲发生器6-480的脉冲短暂地接通晶体管M1，从而允许将电流注入至激光器二极管或发光二极管6-423的有源区域中。在某些实施方案中，大量正向电流(例如，最高达四安培)短暂地流过晶体管M1。正向电流将载流子注入至激光器二极管结中且产生短或超短光辐射脉冲。当晶体管M1关断时，寄生电感继续进行跨越发光二极管或激光器二极管的电流流动，从而在二极管的阴极侧上累加电荷，直至电荷被与激光器二极管并联连接的RC网络耗散为止。电荷于阴极处的此暂时性累加将反向偏压脉冲提供至激光器二极管，且加速载流子自有源区域的移除。这样加速了光脉冲的终止。
发明者已发现，图6-4M的实施例所述的光脉冲技术优于基于微分方形波脉冲的脉冲技术，因为其可提供接通激光器二极管所需的更高且更短的电流脉冲。
发明者已装配各种脉冲驱动电路且已使用其来驱动激光器二极管。图6-5A绘示已装配的脉冲器电路6-500的另一实施例。此实施例实现了如在图6-4A中所绘示的脉冲器6-400。在已装配的电路中，传输线6-410作为以一U形配置图案化的平行板带状线而形成于印刷电路板上，如在图中所绘示。GaN pHEMT晶体管用作分流转换器M1以使U形传输线的两端短路。脉冲器电路6-500可以以最高达100MHz的重复率操作且用于驱动50欧姆的负载。在某些实施例中，脉冲器电路可以以介于大约10MHz与大约1GHz之间的重复率来操作。
在图6-5B中绘示来自脉冲器6-500的测量波形。该波形展示具有大约19.5V的振幅的正脉冲，后续接着达到大约-5V的振幅的负脉冲(在正脉冲之后)。正脉冲的持续时间是大约1.5纳秒。再次参考图6-4A，脉冲器6-500经构造以具有大约50欧姆的端接电阻器Zterm及大约200欧姆的上拉(pull-up)或充电电阻器Rch。Zterm的值经挑选以减少从端接电阻返回至传输线中的功率反射。施加至传输线6-410的偏压是100V，且转换器M1是以100MHz的重复率驱动。大约-1.3V的DC偏压经由偏置器(bias tee)耦合至二极管，以调谐0V偏压的相对偏移。用于转换器M1的驱动脉冲是在大约0V与大约2V之间振荡的方形波信号。
商用测试台驱动器(commercial test-bed driver)用于驱动商用激光器二极管(Ushio型号HL63133DG)以产生亚100ps光脉冲。在图6-5C及图6-5D中展示光脉冲测量。如在图6-5C中所展示，具有减少的尾部发射的脉冲是以100MHz的重复率产生。来自激光器二极管的平均功率测量为约8.3毫瓦特。在图6-5D中所展示的脉冲持续时间测量为大约84皮秒。已发现，来自激光器二极管的光发射的强度在脉冲的峰值之后的大约250ps被减少大约24.3dB。即使激光器二极管具有至该二极管的单一接合导线，也产生亚100ps脉冲。可运用多个接合导线或利用对脉冲器电路的进一步改良而产生更短脉冲(例如，介于约25ps与约75ps之间)。
图6-6A根据上述增益切换设备及技术中的任意一个绘示半导体激光器6-600的一个示例，该半导体激光器可用于藉由增益切换产生光脉冲。激光器及脉冲驱动电路可以被量产且以低成本制造。举例而言，激光器可使用平面集成电路技术而微制造为边缘发射装置。此激光器可被称为板坯耦合光学波导激光器(SCOWL)。附图绘示正对着的激光器的正视图。激光器可由GaAs/AlGaAs材料系统形成(例如，用于发射光学光谱的绿色、红色或红外线区域中的辐射)，但在某些实施方案中也可使用其他材料系统(诸如GaN/AlGaN)(例如，用于发射光谱的绿色、蓝色或紫外线区域中的辐射)。激光器二极管可由其他半导体材料系统制成，该等半导体材料系统包含但不限于：InP、AlInGaP、InGaP及InGaN。
根据某些实施例，SCOWL可形成于n型基板或缓冲层6-627(例如，包括Al的GaAs基板或GaAs层)上。举例而言，缓冲层可包括AlxGa1-xAs，其中x介于大约0.25与大约0.30之间。根据某些实施例，基板或基底层的折射率可具有介于约3.4与3.5之间的第一值n1。低掺杂n型半导体材料的电子传输层6-617可形成于基板6-627上。在某些实施例中，电子传输层6-617可藉由外延生长(epitaxial growth)而形成，以便包括AlxGa1-xAs(其中x介于大约0.20与大约0.25之间)且具有大约5×1016cm-3的n型掺杂剂浓度。电子传输层的厚度h可介于约1微米与约2微米之间。传输层6-617可具有大于n1的第二折射率值n2。多量子阱区域6-620然后可以形成于电子传输层6-617上。该多量子阱区域可包括具有不同掺杂浓度的交替的材料层(例如，AlGaAs/GaAs的交替层)，不同掺杂浓度用于调变MQW区域中的能带间隙。可藉由外延生长、原子层沉积或适合的气象沉积工艺而沉积量子阱区域2-620中的各层(其可具有介于大约20nm与大约200nm之间的厚度)。多量子阱区域可具有大于n2的有效第三折射率值n3。p型掺杂材料的空穴传输层6-615可毗邻量子阱区域形成，且具有小于n2的折射率值n4。在某些实施例中，SCOWL的不同区域的折射率值可根据某些实施例在图6-6B中说明。在某些实施例中，SCOWL可包括GaN半导体及其合金或InP半导体及其合金。
在沉积了激光器装置的各层之后，沟槽6-607可经蚀刻至各层中以形成激光器的有源区域，该有源区域具有介于约0.25微米与约1.5微米之间的宽度w。n接触点6-630可形成于装置的第一表面上，且p接触点6-610可毗邻有源区域而形成于p型传输层6-615上。根据某些实施例，可用氧化物层或其他电绝缘层而使半导体层的曝露表面钝化。
毗邻有源区域的沟槽6-607以及折射率值n1、n2、n3及n4将激光器的光学模式局限至激发区域6-625，该激发区域毗邻于量子阱且在装置中心肋部下边，如在附图中所绘示。SCOWL可设计为将高阶横向模式(其可以其他方式在激发区域6-625中形成并产生激光)耦合至毗邻区域中有损的高阶板坯模式。当适当的进行设计时，来自激发区域6-625的所有高阶横向模式与该激发区域中的基本模式相比皆具有高相对损耗且将不产生激光。在某些实施方案中，SCOWL 6-600的横向光学模式可以是单一横向模式。光学模式的宽度可介于大约0.5微米与大约6微米之间。根据某些实施例，沿x方向截取的模式量变曲线6-622可如在图6-6B中所绘示地进行整形。在其他实施方案中，SCOWL可产生提供至分析仪器1-100的多个光学横向模式。在某些实施例中，有源区域的长度(沿着进入页面的维度)可介于20微米与10mm之间。可藉由选择较长长度的有源区域而增加SCOWL的输出功率。在某些实施例中，SCOWL可递送300mW以上的平均输出功率。
尽管半导体激光器(例如，SCOWL)及脉冲器电路可进行组合以制造成适合于诸多应用的低成本、超快脉冲激光器，但在图6-5D中所展示的关断速率可能不适合于某些荧光寿命分析。在某些情形中，可能需要较快速关断。举例而言，发明者已发现，基于荧光寿命的某些测量可能需要脉冲的尾部在脉冲峰值之后的250ps内消退至低于脉冲峰值达大约25dB与大约40dB之间的程度。在某些情形中，脉冲功率可能需要在脉冲峰值之后的100ps内下降至此值范围。在某些实施方案中，脉冲尾部可能需要在脉冲峰值之后的250ps内下降至低于脉冲峰值达大约40dB与大约80dB之间的程度。在某些实施方案中，脉冲尾部可能需要在脉冲峰值之后的250ps内下降至低于脉冲峰值达大约80dB与大约120dB之间的程度。
用于进一步抑制脉冲的发射尾部的一种方法是在脉冲激光器或高亮度LED系统中包含可饱和吸收器。根据某些实施例，半导体可饱和吸收器6-665可并入至与半导体激光器6-600或高亮度LED相同的基板上，如在图6-6C中所绘示。根据某些实施例，半导体激光器可包括包含量子阱区域6-620的SCOWL结构。可用脉冲源6-670(诸如脉冲器电路6-400或上文所阐述的其他脉冲电路)来驱动SCOWL。
可饱和吸收器6-665可毗邻于SCOWL的一端而形成。可饱和吸收器6-665可包括具有带隙的区域，该区域定制成从半导体激光器中吸收光子。举例而言，可饱和吸收器可包括单量子阱或多量子阱，这(些)量子阱具有大约等于激光器的光发射的特征能量的至少一个能带间隙。在某些实施例中，可藉由将离子注入激光器二极管的区域而形成可饱和吸收器，以便电绝缘二极管激光器腔内的该区域。对于相同激光器二极管结构，可将负偏压施加至该区域来促进吸收而非增益。在来自激光器6-600的高通量处，可饱和吸收器的价带可使载流子耗尽且导带可以填满，从而阻碍可饱和吸收器的进一步吸收。因此，可饱和吸收器漂白，且从激光器吸收的辐射的量减少。以此方式，激光器脉冲的峰值可以“穿透”可饱和吸收器，其强度的衰减比脉冲的尾部或翼部小。脉冲的尾部然后可以相对于脉冲的峰值被进一步抑制。
根据某些实施例，高反射器(未展示)可形成于或位于装置的一端。举例而言，该高反射器可位于距可饱和吸收器最远的激光器的一端，以便重新引导激光器发射穿过可饱和吸收器且增加输出功率。根据某些实施例，抗反射涂层可以施加至可饱和吸收器和/或SCOWL的一端以增加来自装置的提取。
根据某些实施例，可饱和吸收器可包含偏压供应器6-660。该偏压供应器可用于在每一脉冲之后将载流子扫掠出有源区域且改良可饱和吸收器的响应。在某些实施例中，偏压可经调变(例如，以脉冲重复率)以使可饱和恢复时间是时变的(time-dependent)。此调变可进一步改良脉冲特性。举例而言，若可饱和吸收器的恢复时间是充分的，则可饱和吸收器可藉由在低强度下的差分较高吸收而抑制脉冲尾部。此差分吸收也可减小脉冲长度。可藉由向可饱和吸收器施加或增加反向偏压而调整可饱和吸收器的恢复时间。
Ⅱ.E.激光器输出的直接调变
发明者已认识并了解到，也可藉由直接调变激光器的输出而制造来自连续波激光器的超快脉冲。在某些实施例中，可使用级联光学转换器(光学开关)的切换阵列(开关阵列)7-100而直接调变激光器的输出，如在图7-1A中所绘示。根据某些实施例，各光学转换器7-105可藉由光纤或光学波导7-102来连接，且控制信号可以施加至光学转换器的控制输入端7-103。在某些实施方案中，切换阵列7-100可以集成至单一基板上，例如，以作为波导与电光转换器(诸如铌酸锂转换器)的集成阵列。
切换阵列中的光学转换器7-105可配置为在输入端口7-101处接收光信号且在第一转换器S1于第一输出端口P1与第二输出端口P2之间切换光信号。在某些实施例中，可藉由在光学转换器S1的控制输入端7-103处施加驱动信号而实施光信号的切换。举例而言，驱动信号可将电场施加至转换器的电光学组件。在某些实施例中，光学转换器7-105可包含两个输入端口，但在附图中仅绘示了一个输入端口7-101。
在某些实施方案中，光学转换器7-105可包括马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉转换器(干涉仪开关)，该马赫-曾德尔干涉转换器可以响应于施加至输入端口7-103的控制输入信号而进行电光控制。举例而言，马赫-曾德尔干涉仪的一个光路径可包含响应于控制信号而对其施加电场的一定长度的铌酸锂。所施加的电场可改变铌酸锂的折射率且藉此改变干涉仪的该臂中的光路径长度。因此，应用所施加的电场可将输出信号从第一端口P1改变至第二端口P2，且藉此用于将输入光能量在两个输出端口之间快速地来回切换。
根据某些实施例，施加至控制输入端7-103的控制信号可以是(举例而言)方形波，但在某些实施例中也可使用正弦控制信号。将方形波应用于光学转换器可有效地调变从其输出端口中的一者中流动的输出功率(例如，当光被引导至端口中且经引导以离开端口时)。替代地且参考图7-1B而陈述，转换器的插入损耗(如透过输出端口而观看)响应于所施加的控制信号而在一低值(例如，接通状态7-131)与一高值(例如，关断状态7-132)之间调变。在图7-1B中绘示了沿着阵列7-100的上部分支(从输出端口观看)的光学转换器S1、S2、S4、S8、S9的此等损耗调变。在此实例中，转换器S4、S8及S9绘示为在被一起控制且在时间上与转换器S1及S2的调变交错。
在某些实施例中，处于接通状态7-131中的光学转换器可展现介于约0dB与约3dB之间的插入损耗。在某些实施方案中，处于关断状态7-132中的光学转换器可将插入损耗增加约20dB或更多。根据某些实施例，处于关断状态7-132中的光学转换器可展现介于约15dB与约25dB之间的损耗。
对转换器的插入损耗进行调变导致了来自切换阵列7-100的端口的输出强度的相应调变，如在图7-1C中所绘示。举例而言，将方形波应用于第一转换器S1可将来自其第一端口P1的强度输出在一低值与一高值之间进行调变，如在图7-1C的顶部迹线中所绘示。在操作中，在第一转换器S1的输入端口7-101处接收的强度由于切换动作所致而作为输出脉冲7-135在两个输出端口P1与P2之间交替。根据某些实施方案，控制信号沿着级联路径至后继转换器的时序可不同于先前转换器的时序。举例而言，第二转换器S2的控制信号的时序可相对于第一转换器S1的控制信号而在时间上延迟，如在图7-1B中指示。第二转换器S2可以与第一转换器相同的方式操作，然而其切换动作可相对于第一转换器S1而在时间上偏移。因此，第二转换器S2将在其输出端口P3与P4之间交替在其输入端(来自转换器S1的输出端口P1)处接收的功率。
在图7-1B的中间迹线中绘示了第二转换器S2的损耗调变的时序(透过端口P3观看)，且该中间迹线绘示了相对于第一转换器S1的调变的时序偏移。在图7-1C的中间迹线中绘示了自第二转换器的输出端口P3接收的光的相应强度。以类似方式，施加至光路径中的第三转换器S4的控制信号的时序在时间上偏移，如在图7-1B中的下部迹线处所绘示。因此，自切换阵列7-100的输出端口P8接收的光脉冲被进一步缩短成在图7-1C中的下部迹线处所绘示那样。如附图所指示，将具有偏移控制信号及调变的两个转换器的级联针对以偶数占空比操作的转换器的光路径中的每个后级转换器将所接收的输入脉冲的脉冲长度减少大约一半。
在图7-1B及图7-1C的图中，转换器的接通比关断比率或消光比率已经人工地减小以展示背景噪声水平7-140。在实务中，光学转换器的消光比率可明显地高于在附图中所绘示的消光比率。举例而言，每一光学转换器可展现20dB或更多的消光比率。
在某些实施例中，转换器7-105的消光比率可能并非足够高以提供脉冲的所要关断比率。举例而言，脉冲的尾部7-150处的强度对于某些应用可能过高。发明者已认识并了解到，在输出端口中添加衰减转换器7-120可进一步减小该输出端口处的尾部7-150的强度。衰减光学转换器7-120可包括相同类型的光学转换器(例如，马赫-曾德尔光学转换器)，其与上游光学转换器7-105一致地进行切换。衰减光学转换器可具有(举例而言)堆集(dump)至光束区块7-110中的输出端口。藉由将衰减光学转换器7-120添加至输出端口，上游光学转换器(例如，转换器S4)的消光比率可增加为一致地进行切换的光学转换器(S4、S8、S9)的消光比率的积。
结合图7-1B及图7-1C阐述的实例对于转换器阵列7-100中的所有光学转换器均利用以相同频率操作的控制信号输入，但这些控制信号输入在时间上相对于彼此是交错的。在某些实施例中，切换控制(switching control)的时序可与主控振荡器(例如，以数倍于切换频率的频率来运行的时钟)交错和/或同步。在某些实施例中，不同频率可沿着每一光路径而施加至不同光学转换器。举例而言，可对沿着阵列7-100的光路径的后继转换器而实施控制信号的频率加倍。
作为以不同频率进行切换的实例，第一光学转换器S1可以以第一切换频率f1驱动，如在图7-1D的上部迹线中所绘示。光路径中的第二光学转换器S2可以以两倍于第一频率的频率f2驱动。光路径中的第三转换器S4可以以两倍于第二光学转换器S2的频率的频率f3驱动。在某些实施方案中，沿着光路径的所有光学转换器的驱动信号可与第一转换器的驱动信号同步。在图7-1E中绘示了针对此实施例的来自后继输出端口P1、P3、P8的对应输出脉冲。此外，每一后继转换器的输出脉冲减少二分之一，但此实施例需要后继转换器的较高时钟频率。
以不同频率驱动光学转换器7-105的一个优点是与上文结合图7-1B及图7-1C阐述的方法相比，可增加脉冲的关断。举例而言且参考图7-1E，可藉由上游路径中的光学转换器S1、S2及S4的组合关断(消光比率的积)来抑制来自输出端口P8的输出脉冲的尾部7-150。此效应自图7-1D中的迹线的损耗调变中可以看见，该图展示了转换器S1、S2及S4中的每一者在来自输出端口P7的脉冲的尾部处被切换至关断状态。在某些实施例中，额外衰减转换器7-120可以或不可以被添加至输出端P7。将不同频率施加至不同光学转换器的缺点是将切换阵列7-100将需要较高频率驱动信号。举例而言，在某些实施例中，在最后一光学转换器处所需的频率可以与输出脉冲持续时间相似。
在某些实施例中，可采用结合图7-1B、图7-1C及图7-1D、图7-1E的阐述的技术的组合。举例而言，光路径中的第一组光学转换器可用如在图7-1D中所指示的不同频率驱动。随后，同一光路径中的第二组光学转换器7-105可用相同驱动频率驱动，其中每一驱动信号在时间上相对于先前光学转换器的先前驱动信号是交错的，如在图7-1B中所指示。
Ⅲ.将光脉冲耦合至生物光电子芯片
根据某些实施方案，脉冲激光器1-110可安装于便携式分析仪器1-100中，且脉冲激光器的输出可用于激发位于仪器内的一或多个反应室中的生物或化学样本。该仪器可在脉冲激光器与反应室之间具有额外光学组件，该等额外光学组件布置成将输出光束从脉冲激光器转向到一或多个反应室。如上文所阐述，仪器可配置为接纳生物光电子芯片1-140，该生物光电子芯片包含一或多个波导及布置于该芯片上以将光脉冲耦合至一或多个波导中的至少一个光学耦合器(例如，光栅耦合器)。波导可将来自光脉冲的辐射递送至多个反应室，如在图1-3中所绘示。将光耦合至芯片上的光学波导中可能需要将激光器光束精确对准至芯片上的光学耦合器。在某些情形中，光束转向模块可用于以自动化方式将激光器光束对准至生物光电子芯片上的光学耦合器。
在图8-1中绘示了光束转向模块1-150的实例。根据某些实施例，光束转向模块可包括固体底盘8-110，该固体底盘配置为支撑光束转向模块的致动器及光学组件。底盘可由金属和/或低热膨胀复合物来形成或装配。在某些情形中，底盘可由铝进行机械加工或铸造而成。底盘8-110可以是笔直的或成角度的(如所展示)，且可安装至其中并入有脉冲激光器1-110的仪器的框架或底盘1-102。
发明者已认识并了解到，光束转向模块的底盘8-110可另外提供对其上可以安装有物光电子芯片1-140的PCB 1-130的支撑。举例而言，底盘8-110可在数个位置处附接至仪器的底盘或框架1-102，且PCB 1-130的中心区域可固定至光束转向模块的底盘8-110以减少光束转向模块与生物光电子芯片1-140之间的相对运动(例如，由于机械振动的运动)。
在某些实施例中，光束转向模块的的致动器可包括布置成使光束转向模块的光学组件旋转的步进马达。为减小光束转向模块的高度，致动器可以安装成其各轴件位于一大致相同的平面中，如在附图中所绘示。在某些实施方案中，部分地制作于PCB 1-130上的步进马达(例如，如在美国临时专利申请62/289,019中所阐述)或安装至PCB 1-130的单独PCB可用于使光束转向模块的光学组件围绕垂直于PCB 1-130的轴旋转。
根据某些实施例，光束转向模块1-150可包含第一光学平面8-131、聚焦透镜8-133、第二光学平面8-135及第三光学平面8-137。各光学平面及透镜可经抗反射涂布以减少来自光学器件的非所要的菲涅尔(Fresnel)反射。在某些实施例中，可存在位于光束转向模块内的转向镜8-134，但在某些情形中穿过光束转向模块的光束路径可以是笔直的且可以不使用转向镜。根据某些实施方案，转向镜8-134可以是二向色的，使得且将来自脉冲激光器1-110的基波长传递至光束集堆和/或光电探测器且将频率加倍的波长反射至生物光电子芯片1-140。
第一光学平面8-131可藉由第一致动器8-121而围绕平行于PCB 1-130的轴旋转，以使激光器光束沿x方向移位。第二光学平面8-135可藉由第二致动器8-122而围绕垂直于PCB 1-130的轴旋转，以使激光器光束沿y方向移位。挠性连接件(未展示)可自第二致动器8-122延伸至第二光学平面8-135，以使第二光学平面旋转。第三光学平面8-137可藉由第三致动器8-123而围绕平行于PCB 1-130的轴旋转，以使激光器光束沿x方向移位。在某些实施例中，可存在安装于透镜8-133之前的第四光学平面及致动器，该致动器布置成使第四光学平面围绕垂直于PCB 1-130的轴旋转，以使激光器光束沿z方向移位。通过旋转光学平面，通过光束转向模块的光射束可横向地及垂直地平移且其在芯片1-140处的入射角可以改变。
可以根据图8-2理解平移光束转向模块1-150中的光射束的效应。藉由旋转位于聚焦透镜8-133之后的光学器件来平移光射束引起在表面8-240(例如，生物光电子芯片的表面)处的x,y平移，该表面可位于透镜8-133的焦点处。举例而言，激光器光束8-250可通过聚焦透镜8-133且被聚焦至生物光电子芯片1-140处的光学耦合器上(例如，聚焦至光栅耦合器1-310上)。在附图中所指示的第二光学平面8-135围绕平行于y轴的轴的旋转可在表面8-240处沿平行于x轴的方向平移聚焦光束。第三光学平面8-137围绕平行于x轴的轴的旋转可在表面8-240处沿平行于y轴的方向平移聚焦光束。
通过旋转位于聚焦透镜8-133之前的光学器件进行的光射束8-250的平移在不明显地改变在表面8-240处的光束的x-y位置的情况下使得在表面8-240处的光束的入射角发生改变。举例而言，第一光学平面8-131围绕平行于y轴的轴的旋转可使激光器光束在聚焦透镜8-133处沿平行于x轴的方向位移。在聚焦透镜处的激光器光束的此移动将改变在表面8-240处的激光器光束相对于x-z平面中的z轴的入射角θi。在某些实施例中，第四光学平面8-132(在图8-1中未展示)围绕平行于x轴的轴的旋转可改变在表面8-240处沿位于y-z平面中的方向的入射角φi。由于表面8-240大致位于透镜8-133的焦距f处，因此藉由在透镜之前平移光束8-250所致的入射角的改变将不会明显地影响在表面8-240处的聚焦光束的x-y位置。
在某些实施例中，可存在位于生物光电子芯片1-140的表面8-240与光束转向模块1-150之间的转向镜(在图8-2中未展示)以使光束沿–x方向偏离，使得芯片1-140可经定向使得其表面8-240平行于入射激光器光束8-250。这将允许芯片1-140平行于底层PCB 1-130而安装，如在图8-1中所绘示。在某些情形中，转向镜可以低成本由硅晶片的一小部分(例如，小于5mm2)形成、涂布有反射性材料且安装于含有生物光电子芯片1-140的封装内。
再次参考图1-3及图8-1，可以通过操作致动器8-122及8-123而调整生物光电子芯片的表面处的光栅耦合器1-310上的激光器光束的x-y位置，以便旋转位于聚焦透镜8-133之后的光学平面8-135及8-137。当星形耦合器或MMI耦合器用于将光输入分布至多个波导时，可以调整光栅耦合器1-310上的输入光束的x-y位置直至光大致等同地耦合至连接到星形耦合器或MMI耦合器的所有波导。随后，可以通过操作致动器8-121以旋转第一光学平面8-131来调整x-z平面中的光束的入射角θi。此调整可增加耦合至波导1-312中的能量的量。
最初，应当预料的是，y-z平面(平行于光栅耦合器2-310的光栅齿延展的平面)中的光束的入射角φi的改变本将不会明显地影响进入波导1-312的耦合效率。然而，发明者惊讶地发现此入射角的改变可对耦合效率具有和θi的改变一样大的影响。据信，大于预期的敏感性是由光栅耦合器与底层反射性层(在图1-3中未展示，添加该底层反射性层以增加进入波导1-312的耦合效率)之间的光学干扰效应引起。根据某些实施例，光束转向模块可包含位于聚焦透镜8-133之前的第四光学平面8-132，该第四光学平面布置成影响在光栅耦合器处的光束的入射角φi的改变。
光束转向模块1-150的有利方面是可以实质上独立于对在表面8-240处的聚焦光束的位置的x,y调整而进行对θi及φi的入射角调整。举例而言，来自经由光栅耦合器1-310被耦合至一或多个波导1-312中的入射激光器光束8-250的光能量可在优化光束位置的对准程序期间用处于一或多个波导的相对端的一或多个光电二极管1-324来监测。随后，光束入射角可在不明显地改变光栅耦合器上的光束的位置的情况下而进行优化。
根据某些实施例，自动化对准程序可用于将来自脉冲激光器1-110激光器光束对准至生物光电子芯片1-140上的耦合器1-310。对准程序可包括执行对光栅耦合器1-310的螺旋搜索，如在图8-3中所绘示。可藉由旋转第二光学平面8-135及第三光学平面8-137以在芯片的表面上沿x及y方向平移聚焦光束8-250来执行螺旋搜索。举例而言，在芯片1-140装载至仪器1-100中且脉冲激光器接通之后，激光器光束可在图8-3中标记为“A”的位置处射至芯片的表面。在此位置处，可不存在由四象限检测器1-320检测的信号。可执行螺旋搜索路径8-310，同时监测来自四象限检测器的信号。在位置“B”处，四象限检测器可开始注册来自其检测器的光束的x,y位置信号。控制电路然后可以判定光束相对于四象限检测器的中心的位置、取消螺旋路径的执行且操作致动器8-122及8-123以使光束转向至四象限检测器1-320的中心(点“C”)。光栅耦合器1-310可大致居中于四象限检测器上而定位。随后，可进行精细位置及入射角调整以增加耦合至波导1-312或若干波导中的光能量的量。在某些实施例中，监测来自处于多个波导1-312的端部的多个集成光电二极管1-324的光功率，使得可对光栅耦合器处的激光器光束进行精细调整，以增加耦合至多个光学波导中的功率的均匀性。
其他方法及设备可用于搜索四象限检测器1-320且将聚焦光束8-250对准至光栅耦合器1-310。在某些实施例中，四象限检测器1-320的敏感性可以被改良以扩展可检测到激光器光束的范围。举例而言，来自具有处于高功率(例如，完全接通)的激光器功率的四象限检测器的信号可与来自具有处于低设定(例如，关断)的激光器功率的四象限检测器的信号比较。另外，当激光器光束可位于距四象限检测器的可感知距离处时，可跨较长时间周期对信号求积分，以改良四象限检测器的位置检测敏感性。
在某些实施例中，光散射组件(在图8-3中未展示)可围绕四象限检测器1-320而制作于芯片1-140上。当聚焦光束未对准且在远离四象限检测器的周边位置处时，散射组件可将来自聚焦光束的光朝向四象限检测器1-320散射。检测到的散射光然后可以指示光束的位置。
在某些实施方案中，窄线性散射组件或线检测器(宽度类似于预期的聚焦光束大小)可穿过四象限检测器的中心而放置(或以相对于四象限检测器的任何适合定向放置)，且延伸成显著超过四象限检测器的相对边缘(例如，至大于初始光束偏移误差的合理预期的距离)。由于通过设计已经知道了此组件或检测器的定向，因此可首先沿垂直于组件的方向扫描聚焦光束8-250直至该光束射至组件或检测器且被明确地检测到(通过至四象限检测器1-320的散射或直接通过线检测器)为止。然后，可沿另一方向扫描光束以找到四象限检测器1-320。
根据某些实施例，激光器光束可最初在芯片1-140的表面8-240处扩展(例如，藉由用致动器或使用其他构件来移动透镜8-133而使光束散焦)。芯片上的光束方占用面积然后可以大大增加(例如，增加10倍或更多)，使得当搜索四象限检测器1-320时，任何扫描过程皆可在光束位置之间使用较大步进(例如，螺旋扫描上的径向循环之间的较大偏移)。该搜索方法及前述替代搜索方法可减少与将聚焦光束8-250对准至光栅耦合器1-310相关联的搜索时间。
在对准之后，入射激光器光束可主动地维持于对准位置中。举例而言，可使用来自四象限检测器的反馈及致动器8-122及8-123的启动来主动地维持在相对于四象限检测器1-320的初始对准之后判定的光束的x,y位置以将光束维持于大致固定位置中。在某些实施例中，在初始对准之后可不调整光射束于表面处的入射角，以使耦合至波导中的功率优化。另外，耦接至波导中的功率的量在整个测量中保持在近似恒定的水平。
可藉由以下操作将递送至波导的功率维持于近似恒定的水平：监测来自波导的相对端部的光电二极管1-324信号且将该信号馈送至操作致动器2-162的控制器，该致动器控制脉冲激光器系统1-110的半波板2-160的定向(参考图2-1A)。旋转半波板2-160改变了进入频率加倍晶体2-170的光脉冲的偏振，且因此改变用于激发反应室中的荧光团的较短波长的转换效率。
在图8-4中绘示了根据某些实施例的用于光束对准及功率稳定化的实例性电路。四象限检测器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，可存在大量波导，将光功率从单一光栅耦合器的耦合至该大量波导。因此，可在波导的端部处存在大量波导光电二极管1-324，该大量波导光电二极管具有连接至控制电路8-43的信号输出端。放大电路8-410可布置成检测由二极管的光电传导产生的电压。根据某些实施例，放大电路8-410可包括将模拟信号转换成数字信号的CMOS电子器件(例如，FET、取样电路、模数转换器)。在其他实施例中，模拟信号可自放大电路中提供至控制电路8-430。
在某些实施例中，控制电路可包括以下组件中的一者或其组合：模拟及数字电路、ASIC、FPGA、DSP、微控制器及微处理器。控制电路8-430可配置为处理从一或多个波导光电二极管接收的信号来判定每一波导中的光功率的水平。控制电路8-430可进一步配置为处理从四象限检测器1-320接收的信号来判定光射束相对于四象限检测器的x,y位置。在某些实施方案中，控制电路8-430配置为检测耦合至每一波导中的功率，且将控制信号提供至致动器以移动激光器光束，使得功率在波导中被等化或在波导中具有最高均匀性。
可(举例而言)藉由控制电路8-430经调适以执行以下算法来判定激光器光束沿x方向的位置：
Sx＝[(VQ2+VQ3)–(VQ1+VQ4)]/VT
其中Sx是对应于x方向的归一化信号电平，VQn是自四象限检测器的第n个光电二极管接收的信号电平(例如，电压)，且VT是藉由加总来自所有四个光电二极管的信号而接收的总信号电平。另外，可(举例而言)使用以下算法而判定激光器光束沿y方向的位置：
Sy＝[(VQ3+VQ4)–(VQ1+VQ2)]/VT
可藉由加总来自所有光电二极管1-324中的信号而判定耦合至芯片1-140上的所有波导中的平均功率，该等光电二极管布置成检测芯片上的每一波导中的功率。
可回应于在x及y中所检测的光束位置且响应于在生物光电子芯片1-140的一或多个波导中检测的功率水平而由控制电路8-430产生控制信号。控制信号可作为数字信号而经由通信链路(SM1、SM2、SM3)提供至光束转向模块1-150的致动器且经由通信链路WP提供至控制半波板2-160的旋转的脉冲激光器系统1-110的致动器1-162。
为进一步说明脉冲激光器1-110及仪器1-100的操作，在图8-5中说明了用于对准至生物光电子芯片1-140上的光学耦合器(例如，光栅耦合器)且维持脉冲激光器光束至该光学耦合器的对准的实例性方法8-500。根据某些实施例，仪器1-100内的控制电路8-430可配置为检测(动作8-505)仪器中的生物光电子芯片的装载。当装载了新芯片时，其光学耦合器可未对准至来自脉冲激光器的激光器光束。举例而言，响应于装载的检测，控制电路8-430可操作光束转向模块1-150以执行(动作8-510)对生物光电子芯片的表面上边的脉冲激光器光束的螺旋扫描(或上文所阐述的任何其他适合的扫描方法)，如在图8-3中所绘示。控制电路可操作光束转向模块1-150的致动器8-122、8-123以沿螺旋路径8-310或任何其他适合的路径移动光束。当在芯片的表面上边正在扫描脉冲激光器光束时，可由控制电路8-430监测(动作8-515)来自四象限检测器1-320的各信号以判定是否检测到激光器光束的位置。
若来自四象限检测器的信号指示(动作8-520)尚未检测到脉冲激光器光束的位置，则控制电路可继续扫描(动作8-510)生物光电子芯片的表面上边的激光器光束。或者，若检测到光束的位置，则可停止螺旋扫描且可驱动光束转向模块的致动器以使脉冲激光器光束大致居中(动作8-525)于四象限检测器1-320上。根据某些实施例，光栅耦合器1-310可大致居中于四象限检测器上，使得使激光器光束居中于四象限检测器上使光束大致对准至光栅耦合器。在脉冲激光器光束处于光栅耦合器的近似位置的情况下，控制电路可驱动光束转向模块1-150的致动器8-122、8-123以在光栅耦合器的紧邻区域中执行(动作8-530)x-y扫描。举例而言，光束转向模块可沿x方向执行依序线性扫描(sequential linear scan)以找到第一最佳耦合值，然后沿y方向执行线性扫描以找到第二最佳耦合值。当正扫描激光器光束时，可监测(动作8-535)来自四象限检测器1-320及一或多个波导光电二极管1-324的输出信号。
当在光栅耦合器附近扫描脉冲激光器光束时，自一或多个波导光电二极管1-324检测的功率可以增加和减小。在某些实施例中，可存在对应于脉冲激光器光束的第一x1，y1位置(如藉由四象限检测器1-320所判定的)的耦合至波导中的总功率的最大值(藉由一或多个波导光电二极管1-324来检测)。在某些情形中，可存在脉冲激光器光束的第二x2，y2位置，其中在连接至光栅耦合器的多个波导中检测的各功率水平大约相等(例如，在±20％内或甚至在±10％内)。在第二位置处，耦合至波导中的总功率可小于在第一位置中耦合至波导中的量。
根据某些实施例，控制电路8-430可经调适以移动脉冲激光器光束直至实现跨越波导的预定均匀性(例如，±15％)内的耦合至波导中的最高总功率为止。对应位置可以是第一优化位置x3，y3，其可不同于第一位置x1，y1及第二位置x2，y2。在某些实施方案中，可容许跨越波导的更大功率变化(例如，在所得数据之外进行归一化)。在此等实施方案中，第一优化位置x3，y3可以是使进入波导中的总功率最大化的位置。
若控制电路8-430判定(动作8-540)尚未找到第一优化位置x3，y3，则控制电路可继续操作光束转向模块的致动器以在光栅耦合器1-310附近执行(动作8-530)脉冲激光器光束的x-y扫描。若已找到第一优化耦合位置，则控制电路8-430可藉由操作致动器8-122及8-123以将激光器光束维持于由四象限检测器1-320感测的固定位置处而保持(动作8-545)激光器光束的位置。控制电路然后可以启动致动器8-121且视情况启动光束转向模块的额外致动器以扫描(动作8-550)在生物光电子芯片上的光学耦合器处的入射光束角度。当正扫描入射光束角度时，可监测(动作8-555)来自一或多个波导中的波导光电二极管1-324的信号电平。可扫描入射光束角度直至控制电路8-430判定(动作8-560)已找到第二优化耦合定向为止。第二优化耦合定向可对应于光束入射角，该等光束入射角提供耦合至生物光电子芯片1-140上的一或多个波导中的功率的最高量，或提供具有跨越波导的功率的预定均匀性且耦合至波导中的最高功率。
若尚未识别(动作8-560)第二优化耦合定向，则控制电路可继续扫描入射光束角度(动作8-550)。若已识别第二优化耦合定向，则控制电路8-430可维持(动作8-565)脉冲激光器光束的x-y位置以及其入射角。在已维持脉冲激光器光束的位置及入射角的情况下，可在生物光电子芯片1-140上开始测量。
在某些实施例中，可在测量期间维持相对于四象限检测器1-320的脉冲激光器光束的位置，此可持续达数十分钟(10's of minutes)或更长。举例而言，可以采用主动反馈以感测光束在光学耦合器处的位置(运用四象限检测器1-320)且将脉冲激光器光束维持于感测到的位置处(举例而言，藉由操作致动器8-122及8-123以补偿系统中的漂移或振动)。
当测量开始时，也可维持(动作8-570)反应室中的光功率水平。根据某些实施例，维持光功率水平可包括用位于一或多个波导的端部处的一或多个波导光电二极管1-324来监测波导功率水平，且藉由启动脉冲激光器系统1-110的致动器2-162而补偿光功率的改变。致动器的操作将旋转半波板2-160，这样旋转了频率加倍晶体2-170中的光偏振且改变了用于频率加倍波长的转换效率。以此方式，可显著减少原本将在反应室中发生的功率波动。
在某些实施例中，控制电路8-430可在测量终结时从生物光电子芯片1-140接收测量结束信号。若控制电路不检测(动作8-575)测量结束信号，则可维持光束定向及功率水平。若控制电路检测(动作8-575)测量结束信号，则该进程可以结束。在某些实施例中，结束进程可包括将脉冲激光器1-110及光束转向模块的致动器关闭电源。
Ⅳ.时钟生成及系统同步
再次参考图1-1，不管用于产生短或超短脉冲的方法及设备为何，系统1-100皆可包含配置为使分析系统1-160的至少某些电子操作(例如，数据采集及信号处理)与来自光源1-110的光脉冲1-122的重复率同步的电路。存在至少两种方式以使脉冲重复率与分析系统1-160上的电子器件同步。根据第一技术，主控时钟可用作定时源以触发脉冲光源及仪器电子器件两者处的脉冲的产生。在第二技术中，定时信号可由脉冲光源导出且用于触发仪器电子器件。
图9-1绘示了一种系统，在该系统中时钟9-110将在同步频率fsync下的定时信号提供至脉冲光源1-110(例如，增益切换脉冲激光器或LED)及分析系统1-160两者，该分析系统可配置为检测并处理由每一激发脉冲1-120与生物物质、化学物质或其他物理物质之间的相互作用引起的信号。仅作为一个实例，每一激发脉冲可激发生物样本的一或多个荧光分子，该一或多个荧光分子用于分析生物样本的性质(例如，用于DNA测序的核苷酸并入、癌性或非癌性、病毒感染或细菌感染、血糖水平)。举例而言，非癌细胞可展现出第一值τ1的特征荧光寿命，而癌细胞可展现出第二值τ2的寿命，该第二值不同于第一寿命值且可与该第一寿命值区分开。作为另一实例，自血液样本检测的荧光寿命可具有取决于血糖水平的寿命值和/或强度值(相对于另一稳定标记)。在每一脉冲或数个脉冲的序列之后，分析系统1-160可检测并处理荧光信号以判定样本的性质。在某些实施例中，分析系统可产生激发脉冲探测的面积的影像，该影像包括该面积的二维或三维映图(map)，用于指示所成像面积内的区域的一或多个性质。
不管所进行的分析的类型为何，检测并处理分析系统1-160上的电子器件可能需要与每一光激发脉冲的到达进行仔细地同步。举例而言，当评价荧光寿命时，准确地知晓样本的激发的时间以便可以正确地记录发射事件的时序是有益的。
在图9-1中绘示的同步布置可适合于藉由主动方法(active method)(例如，外部控制)产生光脉冲的系统。有源脉冲系统可包含但不限于增益切换激光器及脉冲LED。在此等系统中，时钟9-110可提供数字时钟信号，该数字时钟信号用于在脉冲光源1-110中触发脉冲产生(例如，增益切换或将电流注入LED结中)。相同时钟也可将相同或同步数字信号提供至分析系统1-160，使得仪器上的电子操作可与仪器处的脉冲到达时间同步。
时钟9-110可以是任何适合时钟发生装置。在某些实施例中，时钟可包括晶体振荡器或基于MEMS的振荡器。在某些实施方案中，时钟可包括晶体管环形振荡器。
藉由时钟9-110提供的时钟信号的频率fsync不需要是与脉冲重复率R相同的频率。脉冲重复率可由R＝1/T给出，其中T是脉冲分离间隔。在图9-1中，光脉冲1-120绘示为在空间上分离一距离D。此分离距离根据关系T＝D/c(其中c是光速)而对应于到达分析系统1-160的脉冲之间的时间T。在实务中，可用光电二极管及示波器来判定脉冲之间的时间T。根据某些实施例，T＝fsync/N，其中N是大于或等于1的整数。在某些实施方案中，T＝Nfsync，其中N是大于或等于1的整数。
图9-2绘示了定时器9-220将同步信号提供至分析系统1-160的系统。在某些实施例中，定时器9-220可自脉冲光源1-110导出同步信号，且导出的信号用于将同步信号提供至分析系统1-160。
根据某些实施例，定时器9-220可自光电二极管接收模拟或数字化信号，该光电二极管检测来自脉冲源1-110的光脉冲。定时器9-220可使用任何适合的方法以根据所接收的模拟或数字化信号形成或触发同步信号。举例而言，定时器可使用施密特(Schmitt)触发器或比较器以基于所检测的光脉冲形成一串数字脉冲。在某些实施方案中，定时器9-220可进一步使用延迟锁定回路或锁相回路以使稳定的时钟信号与从自所检测的光脉冲产生的一串数字脉冲同步。该串数字脉冲或锁定的稳定时钟信号可经提供至分析系统1-160以使仪器上的电子器件与光脉冲同步。
发明者已认识并了解到，对脉冲激光器1-110的操作(例如，用于将激发光脉冲递送至反应室1-330)、信号获取电子器件(例如，时间分仓光电探测器1-322的操作)及从生物光电子芯片1-140的数据读出的协调提出技术挑战。举例而言，为使在反应室处收集的时间分仓信号准确地表示荧光衰变特性，必须在每一激发光脉冲到达反应室之后以精确时序触发每一时间分仓光电探测器1-322。另外，必须与反应室处的数据采集近似同步地从生物光电子芯片1-140中读取数据，以避免数据超载(overrun)及漏失数据。在某些情形中漏失数据可能是不利的，例如，导致基因序列的错误识别。发明者已认识并了解到，系统时序被被动锁模激光器的自然操作特性进一步复杂化，例如，易于引起脉冲振幅的波动、脉冲到脉冲(pluse-to-pluse)间隔T的波动及偶然脉冲漏码(drop-out)。
发明者已设想并开发了可用于在便携式仪器1-100中产生时钟信号且驱动数据采集电子器件的时钟生成电路。在图9-3中绘示了时钟生成电路9-300的实例。根据某些实施例，时钟生成电路可包含脉冲检测级、具有自动增益控制的信号放大级、时钟数字化级及时钟相位锁定级。
根据某些实施例，脉冲检测级可包括高速光电二极管9-310，该高速光电二极管经反向偏压且连接于偏压电势与参考电势(例如，接地电势)之间。光电二极管上的反向偏压可以是任何适合的值，且可使用固定值电阻器固定或可以是可调整的。在某些情形中，电容器C可连接于光电二极管9-310的阴极与参考电势之间。来自光电二极管的阳极的信号可提供至放大级。在某些实施例中，脉冲检测级可配置为检测具有介于约100微瓦特与约25毫瓦特之间的平均功率水平的光脉冲。时钟生成电路9-300的脉冲检测级可安装于脉冲激光器1-110上或接近脉冲激光器1-110而安装，且布置成检测来自激光器的光脉冲。
放大级可包括一或多个模拟放大器9-320，该一或多个模拟放大器可包含可变增益调整或可调整衰减，使得可将来自模拟增益放大器的脉冲输出水平设定于预定范围内。时钟生成电路9-300的放大级可进一步包含自动增益控制放大器9-340。在某些情形中，模拟滤波电路9-330可连接至模拟放大器9-320的输出端(例如，以移除高频(例如，大于约500MHz)和/或低频噪声(例如，小于约100Hz))。根据某些实施例，来自一或多个模拟增益放大器9-320的滤波或未经滤波输出可被提供至自动增益控制放大器9-340。
根据某些实施例，来自一或多个模拟放大器的最终输出信号可以是正向的。发明者已认识并了解到，当后续自动增益控制(AGC)放大器将脉冲输入至正电压而非负电压时，其更可靠地运行作。自动增益控制放大器可变化其内部增益以补偿所接收电子脉冲串中的振幅波动。来自自动增益控制放大器9-340的输出脉冲串可具有大约恒定的振幅，如在附图中所绘示，然而至自动增益控制放大器9-340的输入可具有脉冲到脉冲振幅的波动。实例性自动增益控制放大器是可从马萨诸塞州诺伍德市(Norwood)的Analog Devices公司购得的型号AD8368。
在时钟数字化级中，根据某些实施方案，来自自动增益控制放大器的输出可被提供至比较器9-350以产生数字脉冲串。举例而言，来自AGC的脉冲串可被提供至比较器9-350的第一输入端，且参考电势(在某些实施例中，其可以是使用者可设定的)可连接至比较器的第二输入端。参考电势可建立每一个所产生的数字脉冲的上升边缘的触发点。
如所了解的那样，光脉冲振幅的波动将导致在AGC放大器9-340之前的电子脉冲的振幅的波动。在不具有AGC放大器的情况下，这些振幅波动将导致来自比较器9-350的数字化脉冲串中的脉冲的上升边缘中的时序发生颤动。藉由运用AGC放大器而将脉冲振幅调平(leveling)，在比较器之后的脉冲颤动显著减少。举例而言，可运用AGC放大器将时序颤动减少至小于约50皮秒。在某些实施方案中，来自比较器的输出可被提供至逻辑电路9-370，该逻辑电路配置为将数字化脉冲串的占空比环改变成大约50％。
时钟生成电路9-300的相位锁定级可包括锁相回路(PLL)电路9-380，该锁相回路电路用于产生用于对仪器操作进行定时且使仪器操作同步的一或多个稳定输出时钟信号。根据某些实施例，来自时钟数字化级的输出可被提供至PLL电路9-380的第一输入端(例如，反馈输入端)，且来自电子或机电振荡器9-360的信号可被提供到PLL的第二输入端(例如，参考输入端)。电子或机电振荡器可在某些情形中相对于机械扰动和温度变化是高度稳定的。根据某些实施例，来自电子或机电振荡器9-360的稳定时钟信号的相位藉由PLL而锁定至来源于锁模激光器的数字化时钟信号的相位(其可以是较不稳定的)。以此方式，电子或机电振荡器9-360可穿越脉冲激光器1-110的短期不稳定性(例如，脉冲颤动、脉冲漏码)，且也与光脉冲串大致同步。锁相回路电路9-380可配置为产生一或多个稳定输出时钟信号，该一或多个稳定输出时钟信号来源于来自电子或机电振荡器9-360的锁相信号。可用于实施PLL的实例性电路是IC芯片Si5338，其可从得克萨斯州奥斯汀市(Austin)的SiliconLaboratories公司购得。
根据某些实施例，从PLL电路9-380输出的一或多个时钟信号可被提供至生物光电子芯片1-140以对芯片上的数据采集电子器件进行定时。在某些情形中，PLL电路9-380可包含在其时钟输出端上的相位调整电路9-382、9-384，或单独的相位调整电路可连接至锁相回路的时钟输出端。在某些实施方案中，生物光电子芯片1-140可以由芯片上的一或多个光电探测器提供脉冲到达信号1-142，该脉冲到达信号用于指示来自脉冲激光器1-110的光激发脉冲的到达。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的时钟信号的一或多个相位。在某些实施例中，脉冲到达信号可向后提供至锁相回路电路9-380且经处理以自动地调整提供至芯片的时钟信号的相位，使得提供以驱动生物光电子芯片1-140上的数据采集的时钟信号的触发边缘(例如，藉由时间分仓光电探测器1-322进行的信号获取的时序)被进行调整以便在光激发脉冲到达反应室中之后的一预定时间处发生。
根据某些实施例，来自PLL电路9-380的时钟信号也可被提供至包含于仪器1-100中的一或多个现场可编程门阵列(FPGA)9-390。FPGA可用于仪器上的各种功能，诸如驱动生物光电子芯片1-140的数据读出、数据处理、数据传输、数据储存等。
发明者已认识并了解到，可在AGC放大器9-340的回路带宽与锁相回路9-380的回路带宽之间存相互作用。举例而言，若锁相回路的回路带宽过高，则PLL可能响应由AGC放大器及比较器引入于数字化脉冲串中的颤动，且不会准确地追踪光脉冲定时。另一方面，若AGC及PLL回路带宽中的任一者或两者过低，则自PLL输出的所得时钟信号将不会准确地追踪光脉冲定时。发明者已发现，与PLL 9-380的回路带宽相关联的积分时间常数应介于来自锁模激光器1-110的光脉冲串的约30个脉冲与约80个脉冲之间。另外，与AGC放大器9-340的回路带宽相关联的积分时间常数应不超过PLL的积分时间常数的约20％以上。
在某些实施方案中，来自放大级的一或多个信号可用于仪器1-100的额外目的。举例而言，模拟信号9-332可在AGC放大器9-340之前分离出且用于监测脉冲激光器1-110中的锁模的质量。举例而言，模拟信号9-332可在频域和/或时域中进行电子分析以检测指示脉冲激光器进行的调Q开始的特性。若检测到该特性(以及调Q的开始)，则系统可自动地进行对锁模激光器内的光学器件(例如，腔对准光学器件)的调整以避免调Q，或者系统可指示一误差和/或使脉冲激光器关闭。
在某些实施例中，AGC放大器可提供输出信号9-342(模拟或数字)，该输出信号表示用以将输出脉冲的振幅调平所需要的实时增益调整。发明者已认识并了解到，此输出信号9-342可用于评估脉冲激光器的锁模质量。举例而言，输出信号9-342的光谱可经分析以检测调Q的开始。
尽管已使用自动增益控制放大器及锁相回路来阐述时钟生成及同步，但可在其他实施例中使用可以容许更大量的时钟颤动(例如，最高达约300ps)的替代设备。在某些实施方案中，脉冲放大级中的放大器可以驱动成饱和，从而提供上升边缘触发信号。时钟的触发点可被设定于上升边缘上的某值处。由于放大器饱和，因此脉冲振幅的变化对触发时序的影响比非饱和放大器的影响小。上升边缘可用于触发触发器(flip flop)时钟电路，诸如在现场可编程门阵列(FPGA)中实施的电路。返回至零的来自饱和放大器的下降边缘可基于放大器的输出何时自饱和释放而具有明显地较多时序变化性。然而，下降边缘不会被触发器时钟电路检测到且对定时没有影响。
诸多FPGA包含数字延迟锁定回路(DLL)，该等数字延迟锁定回路可替代PLL用于将稳定振荡器锁定至来自触发器的激光器产生的时钟发生信号。在某些实施例中，接收触发器将来自光脉冲串的时钟发生速率一分为二，此可以以脉冲重复率的一半将50％的占空比时钟信号提供至DLL。DLL可配置为产生将与光脉冲串同步的频率加倍时钟。也可由DLL及FPGA产生额外的同步较高频率时钟。
在某些实施例中，可需要两个或两个以上脉冲光源1-110a、1-110b以将处于两个或两个以上不同波长的光脉冲供应至分析系统1-160，如在图9-4中所绘示。在此等实施例中，可能需要使光源的脉冲重复率与分析系统1-160上的电子操作同步。在某些实施方案中，若两个脉冲光源使用主动方法(例如，增益切换)来产生脉冲，则可使用上文结合图9-1所阐述的技术。举例而言，时钟9-110可将在同步频率fsync下的时钟或同步信号供应至两个脉冲光源1-110a、1-110b的驱动电路且供应至分析系统1-160。若一个光脉冲源1-110b使用被动方法产生脉冲，则可使用结合图9-2所阐述的技术而从被动脉冲源中导出同步信号。同步信号然后可以被提供至主动脉冲源1-110a以使该源的脉冲产生同步，并且被提供至仪器1-160以使仪器电子器件及操作同步。
当在每一光源处皆主动地产生脉冲时，可以或可以不需要使用反馈控制系统来动态地调整激光器腔长度以用于稳定及同步脉冲产生。若脉冲是通过激光器的增益介质的增益切换而产生的，则可以不需要激光器腔长度调整。若脉冲是由主动锁模技术产生的，则可能需要动态激光器腔长度调整以产生一串稳定的光脉冲。存在数种机电技术，可以通过这些机电技术进行激光器腔长度调整。举例而言，腔镜(诸如，腔端镜或转向镜对)可使用根据反馈信号来控制的压电换能器而定位。反馈信号可从通过激光器腔产生的脉冲重复率与在外部产生的另一脉冲重复率或时钟信号之间的差别推导出。在某些情形中，光纤激光器长度可根据反馈信号使用压电材料而进行拉伸。在某些实施方案中，腔镜可以是根据反馈信号控制的微机电镜(microelectromechanical-based mirror)。
根据某些实施例，两个光脉冲源1-110a、1-110b皆可被动地产生光脉冲(例如，藉由被动锁模)。在此等实施例中，同步信号可以来源于脉冲光源中的一个(如结合图9-3所阐述的)以用于激光器间脉冲及电子器件同步。可能需要额外的测量以使来自第二光脉冲源的脉冲与来自第一光源的脉冲同步。举例而言，定时信号也可来源于第二光脉冲源，且与机电反馈电路一起使用以控制第二光脉冲源的腔长度。藉由控制第二光脉冲源的腔长度，来源于第二光脉冲源的定时信号的频率及相位可以被锁定(例如，经由锁相回路)至来源于第一光脉冲源的时钟信号。以此方式，来自第二光脉冲源的脉冲串可与第一光脉冲源的脉冲串同步，且仪器操作及电子器件也可与第一光脉冲源同步。
在某些实施方案中，使来自两个脉冲光源的脉冲在时间上交错可能是有益的，如在图9-4A及图9-4B中所绘示。当脉冲交错时，来自第一源1-110a的脉冲9-120a可在第一时间t1处用第一特征波长λ1激发分析系统1-160处的一或多个样本。然后可由仪器来收集表示第一脉冲与一或多个样本相互作用的数据。在一稍后时间t2处，来自第二源1-110b的脉冲9-120b可用第二特征波长λ2激发分析系统1-160处的一或多个样本。然后可由仪器来收集表示第二脉冲与一或多个样本相互作用的数据。藉由使脉冲交错，处于一个波长的脉冲-样本相互作用的效应可以不与处于第二波长的脉冲-样本相互作用的效应混杂。此外，可检测到与两个或两个以上荧光标记相关联的特征。
脉冲可与定时及同步电路交错，如在图9-5A中所绘示。结合图9-4所阐述的方法可用于使来自两个脉冲光源1-110a、1-110b的脉冲串同步，且使分析系统1-160上的电子器件及操作与脉冲的到达同步。为使脉冲交错，一个脉冲光源的脉冲可与来自另一脉冲光源的脉冲异相地进行锁相或触发。举例而言，第一脉冲光源1-110a的脉冲可经锁相(使用锁相回路或延迟锁定回路)或经触发为与来自第二脉冲光源1-110b的脉冲发生180度异相，但也可在某些实施例中使用其他相位或角度关是。在某些实施方案中，时序延迟可添加至向一个脉冲光源提供的触发信号。时序延迟可将触发边缘延迟达脉冲分离间隔T的大约一半。根据某些实施例，倍频同步信号可由定时器9-220产生，且被提供至仪器9-160以用于使仪器电子器件及操作与来自脉冲光源的交错脉冲的到达同步。
发明者已设想可以产生处于两个或两个以上不同特征波长的光脉冲串且使其同步的其他方法及技术。图9-6A绘示了双激光器系统9-600，该双激光器系统采用非线性光学材料来产生所要特征波长λ1/2及λ3处的两个同步脉冲串9-120c、9-120d。根据某些实施例，第一激光器1-110a可产生第一特征波长λ1处的第一串光脉冲9-120a。举例而言，第一激光器可以是产生处于1064nm的脉冲的被动锁模激光器(例如，一Nd:YVO4或Nd:GdVO4激光器)。第一激光器1-110a可包括结合图3-3A或图5-1至图5-3阐述的任何激光器腔系统。第一串光脉冲9-120a可藉由第一非线性光学组件9-610(例如，KTP或BBO晶体)中的二次谐波产生(SHG)而进行频率加倍，以产生第一激光器的脉冲串的波长的一半(例如，λ1/2＝532nm)处的第三串光脉冲9-120c。二次谐波产生将不会将所有脉冲能量转换成二次谐波频率，使得基波长λ1处的衰减脉冲串将自第一非线性光学组件9-610形成。
另外，第二被动锁模激光器1-110b可产生第二特征波长λ2处的第二串光脉冲9-120b。在某些实施例中，第二激光器亦也包括产生处于第二波长(例如，1342nm)的脉冲的被动锁模激光器(例如，Nd:YVO4或Nd:GdVO4激光器)，该第二波长是藉由相同类型的增益介质支持的第二激光跃迁，但也可在其他实施例中使用其他激光发光材料。第一二向色镜DC1可用于将脉冲从第一激光器1-110a引导至第二二向色镜DC2，在该第二二向色镜处，来自两个激光器的脉冲串将被合并且被引导至第二非线性光学组件9-620(例如，KTP或BBO晶体)。在第二非线性组件中，来自两个脉冲串的光场相互作用(倘若脉冲同时到达)以藉由被称为和频产生(SFG)的过程产生第三波长λ3。在此过程中，藉由以下关系给出所得波长。
λ3＝λ1λ2/(|λ1+λ2|) (2)
根据以上实例，第三波长λ3可在约593.5nm下产生。因此，双激光器系统可产生处于532nm下的第三脉冲串9-120c及处于593.5nm下的第四脉冲串9-120d。在某些实施例中，第四脉冲串可含有处于基波长λ1及λ2的脉冲，但可(举例而言)使用红外线滤波器来将此辐射从脉冲串中滤除。
在某些实施方案中，可产生处于第四特征波长λ4的第五脉冲串(未展示)。举例而言，来自第二激光器1-110b的处于其基波长λ2的辐射可从第二非线性光学组件9-620形成且在第三非线性光学组件(未展示)中进行频率加倍。根据以上实例，第四特征波长应当是约670nm。另外，这些脉冲将在时间上与第三及第四脉冲串中的其他光脉冲同步。
如上文所述，来自两个激光器1-110a、1-110b的脉冲应同时到达第二非线性光学组件9-620且在组件中尽可能地进行空间上的重叠。因此，两个激光器应该是同步的。可(举例而言)使用定时及机电控制电路9-220进行两个激光器与仪器电子器件的同步，如结合图9-4所阐述的。在某些实施例中，控制电路9-220可以比较来自两个激光器的脉冲重复率以产生用于控制一个激光器的腔长度的反馈信号。可经由机电致动器(诸如压电换能器)来控制腔长度。控制电路9-220可进一步产生或相位锁定至一时钟发生信号，该时钟发生信号用于使分析脉冲与物质的相互作用的仪器1-160的电子操作同步。
藉由图9-6A的激光系统或其他激光系统或本文中所阐述的激光系统的组合产生的处于多个特征波长的同步脉冲对于激发用于生物分析系统的荧光团可能是合意的。在某些实施方案中，可以处理表示从受激发的荧光团中检测到的光发射的信号以根据在相关应用中阐述的方法来区分荧光团的类型。在某些情形中，分析检测到的信号可以基于荧光团的寿命和/或光谱特性来区分荧光团。在某些实施例中，基于寿命来区分荧光团支持在样本处使用多个激发波长，因为待区分的不同荧光团可具有不同的吸收频带。处于多个波长的激发脉冲可确保每一荧光团(当存在于样本处时)皆将被激发。
在某些情形中，当可获得多个激发波长时，可基于激发源是否激发荧光团而区分荧光团。仅作为一个实例，四个荧光团可以用于单一分子基因测序设备中以检测进入基因或基因片段中的核苷酸并入。可以选择四个荧光团，使得其在其吸收频带中具有减少重叠。来自两个或两个以上脉冲激光器源的匹配至吸收频带的四个激发波长可用于激发荧光团。脉冲可在时间上交错，使得脉冲针对每一特征波长在不同时间间隔内到达样本。若存在具有与激发波长匹配的吸收频带的荧光团，则该荧光团将在与匹配的激发波长处的脉冲相关联的时间间隔中发射。因此，从样本中检测的信号的时序或相位可识别存在的荧光团的类型。
在某些实施例中，可使用荧光团区别方法的组合。举例而言，在同一样本分析中，可基于寿命来区分某些荧光团且可基于激发波长-吸收频带匹配来区分某些荧光团。可藉由单一激光器系统(如结合图9-6A所阐述的)或藉由激光器系统的组合(例如，增益切换半导体激光器及被动锁模激光器)产生多个激发波长。
在图9-6B中绘示双激光器系统9-602的另一实施例。在此系统中，在二次谐波产生之前实施和频产生。举例而言，来自第一激光器1-110a及第二激光器1-110b的输出脉冲串9-120a、9-120b在二向色镜DC1处合并且被引导至发生SFG的第一非线性光学组件。输出脉冲串然后可以被分开(使用三向色分束器TC1或二向色分束器)以将至少第一波长引导至SHG发生的第二非线性光学组件。因此，可产生处于λ1/2的第三脉冲串9-120c及处于λ3的第四脉冲串9-120d。可使用定时及机电反馈控制电路9-220来进行两个脉冲串的同步。
Ⅴ.配置
如可了解的，可存在脉冲激光器1-110和分析仪器1-100以及操作方法的诸多不同配置及实施例。下文给出某些配置及实施例，但本发明并不限于所列举的配置及实施例。
(1)，一种锁模激光器，包括：基底板，具有不大于350mm的最大边缘长度；增益介质，安装于所述基底板上；第一端镜，安装于所述基底板上，位于激光器腔的第一端部处；以及可饱和吸收器镜，安装于所述基底板上且形成所述激光器腔的第二端镜，其中所述锁模激光器配置为藉由被动锁模而以介于50MHz与200MHz之间的重复率来产生光脉冲。
(2)，如配置(1)的锁模激光器，其进一步包括：生物光电子芯片，布置成从所述锁模激光器接收激发脉冲，其中所述生物光电子芯片支持将核苷酸或核苷酸类似物依序并入至与靶核酸互补的生长链中；光束转向光学器件，布置成将处于单一特征波长的所述激发脉冲朝所述生物光电子芯片引导；以及信号处理器，配置为接收表示由处于所述单一特征波长的所述激发脉冲所诱发的荧光发射的信号，且处理所接收的信号以判定并入至所述生长链中的四种不同核苷酸或核苷酸类似物的身份，其中所述所接收的信号对应于核苷酸或核苷酸类似物至所述生长链中的所述依序并入。
(3)，如(1)或(2)的锁模激光器，其进一步包括处于所述激光器腔中的可调整镜底座，所述可调整镜底座布置成当正在操作所述锁模激光器时，在调整所述激光器腔内的激光器光束时仅提供两个自由度，所述两个自由度是由所述激光器腔中的光学底座所提供的，用于当正在操作所述锁模激光器时调整所述激光器光束的仅有的两个自由度。
(4)，如(1)至(3)中任一者的锁模激光器，其进一步包括：第一聚焦光学器件，安装于所述基底板上且沿着腔内光学轴而定位于所述增益介质与所述可饱和吸收器镜之间；以及第二聚焦光学器件，安装于所述基底板上且沿着所述腔内光学轴而定位于所述第一聚焦光学器件与所述可饱和吸收器镜之间，其中沿着所述腔内光学轴调整所述第一聚焦光学器件的位置所改变的所述可饱和吸收器镜上的腔内激光器光束的焦斑大小的量比沿着所述腔内光学轴调整所述第二聚焦光学器件的位置所改变的所述可饱和吸收器镜上的腔内激光器光束的焦斑大小的量多。
(5)，如(1)至(4)中任一者的锁模激光器，其进一步包括温度控制组件，所述温度控制组件耦接至所述增益介质的至少两侧且配置为在所述增益介质中产生非对称热梯度，所述非对称热梯度使腔内激光器光束转向。
(6)，如(1)至(5)中任一者的锁模激光器，其进一步包括：第一聚焦光学器件，安装于所述基底板上且沿着腔内光学轴而定位于所述增益介质与所述可饱和吸收器镜之间；第二聚焦光学器件，安装于所述基底板上且沿着所述腔内光学轴而定位于所述第一聚焦光学器件与所述可饱和吸收器镜之间；以及腔内光束转向模块，安装于所述第一聚焦光学器件与所述可饱和吸收器镜之间。
(7)，如(6)的锁模激光器，其进一步包括：光电探测器，布置成检测所述锁模激光器的平均功率；以及控制电路，与所述光电探测器及所述腔内光束转向模块进行通信，其中所述控制电路配置成基于由所述光电探测器检测的信号电平而提供信号以使腔内激光器光束在所述可饱和吸收器镜上重新对准。
(8)，如(6)的锁模激光器，其进一步包括：光电探测器及信号处理器，布置成检测与所述脉冲激光器的调Q相关联的一或多个特性；以及控制电路，与所述信号处理器及所述腔内光束转向模块进行通信，其中所述控制电路配置为响应于检测到与调Q相关联的所述一或多个特性而提供信号，以使腔内激光器光束在所述可饱和吸收器镜上重新对准。
(9)，如(1)至(8)中任一者的锁模激光器，其进一步包括：多个镜，用于延伸所述激光器腔的长度且位于所述增益介质与所述可饱和吸收器镜之间；以及安装特征，形成于所述基底板中且位于所述增益介质与所述多个镜之间，其中所述安装特征配置为接纳端镜或用以固持端镜的夹具，所述端镜或所述夹具使所述激光器腔缩短。
(10)，如(1)至(9)中任一者的锁模激光器，其进一步包括形成于所述基底板中的至少一个沟槽，所述至少一个沟槽沿所述腔内光学轴的方向延展且配置为接纳所述锁模激光器的一或多个光学组件。
(11)，如(10)的锁模激光器，其进一步包含形成至所述基底板中的集成光学底座，所述集成光学底座包括两个共面表面，邻接所述至少一个沟槽的相对侧且基本上垂直于所述腔内光学轴而定向；以及两个倾斜表面，形成于所述至少一个沟槽的相对侧上且朝向所述两个共面表面倾斜。
(12)，如(1)至(11)中任一者的锁模激光器，其进一步包括：光电探测器，布置成检测来自所述锁模激光器的光脉冲；以及时钟生成电路，配置为使来自稳定振荡器的电子时钟信号与由所述锁模激光器产生的光脉冲同步。
(13)，如(1)至(12)中任一者的锁模激光器，其中所述第一端镜包括输出耦合器，所述输出耦合器具有介于大约10％与大约25％之间的透射。
(14)，如(1)至(13)中任一者的锁模激光器，其中所述光脉冲的半峰全宽持续时间介于约5ps与约30ps之间。
(15)，如(1)至(14)中任一者的锁模激光器，其中所述光脉冲的尾部强度在从所述光脉冲的峰值强度开始经过250ps之后保持低于所述光脉冲的峰值强度达20dB。
(16)，如(1)至(15)中任一者的锁模激光器，其进一步包括安装于所述基底板上的频率加倍组件，所述频率加倍组件将来自所述激光器的输出脉冲从第一激射波长转换成具有所述激射波长的一半的脉冲。
(17)，如(1)至(15)中任一者的锁模激光器，其进一步包括：频率加倍组件，安装于所述基底板上且布置成从所述锁模激光器接收输出；以及反馈电路，所述反馈电路配置成接收一种信号，所述该种信号表示从所述频率加倍组件递送至生物光电子芯片的处于频率加倍波长的功率的量，以及所述反馈电路配置成基于收到的该种信号的电平而提供信号以改变处于频率加倍波长的功率的所述量。
(18)，如(16)或(17)的锁模激光器，其进一步包括：偏振旋转器，布置成改变递送至所述频率加倍组件的来自所述锁模激光器的输出的偏振；以及致动器，其连接至所述反馈电路，所述致动器控制所述偏振旋转器的定向。
(19)，如(1)至(18)中任一者的锁模激光器，其进一步包括二极管泵源模块，所述二极管泵源模块是以热绝缘紧固件而安装至所述基底板。
(20)，如(19)的锁模激光器，其中所述二极管泵源模块透过孔而安装于所述基底板中且位于与所述激光器腔相对的所述基底板的一侧上。
(21)，一种用于对DNA测序的方法，该方法包括以下动作：产生处于单一特征波长的脉冲激发能量；将所述脉冲激发能量朝向生物光电子芯片引导，其中所述生物光电子芯片支持将核苷酸或核苷酸类似物依序并入至与靶核酸互补的生长链中；接收表示荧光发射的信号，所述荧光发射由处于所述单一特征波长的脉冲激发能量所诱发，其中所述信号对应于核苷酸或核苷酸类似物至所述生长链中的所述依序并入；以及处理所接收的信号以判定并入至所述生长链中的四种不同核苷酸或核苷酸类似物的身份。
(22)，如实施例(21)的方法，其中产生脉冲激发能量包括用在单一特征波长下操作的锁模激光器产生光脉冲。
(23)，如(21)的方法，其中产生脉冲激发能量包括用在单一特征波长下操作的增益切换激光器产生光脉冲。
(24)，如(21)至(23)中任一者的方法，其中处理所接收的信号包括在至少两个不同荧光发射衰变值之间加以区分以识别所述四种核苷酸或核苷酸类似物中的至少两种不同核苷酸或核苷酸类似物。
(25)，如(21)至(24)中任一者的方法，其进一步包括：产生与所述脉冲激发能量同步的电子触发信号；以及提供所述电子触发信号，以用于对表示所述生物光电子芯片上的荧光发射的信号的收集进行定时。
(26)，如(25)的方法，其进一步包括对表示当所述脉冲激发能量处于接通状态之后的关断状态时发生的荧光发射的信号的收集进行定时。
(27)，如(21)至(26)中任一者的方法，其中引导所述脉冲激发能量包括将所述脉冲激发能量耦合至所述生物光电子芯片上的波导中。
(28)，如(27)的方法，其中所述耦合包括：从所述生物光电子芯片接收第一反馈信号，所述第一反馈信号指示所述脉冲激发能量的光束与连接至所述波导的输入端口的对准程度；以及基于所述第一反馈信号而使所述光束转向。
(29)，如(27)或(28)的方法，其中所述耦合进一步包括：自所述生物光电子芯片接收第二反馈信号，所述第二反馈信号指示递送至所述靶核酸的功率的量；以及基于所述第二反馈信号而调整所述脉冲激发能量中的能量的量。
(30)，一种生物分析仪器，其包括：脉冲激光器系统，配置为产生处于单一特征波长的光激发脉冲；容座，用于接纳生物光电子芯片且与所述生物光电子芯片形成电连接和光学耦合，其中所述生物光电子芯片支持将核苷酸或核苷酸类似物依序并入至与靶核酸互补的生长链中；光束转向光学器件，布置成将所述激发脉冲朝向所述容座引导；以及信号处理器，配置为接收表示由处于所述单一特征波长的激发脉冲诱发的荧光发射的信号，且处理所接收的信号以判定并入至所述生长链中的四种不同核苷酸或核苷酸类似物的身份，其中所述所接收的信号对应于核苷酸或核苷酸类似物至所述生长链中的所述依序并入。
(31)，如配置(30)的生物分析仪器其中所述脉冲激光器系统包括锁模激光器。
(32)，如(31)的生物分析仪器，其中该锁模激光器包括：基底板；增益介质，安装于所述基底板上；第一端镜，安装于位于激光器腔的第一端处的所述基底板上；以及可饱和吸收器镜，安装于所述基底板上且形成所述激光器腔的第二端镜。
(33)，如(31)或(32)的生物分析仪器，其中所述锁模激光器包括光纤激光器。
(34)，如(31)或(32)的生物分析仪器，其中所述锁模激光器包括锁模激光器二极管。
(35)，如(31)或(32)的生物分析仪器，其中所述锁模激光器包括具有腔内频率加倍组件的二极管泵浦激光器。
(36)，如(30)的生物分析仪器，其中所述脉冲激光器系统包括增益切换激光器。
(37)，如(36)的生物分析仪器，其中所述增益切换激光器包括激光器二极管。
(38)，如(36)的生物分析仪器，其中所述增益切换激光器包括：激光器二极管；以及电流驱动电路，配置为将双极电流脉冲提供至所述激光器二极管，其中所述双极电流脉冲包括具有第一振幅及第一极性的第一脉冲，后续接着具有相反极性的第二脉冲，所述第二脉冲具有小于所述第一振幅的第二振幅。
(39)，如(38)的生物分析仪器，中所述驱动电路包含耦接至所述激光器二极管的端子的晶体管，其中所述驱动电路配置为接收单极脉冲且回应于接收到所述单极脉冲而将双极电脉冲施加至半导体二极管。
(40)，如(30)的生物分析仪器，其中所述脉冲激光器系统包括连续波激光器及互连的光学转换器的阵列，所述互连的光学转换器调变来自所述连续波激光器的输出。
(41)，如(30)至(40)中任一者的生物分析仪器，其进一步包括控制信号的收集的同步电路，所述信号表示在所述激发脉冲处于基本上关断状态时所述生物光电子芯片处发生的荧光发射。
(42)，如(41)的生物分析仪器，其中所述同步电路包括时钟生成电路，所述时钟生成电路配置为使来自电子或机电振荡器的第一时钟信号与因检测所述激发脉冲而产生的第二时钟信号同步，且提供同步的所述第一时钟信号以对所述生物分析仪器所进行的数据采集进行定时。
(43)，如(42)的生物分析仪器，其中所述时钟生成电路包含自动增益控制放大以将自所述光脉冲产生的电子脉冲的振幅调平。
(44)，如(42)的生物分析仪器，其中所述时钟生成电路包含饱和放大以将自所述光脉冲产生的电子脉冲的振幅调平。
(45)，一种生物分析仪器，其包括：激光器，配置为产生处于单一特征波长的脉冲激发能量；以及时钟生成电路，配置为使来自电子或机电振荡器的第一时钟信号与因检测来自所述激光器的光脉冲而产生的第二时钟信号同步，且提供同步的所述第一时钟信号以对所述生物分析仪器所进行的数据采集进行定时。
(46)，如配置(45)的生物分析仪器，其中所述时钟生成电路包含自动增益控制放大以将自所述光脉冲产生的电子脉冲的振幅调平。
(47)，如(45)的生物分析仪器，其中所述时钟生成电路包含饱和放大以将自所述光脉冲产生的电子脉冲的振幅调平。
(48)，如(45)至(47)中任一者的生物分析仪器，其中所述时钟生成电路包含锁相回路，所述锁相回路将所述第一时钟信号的相位锁定至所述第二时钟信号。
(49)，如(45)至(47)中任一者的生物分析仪器，其中所述时钟生成电路包含延迟锁定回路，所述延迟锁定回路将所述第一时钟信号的相位锁定至所述第二时钟信号。
(50)，一种系统，其包括：脉冲激光器；连续波激光器；第一非线性光学组件；第二非线性光学组件，其中所述系统配置为产生自所述第一非线性光学组件产生的处于第一特征波长的第一脉冲串及来自所述第二非线性光学组件的处于第二特征波长的第二脉冲串。
(51)，如配置(50)的系统，其中所述第二非线性光学组件处于所述连续波激光器的激光器腔中。
(52)，如(50)或(51)的系统，其中所述第二脉冲串与所述第一脉冲串同步。
(53)，如(50)至(52)中任一者的系统，其中所述第二脉冲串是藉由所述第二非线性光学组件中的和频产生而产生的。
(54)，如(50)至(53)中任一者的系统，其中所述第一特征波长及所述第二特征波长介于500nm与700nm之间。
(55)，如(50)至(54)中任一者的系统，其进一步包括：生物分析仪器，配置为固持样本；以及光束转向光学器件，布置成将来自所述第一脉冲串及所述第二脉冲串的辐射引导至所述样本上。
(56)，如(55)的系统，其中所述生物分析仪器配置为检测来自所述样本的发射且基于荧光寿命来区分两个或两个以上荧光团。
(57)，一种提供同步光脉冲的方法，所述方法包括：在第一特征波长下操作脉冲激光器；在第二特征波长下操作连续波激光器；将来自所述脉冲激光器的第一脉冲串耦合至所述连续波激光器的激光器腔中；以及在所述连续波激光器的激光器腔中产生处于第三特征波长的第二脉冲串。
(58)，如实施例(57)的方法，其中产生所述第二脉冲串包括和频产生。
(59)，如(57)或(58)的方法，其进一步包括使来自所述脉冲激光器的脉冲串频率加倍，以产生处于第四特征波长的第三脉冲串。
(60)，如(59)的方法，其进一步包括将所述第二脉冲串及所述第三脉冲串提供至生物分析仪器。
(61)，如(60)的方法，其进一步包括：在所述生物分析仪器处用所述第二脉冲串及所述第三脉冲串的脉冲来在样本中激发至少两个荧光团；以及基于荧光寿命来区分所述至少两个荧光团。
(62)，一种系统，其包括：第一脉冲激光器；第二脉冲激光器；第一非线性光学组件；以及第二非线性光学组件，其中所述系统配置为产生由所述第一非线性光学组件产生的处于第一特征波长的第一脉冲串以及由所述第二非线性光学组件藉由和频产生得到的处于第二特征波长的第二脉冲串。
(63)，如配置(62)的系统，其中所述第二脉冲串与所述第一脉冲串同步。
(64)，如(62)或(63)的系统，其进一步包括生物分析仪器，所述生物分析仪器配置为固持样本且将来自所述第一脉冲串及所述第二脉冲串的辐射引导至所述样本上。
(65)，如(64)的系统，其中所述生物分析仪器配置为检测来自所述样本的发射且基于荧光寿命来区分两个或两个以上荧光团。
(66)，如(62)至(65)中任一者的系统，其进一步包括第三非线性光学组件，其中所述系统配置为产生由所述第三非线性光学组件产生的处于第三特征波长的第三脉冲串。
(67)，如(66)的系统，其中所述第三脉冲串与所述第一脉冲串及所述第二脉冲串同步。
(68)，如(62)至(67)中任一者的系统，其中所述第一特征波长、所述第二特征波长及所述第三特征波长介于500nm与700nm之间。
(69)，一种提供经同步光脉冲的方法，该方法包括：在第一特征波长下操作第一脉冲激光器；在第二特征波长下操作第二脉冲激光器；使所述第一脉冲激光器与所述第二脉冲激光器同步；使来自所述第一脉冲激光器的脉冲频率加倍以产生处于第三特征波长的第一脉冲串；将来自所述第一脉冲激光器及所述第二脉冲激光器的脉冲耦合至非线性光学组件中；藉由和频产生而产生处于第四特征波长的第二脉冲串。
(70)，如实施例(69)的方法，其进一步包括将所述第一脉冲串及所述第二脉冲串提供至生物分析仪器。
(71)，如(70)的方法，其进一步包括：在所述生物分析仪器处用所述第一脉冲串及所述第二脉冲串的脉冲来在样本中激发至少两个荧光团；以及基于荧光寿命来区分所述至少两个荧光团。
(72)，如(69)至(71)中任一者的方法，其进一步包括使来自所述第二脉冲激光器的脉冲频率加倍以产生处于第五特征波长的第三脉冲串。
(73)，如(72)的方法，其中所述第三特征波长、所述第四特征波长及所述第五特征波长介于500nm与700nm之间。
(74)，一种系统，其包括：第一脉冲激光器；以及第二脉冲激光器，包含腔内可饱和吸收器镜，其中所述系统配置为将来自所述第一脉冲激光器的脉冲引导至所述第二脉冲激光器的可饱和吸收器镜上。
(75)，如配置(74)的系统，其中所述第二脉冲激光器进行被动锁模。
(76)，如(74)或(75)的系统，其进一步包括：第一非线性光学组件；以及第二非线性光学组件，其中所述系统配置为产生由所述第一非线性光学组件产生的处于第一特征波长的第一脉冲串及来自所述第二非线性光学组件的处于第二特征波长的第二脉冲串。
(77)，如(74)至(76)中任一者的系统，其进一步包括生物分析仪器，所述生物分析仪器配置为固持样本且将来自所述第一脉冲串及所述第二脉冲串的辐射引导至所述样本上。
(78)，如(77)的系统，其中所述生物分析仪器配置为检测来自所述样本的发射且基于荧光寿命来区分两个或两个以上荧光团。
(79)，一种用于对两个激光器进行锁模的方法，所述方法包括：在第一特征波长下操作第一脉冲激光器；以及将来自所述第一脉冲激光器的脉冲串耦合至第二脉冲激光器的激光器腔中的可饱和吸收器镜上。
(80)，如实施例(79)的方法，其进一步包括在第二特征波长下对所述第二脉冲激光器进行被动锁模。
(81)，如(80)或(81)的方法，其进一步包括：使来自所述第一脉冲激光器的脉冲频率加倍以产生处于第三特征波长的第一脉冲串；以及使来自所述第二脉冲激光器的脉冲频率加倍以产生处于第四特征波长的第二脉冲串。
(82)，如(81)的方法，其进一步包括：在生物分析仪器处用所述第一脉冲串及所述第二脉冲串的脉冲来在样本中激发至少两个荧光团；以及基于荧光寿命来区分所述至少两个荧光团。
(83)，一种脉冲激光器系统，其包括：第一锁模激光器，具有第一激光器腔，所述第一锁模激光器配置为以第一重复率产生具有第一特征波长的脉冲；第二激光器，具有第二激光器腔，所述第二激光器配置为产生连续波辐射；非线性光学组件，处于所述第二激光器腔内；以及光学组件，其将来自所述第一锁模激光器的输出引导至所述非线性光学组件中。
(84)，如配置(83)的脉冲激光器系统，其进一步包括生物分析仪器，所述生物分析仪器配置为固持样本且将来自所述第二激光器的处于第二特征波长的输出引导至所述样本上。
(85)，如(84)的脉冲激光器系统，其中所述第二特征波长介于500nm与700nm之间。
(86)，如(84)或(85)的脉冲激光器系统，其中所述生物分析仪器配置为检测来自所述样本的发射且基于荧光寿命来区分两个或两个以上荧光团。
(87)，如(83)至(86)中任一者的脉冲激光器系统，其进一步包括：基底结构，所述第一锁模激光器及所述第二激光器安装于所述基底结构上；以及光学延迟组件，位于所述第一锁模激光器内，所述光学延迟组件将所述第一激光器腔的光路径长度延伸至大于所述基底结构的任何横向尺寸的长度。
(88)，如(87)的脉冲激光器系统，，其中所述光学延迟组件包括两个镜，所述两个镜配置为在通过所述光学延迟组件的单程上在所述两个镜之间将腔内激光器光束反射两次以上。
(89)，如(87)的脉冲激光器系统，其中所述光学延迟组件包括光学材料的固体区块，在所述固体区块中，腔内激光器光束在通过所述光学延迟组件的单程上被反射两次以上。
(90)，如(87)的脉冲激光器系统，其中所述光学延迟组件包括一定长度的光纤。
(91)，如(83)至(86)中任一者的脉冲激光器系统，其进一步包括：基底结构，所述第一锁模激光器及所述第二激光器安装于所述基底结构上；以及二极管泵源，安装于所述基底结构中的平台上且布置成激发所述第一锁模激光器中的增益介质，其中所述二极管泵源提供介于大约450nm与大约1100nm之间的泵辐射。
(92)，如(91)的脉冲激光器系统，其中所述平台包括所述基底结构的面积，所述面积藉由延伸穿过所述基底结构的一或多个沟槽而与所述基底结构部分地分离。
(93)，如(91)的脉冲激光器系统，其进一步包括将所述平台连接至所述基底结构的挠性部件。
(94)，如(83)至(90)中任一者的脉冲激光器系统，其进一步包括：可饱和吸收器镜，配置为反射所述第一激光器腔的腔内激光器光束；以及输出耦合器，位于所述激光器腔的端部处。
(95)，如(83)至(94)中任一者的脉冲激光器系统，其进一步包含安装于所述基底结构内的波长转换组件，其中所述波长转换组件将来自所述第一锁模激光器的激射波长转换成频率加倍输出波长。
(96)，如(95)的脉冲激光器系统，其中所述输出波长介于约500nm与约700nm之间且输出脉冲持续时间小于大约100皮秒。
(97)，如(95)的脉冲激光器系统，其中所述基底结构包括安置有所述激光器腔的腔，并且所述基底结构的边缘尺寸不大于约200mm且高度尺寸不大于约60mm。
(98)，如(83)至(97)中任一者的脉冲激光器系统，其中所述第一锁模激光器配置为在大约1064nm下产生激光且所述第二激光器配置为在大约1342nm下产生激光。
(99)，如(98)的脉冲激光器系统，其中所述非线性光学组件在所述第二激光器腔内进行对准，以便藉由和频产生而产生处于大约594nm的波长的脉冲。
(100)，一种产生处于多个特征波长的光脉冲的方法，所述方法包括：在具有第一激光器腔的第一锁模激光器中产生处于第一特征波长的光脉冲；以连续波模式在第二特征波长下操作具有第二激光器腔的第二激光器；将来自所述第一锁模激光器的脉冲注入至所述第二激光器腔中的非线性光学组件中；以及在所述非线性光学组件中藉由和频产生而产生处于第三特征波长的光脉冲。
(101)，如实施例(100)的方法，其中在所述第一锁模激光器及所述第二激光器两者中使用相同增益介质。
(102)，如(101)的方法，其进一步包括对每一激光器中的所述增益介质进行二极管泵浦。
(103)，如(101)或(102)的方法，其中所述增益介质是Nd:YVO4。
(104)，如(100)至(103)中任一者的方法，如权利要求100至103中任意一项的方法，其进一步包括将来自所述第二激光器的光脉冲提供至生物分析仪器，所述生物分析仪器配置为固持样本且将所述光脉冲引导至所述样本上。
(105)，如(100)至(104)中任一者的方法，其中所述第三特征波长介于500nm与700nm之间。
(106)，如(104)或(105)的方法，其进一步包括：用所述生物分析仪器检测来自所述样本的发射；以及基于荧光寿命来区分两个或两个以上荧光团。
(107)，如(104)至(106)中任一者的方法，其进一步包括从来自所述第一锁模激光器的所述光脉冲导出时钟信号且将所述时钟信号提供至所述生物分析仪器。
(108)，如(100)至(107)中任一者的方法，其中在第一锁模激光器中产生光脉冲包括使所述第一锁模激光器进行被动锁模。
(109)，如(100)至(108)中任一者的方法，其中所述第一特征波长是大约1064nm，所述第二特征波长是大约1342nm且所述第三特征波长是大约594nm。
(110)，如(100)至(109)中任一者的方法，其进一步包括使来自所述第一锁模激光器的光脉冲频率加倍。
(111)，一种脉冲激光器，其包括：基底结构；二极管泵源，安装于所述基底结构内；以及激光器腔，处于所述基底结构内，所述激光器腔包含增益介质且配置为产生光脉冲，其中所述二极管泵源及所述增益介质各自安装于与所述基底结构部分地热隔离且机械隔离的平台上。
(112)，如配置(111)的脉冲激光器，其进一步包括位于所述脉冲激光器腔内的光学延迟组件，所述光学延迟组件将所述激光器腔的光路径长度延伸至大于所述基底结构的横向尺寸的长度。
(113)，如(112)的脉冲激光器，其中所述光学延迟组件包括两个镜，所述两个镜经配置成在所述两个镜之间将腔内激光器光束反射多次。
(114)，如(112)的脉冲激光器，其中所述光学延迟组件包括光学材料的固体区块，在所述固体区块中腔内激光器光束被反射多次。
(115)，如(112)的脉冲激光器，其中所述光学延迟组件包括一定长度的光纤。
(116)，如(111)至(115)中任一者的脉冲激光器，其中所述二极管泵源提供介于大约450nm与大约1100nm之间的泵辐射。
(117)，如(111)至(116)中任一者的脉冲激光器，其进一步包括一对交叉圆柱形透镜，所述一对交叉圆柱形透镜布置成将来自所述二极管泵源的光束重新整形。
(118)，如(111)至(117)中任一者的脉冲激光器，其进一步包括：可饱和吸收器镜，处于所述基底结构内且配置为反射腔内激光器光束；以及输出耦合器，位于所述激光器腔的端部处。
(119)，如(111)至(118)中任一者的脉冲激光器，其进一步包含安装于所述基底结构内的波长转换组件，其中所述波长转换组件将来自所述增益介质的激射波长转换成输出波长。
(120)，如(119)的脉冲激光器，其中所述输出波长介于约500nm与约700nm之间且输出脉冲持续时间小于大约10皮秒。
(121)，如(111)至(120)中任一者的脉冲激光器，其进一步包括生物分析仪器，所述生物分析仪器配置为固持样本且将来自所述脉冲激光器的处于所述输出波长的输出引导至所述样本上。
(122)，如(121)的脉冲激光器，其中所述生物分析仪器配置为检测来自所述样本的发射且基于荧光寿命来区分两个或两个以上荧光团。
(123)，如(119)至(122)中任一者的脉冲激光器，其中所述基底结构包括安置有所述激光器腔的腔，并且所述基底结构的边缘尺寸不大于约200mm且高度尺寸不大于约60mm。
(124)，如(111)至(123)中任一者的脉冲激光器，其中所述平台包括所述基底结构的面积，所述面积藉由延伸穿过所述基底结构的一或多个沟槽而与所述基底结构部分地分离。
(125)，如(124)的脉冲激光器，其进一步包括将所述平台连接至所述基底结构的挠性部件。
(126)，如(111)至(124)中任一者的脉冲激光器，其中所述基底结构包括铝。
(127)，如(111)至(126)中任一者的脉冲激光器，其中所述脉冲激光器腔包含支持在两个波长下产生激光的增益介质，且其中所述可饱和吸收器镜提供所述两个波长下的可饱和吸收。
(128)，如(127)的脉冲激光器，其中第一激射波长是大约1064nm且第二激射波长是大约1342nm。
(129)，如(127)或(128)的脉冲激光器，其中所述可饱和吸收器镜包括：反射器；第一多量子阱结构，与所述反射器间隔开第一距离且具有第一能带间隙；以及第二多量子阱结构，与所述反射器间隔开大于所述第一距离的第二距离且具有第二能带间隙。
(130)，如(129)的脉冲激光器，其中所述第二能带间隙大于所述第一能带间隙。
(131)，如(1)至(20)中任一者的锁模激光器，其中所述增益介质中的最小束腰与所述可饱和吸收器镜上的聚焦光束束腰的比率介于4:1与1:2之间。
(132)，如(1)至(20)及(131)中任一者的锁模激光器，其中所述增益介质中的光束半径介于20微米与200微米之间。
VI.结论
如此阐述脉冲激光器的数个实施例的数个方面后，应了解的是，本领域技术人员将易于联想到各种更改、修改及改良。此等更改、修改及改良旨在成为本发明的一部分且旨在落入本发明的精神及范围内。虽然结合各种实施例及实例一起阐述了本发明的教导，但并不意欲将本发明教导限于此等实施例或实例。相反，本发明教导囊括各种替代方案、修改及等效形式，如本领域技术人员所了解的。
举例而言，相比上文所阐述的，实施例可经修改以在激光器腔中包含更多或更少的光学组件。此外，激光器腔配置可不同于在光路径中具有更多或更少转弯或折叠的某些激光器腔的情况下所展示的激光器腔配置。
虽然已阐述并说明各种发明性实施例，但本领域技术人员将易于想象用于执行所阐述的功能和/或获得所阐述的结果和/或一个或多个优点的多种其他手段和/或结构，且此等变化和/或修改中的每一个皆被认为是在所阐述的发明性实施例的范围内。更一般而言，本领域技术人员将易于了解的是，所阐述的所有参数、尺寸、材料及配置意指实例且实际参数、尺寸、材料和/或配置将取决于发明性教导所使用的一或若干具体应用。本领域技术人员将仅使用常规实验即可认识或能够探知所阐述的特定发明性实施例的诸多等效形式。因此，应理解的是，前述实施例仅以实例方式呈现且在随附权利要求范围及其等效形式的范围内，可依所具体阐述及主张而不同地实践发明性实施例。本公开的发明性实施例可针对于所阐述的每一单个特征、系统、系统升级和/或方法。另外，若此等特征、系统、系统升级和/或方法不互相矛盾，则两个或两个以上此等特征、系统和/或方法的任何组合包含于本公开的发明性范围内。
此外，尽管可指示本发明的某些优点，但应了解并非本发明的每一实施例都将包含每个所阐述的优点。某些实施例可不实施阐述为有利的任何特征。因此，前述阐述及附图仅是举例说明。
本申请中所引用的所有文献及类似材料(包含但不限于专利、专利申请、文章、书籍、专著及网页(不管此等文献及类似材料的格式为何))皆以全文引用方式明确并入。倘若所并入文献及类似材料中的一或多者不同于本申请或与本申请矛盾(包含但不限于所定义术语、术语使用、所阐述技术或诸如此类)，则以本申请为准。
所使用的各部分标题仅出于组织目的，且不应理解为以任何方式限制所阐述的主体。
此外，所阐述的技术可体现为一方法，已提供该方法的至少一个实例。作为该方法的一部分所执行的动作可以任何适合方式排序。因此，实施例可构造为以不同于所说明的次序来执行动作，这可以包含同时执行某些动作(即使在说明性实施例中展示为有序的动作)。
如所定义及所使用，所有定义皆应理解为以辞典定义、以引用方式并入的文件中的定义和/或所定义术语的普通意义为准。
数值及范围可在说明书及权利要求中阐述为近似或确切值或范围。举例而言，在某些情形中，术语“约”、“大约”及“基本上”可参考一个值而使用。此等参考旨在囊括经参考值并且加上及减去该值的合理变化。举例而言，一词组“介于约10与约20之间”旨在表明在某些实施例中意指“介于恰好10与恰好20之间”，以及在某些实施例中意指“介于10±δ1与20±δ2之间”。一个值的变化量δ1、δ2可在某些实施例中小于该值的5％，在某些实施例中小于该值的10％，且亦在某些实施例中小于该值的20％。在给出值的大范围(例如，包含两个或两个以上数量级的范围)的实施例中，值的变化量δ1、δ2可高至50％。举例而言，若可操作范围自2延伸至200，则“大约80”可囊括40与120之间的值且范围可大至1与300之间。当意指确切值时，使用术语“恰好”，例如“介于恰好2与恰好200之间。
术语“毗邻”可以指彼此紧邻近地布置两个组件(例如，在小于两个组件中的较大者的横向或垂直尺寸的约五分之一的距离内)。在某些情形中，在毗邻组件之间可存在介入结构或介入层。在某些情形中，毗邻组件可不具有介入结构或组件而彼此紧邻。
除非明确有相反指示，否则如在说明书中及在权利要求中所使用的不定冠词“一(a)”及“一个(an)”应理解为意指“至少一个”。
如在说明书中及在权利要求中所使用，词组“和/或”应理解为意指如此结合的组件中的“任一者或两者”，亦即，在某些情形中以结合方式存在的组件及在其他情形中以分离方式存在的组件。用“和/或”列举的多个组件应以相同方式理解，亦即，如此结合的组件中的“一或多者”。可视情况存在除由“和/或”从句具体标识的组件之外的其他组件，无论与所具体标识的此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”的开端式语言一起使用时，对“A及/或B”的引用可在一项实施例中仅是指A(视情况包含除B之外的组件)；在又一实施例中，仅是指B(视情况包含除A之外的组件)；在再一实施例中，是指A及B两者(视情况包含其他组件)等。
如在说明书中及在权利要求中所使用，“或”应理解为具有与如上文所定义的“和/或”相同的意义。举例而言，当分离一列表中的物项时，“或”或者“和/或”应阐释为是包含性的，亦即，包含若干组件或一组件列表中的至少一者(但亦包含一者以上)及视情况包含额外未列举物项。仅明确指示为相反的术语，诸如“仅…中的一者”或“…中的恰好一者”或当用于权利要求中时，“由…组成”将是指包含若干组件或一组件列表中的恰好一个组件。一般而言，如所使用的术语“或”在前面有排他性术语(诸如“任一者”、“其中之一者”、“仅其中之一者”或“其中之恰好一者”)时应仅阐释为指示排他性替代方案(亦即，“一者或另一者而非两者”)。“基本上由…组成”(当用于权利要求中时)应具有如用于专利法律领域中的普通意义。
如在说明书中及在权利要求中所使用，在提及一或多个组件的一列表时的词组“至少一个”应理解为意指自该组件列表中的该等组件中的任一者或多者中选择出的至少一个组件，但未必包含该组件列表内所具体列举的每一组件中的至少一者，且不排除该组件列表中的组件的任何组合。此定义亦允许可视情况存在除词组“至少一个”指代的该组件列表内所具体标识的组件之外的组件，无论与所具体标识之此等组件相关还是不相关。因此，作为一非限制性实例，“A及B中的至少一者”(或等效地，“A或B中的至少一者”，或等效地，“A和/或B中的至少一者”)可在一项实施例中是指至少一个(视情况包含一个以上)A，而不存在B(且视情况包含除B之外的组件)；在另一实施例中，是指至少一个(视情况包含一个以上)B，而不存在A(且视情况包含除A之外的组件)；在又一实施例中，是指至少一个(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。
在权利要求中以及在上述说明书中，所有过渡性词组(诸如“包括”、“包含”、“携带”、“具有”、“含有”、“涉及”、“固持”、“由…构成”及诸如此类)应理解为开放式的，亦即，意指包含但不限于。仅过渡性词组“由…组成”及“基本上由…组成”应分别是封闭式或半封闭式过渡性词组。
权利要求不应被解读为限于所阐述次序或组件，除非针对该效果陈述。应理解，本领域技术人员可在不脱离随附权利要求的精神及范围的情况下作出形式及细节上的各种改变。在随附权利要求及其等效形式的精神及范畴内的所有实施例皆被主张。

Claims (10)

1.一种锁模激光器，包括：
基底板，具有不大于350mm的最大边缘长度；
增益介质，安装于所述基底板上；
第一端镜，安装于所述基底板上，位于激光器腔的第一端部处；以及
可饱和吸收器镜，安装于所述基底板上且形成所述激光器腔的第二端镜，其中所述锁模激光器配置为藉由被动锁模而以介于50MHz与200MHz之间的重复率来产生光脉冲。
2.如权利要求1的锁模激光器，其进一步包括：
生物光电子芯片，布置成从所述锁模激光器接收激发脉冲，其中所述生物光电子芯片支持将核苷酸或核苷酸类似物依序并入至与靶核酸互补的生长链中；
光束转向光学器件，布置成将处于单一特征波长的所述激发脉冲朝所述生物光电子芯片引导；以及
信号处理器，配置为接收表示由处于所述单一特征波长的所述激发脉冲所诱发的荧光发射的信号，且处理所接收的信号以判定并入至所述生长链中的四种不同核苷酸或核苷酸类似物的身份，其中所述所接收的信号对应于核苷酸或核苷酸类似物至所述生长链中的所述依序并入。
3.如权利要求1的锁模激光器，其进一步包括处于所述激光器腔中的可调整镜底座，所述可调整镜底座布置成当正在操作所述锁模激光器时，在调整所述激光器腔内的激光器光束时仅提供两个自由度，所述两个自由度是由所述激光器腔中的光学底座所提供的、用于当正在操作所述锁模激光器时调整所述激光器光束的仅有的两个自由度。
4.如权利要求1的锁模激光器，其进一步包括：
第一聚焦光学器件，安装于所述基底板上且沿着腔内光学轴而定位于所述增益介质与所述可饱和吸收器镜之间；
第二聚焦光学器件，安装于所述基底板上且沿着所述腔内光学轴而定位于所述第一聚焦光学器件与所述可饱和吸收器镜之间，其中沿着所述腔内光学轴调整所述第一聚焦光学器件的位置所改变的所述可饱和吸收器镜上的腔内激光器光束的焦斑大小的量比沿着所述腔内光学轴调整所述第二聚焦光学器件的位置所改变的所述可饱和吸收器镜上的腔内激光器光束的焦斑大小的量多。
5.如权利要求1的锁模激光器，其进一步包括温度控制组件，所述温度控制组件耦接至所述增益介质的至少两侧且配置为在所述增益介质中产生非对称热梯度，所述非对称热梯度使腔内激光器光束转向。
6.如权利要求1至5中任意一项的锁模激光器，其进一步包括：
第一聚焦光学器件，安装于所述基底板上且沿着腔内光学轴而定位于所述增益介质与所述可饱和吸收器镜之间；
第二聚焦光学器件，安装于所述基底板上且沿着所述腔内光学轴而定位于所述第一聚焦光学器件与所述可饱和吸收器镜之间；以及
腔内光束转向模块，安装于所述第一聚焦光学器件与所述可饱和吸收器镜之间。
7.如权利要求6的锁模激光器，其进一步包括：
光电探测器，布置成检测所述锁模激光器的平均功率；以及
控制电路，与所述光电探测器及所述腔内光束转向模块进行通信，其中所述控制电路配置成基于由所述光电探测器检测的信号电平而提供信号以使腔内激光器光束在所述可饱和吸收器镜上重新对准。
8.如权利要求6的锁模激光器，其进一步包括：
光电探测器及信号处理器，布置成检测与所述脉冲激光器的调Q相关联的一或多个特性；以及
控制电路，与所述信号处理器及所述腔内光束转向模块进行通信，其中所述控制电路配置为响应于检测到与调Q相关联的所述一或多个特性而提供信号，以使腔内激光器光束在所述可饱和吸收器镜上重新对准。
9.如权利要求1至5中任意一项的锁模激光器，其进一步包括：
多个镜，用于延伸所述激光器腔的长度且位于所述增益介质与所述可饱和吸收器镜之间；以及
安装特征，形成于所述基底板中且位于所述增益介质与所述多个镜之间，其中所述安装特征配置为接纳端镜或用以固持端镜的夹具，所述端镜或所述夹具使所述激光器腔缩短。
10.如权利要求1至5中任意一项的锁模激光器，其进一步包括形成于所述基底板中的至少一个沟槽，所述至少一个沟槽沿所述腔内光学轴的方向延展且配置为接纳所述锁模激光器的一或多个光学组件。
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