JP2021512497A - 広帯域波長可変レーザー及びそのレーザーシステムの波長判定 - Google Patents
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Abstract
Description
この出願は、2018年2月2日に出願された米国仮出願第62/625,696号に対して優先権の利益を主張するものである。この米国仮出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本発明の種々の実施形態は、例えば、個別の光学素子に基づく外部共振器レーザーや、フォトニック集積回路技術に基づく半導体利得媒体又は外部共振器レーザーのような、半導体ベースの広帯域波長可変レーザー及びそのレーザーシステムの波長判定及び自動較正に関する。正確な波長判定が、明確な透過又は反射機能を備えた一体型固体光源エタロンを使用して、相対波長調整方向のモニタリングと組み合わせて実施され、一回の波長掃引中にシステムの放射波長を自動較正することを可能にする。本発明の実施形態は、分光センシング、光コヒーレント・トモグラフィー、ライダー(LIDAR)、及びセキュアな顔認識のような応用事例に特に有用である。
本発明の種々の実施形態によれば、全固体デバイスにより、絶対波長基準、及び波長追跡が可能となる。このデバイスは、広帯域波長可変レーザーと、干渉計のような波長シフト追跡装置と、オフセット分布ブラッグ反射器又は任意の光空洞(光共振器)のようなエタロンとを含む場合がある。ビームの一部は分割され、波長シフト追跡装置及び固体エタロンに沿って通過する。波長シフト追跡装置及び固体エタロンの出力部における信号を記録するために、個別の検出器が使用される。エタロンの明確な波長固有の透過/反射機能により、レーザー波長がいったんエタロンの固有波長に波長調整された後は、エタロンの出力信号は、明確な信号(高又は低の何れか)を提供する。同時に、非平衡干渉計の形態を有する波長シフト追跡装置の出力部における振動周期信号が、時間の関数として記録される。この信号の周期は、干渉計のアーム間の光ビーム経路の差に直接関連しているため、この周期から、時間の経過に伴う波長シフトに関する情報が得られる。エタロン出力からの読み取り値と組み合わせることにより、レーザー波長調整曲線全体を復元することができ、掃引中の任意の瞬間における絶対波長情報を得ることができる。
本発明の種々の実施形態は、広帯域波長可変レーザーの動作中の波長制御に関するものであり、外部光学素子を必要とすることなく、レーザーシステムの較正を可能にする。記載される方法は、分布ブラッグ反射器(DBR)若しくは分布フィードバック格子(DFB)を使用し、あるいは、DBRやDFBのような周期的キャビティミラーを備えた共振器を使用して形成することができ、又は、マイクロリング共振器(MRR)やレーストラック共振器のような結合共振器を使用する、任意の共振光空洞を使用する。固体エタロンが狭帯域出力を提供する実施形態では、広帯域波長可変レーザーの絶対波長較正は、非平衡干渉計のような波長シフト追跡装置と組み合わせて使用される。適当な非平衡干渉計の例には、例えば、マッハツェンダー干渉計、マルチモード干渉デバイス、及びマイケルソン干渉計などが含まれる。
生理学的物質中の分子の組成及び/又は存在の測定
実際の応用事例では、本発明の種々の実施形態を使用して、波長調整可能なレーザー吸収分光法により、全血、血清、血漿、皮膚、組織等の生理学的物質中の標的代謝産物について、較正された濃度レベルデータを取得することができる。最も関連性の高い生体分子(すなわち、そのようなグルコース、尿素、乳酸、血清アルブミン、クレアチニンなど)は、C−H、O−H、N−H又はその任意の組み合わせを含む。これらの結合は、移動する(すなわち、特徴的な態様、つまり、分子固有の態様で、伸縮し、回転し、曲がる)。レーザー光子エネルギーが、分子固有の振動のエネルギーと一致するように調整されると、光子−フォノン間の相互作用により、光は分子に吸収され、強度やスペクトルのような光の特性が変化する。強度の変化は、特定波長における物質中の標的分子の濃度に比例するため、濃度レベルに変換することができる。広帯域波長可変レーザーは、いくつかの分子の特定の吸収機能を備えたスペクトル帯域にわたって波長掃引を実施するように設計することが可能である。吸収特性は、分子固有であり、ユニークである。したがって、個々の寄与を分離することにより、生理学的物質中の異なる分子の濃度レベルを差し引くことができる。
本発明の種々の実施形態によるレーザーベースのデバイスを使用して、遠隔の物体までの距離、例えば、遠隔の物体の表面上の点までの距離を測定することができる。次の例では、関連情報を抽出する方法を説明する。
本発明の種々の実施形態によるレーザーベースのデバイスは、遠隔の物体の距離だけでなく、速度の測定にも使用される場合がある。
本発明の種々の実施形態によるレーザーベースのデバイスは、遠隔の物体の形態の測定にも使用される場合がある。そのような場合、2Dスキャンが実施され、それによって遠隔の物体の各点までの距離が測定される。
実際の事例では、レーザーベースのシステムから物体までの距離が、既知であるか又は先の例のように測定済みである場合、媒体の元素組成を、媒体の吸光度の分光測定を使用して測定することができる。生理学的物質の元素組成を測定するための分光バイオセンサーの場合のように、レーザーベースのデバイスと物体との間にある媒体は、構成要素(例えば、分子)の集合と見ることができ、各構成要素が、A(λ)=ΣiA(λ)1=A(λ)2+A(λ)3+A(λ)4+…のように、媒体の吸光度スペクトルに特定の寄与を提供する。
本発明の種々の実施形態によるレーザーベースのデバイスは、顔認識に基づくセキュリティキーの提供に使用される場合がある。遠隔の物体(例えば、ユーザーの顔)の物体固有(例えば、顔固有)の多次元画像は、ユーザーを特定の距離に配置し、レーザーベースのデバイスから、ユーザーの顔に向けて光を放射することによって、形成することができる。この特定の距離は、レーザーベースのシステムから、数センチメートルから数メートル若しくは数十メートル若しくは数百メートルまでであってもよい。2Dスキャンは、顔全体又は顔の一部の形態を復元するのに十分な点を有することが好ましく、ユニークな人固有画像として機能するのに適している。例えば、3Dスキャンの範囲は、数平方センチメートルから数十平方センチメートルである場合がある。顔画像は、形態画像(上記の例を参照)として記録される場合があり、この情報は、個人固有のセキュリティキーとして記憶される場合がある。形態に加えて、入れ墨や生理学的データのような人の顔に固有の分光学的特徴を、形態と組み合わせて使用してもよい。
Claims (42)
- 固体レーザーに基づくデバイスであって、
光を放射するための固体利得媒体ベースの広帯域波長可変レーザーと、
前記放射された光の波長シフトを追跡するための波長シフト追跡装置と、
明確な透過スペクトル又は明確な反射スペクトルのうちの少なくとも一方を有する光学素子を含む固体ベースのエタロンと
を含み、
前記広帯域波長可変レーザーの波長掃引中に、前記固体ベースのエタロンと波長シフト追跡装置は、共働して、前記広帯域波長可変レーザーの絶対波長判定及び制御を提供するように構成されている、固体レーザーに基づくデバイス。 - 前記波長掃引中に、前記波長シフト追跡装置は、波長シフトの出力を時間の関数として提供し、前記固体エタロンは、前記掃引中のある瞬間における前記絶対波長に関する情報を有する信号の出力を提供する、請求項1に記載の固体レーザーに基づくデバイス。
- 前記固体ベースのエタロンと前記波長シフト追跡装置の前記出力との組み合わせにより、前記掃引中のレーザー波長調整曲線全体の復元が可能である、請求項2に記載の固体レーザーに基づくデバイス。
- 前記広帯域波長可変レーザーは、リトロー構成又はリットマン−メトカーフ構成のうちの少なくとも一方を成すように構成された、半導体ゲインチップ及び複数の自由空間光学素子を含む外部共振器ダイオードレーザーを含む、請求項1に記載の固体レーザーに基づくデバイス。
- 前記広帯域波長可変レーザー、波長シフト追跡装置、及び固体波長基準エタロンは、単一の半導体チップ内にモノリシックに実現される、請求項1に記載の固体レーザーに基づくデバイス。
- 前記広帯域波長可変レーザーは、IV族半導体フォトニック集積回路チップ上にハイブリッド又はヘテロジニアスに集積されたIII−V半導体ゲインチップを含む外部共振器レーザー構造を備えている、請求項1に記載の固体レーザーに基づくデバイス。
- 前記IV族半導体フォトニック集積回路チップは、シリコン・オン・インシュレータ、窒化シリコン、又はゲルマニウム・オン・インシュレータ材料プラットフォームのうちの少なくとも1つを含む、請求項6に記載の固体レーザーに基づくデバイス。
- 前記エタロンは、分布ブラッグ反射鏡、分布フィードバック格子、結合リング共振器、レーストラック共振器、及び/又はファブリーペローキャビティからなる群から選択された共振光空洞を含む、請求項1に記載の固体レーザーに基づくデバイス。
- 少なくとも1つの光検出器をさらに含み、
前記少なくとも1つの光検出器と前記共振光空洞は、協働して、前記絶対波長の判定が可能となるように構成され、配置されている、請求項8に記載の固体レーザーに基づくデバイス。 - 前記少なくとも1つの光検出器は、前記波長掃引中に前記レーザーの放射波長の較正が可能となるように構成され、配置されている、請求項9に記載の固体レーザーに基づくデバイス。
- 前記波長シフト追跡装置は、非平衡干渉計と、少なくとも1つの光検出器とを含む、請求項1に記載の固体レーザーに基づくデバイス。
- 前記非平衡干渉計は、マッハツェンダー干渉計、マルチモード干渉デバイス、及びマイケルソン干渉計からなる群から選択される、請求項11に記載の固体レーザーに基づくデバイス。
- 前記固体利得媒体は、III−V半導体ベースのゲインチップを含む、請求項1に記載の固体レーザーに基づくデバイス。
- 前記III−V半導体は、Al、Ga、In、As、Sb、P、N、Bi、及びそれらの合金の組み合わせのうちの少なくとも1つを含む、請求項13に記載の固体レーザーに基づくデバイス。
- 前記レーザーは、モードホッピングである、請求項1に記載の固体レーザーに基づくデバイス。
- 広帯域波長可変レーザーの波長判定及び制御のための方法であって、
固体利得媒体ベースの広帯域波長可変レーザーと、波長シフト追跡装置と、固体エタロンとを含むレーザーベースのデバイスを提供するステップと、
前記広帯域波長可変レーザーによって放射された光による波長掃引を実施するステップと、
並行して、(i)前記放射された光の波長シフトを、前記波長シフト追跡装置を用いて追跡及び記録し、(ii)前記放射された光の絶対波長値を、前記固体エタロンを用いて記録するステップと、
前記記録された波長シフトの値を、前記固体エタロンを用いて記録された絶対波長値と組み合わせて使用して、レーザー波長調整曲線を較正するステップと
を含む方法。 - 前記波長シフト追跡装置は、非平衡干渉計を含み、前記波長シフトを追跡することは、少なくとも1つの光検出器を使用して前記非平衡干渉計の出力ポートをモニタリングすることを含む、請求項16に記載の方法。
- 少なくとも1つの光検出器を使用して、前記固体エタロンの出力をモニタリングすることにより、前記絶対波長値を判定する、請求項16に記載の方法。
- 前記記録された波長シフトの値と記録された絶対波長値とを併用して、一回の波長掃引中にレーザー波長調整曲線全体を較正すること
をさらに含む、請求項16に記載の方法。 - 物質の分光センシングを実施するための方法であって、
光を放射するための固体利得媒体ベースの広帯域波長可変レーザーと;
前記放射された光の波長シフトを追跡するための波長シフト追跡装置と;
明確な透過スペクトル又は明確な反射スペクトルのうちの少なくとも一方を有する光学素子を含む固体ベースのエタロンと
を含む固体レーザーに基づくデバイスを提供し、
前記広帯域波長可変レーザーの波長掃引中に、前記固体ベースのエタロンと波長シフト追跡装置は、共働して、前記広帯域波長可変レーザーの絶対波長判定及び制御を提供するように構成されており、
前記固体レーザーに基づくデバイスを、前記物質を含む標的物体と光学的に連通するように配置し、
前記広帯域波長可変レーザーから放射された光を前記標的物体へと伝送し、前記伝送された光は、前記物質内の分子と相互作用し、光と分子の相互作用により、前記伝送された光のスペクトル特性が変化され、
前記広帯域波長可変レーザーによって放射された光による波長掃引を実施し、前記放射された光は、(i)C−H分子結合の伸縮振動の基本音若しくは第一倍音、又は(ii)C−H、N−H及びO−H分子結合の伸縮振動と曲げ振動の組み合わせ、のうちの少なくとも一方と一致するスペクトル帯域幅にわたって掃引され、前記分子結合の伸縮振動と曲げ振動の吸収スペクトルは、分子固有であり、かつユニークであり、
並行して、(i)前記放射された光の波長シフトを、前記波長シフト追跡装置を用いて追跡及び記録し、(ii)前記放射された光の絶対波長値を、前記固体エタロンを用いて記録し、
前記記録された波長シフトの値を、前記固体エタロンを用いて記録された絶対波長値と組み合わせて使用して、レーザー波長調整曲線を較正し、
前記標的物体からの光信号を、透過又は拡散反射のうちの少なくとも一方によって収集し、
前記収集された光信号を処理することにより、前記物質を特徴付けること
を含む方法。 - 前記物質を特徴付けることは、前記物質中の分子の濃度レベルを計算することを含む、請求項20に記載の方法。
- 前記濃度レベルは、mg/dL、mmol/l、及びg/lからなる群から選択された較正済み単位で表される、請求項21に記載の方法。
- 前記物質を特徴付けることは、前記物質中に配置された少なくとも1つの分子の種を判定することを含む、請求項20に記載の方法。
- 前記物質を特徴付けることは、前記物質中の分子種の有無を判定することを含む、請求項20に記載の方法。
- 前記標的物体は、人体の少なくとも一部を含む、請求項20に記載の方法。
- 前記標的物体は、単離された生理学的物質を含む、請求項25に記載の方法。
- 前記単離された生理学的物質は、全血、血清、血漿、間質液、呼気、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項26に記載の方法。
- 前記光信号を処理することは、統計的回帰を含む、請求項20に記載の方法。
- 前記統計的回帰は、既知の標的分子の吸光度と前記物質内の対応する濃度データを使用して構築された多変量部分最小二乗アルゴリズムに基づく、請求項28に記載の方法。
- 前記レーザーは、モードホッピングである、請求項20に記載の方法。
- 前記記録された波長シフトの値と記録された絶対波長値とを併用して、一回の波長掃引中にレーザー波長調整曲線全体を較正すること
をさらに含む、請求項20に記載の方法。 - 前記波長掃引の波長調整関数は、不連続であり、階段関数、傾斜階段関数、線形関数、及び、前記階段関数、前記傾斜階段関数及び前記線形関数の任意の重ね合わせからなる群から選択される、請求項31に記載の方法。
- 固体レーザーに基づくデバイスを使用して遠隔の物体のキーインジケータを測定する方法であって、
光を放射するための固体利得媒体ベースの広帯域波長可変レーザー;
前記放射された光の波長シフトを追跡するための波長シフト追跡装置;
光検出器;及び
明確な透過スペクトル又は明確な反射スペクトルのうちの少なくとも一方を有する光学素子を含む固体ベースのエタロン
を含む固体レーザーに基づくデバイスを提供し、
前記広帯域波長可変レーザーの波長掃引中に、前記固体ベースのエタロンと波長シフト追跡装置は、共働して、前記広帯域波長可変レーザーの絶対波長判定及び制御を提供するように構成されており、
前記広帯域波長可変レーザーによって放射された光による波長掃引を実施し、
並行して、(i)前記放射された光の波長シフトを、前記波長シフト追跡装置を用いて追跡及び記録し、(ii)前記放射された光の絶対波長値を、前記固体エタロン及びエタロン光検出器を用いて記録し、
前記記録された波長シフトの値を、前記固体エタロンを用いて記録された絶対波長値と組み合わせて使用して、レーザー波長調整曲線を較正し、
前記レーザーによって光を放射し、(i)前記レーザーは、モードホッピングであり、モードホップ間の差は既知であり、(ii)前記波長掃引の波長調整関数は、不連続であり、(iii)前記レーザーによって放射された光は、2つのパスに分割され、第1のパスの長さは、基準物体までの既知の距離を含み、第2のパスの長さは、前記遠隔の物体までの距離を含み、
前記放射された光が、前記遠隔の物体及び前記基準物体に当たり、そこから反射された後、前記遠隔の物体及び前記基準物体から反射された反射ビームを前記光検出器で収集し、前記反射ビームを前記光検出器で混合し、前記光検出器は、振動応答信号を提供し、
前記遠隔の物体の前記キーインジケータを計算すること
を含む方法。 - 前記遠隔の物体の前記キーインジケータは、距離、速度、形態、構成、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項33に記載の方法。
- 前記波長調整関数は、階段関数、傾斜階段関数、線形関数、及び、前記階段関数、前記傾斜階段関数及び前記線形関数の任意の重ね合わせからなる群から選択される、請求項33に記載の方法。
- 前記振動応答信号の振動周波数は、(i)前記レーザーの2つのモードホップ間の時間である期間、及び(ii)前記振動応答信号のフーリエ変換の相対振幅及び前記振動応答信号のフーリエ変換に存在する2つのビート周波数によって定義されるデューティサイクルによって定義された時間的周期関数である、請求項33に記載の方法。
- 前記振動周波数の前記周期関数、前記波長調整関数、及び前記基準物体までの距離を使用して、(i)前記レーザーベースのシステムから前記遠隔の物体までの距離、及び(ii)前記レーザーベースのシステムに対する前記遠隔の物体の速度のうちの少なくとも一方の前記キーインジケータを計算すること
をさらに含む、請求項36に記載の方法。 - 前記レーザーと前記遠隔の物体との間に配置された媒体の化学組成を分析すること
をさらに含み、前記媒体の化学組成の分析が、
前記レーザーベースのシステムに対する前記遠隔の物体の前記計算された距離及び速度の値を使用して、前記媒体を通る前記遠隔の物体の全光路を計算し、
前記媒体の波長調整可能なレーザー吸収分光法によって、反射された戻り光ビームの分光分析を実施し、
分子固有の回転振動分子吸収に起因する複数の分子の元素寄与を判定すること
によって実施される、請求項37に記載の方法。 - 少なくとも1つのキーインジケータを使用して、物体固有のセキュリティキーを形成すること
をさらに含む、請求項33に記載の方法。 - 前記少なくとも1つのキーインジケータを計算することは、2Dラスタースキャンを使用することを含む、請求項39に記載の方法。
- 複数のキーインジケータを計算することをさらに含み、
前記キーインジケータは、
前記レーザーベースのシステムからの前記遠隔の物体の少なくとも1点の距離、
前記レーザーベースのシステムに対する前記遠隔の物体の少なくとも1点の速度、
前記遠隔の物体の分子組成、
前記遠隔の物体と前記レーザーベースのシステムとの間に配置された媒体の分子組成、又は
それらの組み合わせ
のうちの少なくとも1つを含む、請求項39に記載の方法。 - 前記遠隔の物体の物体固有の多次元画像を形成することをさらに含み、(i)前記画像の寸法は、前記遠隔の物体の空間的外観、前記遠隔の物体の速度、前記遠隔の物体の化学組成、又はそれらの組み合わせのうちの少なくとも1つを含み、(ii)前記物体固有のセキュリティキーは、前記遠隔の物体の前記固有の多次元画像を含む、請求項41に記載の方法。
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