JP2023510884A - 振幅変調レーザ - Google Patents

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Abstract

Figure 2023510884000001
振幅変調レーザパルス列を生成するためのシステムおよび方法が記載されている。レーザパルス列を使用して、パルス列が照射される物質に蛍光を発生させることができる。レーザパルス列のパラメータは、一定振幅のレーザパルス列に対して蛍光が増加するように選択される。本発明の教示を使用して生成された振幅変調レーザパルス列を使用して、遺伝子またはタンパク質のシークエンシングなどの用途において特定の分子を検出することが可能となる。

Description

本願は、振幅が変化するサブ１００ピコ秒の光パルス列を生成するコンパクトな装置および方法に関する。装置は、分析、医療、製造、または通信の目的で光パルスを使用する機器に組み込まれ得る。
超短光パルス（つまり、約１００ピコ秒未満のレーザパルス）は、商業的用途だけでなく、研究開発並びに様々な分野で有用である。例えば、超短光パルスは、蛍光寿命イメージング（ＦＬＩ：ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ ｌｉｆｅｔｉｍｅ ｉｍａｇｉｎｇ）および寿命分解蛍光検出に有用であり得る。超短パルスは、様々な物質を蛍光させることができ、この蛍光を利用して、特定の物質の有無を調べることができるため、タンパク質のシークエンシングまたは遺伝子のシークエンシングなどの用途に有用である。例えば、異なる蛍光色素は、異なるヌクレオチドに結合する。従って、光パルスを使用して、サンプルヌクレオチドに結合した色素にエネルギーを与え、応答を測定することによって、どの色素がサンプル中に存在するか、従って、どのヌクレオチドが存在するかを決定することができる。
本明細書において説明されている技術は、超短光パルスを生成するための装置および方法に関する。
１つの光パルスまたは複数の光パルスによって励起された所与の色素を検出する能力は、検出期間中の色素からの全蛍光に依存し得る。色素を長時間励起すると、全蛍光が増加し得る。しかしながら、本発明者らは、特に、タンパク質または遺伝子のシークエンシングのような用途で少量の色素を使用する場合、色素を長時間励起すると、色素が減衰する（退色する（ｂｌｅａｃｈ）場合があるため、有害であり得ることを発見し、認識した。この退色効果は、色素をしばらくの間非放射状態に戻すことによって軽減することができる。しかしながら、励起間の時間を長くすると、検出動作が発生する割合が低下する。
本発明は、レーザを使用してレーザパルス列を生成し、これを使用して蛍光色素を励起すると、色素減衰を低減しつつ、全色素蛍光を増加させることができる。特定の実施形態では、レーザはモードロックレーザである。レーザは、振幅変調パルス列を生成する。このような振幅変調パルス列を使用して色素を励起すると、連続ビームまたは一定振幅パルス列を使用した場合よりも、色素をより明るい蛍光を発するようにさせることができる。従って、所与の全量の蛍光を、より短い励起期間に集中させることができる。これにより、本発明では、全蛍光を維持または増加させつつ、色素が非放射状態に回復できる時間を増加させることができる。
特定の実施形態では、レーザ光源は、超短レーザパルスを有する振幅変調レーザパルス列を生成する。パルス列は、１００ピコ秒以下のパルス持続時間と、振幅が変化する個々のパルスとを有し得る。特定の実施形態では、本発明は、レーザ光源を使用して、１００ピコ秒以下のパルス幅と、振幅が変化する個々のパルスとを有する振幅変調パルス列を生成する。
本発明者らは、レーザパルス列の振幅を変調する技術は、遺伝子またはタンパク質のシークエンシングなどの用途において使用されるような、非常に少量の蛍光色素で使用される場合、レーザパルス列のパラメータが少量の色素で使用するために特別に調整されていない限り、上記の利点のいずれも実現し得ないことを発見し、認識した。特定の実施形態では、本発明は、特定の色素の蛍光を最適化するためにレーザパラメータを自動的に設定することによって、この課題に対処する。
本願の非限定的な実施形態による、振幅変調モードロックレーザの１つの使用を説明するハイレベルのブロック図。 いくつかの実施形態による、コンパクトなモードロックレーザモジュールを含む分析機器を示すブロック図。 いくつかの実施形態による、１つ又は複数の導波路を介してパルスレーザによって光学的に励起することができる並列な反応室及び各室のための対応する検出器の１例を示す図。 いくつかの実施形態による、導波路からの反応室の光学的励起を示す図。 いくつかの実施形態による、集積反応室、光導波路、及び時間ビニング光検出器のさらなる詳細を示す図。 いくつかの実施形態による、反応室内で生じ得る生物学的反応の１例を示す図。 異なる減衰特性を有する２つの異なる蛍光色素分子の発光確率曲線を示す図。 本願の非限定的な実施形態による、振幅変調モードロックレーザのハイレベルのブロック図。 本願の非限定的な実施形態による、コンパクトなモードロックレーザモジュールを示す図。 本願の非限定的な実施形態による、振幅変調パルス列から生成される波形の可能な形状を示す図。 本願の非限定的な実施形態による、コンパクトなモードロックレーザで使用することができる利得媒体または他の高出力光学部品用のマウントを示す図。 本願の非限定的な実施形態による、コンパクトなモードロックレーザで使用することができる利得媒体または他の高出力光学部品用のマウントを示す図。 本願の非限定的な実施形態による、集積光学マウントを示す図。 本願の非限定的な実施形態による、集積光学マウント内に取り付けられている光学素子を示す図。 本願の非限定的な実施形態による、可飽和吸収体ミラーおよびマウントを示す図。 本願の非限定的な実施形態による、一体型光学マウントを示す図。 振幅変調パルス列の使用による蛍光収率の増加を示す実験結果を示す図。 本願の１つまたは複数の非限定的な実施形態による振幅変調パルス列の単一周期の可能な形状を示す図。 いくつかの実施形態による、機器電子装置を振幅変調レーザパルスのタイミングを同期させるためのシステムを示す図。 いくつかの実施形態による、ＡＭレーザパルス列を生成したレーザを組み込んだ分析機器用のクロック生成回路を示す図。 いくつかの実施形態による、システム回路を示す図。 本願の非限定的な実施形態による、振幅変調モードロックレーザのハイレベルブロック図。 本願の非限定的な実施形態による、振幅変調モードロックレーザのハイレベルブロック図。 レーザに対して変調器を配置するためのオプションを示すハイレベルのブロック図。 本願の非限定的な実施形態による、振幅変調モードロックレーザのパラメータを最適化する方法を示すフローチャート。
振幅変調を用いた色素蛍光の増加
モードロックレーザなどのレーザを使用して、超短（例えば、１００ピコ秒以下の持続時間）レーザパルス列を生成することができる。超短レーザパルスを生成することができるモードロックレーザの一例は、全体が参照により本明細書に組み込まれる「コンパクトモードロックレーザモジュール（ＣＯＭＰＡＣＴ ＭＯＤＥ－ＬＯＣＫＥＤ ＬＡＳＥＲ ＭＯＤＵＬＥ）」という名称の共同所有の米国特許第１０，２８３，９２８号明細書に記載されている。
超短レーザパルスを使用することができる１つの方法は、色素に蛍光を発生させることである。特定の物質は、レーザエネルギーが印加されると蛍光を発することが知られている。このような物質を含む色素にレーザパルス列を照射することにより、色素が蛍光を発する。
単一のレーザパルスは、複数のパラメータによって記述することができ、そのうちの２つは、パルス振幅およびパルス持続時間（またはパルス「幅」）である。パルス振幅は、パルスが到達するピーク光パワーであり、パルス持続時間は、パワーが静止レベルからピークレベルに達し、その後、静止レベルに戻るまでにかかる時間である。
あるパルスと次のパルスとの間でレーザ出力を調整することにより、モードロックレーザなどのレーザを使用して、振幅変調（「ＡＭ（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ－ｍｏｄｕｌａｔｅｄ）」）レーザパルス列を生成することができる。レーザパルス列は、１つの波形にまとめることができる。この波形は、波形を構成する個々のパルスの振幅変調のパターンを変化させることによって、異なる形状をとることができる。ＡＭレーザパルスから作成されたそのような波形の例を図３に示す。図から分かるように、波形３００は、振幅が変化する一連の個々の超短パルス３０１から構成されている。図３の例では、パルスは正弦波形状の波形を生成するが、以下で説明するように、パルス列を使用して他の形状を生成することができる。
ＡＭレーザパルス列の使用により、それらが印加された色素の蛍光を増加させることができることが実証されている。例えば、図４は、振幅変調レーザパルス列および非振幅変調レーザパルス列を使用して実現される蛍光収率を示す実験データを示す。グラフからわかるように、ＡＭレーザパルス列を使用した場合の測定された蛍光収率は、非ＡＭパルス列を使用した場合の測定された蛍光収率よりも高いことが分かる。
レーザパルス列における振幅変調を使用することは、色素の寿命を延ばすのにも役立つ。長時間放射状態にあると、蛍光色素が減衰する場合があり、この現象は、「退色（ｂｌｅａｃｈｉｎｇ）」と呼ばれることもある。この減衰は、色素が励起された後に回復するために、非放射状態で時間を費やすことができる場合に軽減され得る。従って、色素を周期的に励起する必要がある用途では、励起と励起との間に非放射状態において色素ができるだけ多くの時間を費やすことを可能にすることが有利である。この目標は、ＡＭレーザパルス列を使用することによって実現することができる。このようなパルス列を使用することにより、色素の蛍光が増加するため、色素はより短い励起期間中により多くの光子を生成することができ、従って、色素は次の励起までより多くの時間を非放射状態で費やすことができる。
ＡＭレーザパルス列の使用による色素の蛍光の増加は、遺伝子またはタンパク質のシークエンシングなどの用途において通常使用される量よりも多くの色素に関して、実験的に観察されている。これらの用途では、以下に説明するように、非常に少量の色素が使用されることが多いが、これは、これらの用途の目的が、サンプル内の単一分子を検出することを可能にすることであるからである。発明者らは、これらの非常に少量の色素に適用した場合、既存の技術を使用して作成されたＡＭレーザパルス列は、色素の蛍光を増加させず、場合によっては蛍光を減少させる場合があることを発見し、認識した。本発明者らはさらに、単一分子用途に適した少量の色素を使用する場合にＡＭレーザパルス列の利点を実現するためには、レーザパルス列のパラメータを注意深く調整しなければならないことを発見し、認識した。調整が必要なパラメータは、ピークパルス振幅、波形／変調形状（例えば、正弦波形状、正方形状、三角形状、または任意の形状）、波形／変調デューティサイクル、パルス幅、レーザパルス列におけるパルスの繰り返し率、パルスデューティサイクル、レーザ波長、およびレーザによって放射される光の光子エネルギーを含み得る。単一分子用途に適したＡＭレーザパルス列を生成するために、これらのパラメータを調整することができる例示的なシステムを以下に説明する。
振幅変調レーザの例示的な実施形態
ＡＭレーザパルス列を生成するための本願で説明されるシステムおよび方法は、レーザを使用して蛍光物質を識別することを含む用途の一部として使用され得る。レーザを使用して蛍光物質を識別する基本的な概念を図１に示す。レーザモジュール１０１は、容器１０３に収容された蛍光物質１０４に照射されるレーザ光１０２を生成する。いくつかの例では、この容器は「反応室」と呼ばれることがある。レーザ光は、物質１０４が蛍光を発するようにして、これにより、検出器１０６によって検出可能な光１０５が生成される。以下でより詳細に説明するように、検出器によって検出された光の特性を分析することによって、反応室１０３に収容される蛍光物質１０４を識別することが可能である。
当業者であれば、この基本概念を様々なタイプのレーザ１０１で実施することができることを理解するであろう。さらに、図１は１つのレーザ、反応室、および検出器のみを示しているが、当業者は、この蛍光検出方式が、１つまたは複数のレーザ、反応室、および検出器で実施可能であり、これらの構成要素は、個別の構成要素であっても、２つ以上のこれらの構成要素を組み合わせたデバイスに統合されてもよいことを理解し、認識するであろう。さらに、当業者であれば、蛍光を検出するためのシステムが、検出器１０６の出力を分析することができるコンピュータなど、図１に示されていない他の構成要素を含み得ることを理解し、認識するであろう。
上述したように、物質１０４の蛍光は、ＡＭレーザパルス列によって物質１０４を励起することによって改善することができる。図２は、本発明の態様によるＡＭレーザパルス列を生成することができるレーザモジュールの基本構成を示すブロック図である。図２に示されるレーザモジュールは、図１に示されるレーザモジュール１０１の実施形態の非限定的な例である。レーザ２００は、電流源２０２によって駆動されるレーザダイオード２０１を含む。ダイオードは、レーザキャビティ２０４内の利得媒体２０５を励起するポンピングエネルギー２０３を生成する。レーザは、パルス列２０６を出力する。制御信号２０７は、電流源の電流を制御する。個々のレーザパルスは、電流源に電流をあるベースラインからあるピークまで変化させ、その後、ベースラインにまで戻すことを行わせることによって生成される。電流源のピーク電流出力をパルスごとに変化させることによって、ＡＭレーザパルス列を生成することができる。
上述したように、ＡＭレーザパルスで構成される波形は、様々形状をとることができる。そのような形状の１つが、図３に示される正弦波形状である。しかしながら、図５に示すように、方形波（５０１）および三角波（５０２）を含む他の波形形状も使用することができる。図２の例示的なレーザモジュールでは、波形形状は、電流源２０２に送信される制御信号２０７のパターンによって支配される。例えば、方形波を生成するために、制御信号２０７は、電流源２０２にパルスごとに同じピーク出力電流を生成することを行わせ得る。三角波を生成するために、制御信号は、電流源に、波形のある最大値までピーク出力電流を線形パターンで漸進的に増加させ、次いで、電流源に、波形の最後のパルスまでピーク出力電流を直線的に漸進的に減少させることを行わせ得る。同様に、正弦波波形を生成するために、制御信号は、正弦波パターンに従ってパルスからパルスへとピーク電流を増加させ、次いで、減少させることができる。さらに、波形は、固定形状である必要はなく、代わりに、立ち上がり時間、立ち下がり時間、およびデューティサイクルを変化させた任意のパルスで形成することができる。
図２に示される例示的なレーザモジュールの実施形態において、振幅変調は、レーザダイオードに電力を供給する電流源によって生成されるピーク電流を変化させることによって実現される。しかしながら、振幅変調を実現するために、他の複数の技術が使用され得る。
これらの代替手法のうちの１つのセットを図６に示す。図６において、レーザ６００は、電流源６０２によって駆動されるレーザダイオード６０１を含む。ダイオードは、レーザキャビティ６０４内の利得媒体６０５を励起するポンピングエネルギー６０３を生成する。レーザは、レーザ光６０６を出力する。制御信号６０７は、電流源の電流を制御する。しかしながら、図２の例とは異なり、図６では、振幅変調を実現するために制御信号は使用されない。代わりに、構成要素６０８は、レーザキャビティから出力されたレーザ光６０６で動作して、振幅変調されたパルス列６０９を生成する。この構成要素は、音響光学変調器、電気光学変調器、機械式チョッパー（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｈｏｐｐｅｒ）、またはパルスピッカー（ｐｕｌｓｅ ｐｉｃｋｅｒ）であり得る。
レーザ変調を実現するための代替技術のうちの別のセットを図７に示す。図７では、レーザ７００は、電流源７０２によって駆動されるレーザダイオード７０１を含む。ダイオードは、レーザキャビティ７０４内の利得媒体７０５を励起するポンピングエネルギー７０３を生成する。制御信号７０７は、電流源の電流を制御する。しかしながら、図２の例とは異なり、図７では、振幅変調を実現するために制御信号は使用されない。代わりに、構成要素７０８は、利得媒体７０５によって生成されたレーザ光７０６で動作して、振幅変調されたパルス列７０９を生成する。この構成要素は、音響光学変調器、電気光学変調器、機械式チョッパー、またはパルスピッカーであり得る。
本発明は、図２、図６、および図７に示され、それらに関して説明された特定の変調技術に限定されるものではなく、他の技術も使用することができることを理解されたい。レーザ変調は、一般に、図８に示すように、３つの大別されたカテゴリによって、即ち、変調器をレーザ共振器の出力に配置すること、変調器を共振器内に配置すること、または、共振器に供給される電力を変調するように変調器を配置することによって実現することができる。これら３つの技術のすべてが本発明で使用され得る。
コンパクトなモードロックレーザモジュール
本発明者らは、上記のＡＭレーザパルス列を生成するコンパクトなモードロックレーザモジュールを想到し、構築した。
概要として図２－１を参照すると、いくつかの実施形態による、コンパクトなモードロックレーザモジュール１－１０８の主要構成要素は、レーザキャビティ（レーザキャビティの第１の端部ミラーとして機能することができる出力カプラ１－１１１と、レーザキャビティの第２の端部ミラーとして機能することができる可飽和吸収体ミラー（ＳＡＭ）１－１１９との間の光学要素を含む）と、モードロックレーザ１－１１０の構成要素の一部または全部が取り付けられる成形ベースシャーシ２－１０５と、モードロックレーザの動作を安定させることができる少なくとも１つのキャビティ内光学要素２－１２８と、レーザからの出力をより短い波長に変換する際に協働することができる周波数２倍化要素２－１７０、２－１６４、２－１６０と、レーザの動作パラメータを監視し、レーザによって生成された光パルスに同期した電子クロック信号を生成する電気部品２－１９０、２－１５４、２－１８２、２－１１６とを含む。ポンプモジュール２－１４０は、ベースシャーシ２－１０５に取り付けられ、かつモードロックレーザの利得媒体１－１０５を励起するために使用されることができる。ポンプモジュールは、可変電流源によって電力が供給されるレーザダイオードを含み、電流源によって生成される電流の変化によって、レーザの振幅に変調が生じる。
ベースシャーシ及びレーザキャビティ
いくつかの実施形態によると、コンパクトなモードロックレーザモジュール１－１０８のベースシャーシ２－１０５は、長さＬが約２０ｃｍと約３０ｃｍとの間、高さＨが約１０ｃｍと約２０ｃｍとの間であり、厚さは約１０ｃｍと約３０ｃｍとの間である。いくつかの事例では、１つ又は複数の寸法が最大２０％大きくなることがある。いくつかの実施形態によれば、コンパクトなモードロックレーザモジュール１－１０８によって占有される容積は、約３０ｃｍ×１８ｃｍ×３ｃｍ、または約０．００２０ｍ３（０．０７ｆｔ３）であり得る。いくつかの実施形態によれば、モードロックレーザモジュール１－１０８の全体形状またはフォームファクタは、高さＨよりも長い長さＬと、長さまたは高さのいずれかよりもはるかに小さい厚さとを有し、０．００２８立方メートル（０．１立方フィート）未満の容積を占有し、かつ重さが約２キログラム未満、または約２キログラムであるスラブである。いくつかの事例では、モジュール１－１０８の重量は１キログラム～２キログラムである。
いくつかの実施形態では、ベースシャーシ２－１０５は、アルミニウム、チタン、アルミニウムの合金、またはチタンの合金から形成することができる。他の実施形態では他の材料を使用することができる。いくつかの実施形態では、ベースシャーシ２－１０５は、ベースシャーシ内に機械加工または他の方法（例えば、鋳造または組み立てによって）で形成された複数のキャビティ２－１０２を含むことができる。いくつかの実施形態では、直径１２．５ｍｍ（またはそれ以下）の光学部品が、モードロックレーザ１－１１０を構築するために使用され、かつベースシャーシ２－１０５のキャビティ２－１０２内に部分的または完全に埋め込まれることができ、カバー（図示せず）をキャビティ２－１０２の上に配置して、キャビティ内の構成要素を外部の環境要因および汚染物質から保護することができる。いくつかの実施形態では、カバーをキャビティ２－１０２上に配置して、１つまたは複数のキャビティを気密封止することができる。
キャビティ２－１０２の間には、ベースシャーシ２－１０５内に形成されたリブ２－１０７を設けることができる。いくつかのリブには、キャビティ内レーザビームがリブを通って隣接するキャビティへ通過することを可能にする穴または開口部（視認できない）を設けることができる。いくつかの実施形態によれば、ベースシャーシ２－１０５の縁部に対して角度をなして延在する１つ又は複数の傾斜リブ２－１０７を設けることができる。例えば、傾斜リブ２－１０７は、ベースシャーシ２－１０５を横断する角部から角部への方向に延在することができる。本発明者らは、そのような傾斜リブ２－１０７が、傾斜リブを有しない場合と比較して、ベースシャーシ２－１０５のねじり剛性を３倍に増大させることができることを見出した。ねじり剛性が増加することで、レーザ動作の不安定性を防止し、ベースシャーシ２－１０５に作用する摂動力に対するモジュールの耐性を向上させるのに役立つ。いくつかの事例では、リブの少なくとも一部は、キャビティの底部からベースシャーシ２－１０５の上面まで延在して、レーザモジュール１－１０８のための１つ又は複数のカバー（図示せず）をリブに取り付けることができる。これに関して、剛性金属カバー（例えば、約１ｍｍを超える厚さを有する金属）、剛性ポリマーカバー（例えば、約２ｍｍを超える厚さを有するポリマー）、またはベースシャーシ２－１０５に対してシールされるか、または支持片（例えば、金属フレーム）でベースシャーシ２－１０５に対して保持されることができる可撓性材料（金属またはポリマー）を含んだ任意の適切なカバーが使用され得るが、これらに限定されない。いくつかの事例では、カバー材料は、金属製フレーム（約１．５ｍｍ厚）を用いてベースシャーシに対して保持されているタイベック（Ｔｙｖｅｋ（登録商標））（約０．２５ｍｍ厚）を含む。
いくつかの実施形態では、１つまたは複数の取り付け機構２－１０３を１つまたは複数のリブ２－１０７に配置することができる。取り付け機構２－１０３は、コンパクトなレーザモジュール１－１０８を機器または他のプラットフォームに取り付けるために使用することができる。いくつかの場合において、取り付け機構はキネマティックマウントを提供して、各レーザモジュール１－１０８、または同じレーザモジュールが、ほぼ同じ位置および位置合わせで（例えば、±１００ミクロン以内まで）再現可能に取り付けられるようになる。取り付け機構２－１０３は、タップが切られているか、または空の状態である穴を含み得る。穴は皿穴加工されるか、または座ぐり加工されることができる。キネマティックマウントの場合、底面（図２－１には図示せず）が第１の取り付け機構のための円錐形接触面またはリング接触、第２の取り付け機構のためのくさび状接触面または２点接触面、および第３の取り付け機構のための平面または１点接触を含む３つの取り付け機構２－１０３を設けることが７できる。代替的に、取り付け機構２－１０３において２つの皿穴加工された穴を使用して、ベースシャーシ２－１０５を受承支持構造に位置合わせすることができる。
レーザモジュール１－１０８のモードロックレーザ１－１１０は、レーザのキャビティの出力端にある出力カプラ１－１１１、利得媒体１－１０５、およびレーザキャビティの反対側の端部にある可飽和吸収体ミラー（ＳＡＭ）１－１１９を含むことができる。レーザキャビティ内に複数のミラー２－１１６、２－１１７、２－１２０、２－１２１、２－１２２、２－１２３、２－１２４、２－１２５を配置して、レーザの光軸１－１２５を折り返して、レーザキャビティの長さを延長して、所望のパルス繰り返し率またはパルス分離間隔Ｔを達成することができる。レーザキャビティ内にビーム整形光学系（例えば、レンズおよび／または曲面ミラー）を配置して、キャビティ内レーザビームのサイズおよび／または形状を変更することもできる。
ここで、１０６４ｎｍのレーザ発振波長で動作するモードロックレーザ用の例示的な光学部品について説明する。本発明の実施形態は記載された光学部品のみに限定されないことが理解されるであろう。いくつかの実施形態では、より少ないか、またはより多い光学部品を使用することができ（例えば、パルス繰り返し率を変更するためにミラーを追加または除去する）、部品上の光学コーティングは、異なる波長でレーザ発振するレーザに対して異なるものとすることができる。
利得媒体１－１０５は、ベースシャーシ２－１０５内に熱を放散する熱伝導性マウント（例えば、アルミニウムまたは銅のブロックまたは他の熱伝導性材料）に取り付けられたネオジムドープ材料を含むことができる。本発明者らは、モードロックレーザが高い平均パワー（例えば、３００ｍＷを超える）で動作すると、利得媒体１－１０５において熱レンズ効果が生じることを認識した。いくつかの事例では、そのような熱レンズ効果はレーザの動作を不安定にする可能性がある。利得媒体から熱伝導性マウントへの熱伝達を改善するために、利得媒体１－１０５をインジウム箔または熱伝導性マウントへの熱伝達を改善する他の適切な材料で包装することができる。いくつかの事例では、銀エポキシまたは他の適切な熱伝導性接着剤を使用して利得結晶を熱マウントに固定することができる。いくつかの事例では、利得媒体１－１０５および熱伝導性マウントは、熱をベースシャーシ２－１０５に逃がすことができる熱電クーラー（ＴＥＣ：ｔｈｅｒｍｏ－ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｏｌｅｒ）に取り付けることができる。ＴＥＣまたは液体冷却などの他の能動的冷却技術は、利得媒体１－１０５の能動的温度制御を提供し、熱レンズ効果を減少させることができる。
驚くべきことに、本発明者らは、解析モデリングが不安定な共振器を示したレーザキャビティ構成が実験室で安定してレーザ発振できることを見出した。レーザ発振を説明するために、利得媒体内に約１ジオプタを超える量の熱レンズ効果を含むようにモデルを変更しなければならなかった。いくつかの実施形態によれば、大量の熱レンズ効果を許容できるレーザキャビティ構成を得ることができる。結果として、利得媒体の能動的な冷却は、モードロックレーザモジュール１－１１０から取り除くことができる。実施形態では、利得媒体１－１０５は、利得媒体１－１０５からベースシャーシ２－１０５へ受動的に熱を伝導するように、ベースシャーシと接触する熱伝導性マウント内に配置することができる。
利得媒体１－１０５の能動的冷却を排除することは、レーザのコストおよび複雑性を低減することができる。本発明者らは、最大１０ワットの光ポンピングパワーが利得媒体をポンピングするために使用される場合であっても、利得媒体の能動的温度制御を本実施形態のモードロックレーザ１－１１０に使用する必要がないことを確認した。驚くべきことに、関連する熱レンズ効果（正レンズ効果）がポンプの出力範囲に亘って利得媒体の熱誘起焦点距離を０から約１５ジオプタに変えることができるとしても、モードロックレーザ１－１１０はこの範囲のポンプパワーに亘って安定してモードロックされたままである。１５ジオプタを超える熱レンズ効果の場合、レーザキャビティは、モードロック動作や連続波動作をサポートできない不安定な共振器になる可能性がある。利得媒体におけるこのような広範囲の熱レンズ効果にわたるモードロックの安定性は、部分的にはモードロックレーザ１－１１０のための光学部品の選択および配置によるものである。一実施形態によれば、モードロック動作の安定性および改善された性能は、ある量の熱レンズ効果を利得媒体内で生じさせることに大きく依存する。実施形態では、１ジオプタと１５ジオプタとの間の正のレンズ効果の熱レンズ効果の量に対して、モードロックレーザ１－１１０の安定したモードロック動作を得ることができる。熱レンズ効果がこの範囲に亘って変化しても、安定したモードロックを維持するためにレーザキャビティに対して機械的調整を行う必要はない。利得媒体１－１０５内の熱レンズ効果の量が８ジオプタと１２ジオプタとの間の正の熱レンズ効果であるとき、モードロックレーザの改善された性能を得ることができる。連続波動作では、０ジオプタと少なくとも１５ジオプタとの間の正の熱レンズ効果があり得る。熱レンズ効果の量（約４ジオプタを超える）は、（例えば、ヘリウムネオンレーザまたはレーザダイオードからの）連続波レーザプローブビームを（例えば、ある角度で）利得媒体１－１０５を通過させて、「ポンプビームオン」状態と「ポンプビームオフ」状態との間で利得媒体から一定の距離を置いてプローブビームの相対変位を測定することによって測定することができる。ポンプビームオン状態は、レーザダイオードのポンプビームがオンであり、レーザ１－１１０のモードロックレーザ発振のために利得媒体１－１０５を励起するときである。相対変位が小さくなるため、４ジオプタ以下の値を正確に測定することは困難である。
利得媒体１－１０５における光ポンプビームの吸収は、利得媒体において熱レンズ効果を引き起こす可能性がある。実施形態では、利得媒体における熱レンズ効果の量は、利得媒体１－１０５に適用される光ポンプビームのパワー量を変化させること（例えば、ポンプモジュール２－１４０からのパワー量を変化させること）によって変化させることができる。追加的または代替的に、利得媒体内の熱レンズ効果の量は、利得媒体１－１０５を励起するために使用される光ポンプビームの光波長を調整することによって変化させることができる。光ポンプビームの波長の調整は、例えば、ポンプモジュール２－１４０内のレーザダイオードの温度を調整することによって実行することができる。ポンプビームの波長を調整することは、利得媒体１－１０５における光ポンプビームの吸収量を変化させることができる。
いくつかの実施態様では、利得媒体１－１０５は、１０６４ｎｍでのレーザ発振を提供することができるバナジン酸ネオジム（ｎｅｏｄｙｍｉｕｍ ｖａｎａｄａｔｅ）（例えば、Ｎｄ３＋：ＹＶＯ４）を含むことができる。他の実施形態では、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、およびＣｒ：フォルステライトなどであるが、これらに限定されない他の固体結晶を使用することができる。いくつかの実施形態では、キャビティ内の光学部品がこの波長でレーザ発振するように設計されコーティングされている限り、バナジン酸ネオジム利得媒体１－１０５を使用して１３４２ｎｍでレーザ発振を代替的または付加的に提供することができる。利得媒体は、いくつかの事例では、３ｍｍ～１１ｍｍの長さを有することができる。いくつかの実施形態では、利得媒体の長さは５ｍｍ～９ｍｍであり得る。いくつかの事例では、ネオジムドーパントレベル（原子％）は０．１０％～１％とすることができる。いくつかの実施形態では、ドーパントレベルは０．１０％～０．５０％とすることができる。いくつかの実施形態では、ドーパントレベルは０．２４％～０．３０％とすることができる。いくつかの実施形態によれば、結晶長は約７ｍｍとすることができ、ドーパントレベルは約０．２７％とすることができる。本発明者らは、約７ｍｍの長さに対して０．３％よりかなり高いドーピングレベル（原子％）が、より高い動作パワーでのレーザの動作を不安定にし（例えば、高次空間モードでレーザ発振を誘発するか、またはモードロックを不安定にするかまたは終了させる）、これは、キャビティ内部品を再調整することを不所望に必要とする可能性があることを見出した。例えば、１％ドーピングでは、モードロックがあるポンプパワーレベルを超えて終了され、モードロックを回復するためにキャビティ内光学素子を再調整しなければならなかった。利得媒体１－１０５の横方向寸法（単数または複数）は、任意の適切な値（例えば、１ｍｍ～４ｍｍ）とすることができる。利得媒体は、円筒形ロッド、矩形バー、または他の任意の形状の形態とすることができる。
いくつかの実施形態では、利得媒体１－１０５の端面は、レーザ発振波長λｌ（バナジン酸ネオジムの場合、約１０６４ｎｍであり得る）およびポンプ波長λｐ（バナジン酸ネオジムの場合、約８０８ｎｍであり得る）に対して反射防止コーティングされ得る。いくつかの実施形態では、利得媒体の一方の端面を出力カプラコーティングで被覆して、端面がレーザキャビティの端部ミラーとして機能し、別個の出力カプラ１－１１１を使用する必要がないようにすることができる。
利得媒体１－１０５は、レーザキャビティの光軸１－１２５に対して約１度と約３度との間の角度に配向された法線ベクトルを利得媒体の端面が有するような向きで、非調整可能なマウント（微細な角度調整または位置調整を提供しないマウント）に取り付けることができる。例えば、利得媒体用の熱伝導性マウントは、利得媒体１－１０５が配置される凹部を含むことができる。凹部は、利得媒体を熱伝導性マウントに整列させることができる。熱伝導性マウントは、ベースシャーシ２－１０５上の特徴（例えば、機械加工された表面、ピン、ねじ穴のうちのいずれか１つまたはそれらの組み合わせ）に位置合わせして、利得媒体をレーザキャビティの光軸１－１２５に対してある角度で位置合わせさせることができる。いくつかの実施形態によれば、利得媒体１－１０５は、レーザ発振を目的とした好ましい偏光と整列するように、そのマウント内でカットおよび配向されることができる。例えば、利得媒体１－１０５は、図２－１のＹ軸に平行な直線偏光でレーザ発振するように配向することができる。
いくつかの実施形態による、利得媒体用の熱伝導性マウント３－１００の一例が図３－１Ａに示されている。図示のマウント３－１００は、正方形の断面を有する利得媒体用に設計されているが、マウント３－１００は、長方形、円形、楕円形、または多角形などの他の断面用に設計することもできる。いくつかの実施形態によれば、利得媒体用の熱伝導性マウント３－１００は、クランプ構成で互いに接合されるように構成されている第１の部分３－１２０および第２の部分３－１２２を含むことができる。例えば、第１の部分３－１２０および第２の部分３－１２２は、２つの部分をベースシャーシ２－１０５に固定して熱的に接触させることを可能にするねじ（図示せず）用の貫通孔３－１４０を含むことができる。貫通孔３－１４０内に配置されたねじは、マウント３－１００をベースシャーシ２－１０５に位置合わせし、利得媒体１－１０５をクランプすることができる。第１の部分３－１２０および第２の部分３－１２２は、銅またはアルミニウムなどの高熱伝導材料から形成することができるが、他の実施形態では他の材料を使用することができる。第１および第２の部分は、利得媒体１－１０５と熱的に接触するように配置されるように構成された内面３－１１５を有することができる。いくつかの実施形態によれば、（例えば、利得媒体１－１０５がマウント構造３－１００に取り付けられるとき）利得媒体１－１０５の角部が位置し得るマウントの領域に配置されたトレンチまたは開口部３－１３０を設けることができる。トレンチ又は開口部は、利得媒体１－１０５の角部の位置のいずれかの側で約０．５ｍｍと約３ｍｍとの間で延在してもよい。本発明者らは、利得媒体１－１０５に対するマウント３－１００の角部にある開口部が、そうでなければ利得媒体１－１０５を裂開し、及び／又は、レーザの光学モード・プロファイルに悪影響を及ぼす場合がある熱的及び機械的応力を軽減することができることを見出した。
利得媒体１－１０５用の熱伝導性マウント３－１０１の他の例が図３－１Ｂに示されている。マウント３－１０１は第１の部分３－１２１と第２の部分２－１２３を含むことができる。第１の部分３－１２１は、利得媒体１－１０５（図示せず）と比較してわずかに大型の第１の部分に機械加工された凹部３－１３１を含むことができる。いくつかの実施形態では、利得媒体（例えば、バナジン酸ネオジム結晶）を、熱伝導性接着剤またはゲルを用いて凹部３－１３１内に凹部の内面３－１１６に接着することができる。大型の凹部３－１３１は、利得媒体１－１０５に作用し得るマウント３－１０１からの機械的応力を回避することができる接着剤またはゲルの薄い層（例えば、４００ミクロン未満の厚さ）を収容することができる。利得媒体はまた、レーザキャビティ１－１１０内に固定されたときに、第２の部分３－１２３の表面に接着することができる。いくつかの実施形態では、第２の部分３－１２３は、ベースシャーシ２－１０５（例えば、プラットフォームまたはベースシャーシ２－１０５に機械加工された他の支持構造）に形成することができる。第１の部分３－１２１は、例えば、ねじで第２の部分３－１２３に連結することができる。
いくつかの実施形態によれば、コンパクトなモードロックレーザ用の出力カプラ１－１１１は、表面品質が１０～５（スクラッチおよびディグ）であり、波面誤差が最大でλ／１０の高品質のレーザ光学素子とすることができる。出力カプラ１－１１１の一方の表面は多層誘電体で被覆されて、レーザ発振波長λｌに対して約７５％と約９５％との間の値を有する反射率を提供し、かつ（最小の反射率で）利得媒体１－１０５を励起するために使用されるポンプ波長λｐの透過を可能にする。他の実施形態では、レーザ発振波長は約１０６４ｎｍであり、ポンプ波長は約８０８ｎｍであり得るが、いくつかの実施形態では、他の波長を使用することができる。いくつかの実施形態では、レーザ発振波長での出力カプラの反射率は８２％と８８％との間である。本発明者らは、この範囲の反射率内の出力カプラが、レーザの安定動作で所望の量の出力パワーを提供し、かつレーザの動作範囲に亘って可飽和吸収体ミラー１－１１９上に適切な量のフルエンスを提供することを見出した。
出力カプラ１－１１１の第２の面（レーザ出力側）は、ポンプ波長とレーザ発振波長の両方に対して反射防止コーティングで被覆することができ、かつ出力カプラの反射面に対してある角度（例えば、約１度と約４度との間）で配向されることができる。本発明者らは、出力カプラ１－１１１の出力（透過）面からのレーザ発振波長の少量の反射が、モードロックレーザからのパルスを著しくかつ不利に広げる可能性があることを見出した。いくつかの実施形態によれば、出力カプラ上のコーティングは、ごくわずかな反射でポンプ波長λｐを透過させるように二色性である。
いくつかの実施形態によれば、出力カプラ１－１１１は、２つの直交軸（例えば、図２－１のＹ軸およびＸ軸を中心とする）の周りで光軸１－１２５に対して角度調整を提供する２軸調整マウントに取り付けることができる。いくつかの実施形態では、出力カプラ１－１１１は、ベースシャーシ２－１０５に一体化することができる非調整可能なマウントに取り付けることができる。非調整可能なマウントは、コンパクトなレーザのコストおよび複雑性を低減する。さらに他の実施形態では、出力カプラ１－１１１は、透明基板と１つまたは複数の光学コーティングとを備える別個の光学部品の代わりに、利得媒体１－１０５の端面上の多層光学コーティングとして形成することができる。
出力カプラまたは他の光学部品用の一体型の非調整可能なマウントの一例を図３－２Ａおよび図３－２Ｂに示す。一体型マウントは、光学部品をレーザの光軸１－１２５にセルフアライメントすることができる。図３－２Ａに示されるような一体型光学マウント３－２１０は、モードロックレーザ１－１１０のベースシャーシ２－１０５に機械加工されるか、そうでなければ形成される軸方向トレンチ３－２２０を含むことができる。軸方向トレンチ３－２２０は、モードロックレーザキャビティの光軸と平行な方向に延在することができる。一体型光学マウント３－２１０は、軸方向トレンチ３－２２０に対してほぼ横方向に形成されている共平面３－２３０をさらに含むことができる。共平面は、軸方向トレンチ３－２２０とほぼ直交する方向に短いトレンチを機械加工またはフライス加工することによって形成することができる。いくつかの事例において、共平面３－２３０は、取り付けられた光学素子からの後方反射がレーザキャビティの光軸からずらされるように、小さい角度で配向されることができる。軸方向トレンチ３－２２０の基部には、傾斜面３－２４０（図３－２Ａでは１つのみが見えている）があり得る。傾斜面３－２４０は、軸方向トレンチの基部付近に機械加工、フライス加工、又は他の様態で形成することができ、軸方向トレンチ３－２２０の両側に位置することができる。傾斜面３－２４０は、共平面３－２３０に向かう方向に傾斜し、その上に取り付けられている光学素子に対する支持を可能にすることができる。
例えば、モードロックレーザ用の光学部品（光学素子）３－２５０は、図３－２Ｂに示すように、一体型光学マウント３－２１０によって支持することができる。光学素子３－２５０は、例えば、キャビティミラー、レーザキャビティ内のレンズ、又は利得媒体１－１０５を含むことができる。いくつかの事例において、光学素子３－２５０は、図面に示すように、単独で一体型光学マウント３－２１０内に取り付けることができる。他の実施形態において、光学素子は、一体型光学マウント３－２１０内に設置することができる支持固定具（例えば、環状プレート、調整可能なマウント）内に取り付けることができる。
いくつかの実施形態によれば、光学部品３－２５０、または支持固定具は、一体型光学マウント３－２１０の同一平面上の表面３－２３０に位置合わせされて当接する平面を含むことができる。光学素子又は固定具は、対応する保持デバイス（例えば、ベースシャーシに固定することができるバーの上に取り付けられるＯリング、可撓性プラスチックバー又はアームなど）によって一体型マウント内に保持することができる。対応する保持デバイスは、光学素子３－２５０又は支持固定具の上縁に接することができ、傾斜面３－２４０及び共平面３－２３０に向かう方向において光学素子又は固定具に力を与えることができる。光学素子３－２５０又は支持固定具の下縁は、傾斜面３－２４０上の点に接することができる。傾斜面３－２４０もまた、部分的に共平面３－２３０に向かって方向付けられる成分を有する、光学素子又は固定具に対抗する力を提供することができる。傾斜面３－２４０にある接点及び共平面３－２３０に向かって方向付けられる力は、光学素子又は固定具を、レーザキャビティ内の所望の向き及び位置にセルフアライメントさせることができる。いくつかの実施態様において、光学素子又は支持固定具は、位置合わせされた向きにおいて一体型光学マウント内に（例えば、接着剤を用いて）接合することができる。
いくつかの実施形態によれば、１つまたは複数の一体型光学マウント３－２１０をモードロックレーザ１－１１０のベースシャーシに形成することができる。いくつかの事例では、図３－２Ａに示すように、軸方向トレンチ３－２２０はいくつかの一体型光学マウントを通じて延在することができる。一体型光学マウントの有利な特徴の中でも、モードロックレーザの光軸を下げられるということがある。これによって、そうでなければベースシャーシの表面から延在する光学マウントに結合され、それによって増幅される場合がある機械的振動の影響を低減することができ、そうでなければベースシャーシの表面から延在する光学マウントの動きによって増幅される場合がある熱膨張（例えば、ベースシャーシ２－１０５がわずかに反る）の影響を低減することができる。
再び図２－１を参照すると、本発明者らは、出力カプラ１－１１１と利得媒体１－１０５との間の距離を変更することによって、モードロックパルスの時間プロファイル（パルス持続時間とも呼ばれる）のＦＷＨＭ値を変更することができることを見出した。レーザのモードロックは、出力カプラ１－１１１と利得媒体１－１０５との間の距離を０ｍｍから１０ｍｍの間で変化させることによって達成することができ、パルス持続時間は、約９ピコ秒から約３８ピコ秒の間で変化させることができる。この範囲の距離は、異なるパルス幅を得るために異なる距離を選択することによって得られる。いくつかの実施形態によれば、出力カプラ１－１１１と利得媒体１－１０５との間の距離は、４ｍｍと８ｍｍとの間に設定される。
本発明者らはまた、出力カプラ１－１１１におけるレーザのキャビティ内ビームウェストが１００ミクロンから１８０ミクロンの間であるときに、ある範囲の平均レーザ発振パワーにわたって安定で効率的な動作が達成されることを見出した。出力カプラ１－１１１におけるビームウェストの値は、曲面ミラー２－１１７のようなキャビティ内光学素子によって、出力カプラから曲面ミラーまでの距離によって、および利得媒体１－１０５内のポンプビームウェストによって部分的に決定される。いくつかの実施形態によれば、利得媒体におけるレーザ発振波長のビームウェストは、利得媒体１－１０５におけるポンプビームウェストよりも著しく小さくすることができる。例えば、利得媒体におけるレーザ発振波長に対するビームウェストは、利得媒体において１００ミクロンと１５０ミクロンとの間とすることができ、ポンプビームに対する最小ウェストは、１８０ミクロンと２５０ミクロンとの間とすることができ、ポンプビームは、その光軸に関して完全に対称的ではないものとし得る。出力カプラ１－１１１における、かつ利得媒体１－１０５内のビームウェストの値はまた、第２の曲面ミラー２－１２７の焦点距離および可飽和吸収体ミラー１－１１９までの第２の曲面ミラー２－１２７の距離によって影響され得る。レーザダイオードポンプビームよりもモードロックレーザ１－１１０のレーザ発振ビームに対するビームウェストを小さくすることは、モードロックレーザ動作の安定性を改善することができる（例えば、レーザが利得媒体１－１０５内のレーザビームとレーザダイオードポンプビームとの相対運動によるパワー変動およびモードロック変動の影響を受けにくくすることができる）。用語「ビームウェスト」は、レーザビーム強度がビームの両側でピーク値から１／ｅ２値まで低下する空間的範囲を指すために使用される。円形ビームは、単一ビームウェストによって特徴付けられ得る。楕円形のビームは、ビームの短軸に対するビームと長軸に対するビームの２つのビームウェストで特徴付けられ得る。
レーザキャビティの反対側の端部には、可飽和吸収体ミラー（ＳＡＭ）１－１１９が取り付けられている。図３－３を参照すると、ＳＡＭは、非線形光吸収を示す多層半導体構造３－３１２（例えば、多重量子井戸）と、基板３－３０５上に形成された高反射器３－３３０とを含むことができる。非線形光吸収は、レーザに受動モードロックを誘起することができる。例えば、ＳＡＭは、低い光強度でより高い吸収および損失を示し、高い光強度でブリーチングするかまたはほとんど吸収を示さず、かつより少ない損失を示し得る。半導体構造３－３１２は、高反射器３－３３０に入射し、ほぼ、高反射器から反射される光場によって作成される光定在波のピーク強度に半導体構造が位置するように、ＳＡＭ内の高反射器３－３３０から離間されることができる。ＳＡＭの１例は、ＢＡＴＯＰオプトエレクトロニクス有限責任会社（ＢＡＴＯＰ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ＧｍｂＨ）［独国イェナ（Ｊｅｎａ）所在］から入手可能な品番ＳＡＭ－１０６４－５－１０ｐｓ－ｘである。ＳＡＭの非線形光吸収のため、高強度の光パルスは低強度の連続波レーザ動作よりもキャビティ内での損失が少ないので、レーザはパルス動作モード（受動モードロック）で優先的に動作する。
いくつかの実施形態では、ＳＡＭの表面を光軸１－１２５（図中のＺ軸）に対して横断する方向に移動させることができるように、ＳＡＭ１－１１９を回転および／または横方向位置決めマウント上に取り付けることができる。ＳＡＭが損傷した場合、ＳＡＭは、キャビティ内ビームがＳＡＭの損傷していない領域へと集束されるように、移動及び／又は回転することができる。いくつかの場合において、ＳＡＭ１－１１９は、例えばレーザキャビティのアライメントに役立つように角度調整を提供するマウント上に取り付けられることができる。
他の実施形態では、ＳＡＭは非調整可能なマウント２－１１９上に取り付けられることができる。非調整可能なマウントは、ＳＡＭからベースシャーシ２－１０５（図示せず）に熱を放散するアルミニウムまたは銅などの熱伝導体を含むことができる。いくつかの実施形態では、ＳＡＭマウント２－１１９は、ＳＡＭが熱伝導性接着剤で接着されるアルミニウムまたは銅または任意の適切な熱伝導性材料のプレートを含むことができる。いくつかの実施形態では、ＳＡＭは、ＳＡＭマウント２－１１９として使用されるプリント回路基板の一部分上の銅箔に接着することができる。ＳＡＭマウントは、ベースシャーシ内の機械加工面またはベースシャーシに取り付けられた固定具の表面に、ＳＡＭマウントがレーザの光軸１－１２５に対しておおよそ位置合わせされることを可能にする１つまたは複数のねじで取り付けることができる。例えば、ＳＡＭマウントは、ベースシャーシに固定されたときにＸ方向およびＹ方向に手で粗く位置決めすることができるが、それ以外に、ＳＡＭ上に入射するモードロックレーザのキャビティ内ビームの光軸に対してＳＡＭの表面を精密に角度調整する（例えば、２つの自由度で）ことはできない。レーザキャビティ内の他の光学部品を使用して、ＳＡＭ上の光軸の入射角および位置を調整することができる。ＳＡＭ１－１１９を固定マウント上に取り付けることによって、多軸／多角度調整マウントに関連するコストおよび複雑性を取り除くことができる。
いくつかの実施形態によれば、ＳＡＭはヒ化ガリウム半導体組成物から形成することができる。ＳＡＭは、より大きな基板またはウェハから切り取ることができ、ＳＡＭの面を横切る最大寸法が１ｍｍと３ｍｍとの間の正方形の形状とすることができる。ＳＡＭの吸収の緩和時間は１０ｐｓと３０ｐｓとの間とすることができる。ＳＡＭの不飽和吸収は、２％と６％との間とすることができる。ＳＡＭの変調度は、ＳＡＭの不飽和吸収の６０％と７４％との間とすることができる。いくつかの実施態様では、緩和時間は約２５ｐｓであり、非飽和吸収は約４％である。そのようなＳＡＭ１－１１９は、１２ｐｓと２０ｐｓとの間のパルス持続時間を有するモードロックレーザ発振をサポートすることができる。いくつかの実施形態では、ＳＡＭの飽和フルエンスは、約７０マイクロジュール／ｃｍ２（μＪ／ｃｍ２）とすることができる。
本発明者らは、ヒ化ガリウムＳＡＭの長期動作のためには、キャビティ内レーザビームからのＳＡＭ上の光フルエンスが２．５ミリジュール／ｃｍ２（ｍＪ／ｃｍ２）未満に保たれるべきであることを認識し、評価するに至った。５ｍＪ／ｃｍ２以上の値では、ＳＡＭが損傷する可能性がある。いくつかの実施形態では、ＳＡＭ上のフルエンスは、ＳＡＭの飽和フルエンスの約１０倍未満に保つことができる。ＳＡＭ上のフルエンスは、ＳＡＭにおけるビームウェストを制御することによって（例えば、レーザキャビティ内に配置された曲面ミラー２－１２７を用いて）、および出力カプラ１－１１１の反射率を選択してキャビティ内パワーを制御することによって制御することができる。いくつかの実施形態によれば、ＳＡＭにおけるビームウェストは、出力カプラ反射率が８２％と８８％との間であるとき、８０ミクロンと１２０ミクロンとの間とすることができる。
出力カプラ１－１１１とＳＡＭ１－１１９との間に、レーザキャビティの光軸を複数回折り返す複数のミラーを設けることができる。これらのミラーのいくつか（例えば、図２－１を参照すると、ミラー２－１１５、２－１２０、２－１２１、２－１２２、２－１２３、２－１２４、２－１２５）は、平坦な面を有することができ、かつ非調整可能なマウントに取り付けられることができる。いくつかの実施形態によれば、２つのミラー２－１１７、２－１２７は曲面を有することができ、かつ集束反射器（ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）を含むことができる。いくつかの事例では、ミラー２－１１７、２－１２７用の集束反射器の代わりに、他のタイプの集束光学系（ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｏｐｔｉｃ）（例えば、レンズまたは複合レンズ）を使用することができる（例えば、キャビティ内ビームがミラー２－１１７またはミラー２－１２７の位置で折り返されない場合）。レーザの光軸を折り返すために使用される平面ミラーおよび曲面ミラーに関して、ミラーの反射率は、ミラーが使用される入射角でのレーザ発振波長に対して非常に高くなり得る。例えば、そのようなミラーの反射率は、ある場合には９９％よりも大きく、さらにある場合には９９．５％よりも大きくすることができる。１つまたは複数の折り返しミラーの表面品質は、少なくとも１０～５（スクラッチおよびディグ）とすることができ、波面誤差は最大でλ／１０とすることができる。いくつかの事例では、１つまたは複数の折り返しミラーの表面品質は、少なくとも４０～２０（スクラッチおよびディグ）とすることができ、波面誤差は最大でλ／１０とすることができる。スクラッチおよびディグの表面品質に対するより高い値は、折り返しミラーのコストを大幅に削減することができる。
いくつかの実施形態では、ミラーのうちの少なくとも１つ（たとえば、ミラー２－１２４）は、利得媒体１－１０５からＳＡＭ１－１１９への単一の通過のためにキャビティ内ビームを複数回折り返すことができる。図２－１に示す例示的な構成では、利得媒体１－１０５からＳＡＭ１－１１９に進む光パルス１－１２０の跳ね返りシーケンスは、ミラー２－１１５、２－１１７、２－１２０、２－１２１、２－１２２、２－１２３、２－１２４、２－１２５、２－１２４、２－１２７、２－１２４からＳＡＭ１－１１９に達する反射のシーケンスである。このシーケンスでは、キャビティ内ミラーのうちの１つのミラー２－１２４が多重反射のために使用され、ビームがレーザキャビティの一端から他端へ進むときに、少なくとも２回の反射に対してこのミラー上で入射角の符号が反転される。例えば、図２－１を参照すると、ビームが出力カプラ１－１１１からＳＡＭ１－１１９に進むとき、ミラー２－１２４上の第１の入射角は＋Ｚ方向であり、第２の入射角は－Ｚ方向である。ＳＡＭ１－１１９から反射した後、パルスは次に逆跳ね返りシーケンスで利得媒体に戻る。コンパクトなレーザモジュール内で光軸が複数回折り返すことによって、キャビティ長を延長して、２００ＭＨｚ未満で５０ＭＨｚ程度の低いパルス繰り返し率を得ることができる。パルス繰り返し率は、レーザキャビティの長さに依存し、これは、キャビティ内のミラー間の跳ね返りの数およびミラー間の距離によって部分的に決定される。いくつかの実施形態によれば、パルス繰り返し率は、ミラーを再配置し、かつ第１の曲面ミラー２－１１７と第２の曲面ミラー２－１２７との間のキャビティ内のミラーを追加または除去して、出力カプラ１－１１０と可飽和吸収体ミラー１－１１９との間の光路長を増減することによって変更することができる。キャビティ内ビームは第１の曲面ミラー２－１１７と第２の曲面ミラー２－１２７との間でほぼコリメートされているので、ビームがこの領域でコリメートされていない場合よりも、パルス繰り返し率への変更をより容易に行うことができる。いくつかの実施形態では、ミラーを再配置して異なるパルス繰り返し率を得るために、追加の一体型光学マウントをベースシャーシ内に形成することができる。
上記のように、本発明者らは、バイオ光電子チップ上のサンプルの超並列分析には、２００ＭＨｚ未満かつ５０ＭＨｚ程度の低いパルス繰り返し率が望ましいことを認識し、評価するに至った。しかしながら、複数回使用されるいくつかのミラーを有する複数のミラーを使用することは、何時間にも亘る安定したモードロックレーザ発振を維持するために、ミラーの互いに対する非常に高度の安定性を必要とする。補強リブを含むベースシャーシ２－１０５内の支持面に対してミラーを一体的に取り付けることにより、ミラーの必要な安定性および安定したモードロック動作を達成することができる。
図３－４に、折り返しミラー用の非調整可能なマウントの例を示す。いくつかの実施形態によれば、マウントは、機械加工されるか、それ以外にベースシャーシ２－１０５に形成することができる。マウントは、間隔を置いて配置された２つの傾斜面３－４２４に隣接して配置された支持および整列壁３－４１０を備えることができる。いくつかの実施形態によれば、傾斜面は２つの突出部３－４２０上に形成することができる。いくつかの実施形態では、単一の傾斜面を設けることができる。図に示されているように、傾斜面（単数または複数）は整列壁３－４１０に向かって傾斜することができる。１つまたは複数のねじ穴３－４３０が壁に隣接して設けることができる。光学部品（例えば、平面ミラーまたは曲面ミラー）は、裏側が整列壁３－４１０に当接した状態で、傾斜面（単数または複数）３－４２４に配置することができる。柔軟なまたは可撓性の構成要素を有するクランプ構成要素（図示せず）は、光学部品を整列壁に対して保持するために、１つまたは複数のねじ穴（単数または複数）３－４３０を介して固定されることができる。
整列壁３－４１０は、整列壁３－４１０に対して保持されている光学部品がレーザキャビティを通るレーザビームの計画した光軸に対して所望の角度でほぼ位置合わせされるように、選択された向きでベースシャーシ２－１０５に機械加工されることができる。本発明者らは、ベースシャーシに平行な平面内における角度（例えば、図２－１のＸＺ平面内レーザビームの入射角および反射角を画定する角度）に対して機械加工することによって、整列壁３－４１０を高度な角度精度で形成できることを認識し、かつ評価するに至った。しかしながら、整列壁３－４１０を形成することの機械加工精度は、ベースシャーシに平行な平面外にレーザビームを偏向させ得る角度に関しては著しく低い。従って、利得媒体１－１０５とＳＡＭ１－１１９との間のミラーマウントの１つは、ベースシャーシと平行な平面外にレーザビームの偏向を生じさせ得る製造誤差に適応するための角度調整（１つの自由度）を含むことができる。いくつかの実施形態によれば、単一の自由度を有するミラーマウントは、利得媒体とＳＡＭとの間の距離の４分の１と４分の３との間に配置される。
いくつかの実施形態では、１つの折り返しミラー２－１１５は、キャビティ内の放射の偏光を制御し、ポンプビーム放射（図２－１の太い破線として示される）の監視を可能にするように構成することができる。例えば、折り返しミラー２－１１５は、偏光（ベースシャーシの面外へのＹ方向への偏光）を９９％を超える高い反射率、さらに、いくつかの事例では、９９．５％を超える高い反射率で反射し、かつ直交ｐ偏光に対する反射率が低くなって、ｐ偏光のレーザ発振が防止されるようにコーティングされることができる。いくつかの事例では、折り返しミラー２－１１５は、２０％を超えるｐ偏光を透過させ、かつｓ偏光を高い反射率で反射する偏光ビームスプリッタとすることができる。折り返しミラー２－１１５はさらに、ミラーの後方に位置する光検出器２－１１６にポンプビーム放射の大部分またはほぼ全部を伝達することができる。いくつかの実施形態では、折り返しミラーは、ポンプビーム放射の透過を可能にするための二色性コーティングを含むことができる。他の実施形態では、二色性コーティングを使用しなくてもよく、レーザ発振波長用のコーティングは、検出のために折り返しミラー２－１１５を通過するポンプビーム放射の適切な透過を可能にし得る。光検出器２－１１６からの出力は、信号処理および／または外部信号プロセッサへの送信のためにＰＣＢ２－１９０に供給することができる。
いくつかの実施形態では、利得媒体１－１０５およびＳＡＭ１－１１９内で所望のビームウェストサイズを得るために、２つの曲面ミラー２－１１７、２－１２７を設計し、レーザキャビティ内に配置することができる。第１の曲面ミラー２－１１７は、利得媒体１－１０５の近傍のレーザキャビティの第１の部分に配置することができる。第２の曲面ミラー２－１２７は、ＳＡＭ１－１１９の近傍のレーザキャビティの第２の部分に配置することができる。少なくとも曲面ミラーの間には、レーザの光軸を折り返してキャビティ長延長領域においてレーザキャビティの長さを延長する複数の折り返しミラーを設けることができる。キャビティ長延長領域においてキャビティの長さを延長するために、ミラー２－１２７とＳＡＭ１－１１９との間にキャビティ内レーザビームを複数回折り返すミラー２－１２４を追加的に設けることができる。例えば、図２－１に示すように、曲面ミラー２－１２７およびミラー２－１２４は、これら２つの反射器からのキャビティ内ビームを即時の連続的な跳ね返りで３回折り返すことができる。
いくつかの実施形態によれば、第１の曲面ミラー２－１１７は、球面反射器とすることができ、かつ２４０ｍｍと２６０ｍｍとの間の焦点距離ｆ１を有することができる。この反射器の焦点距離の許容誤差は、焦点距離の±１％とすることができる。本発明者らは、焦点距離が約２５０ｍｍの第１の曲面ミラー２－１１７を出力カプラ１－１１１から２３０ｍｍと３１０ｍｍとの間に配置することができ、異なる特性を有する安定したモードロック動作を得ることができることを見出した。いくつかの実施形態によれば、第１の曲面ミラーを出力カプラから２８０ｍｍと３００ｍｍとの間に配置して、コンパクトなレーザモジュールの広範囲の動作パワーに亘って安定したモードロック動作を得ることができる。この構成では、利得媒体１－１０５を出力カプラから４ｍｍと８ｍｍとの間に配置することができる。第１の曲面ミラー２－１１７の焦点距離と利得媒体１－１０５および出力カプラ１－１１１に対する第１の曲面ミラー２－１１７の位置、および第２の曲面ミラー２－１２７の焦点距離とＳＡＭ１－１１９に対する第２の曲面ミラー２－１２７の位置は、利得媒体内のキャビティ内ビームのビームウェストを決定することができる。
他の実施形態では、第１の曲面ミラー２－１１７の焦点距離は他の値を有してもよい。例えば、より低いパワーで動作するよりコンパクトなモードロックレーザに対しては、より短い焦点距離ｆ１＜２３０ｍｍを使用することができる。実施形態において、出力カプラ１－１１１は、焦点距離ｆ１の３０％以内の値の範囲（例えば、０．７ｆ１＜ｄ１＜１．３ｆ１）内にある第１の曲面ミラー２－１１７からの距離ｄ１に配置することができる。いくつかの事例では、０．９ｆ１＜ｄ１＜１．３ｆ１である。
いくつかの実施形態では、第１の曲面ミラー２－１１７は、レーザの光軸に対するミラーの配向角度（面内の角度および面外の角度）を調整するための２つの自由度のみを提供する調整可能なマウントに取り付けられることができる。調整可能なマウントは、オペレータが、レーザの動作を安定性、ビーム品質、出力パワー、および／またはパルス特性に関して調整することができるように、レーザがレーザ発振している間に、光学部品の位置（Ｘ、Ｙ、Ｚのうちの１つまたは複数）および／または向き（入射キャビティ内ビームの光軸に対するピッチおよび／またはヨー）を微調整することを可能にする。微調整は、例えば、ミラーマウント上でのマイクロメータ及び／又は微細にねじ切りされたねじ調整によって達成することができる。
レーザがレーザ発振している間にリアルタイムでレーザキャビティを位置合わせするための唯一の調整として、第１の曲面ミラー２－１１７に対して２つの自由度のみを提供し、折り返しミラー（例えば、ミラー２－１２３）に対して１つの自由度のみを提供することにより、コンパクトなモードロックレーザモジュールのコストおよび複雑性を低減することができる。他の事例では、例えば、第１の曲面ミラー２－１１７用のミラーマウントは、ミラーの位置を調整するための追加の自由度を含むことができる。いくつかの実施形態によれば、ポンプビームを整列または再整列させ、モードロックレーザからの出力パワーを増大させるために、曲面ミラー２－１１７を調整した後にポンプモジュール２－１４０に対する調整を行うことができる。
第２の曲面ミラー２－１２７は球面反射器とすることができ、かつ２４０ｍｍと２６０ｍｍの間の焦点距離ｆ２を有することができる。この反射器の焦点距離の許容誤差は、焦点距離の±１％とすることができる。本発明者らは、焦点距離が約２５０ｍｍの第２の曲面ミラー２－１２７をＳＡＭ１－１１９から２６０ｍｍと２９０ｍｍとの間に配置することができ、異なる特性を有する安定したモードロック動作を得ることができることを見出した。いくつかの実施形態によれば、第２の曲面ミラーをＳＡＭ１－１１９から２７０ｍｍと２８５ｍｍとの間に配置して、コンパクトなレーザモジュールの広範囲の動作パワーに亘って安定したモードロック動作を得ることができる。第２の曲面ミラー２－１２７の焦点距離およびＳＡＭ１－１１９に対する第２の曲面ミラー２－１２７の位置は、ＳＡＭ１－１１９におけるキャビティ内ビームのビームウェストを決定することができ、かつ利得結晶におけるビームウェストにも影響を与えることができる。
他の実施形態では、第２の曲面ミラー２－１２７の焦点距離は他の値を有してもよい。例えば、より短いパワーで動作するよりコンパクトなモードロックレーザに対しては、より短い焦点距離ｆ２＜２４０ｍｍを使用することができる。実施形態では、ＳＡＭ１－１１９は、焦点距離ｆ２の２０％以内の値の範囲（例えば、０．８ｆ２＜ｄ２＜１．２ｆ２）内にある第２の曲面ミラー２－１２７からの距離ｄ２に配置することができる。いくつかの事例では、ｆ２＜ｄ２＜１．２ｆ２である。
レーザモジュールのコストおよび複雑さを低減するために、第２の曲面ミラー２－１２７は、例えば図３－４に関連して上述したように、非調整可能なマウントに取り付けることができる。上述のように、（第１の曲面ミラー２－１１７および折り返しミラー２－１２３を除く）レーザキャビティ内のすべての反射部品は、セルフアライニング式の非調整可能なマウントに取り付けることができる。さらに、第１の曲面ミラー２－１１７は角度調整に対して２つの自由度のみを有し、折り返しミラー２－１２３は角度調整に対して１つの自由度のみを有するようにすることができる。本発明者らは、いくつかの実施形態によれば、これら３つの調整のみを使用して、モードロックレーザキャビティを長期間安定した動作のために位置合わせすることができることを見出した。例えば、第１の曲面ミラー２－１１７を使用して、利得媒体１－１０５からビームを受け取るために固定位置に取り付けられているＳＡＭ１－１１９へビームを導くことができる。（図２－１の±Ｙ方向における）いかなる面外変位も、折り返しミラー２－１２３上の単一度の角度調整を調整することによって対処することができる。ＳＡＭ１－１１９が、同じ経路に沿ってビームが反射して戻るように垂直入射でキャビティ内ビームを受け取らない場合、ＳＡＭへの入射角は、第２の曲面ミラー２－１２７上でキャビティ内ビームを並進させることによって調整することができる。ＳＡＭ１－１１９はほぼ第２の曲面ミラーの焦点にあるので、このミラー上のビームの並進によって、ＳＡＭにおける入射角が変更される。第１の曲面ミラー２－１１７に対して角度調整を行うことによって、キャビティ内ビームを第２の曲面ミラーの表面を横切って並進させることができる。キャビティ内ビームがＳＡＭ１－１１９から第１の曲面ミラー上に反射して戻るまで、第１の曲面ミラーに対して調整を行うことができる。
本発明者らは、ＳＡＭ上のキャビティ内レーザビームのスポットサイズが、第２の曲面ミラー２－１２７とＳＡＭ１－１１９との間の距離の変化よりも、第１の曲面ミラー２－１１７とレーザの出力カプラ１－１１１との間の距離の変化に対してより敏感であり得ることを見出した。この結果は、第１の曲面ミラー２－１１７と第２の曲面ミラー２－１２７との間の延長されたキャビティの長さに関連する。この延長されたキャビティの長さは、レーザキャビティの長さの半分より長くすることができ、その長さを通してキャビティ内レーザビームはほぼコリメートされることができる。曲面ミラー２－１１７と出力カプラ１－１１１との間の距離の変化は、延長されたキャビティ内のコリメーションに影響を与える可能性があり、それは第２の曲面ミラー２－１２７におけるビームサイズの変化を増幅する可能性がある。増幅は、第２の曲面ミラー２－１２７とＳＡＭ１－１１９との間の距離の変化よりも強くＳＡＭ１－１１９におけるスポットサイズに引き続き影響を与える。従って、第１の曲面ミラー２－１１７の配置は、ＳＡＭ１－１１９上のフルエンスを調整するために使用することができる。いくつかの実施形態では、増幅効果は、第２の曲面ミラー２－１２７の焦点距離を長くすることによって低減することができる。
利得媒体１－１０５内のビームウェストが１００ミクロンと１５０ミクロンとの間であり、かつＳＡＭ１－１１９でのビームウェストが８０ミクロンと１２０ミクロンとの間であるように、レーザキャビティが上述のように位置合わせされかつ構成される場合、本発明者らは、利得媒体１－１０５における熱レンズ効果の０ジオプタから１５ジオプタに変化が及ぶ光共振器（レーザの当業者に公知の条件）に関し、かつ２つの曲面ミラー２－１１７、２－１２７の±１％の焦点距離誤差に関する「安定性基準」をレーザキャビティが満たすことを見出した。高い光パワーでは、利得媒体１－１０５はポンプ放射から顕著な熱を獲得することができ、加熱された利得媒体は、媒体の温度に依存する合焦パワー（ジオプタ）を有する光学レンズ（熱レンズ効果とも呼ばれる）を作り出すことができる。光ポンピング高出力レーザの場合、この熱レンズ効果による変化はレーザを不安定にし、ポンプパワーの初期安定動作点からの５０％の増加に対するレーザ発振を消滅させる可能性がある。本発明者らは、コンパクトなモードロックレーザモジュール１－１０８が２ワットから８ワットへのポンプパワーの変動、初期安定動作点からのポンプパワーの３００％の増加に対して安定したモードロック動作を維持することを確認した。レーザキャビティの安定性の範囲は驚くほど広く、コンパクトなモードロックレーザを広い範囲のキャビティ内パワーおよび出力パワーに亘って動作させることが可能となる。例えば、レーザからの平均出力パワーは、この範囲のポンプパワーに亘って３５０ミリワットから３．５ワットの間で変化することができ、一方、ＦＷＨＭパルス持続時間は、１２ピコ秒と１８ピコ秒との間に維持される。この出力を周波数２倍化して、例えば、１００ミリワットと１．５ワットとの間の平均パワーレベルで、５３２ｎｍの波長で同じ持続時間のパルスを生成することができる。
いくつかの実施形態によれば、モードロックレーザの動作を安定化させるのに役立ち、かつ／またはモードロックレーザのビーム品質を改善するために、レーザキャビティ内に光学部品を取り付けることができる。例えば、空間モードフィルタ２－１１８をレーザキャビティ内に配置し、高次空間モードでのレーザ発振を防止するように構成することができる。モードフィルタ２－１１８は、任意の適切な形状（例えば、円形、楕円形、三日月形、正方形、長方形、多角形など）の開口を含むことができる。開口は、非調整可能なマウントに取り付けることができ、あるいは開口がキャビティ内ビームの光軸を横切る方向に移動できるように取り付けることができる。いくつかの事例（例えば、絞り）では、開口のサイズは、調整可能とすることができる。様々な実施形態において、開口は、レーザ発振動作をレーザキャビティの最低次の横方向空間モードに制限し、それはモードロックの安定性を向上させることができる。
動的安定化および位置合わせのために、いくつかの実施形態では、ビームステアリング部品をレーザモジュール１－１０８に含ませることができる。例えば、キャビティ内ビームに対してある角度で回転させることができる１つ又は複数の反射防止コーティングされたレーザ窓または光学平面２－１２８は、ＳＡＭ１－１１９のキャビティ内ビームの入射角を並進および／または変更するためにアクチュエータ２－１６２によって自動的に動作されることができる。アクチュエータとレーザ窓との間の機械的リンク機構２－１６４、およびレーザ窓２－１２８に対するピッチまたはヨーの自動調整を可能にするピッチまたはヨーマウントを設けることができる。アクチュエータ２－１６２は、ステッピングモータ、圧電トランスデューサ、容量トランスデューサ、または他の任意の適切なアクチュエータを含むことができる。
キャビティ内レーザ窓の回転は、レーザ窓からの出射ビームを回転方向に横方向にシフトさせる。横方向のシフト量は、スネルの法則をレーザ窓の２つの界面に適用することにより決定することができる。レーザ窓が第２の曲面ミラー２－１２７とＳＡＭ１－１１９との間に位置する場合、レーザ窓の回転は主にＳＡＭ上のキャビティ内ビームを並進させることとなる。そのようなレーザ窓の回転は、キャビティ内ビームをＳＡＭを横切って移動させることによってＳＡＭの寿命を延ばすように使用することができる。走査運動はＳＡＭの疲労を減少させることができ、あるいはＳＡＭが損傷を受けている場合、ビームを損傷を受けたスポットから離れるように移動させることができる。レーザ窓２－１２８が図２－１に示すように第２の曲面ミラー２－１２７の前方に配置されている場合、レーザ窓の回転は主にＳＡＭ上へのキャビティ内ビームの入射角を変更することとなる。そのようなレーザ窓の回転は、レーザキャビティを動的に整列または再整列して安定したモードロック動作を得るように、かつ／または維持するように使用することができる。
レーザ性能を示し、かつキャビティ内ビームステアリング部品を自動的に調整するために使用され得る信号は、（光検出器２－１１６またはポンプモジュールに搭載されているポンプ光検出器（図示せず）で検出される）ポンプ出力、レーザパワーおよび／またはパルス特性（レーザ発振波長に感度が良いレーザ出力光検出器２－１５４で検出される）、および第２高調波パワー（２倍化出力光検出器２－１８２で検出される）のうちの任意の１つまたはそれらの組み合わせを含むことができる。信号（単数または複数）は、１つまたは複数のアクチュエータ２－１６２を動作させるためのフィードバック制御信号の処理および生成のためにＰＣＢ２－１９０上の回路に供給することができる。いくつかの実施形態では、レーザ出力光検出器２－１５４および２倍化出力光検出器２－１８２の一方または両方は、ＰＣＢ２－１９０上に取り付けられ、かつモードロックレーザモジュール１－１０８の側面に配置された穴および／または窓（図示せず）を介して放射線を受け取ることができる。いくつかの実施形態では、キャビティ内ビームステアリング部品の回転は、１つまたは複数のフィードバック信号に基づいて、キャビティアライメントを微調整し、かつ／またはＳＡＭ１－１１９上のキャビティ内ビームの位置を変更するように自動化することができる。
いくつかの実施形態によれば、追加的または代替的に、利得媒体１－１０５内に非対称熱勾配を誘起することによってキャビティアライメントを得ることができる。非対称の熱勾配は、熱レンズ効果に影響を及ぼし、利得媒体１－１０５を通過する際に、キャビティ内レーザビームに小さな角度偏向を生じさせるように利得媒体１－１０５内の屈折率を変化させることができる。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の温度制御デバイス（例えば、抵抗加熱素子、ＴＥＣクーラー、またはそれらの組み合わせ）を利得媒体の１つまたは複数の側面に接続することができる。いくつかの実施形態によれば、利得媒体１－１０５は、利得媒体の２～４つの面（４つの長手方向端部）に熱的に結合された２～４つの独立して動作可能な温度制御デバイス（図２－１には示さず）を有し得る。熱的結合は、温度制御デバイスと利得媒体１－１０５の面との間に位置する熱エポキシ又はインジウム箔を含むことができる。各温度制御デバイスはまた、温度制御デバイスの反対側のヒートシンク（レーザブロックなど）への熱的結合をも含むことができる。いくつかの事例では、１つまたは複数の温度制御デバイスの動作により、光軸２－１１１を横切る方向にビームを偏向させることができる。温度制御デバイスで温度を選択的に変更することによって、キャビティ内レーザビームをステアリングして再整列させることができる。いくつかの事例では、１つまたは複数のキャビティ内レーザ窓２－１２８を利得媒体内での熱ビームステアリングと並行して調整して、たとえばキャビティ内ビームをＳＡＭ上に再配置し、かつ／またはレーザの安定したモードロック動作を維持することができる。
本発明者らは、モードロックレーザの平均パワーおよび／またはスペクトル特性が、安定したモードロック動作を決定することができることを認識し、評価するに至った。たとえば、モードロック動作中のレーザの平均パワーが一定の値を下回って降下した場合、モードロックをサポートするのに十分な非線形光吸収がＳＡＭ１－１１９にない場合がある。レーザはこのとき、ＱスイッチしてＳＡＭ１－１１９を損傷し得る。いくつかの事例では、レーザの平均出力パワーの急速な変動により、レーザがモードロックに加えてＱスイッチングしていることを示し、これは、ＳＡＭ１－１１９を損傷する可能性がある。いくつかの実施形態では、レーザ１－１１０によって生成された光パワーおよび／またはレーザの出力パルスまたはモードロック特性を検知するように少なくとも１つのセンサ２－１５４（例えば、フォトダイオード）を含み、かつ配置することができる。例えば、第１のセンサ２－１５４からの信号をスペクトル分析してモードロック周波数付近の側波帯を検出することができ、これはＱスイッチングの開始および／またはレーザ１－１１０のモードロックパルス列における不安定性を示すことができる。第２のセンサ（図示せず）は、レーザ１－１１０によって生成された平均光パワーを検出することができる。検出された平均レーザパワーが予め設定されたレベルを下回ってドリフトする場合、および／または側波帯変動またはパワー変動が第１のセンサ２－１５４によって検出された場合、自動キャビティアライメントルーチンを実行してパワーを回復し、かつ／または修理のためにレーザを遮断することができる。いくつかの事例では、モードロックパルス列の不安定性を示す側波帯は、高次空間キャビティモードのレーザ発振によるものである。このような不安定性は、例えば、キャビティ内空間モードフィルタ２－１１８を自動または手動で調整することによって修正することができる。いくつかの実施形態によれば、レーザ発振波長に感度の良い１つまたは複数のセンサ２－１５４をＰＣＢ２－１９０上に取り付けることができる。
いくつかの事例では、追加の信号を処理してレーザの動作を分析することができる。例えば、ポンプパワーは、レーザからの平均パワーレベルと共に、（フォトダイオードまたは他の適切な光検出器とすることができる）ポンプパワーセンサ２－１１６を用いて評価することができる。いくつかの実施形態では、周波数２倍化パワーの量は、追加的にまたは代替的に、センサ２－１８２（フォトダイオードまたは他の適切な光検出器とすることができる）で監視することができる。例えば、平均レーザパワーがほぼ一定を維持している間に、平均周波数２倍化パワーが減少することは、モードロックパルス長の変化、または周波数２倍化光学部品に関する問題を示す可能性がある。
動作中、利得媒体としてＮｄ３＋：ＹＶＯ４を使用し、上記のように配置されたモードロックレーザ１－１１０は、約１５ｐｓのＦＷＨＭ値を有する１０６４ｎｍのパルスを生成することができる。パルスは、パルスのピークから１００ｐｓ以内に約８０ｄＢで消失する。パルス繰り返し率は約６７ＭＨｚであり、基本波長におけるモードロックレーザの平均パワーは３５０ｍＷから３．５Ｗまで変化させることができる。周波数２倍化波長への変換効率（以下にさらに説明する）は、いくつかの事例では、３０％の高さとすることができ、１００ｍＷと１．５Ｗとの間の平均出力パワーで５３２ｎｍのパルスを生成することができる。いくつかの事例では、変換効率は３５％の高さとすることができる。レーザを動作させるのに必要なＡＣ電力は約２０ワット未満である。レーザはコンパクトで、占有する体積は０．００２８ｍ３（０．１ｆｔ３）未満であり、重量は２ｋｇよりも僅かに少なく、モジュールとして、ＤＮＡをシーケンシングするためのテーブルトップ機器のようなポータブル分析機器に容易に組み込むことができる。
分析機器のクロック生成
図２－１を参照して上述したレーザモジュール１－１０８は、図１－２に示された分析機器１－１００などのポータブル分析機器で使用することができる。ポータブル分析機器１－１００は、光学系１－１１５および分析システム１－１６０を含むことができる。光学系１－１１５は、（レンズ、ミラー、光学フィルタ、減衰器、ビームステアリング部品、ビーム整形部品の各々を全く含まないか、１つ又は複数を含み得る）光学部品のいくつかの組み合わせを含むことができ、かつモードロックレーザモジュール１－１０８からの出力光パルス１－１２２に対して動作し、かつ／又は、この出力光パルスを分析システム１－１６０に送達するように構成することができる。分析システムは、光パルスを、分析されるべきである少なくとも１つの試料へと方向付け、少なくとも１つの試料から１つ又は複数の光信号（例えば、蛍光発光、後方散乱放射）を受信し、受信光信号を表す１つ又は複数の電気信号を生成するように構成されている複数の構成要素を含むことができる。いくつかの実施形態において、分析システム１－１６０は、１つ又は複数の光検出器と、光検出器からの電気信号を処理するように構成されている信号処理電子装置（例えば、１つ又は複数のマイクロコントローラ、１つ又は複数のフィールドプログラマブルゲートアレイ、１つ又は複数のマイクロプロセッサ、１つ又は複数のデジタル信号プロセッサ、論理ゲート等）とを含むことができる。分析システム１－１６０は、１つ又は複数のデータ通信リンクを介して外部デバイスにデータを伝送し、外部デバイスからデータを受信するように構成されているデータ伝送ハードウェアをも含むことができる。いくつかの実施形態において、分析システム１－１６０は、分析されるべき１つ又は複数の試料を保持するバイオ光電子チップ１－１４０を受け入れるように構成することができる。
図１－２を再び参照すると、短パルスまたは超短パルスを生成するために使用される方法および装置にかかわらず、ポータブル分析機器１－１００は、分析システム１－１６０の少なくともいくつかの電子的動作（例えば、データ取得および信号処理）を、モードロックレーザ１－１１０からの光パルス１－１２２の繰り返し率と同期させるように構成される回路を含むことができる。例えば、バイオ光電子チップ１－１４０における蛍光寿命を評価する場合に、発光事象のタイミングを正確に記録することができるように、試料の励起の時間を正確に知ることは有益である。いくつかの実施形態によれば、タイミング信号は、モードロックレーザによって生成された光パルスから導出することができ、導出されたタイミング信号は電子機器をトリガするために使用することができる。
本発明者らは、モードロックレーザ１－１１０の（例えば、反応室１－３３０にＡＭレーザパルス列を送達する）動作、信号取得電子装置の動作（例えば、時間ビニング光検出器１－３２２の動作）、及びバイオ光電子チップ１－１４０からのデータ読み出しの動作を協調させることが、特に、ＡＭレーザパルス列が使用される場合に、技術的課題を課すことを認識し、評価するに至った。例えば、反応室において収集される時間ビニング信号が、蛍光減衰特性の正確な表現であるために、時間ビニング光検出器１－３２２の各々は、反応室における各励起光パルスの到来後に精密なタイミングでトリガされなければならない。加えて、データは、データの超過及び見過ごしを回避するために、反応室におけるデータ取得とほぼ同期して、バイオ光電子チップ１－１４０から読み出されなければならない。データの見過ごしは、いくつかの事例においては有害であり得、例えば、遺伝子配列の誤認を引き起こす。本発明者らは、システムタイミングが、パルス振幅の変化によってだけでなく、受動モードロックレーザの自然動作特性（例えば、パルス間間隔Ｔの変動、及び偶発的なパルス脱落）によってさらに複雑になることを認識し、評価するに至った。
図５－１は、タイマ５－１２０が分析システム１－１６０に同期信号を提供するシステムを示す。いくつかの実施形態では、タイマ５－１２０は、ＡＭレーザパルス列源１－１１０によって生成された光パルスに同期したクロック信号を生成し、そのクロック信号を分析システム１－１６０に提供することができる。図５－１において、光パルス１－１２０は、距離Ｄだけ空間的に分離されているものとして図示されている。この分離距離は、関係式Ｔ＝Ｄ／ｃに従うパルス間の時間Ｔに対応する。ここで、ｃは光速である。実際には、パルス間の時間Ｔは、フォトダイオード及びオシロスコープによって決定することができる。いくつかの実施形態によれば、Ｔ＝１／ｆｓｙｎｃＮであり、ここで、Ｎは１以上の整数であり、ｆｓｙｎｃは生成されたクロック信号の周波数を表す。いくつかの実施形態では、Ｔ＝Ｎ／ｆｓｙｎｃであり、Ｎは１以上の整数である。
いくつかの実施形態によれば、タイマ５－１２０は、パルス列源１－１１０からの光パルスを検出するフォトダイオードからアナログまたはデジタル化信号を受信することができる。フォトダイオード２－１５４は、ベースシャーシ２－１０５上に取り付けることができ、かつ高速ＩｎＧａＡｓフォトダイオードとすることができる。タイマ５－１２０は、受信したアナログまたはデジタル化信号から同期信号を形成またはトリガするために任意の適切な方法を使用することができる。例えば、タイマはシュミットトリガまたは比較器を使用して、検出された光パルスからデジタルパルス列を形成することができる。いくつかの実施形態では、タイマ５－１２０はさらに、遅延ロックループまたは位相ロックループを使用して、安定した電子クロック源からの安定したクロック信号を、検出された光パルスから生成されたデジタルパルス列に同期させることができる。デジタルパルス列またはロックされた安定したクロック信号は、機器上の電子機器を光パルスと同期させるために、分析システム１－１６０に提供することができる。
本発明者らは、クロック信号を発生し、ポータブル機器１－１００内のデータ取得電子装置を駆動するために使用することができるクロック発生回路を着想し、開発した。クロック発生回路５－２００の例が、図５－２に示されている。クロック発生回路は、ベースシャーシ２－１０５上に搭載されたＰＣＢ２－１９０上に含まれることができる。いくつかの実施形態によれば、クロック発生回路は、パルス検出、自動利得制御による信号増幅、クロックデジタル化、及びクロック位相ロックの段を含むことができる。
パルス検出段は、いくつかの実施形態によれば、逆バイアスされ、バイアス電位と基準電位（例えば、接地電位）との間に接続される高速フォトダイオード５－２１０を備えることができる。フォトダイオードに対する逆バイアスは、任意の適切な値とすることができ、固定値抵抗器を使用して固定されてもよく、又は、調整可能とすることができる。いくつかの事例において、コンデンサＣが、フォトダイオード５－２１０のカソードと、基準電位との間に接続されてもよい。フォトダイオードのアノードからの信号が、増幅段に与えられ得る。いくつかの実施形態において、パルス検出段は、約１００マイクロワットと約２５ミリワットとの間の平均パワーレベルを有する光パルスを検出するように構成することができる。クロック発生回路５－２００のパルス検出段は、モードロックレーザ１－１１０上又はその付近に取り付けることができ、レーザから光パルスを検出するように構成することができる。
増幅段は、可変利得調整又は調整可能減衰を含むことができる１つ又は複数のアナログ増幅器５－２２０を備えることができ、それによって、アナログ利得増幅器からのパルス出力レベルは、所定の範囲内に設定することができる。クロック発生回路５－２００の増幅段は、自動利得制御増幅器５－２４０をさらに含むことができる。いくつかの事例において、アナログフィルタリング回路５－２３０を、（例えば、高周波数（例えば、約５００ＭＨｚを超える）及び／又は低周波数雑音（例えば、約１００Ｈｚ未満）を除去するために）アナログ増幅器５－２２０の出力に接続することができる。いくつかの実施形態によれば、アナログ利得増幅器５－２２０からのフィルタリングされた又はフィルタリングされていない出力を、自動利得制御増幅器５－２４０に与えることができる。
いくつかの実施形態によれば、１つ又は複数のアナログ増幅器からの最終的な出力信号は、正極性であり得る。本発明者らは、後続の自動利得制御（ＡＧＣ）増幅器が、負電圧ではなく正電圧にパルスを入力するときに、より信頼可能に動作することを認識し、評価するに至った。自動利得制御増幅器は、（フォトダイオード５－２１０で検出された受信レーザパルスにおける振幅変化に起因する）受信される電子パルス列の振幅変化を補償するように、その内部利得を変化させることができる。自動利得制御増幅器５－２４０からの出力パルス列は、図面に示すように、ほぼ一定の振幅を有することができ、一方で、自動利得制御増幅器５－２４０への入力は、パルス間振幅の変動を有し得る。例示的な自動利得制御増幅器は、アナログデバイセズインコーポレイテッド社（Ａｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ， Ｉｎｃ．）［米国マサチューセッツ州ノーウッド（Ｎｏｒｗｏｏｄ）所在］から入手可能なモデルＡＤ８３６８である。
クロックデジタル化段において、いくつかの実施態様によれば、自動利得制御増幅器からの出力を、比較器５－２５０に与えて、デジタルパルス列を生成することができる。例えば、ＡＧＣからのパルス列を、比較器５－２５０の第１の入力に与えることができ、基準電位（いくつかの実施形態ではユーザが設定可能であり得る）を、比較器の第２の入力に接続することができる。基準電位は、各生成されるデジタルパルスの立ち上がりエッジのトリガポイントを確立することができる。
評価され得るように、光パルス振幅の変化が、ＡＧＣ増幅器５－２４０の前の電子パルスの振幅の変化をもたらすことになる。ＡＧＣ増幅器がなければ、これらの振幅変化は、比較器５－２５０からのデジタル化パルス列内のパルスの立ち上がりエッジにタイミングジッタをもたらすことになる。ＡＧＣ増幅器によってパルス振幅をレベリングすることによって、比較器の後のパルスジッタが大きく低減される。例えば、タイミングジッタは、ＡＧＣ増幅器によって約５０ピコ秒未満に低減することができる。いくつかの実施態様において、比較器からの出力は、論理回路５－２７０に与えることができ、論理回路９－３７０は、デジタル化パルス列のデューティサイクルを、約５０％に変化させるように構成されている。
クロック発生回路５－２００の位相ロック段は、タイミング及び同期機器動作のための１つ又は複数の安定した出力クロック信号を生成するために使用される位相ロックループ（ＰＬＬ）回路５－２８０を備えることができる。いくつかの実施形態によれば、クロックデジタル化段からの出力を、ＰＬＬ回路５－２８０の第１の入力（例えば、フィードバック入力）に与えることができ、電子又は電気機械発振器５－２６０からの信号を、ＰＬＬへの第２の入力（例えば、基準入力）に与えることができる。電子又は電気機械発振器は、いくつかの事例において、機械的摂動及び温度変動に対して高度に安定性であり得る。いくつかの実施形態によれば、電子又は電気機械発振器５－２６０からの安定したクロック信号の位相は、ＰＬＬによって、安定性に劣り得る、モードロックレーザから導出されるデジタル化クロック信号の位相に対してロックされる。このように、電子又は電気機械発振器５－２６０は、モードロックレーザ１－１１０の短期的な不安定性（例えば、パルスジッタ、パルス脱落）を乗り切ることができ、さらに、光パルス列にほぼ同期することができる。位相ロックループ回路５－２８０は、電子又は電気機械発振器５－２６０からの位相ロック信号から導出される１つ又は複数の安定した出力クロック信号を生成するように構成することができる。ＰＬＬを実装するために使用することができる例示的な回路は、シリコンラボラトリーズインコーポレイテッド社（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ Ｉｎｃ．）［米国テキサス州オースティン（Ａｕｓｔｉｎ）所在］から入手可能である、ＩＣチップＳｉ５３３８である。
いくつかの実施形態によれば、ＰＬＬ回路５－２８０から出力される１つ又は複数のクロック信号は、チップ上のデータ取得電子装置とタイミングを合わせるために、バイオ光電子チップ１－１４０に与えることができる。いくつかの事例において、ＰＬＬ回路５－２８０は、そのクロック出力上に位相調整回路２－２８２、５－２８４を含むことができ、又は、別個の位相調整回路が、位相ロックループのクロック出力に接続されてもよい。いくつかの実施態様において、バイオ光電子チップ１－１４０は、チップ上の１つ又は複数の光検出器から、モードロックレーザ１－１１０からの光励起パルスの到来を示すパルス到来信号１－１４２を与えることができる。パルス到来信号を評価及び使用して、バイオ光電子チップ１－１４０に与えられるクロック信号の１つ又は複数の位相を設定することができる。いくつかの実施形態において、パルス到来信号は、位相ロックループ回路５－２８０に戻すことができ、チップに与えられるクロック信号（複数可）の位相を自動的に調整するために処理することができ、それによって、バイオ光電子チップ１－１４０上でのデータ取得を駆動するために与えられるクロック信号のトリガエッジ（例えば、時間ビニング光検出器１－３２２による信号取得のタイミング）が、反応室における光励起パルスの到来後の所定の時点に生じるように調整される。
いくつかの実施形態によれば、ＰＬＬ回路５－２８０からのクロック信号は、機器１－１００内に含まれる１つ又は複数のフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）５－２９０にも与えることができる。ＦＰＧＡは、バイオ光電子チップ１－１４０から読み出されたデータの駆動、データ処理、データ伝送、データ記憶などのような、機器上の様々な機能に使用することができる。
本発明者らは、ＡＧＣ増幅器５－２４０のループ帯域幅と、位相ロックループ５－２９０のループ帯域幅との間には、相互作用があり得ることを認識し、評価するに至った。例えば、位相ロックループのループ帯域幅が高すぎる場合、ＰＬＬは、ＡＧＣ増幅器及び比較器によってデジタル化パルス列に導入されるジッタに応答し、光パルスタイミングを正確に追跡しない場合がある。他方、ＡＧＣとＰＬＬのいずれか又は両方のループ帯域幅が低すぎる場合、結果としてＰＬＬから出力されるクロック信号は、光パルスタイミングを正確に追跡しないことになる。本発明者らは、ＰＬＬ５－２９０のループ帯域幅と関連付けられる積分時定数は、モードロックレーザ１－１１０からの光パルス列の約３０パルスと約８０パルスとの間であるべきであることを見出した。加えて、ＡＧＣ増幅器５－２４０のループ帯域幅と関連付けられる積分時定数は、ＰＬＬの積分時定数の約２０％を超えるべきではない。
いくつかの実施態様において、増幅段からの１つ又は複数の信号は、機器１－１００内で別の目的に使用されてもよい。例えば、アナログ信号５－２３２は、ＡＧＣ増幅器５－２４０の前で分割され得、モードロックレーザ１－１１０におけるモードロックの品質を監視するために使用することができる。例えば、アナログ信号５－２３２は、モードロックレーザによるＱスイッチングの始まりを示す特性を検出するために、周波数及び／又は時間領域において電子的に分析することができる。特性（及びＱスイッチングの始まり）が検出される場合、システムは、Ｑスイッチングを回避するためにモードロックレーザ内の光学素子（例えば、キャビティ位置合わせ光学素子）に対する調整を自動的に行うことができるか、又は、システムは、エラーを示し、かつ／もしくは、モードロックレーザを停止することができる。
いくつかの実施形態において、ＡＧＣ増幅器は、出力パルスの振幅をレベリングするために必要とされるリアルタイム利得調整を表す出力信号５－２４２（アナログ又はデジタル）を与えることができる。本発明者らは、この出力信号５－２４２を使用して、モードロックレーザのモードロック品質を評価することができることを認識し、評価するに至った。例えば、そのスペクトルを分析して、Ｑスイッチングの始まりを検出することができる。
クロック発生及び同期は、自動利得制御増幅器及び位相ロックループを使用して説明されているが、他の実施形態においては、より大量のクロックジッタ（例えば、最大約３００ｐｓ）を許容することができる代替的な装置が使用されてもよい。いくつかの実施態様において、パルス増幅段内の増幅器は、立ち上がりエッジトリガ信号を与えるために、飽和状態まで駆動することができる。クロックのトリガポイントは、立ち上がりエッジ上の何らかの値に設定することができる。増幅器は飽和しているため、パルス振幅の変動の、トリガタイミングに対する影響は、非飽和増幅器よりも小さい。立ち上がりエッジを使用して、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）において実装されるもののような、フリップフロップクロッキング回路を切り替えることができる。ゼロに戻る飽和増幅器からの立ち下がりエッジは、増幅器の出力がいつ飽和から解放されるかに応じて、相当により大きいタイミング変動性を有し得る。しかしながら、立ち下がりエッジは、フリップフロップクロッキング回路によっては検出されず、クロッキングには影響を及ぼさない。
多くのＦＰＧＡは、ＰＬＬの代わりに、安定した発振器をフリップフロップからのレーザによって発生するクロッキング信号にロックするために使用することができるデジタル遅延ロックループ（ＤＬＬ）を含む。いくつかの実施態様において、受信フリップフロップデバイスは、光パルス列からのクロッキングレートを２で除算し、それによって、パルス繰り返し率の２分の１においてＤＬＬに５０％のデューティサイクルのクロック信号を与えることができる。ＤＬＬは、光パルス列と同期される周波数２倍化クロックを発生するように構成することができる。追加の同期される、より高周波数のクロックも、ＤＬＬ及びＦＰＧＡによって発生してもよい。
いくつかの実施形態による、システム制御のためのシステム回路の一例が図５－３に示されている。ポンプモジュール制御回路５－３００は、ＰＣＢ上に組み立てられ、かつコンパクトなモードロックレーザモジュール１－１０８に取り付けることができる（例えば、図２－１に示すモジュール１－１０８の裏側に取り付けられる）。ポンプモジュール制御回路５－３００は、システム基板５－３２０およびレーザモジュール１－１０８に搭載されているクロック発生およびレーザ検知回路５－３５０（例えばＰＣＢ２－１９０）とインタフェースすることができる。いくつかの実施形態では、ポンプモジュール制御回路５－３００及びクロック発生およびレーザ検知回路５－３５０は同じＰＣＢ上に組み立てることができる。他の実施形態では、ポンプモジュール制御回路５－３００、クロック生成およびレーザ検知回路５－３５０、およびシステム制御回路を同じＰＣＢ上に組み立てることができ、このため、別個のシステム基板５－３２０は使用されない。
システム基板５－３２０は、レーザモジュール１－１０８が取り付けられているシステムの動作を調整する中央プロセッサ（例えば、マイクロコントローラまたはマイクロプロセッサ）を含むことができる。システム基板５－３２０はさらに、電力分配回路およびデータ処理回路（例えば、メモリ、トランシーバ、ネットワークインターフェース基板等）を含むことができる。
いくつかの実施形態において、ポンプモジュール制御回路５－３００は、ＡＭレーザパルス列を生成させるために、利得媒体１－１０５をポンピングするために使用されるレーザダイオード４－１３０に所望のパルス列波形形状に対応するパターンで可変電流を供給するように構成された電流源５－３３２を含むことができる。いくつかの実施形態によれば、電流源５－３３２はシステム基板５－３２０により制御することができる。ポンプモジュール制御回路５－３００は、レーザダイオード４－１３０上の温度センサまたはサーミスタ（図示せず）に接続することができる温度検知回路５－３４１をさらに含むことができる。温度検知回路５－３４１からの出力は温度制御回路５－３４３に提供され、温度制御回路５－３４３はレーザダイオード４－１３０が取り付けられているＴＥＣ４－１６０を駆動することができる。いくつかの実施形態によれば、温度コントローラは、システム基板５－３２０からレーザダイオード４－１３０の温度を調整し、かつ／または安定化させるための制御信号を受信することができる。
いくつかの実施形態では、ポンプモジュール制御回路５－３００は、１つまたは複数のアクチュエータ制御回路（２つ図示）５－３５１、５－３５２を含むことができる。アクチュエータ制御回路は、システム基板５－３２０から制御信号を受信して、モードロックレーザモジュール１－１０８に配置された１つ又は複数のアクチュエータを動作させることができる。例えば、第１のアクチュエータ制御回路５－３５１は、モードロックレーザ１－１１０のレーザキャビティ内のレーザ窓２－１２８を回転させる第１のアクチュエータ２－１６２を動作させるように構成することができる。第１のアクチュエータの動作は、キャビティのアラインメントを調整することができ、かつレーザ１－１１０のモードロックを改善するために使用されることができる。第２のアクチュエータ制御回路５－３５２は、例えば、レーザモジュール１－１０８上の半波長板２－１６０を回転させる第２のアクチュエータ２－１６２を動作させるように構成することができる。半波長板２－１６０の回転は、例えば、周波数２倍化波長に変換されるレーザパワーの量を制御するために使用され得る。
いくつかの実施形態によれば、アクチュエータ回路５－３５１、５－３５２に対する制御信号は、クロック発生およびレーザ検知回路５－３５０からの出力に基づいてシステム基板５－３２０上で算出することができる。クロック発生およびレーザ検知回路５－３５０からの出力は、（レーザ１－１１０からの基本波長λ１を検知するように構成されたフォトダイオード２－１５４を含むかまたはそれに接続することができる）基本センサ回路５－３１１、（レーザの出力パルスから生成された周波数２倍化波長λ２を検知するように構成されたフォトダイオード２－１８２を含むかまたはそれに接続することができる）周波数２倍化センサ回路５－３１２、および（レーザ１－１１０内の利得媒体１－１０５を励起するために使用されるポンプ波長λｐを検知するように構成されたフォトダイオード２－１１６を含むかまたはそれに接続することができる）ダイオードポンプセンサ回路５－３１３によって生成することができる。従って、モードロックレーザ１－１１０および周波数２倍化出力パワーのフィードバック制御は、レーザの動作パラメータおよび出力パラメータを検知し、かつモードロックレーザモジュール１－１０８の動作を修正または改善するアクチュエータ回路５－３５１、５－３５２を介して信号を印加することによって実施することができる。いくつかの実施形態は、コンパクトなモードロックレーザモジュール１－１０８上の同じおよび／または追加の部品を制御するための追加のセンサ回路および／または追加のアクチュエータ制御回路を含むことができることは理解されるであろう。
応用例
本願に記載のＡＭレーザパルス列の生成のためのシステムおよび方法の１つの使用例は、遺伝子およびタンパク質のシークエンシングなどの用途で使用される分子の検出である。単一分子の検出にＡＭレーザパルス列を使用するための例示的なシステムを以下に説明する。
図１－３を参照すると、モードロックレーザモジュールから出力されるＡＭレーザパルス列における出力パルス１－１２２を、バイオ光電子チップ１４０上の１つまたは複数の光導波路１－３１２に結合することができる。いくつかの実施形態において、光パルスは、格子カプラ１－３１０を介して１つ又は複数の導波路に結合することができるが、いくつかの実施形態において、バイオ光電子チップ上の１つ又は複数の光導波路の端部への結合が使用されてもよい。いくつかの実施形態によれば、光パルス１－１２２のビームの格子カプラ１－３１０への位置合わせを補助するために、クワッド検出器１－３２０が半導体基板１－３０５（例えば、シリコン基板）上に位置してもよい。１つ又は複数の導波路１－３１２及び反応室１－３３０が、基板、導波路、反応室、及び光検出器１－３２２の間に誘電体層（例えば、二酸化ケイ素層）を介在させて、同じ半導体基板上に集積されてもよい。
各導波路１－３１２は、導波路に沿って反応室に結合される光パワーを均質化するために、反応室１－３３０の下の先細り部分１－３１５を含むことができる。狭まる先細りによって、より多くの光エネルギーを導波路のコアの外側に押しやることができ、反応室への結合が増大し、反応室に結合する光の損失を含む、導波路に沿った光学的損失が補償される。光エネルギーを集積フォトダイオード１－３２４に方向付けるために、各導波路の端部に第２の格子カプラ１－３１７が位置することができる。集積フォトダイオードは、導波路を下って結合されるパワーの量を検出することができ、例えば、ビームステアリングモジュール１－１５０を制御するフィードバック回路に、検出された信号を与えることができる。
反応室１－３３０は、導波路の先細り部分１－３１５と位置合わせすることができ、タブ１－３４０において陥凹することができる。各反応室１－３３０に対して、半導体基板１－３０５上に位置する時間ビニング光検出器１－３２２があり得る。反応室内にない蛍光色素分子（例えば、反応室の上で溶液中に分散している）の光励起を防止するために、反応室の周囲及び導波路の上に、金属コーティング及び／又は多層コーティング１－３５０を形成することができる。金属コーティング及び／又は多層コーティング１－３５０は、各導波路の入力端及び出力端における導波路１－３１２内の光エネルギーの吸収損失を低減するために、タブ１－３４０の縁部を越えて隆起することができる。
バイオ光電子チップ１－１４０上に、複数列の導波路、反応室、及び時間ビニング光検出器があってもよい。例えば、いくつかの実施態様において、各々が５１２個の反応室を有する１２８列が設けられてもよく、反応室は合計で６５，５３６個になる。他の実施態様は、より少ない又はより多い反応室を含んでもよく、他のレイアウト構成を含んでもよい。モードロックレーザ１－１１０からの光パワーは、チップ１－１４０への光カプラと複数の導波路との間に位置する、１つ又は複数のスターカプラもしくはマルチモード干渉カプラ、又は任意の他の手段を介して複数の導波路に分配することができる。
図１－４は、導波路１－３１５内の光パルス１－１２２から反応室１－３３０への光エネルギー結合を示す。図面は、導波路の寸法、反応室の寸法、種々の物質の光学特性、及び、反応室１－３３０からの導波路１－３１５の距離を考慮した光波の電磁場シミュレーションから作成されている。導波路は、例えば、周囲にある二酸化ケイ素の媒体１－４１０内の窒化ケイ素から形成されてもよい。導波路、周囲の媒体、及び反応室は、「分子を調査、検出及び分析するための統合デバイス（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ Ｐｒｏｂｉｎｇ， Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ａｎｄ Ａｎａｌｙｚｉｎｇ Ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ）」と題する、２０１５年８月７日に出願された米国特許出願第１４／８２１，６８８号に記載されている微細加工工程によって形成されてもよい。いくつかの実施形態によれば、エバネセント光場１－４２０が、導波路によって運ばれる光エネルギーを反応室１－３３０に結合する。
反応室１－３３０内で行われる生物学的反応の非限定例が、図１－５に示されている。この例において、標的核酸に対して相補的である伸長鎖へのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体の連続的な取り込みが、反応室内で行われている。連続的な取り込みは、ＤＮＡをシークエンシングするために検出することができる。反応室は、約１５０ｎｍ～約２５０ｎｍの深さ、及び、約８０ｎｍ～約１６０ｎｍの直径を有することができる。隣接する反応室及び他の望ましくない光源からの迷光を阻害する開口部を設けるために、金属化層１－５４０（例えば基準電位のための金属化）を、光検出器の上にパターニングすることができる。いくつかの実施形態によれば、ポリメラーゼ１－５２０が、反応室１－３３０内に位置する（例えば、室の基部に付着する）ことができる。ポリメラーゼは、標的核酸１－５１０（例えば、ＤＮＡから導出される核酸の一部分）に作用し、相補的な核酸の伸長鎖をシークエンシングして、ＤＮＡ１－５１２の伸長鎖を生成することができる。異なる蛍光色素分子を用いて標識化されたヌクレオチド又はヌクレオチド類似体は、反応室の上又は中の溶液中に分散され得る。
図１－６に示すように、標識化されたヌクレオチド又はヌクレオチド類似体１－６１０が相補的な核酸の伸長鎖に取り込まれると、１つ又は複数の付着した蛍光色素分子１－６３０を、導波路１－３１５から反応室１－３３０に結合されている光エネルギーのパルスによって繰り返し励起することができる。いくつかの実施形態において、１つ又は複数の蛍光色素分子１－６３０は、任意の適切なリンカ１－６２０を用いて１つ又は複数のヌクレオチド又はヌクレオチド類似体１－６１０に付着することができる。取り込み事象は、最大約１００ｍｓの期間にわたって継続し得る。この時間の間、モードロックレーザからのパルスによる蛍光色素分子（複数可）の励起からもたらされる蛍光発光のパルスを、時間ビニング光検出器１－３２２を用いて検出することができる。いくつかの実施形態では、信号処理（例えば、増幅、読み出し、ルーティング等）のために、各画素に１つ又は複数の追加の集積デバイス１－３２３を設けることができる。いくつかの実施形態によれば、各画素は、蛍光発光を通過させ、励起パルスからの放射の透過を低減する単一または多層の光学フィルタ１－５３０を含むことができる。いくつかの実装形態は、光学フィルタ１－５３０を使用しなくてもよい。異なる発光特性（例えば、蛍光減衰率、強度、蛍光波長）を有する蛍光色素分子を異なるヌクレオチド（Ａ、Ｃ、Ｇ、Ｔ）に付着させ、ＤＮＡ１－５１２のストランドが核酸を取り込んでいる間に異なる発光特性を検出及び識別することによって、ＤＮＡの伸長鎖の遺伝子配列を決定することが可能である。
いくつかの実施形態によれば、蛍光発光特性に基づいて試料を分析するように構成されている分析機器１－１００は、異なる蛍光分子の間の蛍光寿命及び／もしくは強度の差、ならびに／又は、異なる環境における同じ蛍光分子の寿命及び／もしくは強度の間の差を検出することができる。説明として、図１－７は、例えば、２つの異なる蛍光分子からの蛍光発光を表すことができる、２つの異なる蛍光発光確率曲線（Ａ及びＢ）をプロットしている。曲線Ａ（破線）を参照すると、短パルス又は超短光パルスによって励起された後、第１の分子からの蛍光発光の確率ｐＡ（ｔ）は、示されているように、時間とともに減衰し得る。いくつかの事例において、経時的な光子が放出される確率の低減は、指数減衰関数ｐＡ（ｔ）＝ＰＡ０ｅ－ｔ／τＡによって表すことができ、式中、ＰＡ０は初期発光確率であり、τＡは、発光減衰確率を特性化する、第１の蛍光分子と関連付けられる時間パラメータである。τＡは、第１の蛍光分子の「蛍光寿命」、「発光寿命」、または「寿命」と呼ぶことができる。いくつかの事例において、τＡの値は、蛍光分子のローカル環境によって変更されてもよい。他の蛍光分子は、曲線Ａに示すものとは異なる発光特性を有し得る。例えば、別の蛍光分子は、単一の指数関数的減衰とは異なる減衰プロファイルを有する場合があり、その寿命は、半減期値又は何らかの他の測定基準によって特性化することができる。
第２の蛍光分子は、図１－７の曲線Ｂについて示すように、指数関数的ではあるが、測定可能に異なる寿命τＢを有する減衰プロファイルを有し得る。図示されている例において、曲線Ｂの第２の蛍光分子の寿命は曲線Ａの寿命よりも短く、発光の確率は、第２の分子の励起直後では、曲線Ａよりも高い。いくつかの実施形態において、種々の蛍光分子は、約０．１ｎｓ～約２０ｎｓに及ぶ範囲の寿命又は半減期値を有し得る。
本発明者らは、異なる蛍光分子が異なる構成のＡＭレーザパルス列に対して異なる応答をすることを評価し、認識した。これに基づいて、本発明者らは、これらの異なる応答特性を使用して、異なる蛍光分子の存在または非存在を識別すること、および／または蛍光分子がさらされる異なる環境または条件を識別することができることをさらに評価し、認識した。例えば、反応室に４つの異なる可能性のある蛍光物質のうちの１つが含まれ、蛍光物質の各々が異なるＡＭレーザパルス列構成に応答して最も強く蛍光を発することが分かっている場合、４つの異なるＡＭレーザパルス列構成の全てをテストして応答を測定することによって、反応室内にどの物質が存在しているかを決定することができる。この手法を図９に示す。ステップ９０１において、どの蛍光物質が探索されるべきかを示す入力が受信される。ステップ９０２において、レーザパラメータ（上記のものを含むが、これらに限定されない）が、標的物質に蛍光を発生させるＡＭレーザパルス列を生成する既知のセットの値に調整される。ステップ９０３において、レーザパルス列が生成される。次に、関心のある異なる物質に対して異なるパルス列を生成するために、この方法が繰り返される。パラメータの調整は、アルゴリズムを使用して異なる物質に最適なレーザパラメータを決定し、その後、例えば、レーザ電流源を制御する制御信号を調整することによって、レーザパラメータを自動的に調整するコンピュータによって実現することができる。

Claims (54)

  1. モードロックレーザであって、
    少なくとも１つのレーザダイオードと、
    少なくとも１つの利得媒体を含む少なくとも１つのレーザキャビティと、を備え、
    レーザの出力は、変調された振幅を有するレーザパルス列を生成するように設定される、モードロックレーザ。
  2. 前記レーザパルス列におけるレーザパルスの振幅は、実質的に周期的に変調され、その結果、周期的に変調されたレーザパルス列が得られる、請求項１に記載のモードロックレーザ。
  3. 前記周期的に変調されたレーザパルス列の１つまたは複数のパラメータは、
    前記レーザパルス列が印加される１つまたは複数の色素の蛍光収率の向上、または
    色素の飽和特性の向上のいずれかまたは両方を実現するために選択され、色素の飽和特性の向上により、色素の寿命が延び、標的分子に影響を与える可能性があるフリーラジカルなどのホスト種の発生が低減し、
    前記１つまたは複数のパラメータは、ピーク振幅、変調形状、前記レーザパルス列におけるパルスの繰り返し率、レーザ波長、レーザによって放射される光における光子エネルギー、パルスデューティサイクル、パルス幅、および変調デューティサイクルを含む、請求項２に記載のモードロックレーザ。
  4. 前記変調形状は、正方形状、三角形状、正弦波形状、およびパルス立ち上がり時間、パルス立ち下がり時間、およびパルスデューティサイクルが変化する任意の形状を含む１組の形状から選択される、請求項３に記載のモードロックレーザ。
  5. レーザパルス振幅の変調が、前記レーザダイオードに印加される電流の変調によって生成される、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のモードロックレーザ。
  6. レーザパルスの変調を少なくとも部分的に生成する、前記レーザキャビティの外部にある音響光学変調器をさらに備える、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のモードロックレーザ。
  7. レーザパルスの変調を少なくとも部分的に生成する、前記レーザキャビティの外部にある電気光学変調器をさらに備える、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のモードロックレーザ。
  8. レーザパルスの変調を少なくとも部分的に生成する、前記レーザキャビティの外部にある機械式光チョッパーをさらに備える、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のモードロックレーザ。
  9. レーザパルスの変調を少なくとも部分的に生成する、前記レーザキャビティの外部にあるパルスピッカーをさらに備える、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のモードロックレーザ。
  10. パルスの変調を少なくとも部分的に生成する、前記レーザキャビティ内にある音響光学変調器をさらに備える、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のモードロックレーザ。
  11. パルスの変調を少なくとも部分的に生成する、前記レーザキャビティ内にある電気光学変調器をさらに備える、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のモードロックレーザ。
  12. パルスの変調を少なくとも部分的に生成する、前記レーザキャビティ内にある機械式光チョッパーをさらに備える、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のモードロックレーザ。
  13. パルスの変調を少なくとも部分的に生成する、前記レーザキャビティ内にあるパルスピッカーをさらに備える、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のモードロックレーザ。
  14. 利得結晶は、バナジン酸ネオジム（Ｎｄ３＋：ＹＶＯ４）、バナジン酸塩、及びホスト物質のリストから選択された物質を含む、請求項１乃至１３のいずれか一項に記載のモードロックレーザ。
  15. 前記レーザキャビティの端部でプレートに取り付けられた可飽和吸収体ミラーをさらに備え、前記プレートは、前記可飽和吸収体ミラーに入射する前記レーザキャビティのキャビティ内ビームの光軸に対する角度調整を含まない２つの自由度のみで調整されるように構成される、請求項１乃至１４のいずれか一項に記載のモードロックレーザ。
  16. 前記利得媒体内のキャビティ内ビームの第１のビームウェストは１００ミクロンと１５０ミクロンとの間であり、可飽和吸収体ミラーにおける前記キャビティ内ビームの第２のビームウェストは７５ミクロンと１２５ミクロンとの間である、請求項１乃至１５のいずれか一項に記載のモードロックレーザ。
  17. 前記レーザキャビティ内に配置された第１の集束光学系と、
    前記レーザキャビティ内に配置されたレーザ窓または光学平面と、をさらに備え、前記第１の集束光学系および前記レーザ窓または前記光学平面は、前記レーザ窓または前記光学平面を回転させることによって可飽和吸収体ミラー上のキャビティ内ビームの入射角を調整するように配置される、請求項１乃至１６のいずれか一項に記載のモードロックレーザ。
  18. 前記利得媒体と前記可飽和吸収体ミラーとの間の前記レーザキャビティ内に配置されたキャビティ長延長領域をさらに備え、前記キャビティ長延長領域は、前記キャビティ内ビームを少なくとも４回折り返す、請求項１５乃至１７のいずれか一項に記載のモードロックレーザ。
  19. 前記キャビティ長延長領域は、
    第１の反射器と、
    前記可飽和吸収体ミラーと前記利得媒体との間に配置された第２の集束反射器と、を含み、前記第１の反射器および前記第２の集束反射器は、前記キャビティ内ビームを連続反射で３回折り返す、請求項１８に記載のモードロックレーザ。
  20. 前記キャビティ長延長領域は、前記キャビティ内ビームを複数回折り返す第１の反射器を含む、請求項１８乃至１９のいずれか一項に記載のモードロックレーザ。
  21. 前記レーザキャビティの第１の端部に配置された出力カプラと、
    前記レーザキャビティの第２の端部に配置された可飽和吸収体ミラーと、
    前記利得媒体と前記可飽和吸収体ミラーとの間の前記レーザキャビティ内に配置された第１の集束光学系と、
    前記第１の集束光学系と前記可飽和吸収体ミラーとの間の前記レーザキャビティ内に配置された第２の集束光学系と、をさらに備える、請求項１乃至１４のいずれか一項に記載のモードロックレーザ。
  22. 前記第１の集束光学系と前記第２の集束光学系との間のキャビティ内ビームは、本質的にコリメートされている、請求項２１に記載のモードロックレーザ。
  23. 前記第１の集束光学系の焦点距離は２４０ｍｍと２６０ｍｍとの間であり、前記第２の集束光学系の焦点距離は２４０ｍｍと２６０ｍｍとの間である、請求項２１に記載のモードロックレーザ。
  24. 前記出力カプラが前記第１の集束光学系を起点として２８０ｍｍと３００ｍｍとの間に配置され、前記利得媒体が前記出力カプラから４ｍｍと８ｍｍとの間に配置されている、請求項２３に記載のモードロックレーザ。
  25. 前記レーザキャビティ内に配置された唯一の１つのミラーをさらに備え、前記１つのミラーは、前記モードロックレーザが動作している間に前記１つのミラーの角度調整を備える、請求項１乃至２４のいずれか一項に記載のモードロックレーザ。
  26. シャーシに取り付けられ、前記レーザキャビティからの出力ビームの周波数を２倍にするように構成された周波数倍増結晶をさらに備える、請求項１乃至２５のいずれか一項に記載のモードロックレーザ。
  27. プロセッサによる実行時に、前記プロセッサにモードロックレーザを制御させる命令を格納したコンピュータ可読媒体であって、レーザは、
    少なくとも１つのレーザダイオードと、
    少なくとも１つの利得媒体を含む少なくとも１つのレーザキャビティと、
    少なくとも１つの反射器と、
    前記レーザキャビティの第１の端部に配置された少なくとも１つのアウト出力カプラと、を備え、前記命令は、コンピュータに、前記レーザが変調された振幅を有するレーザパルス列を生成することを行わせ、前記レーザパルス列におけるレーザパルスの振幅は、実質的に周期的に変調され、その結果、周期的に変調されたレーザパルス列が得られる、命令を格納したコンピュータ可読媒体。
  28. 前記命令は、実行時に、前記プロセッサに
    前記レーザダイオードに印加される電流量を制御すること、
    前記レーザダイオードに印加される電流量を変調することによって、レーザパルスのパワーの振幅を変調させること、をさらに行わせる、請求項２７に記載の命令を格納したコンピュータ可読媒体。
  29. 前記命令は、実行時に、前記プロセッサに
    前記レーザパルス列が印加される１つまたは複数の色素の蛍光収率を向上させるために、前記レーザパルス列のパラメータを調整することを行わせる、請求項２７乃至２８のいずれか一項に記載の命令を格納したコンピュータ可読媒体。
  30. 前記レーザパルス列のパラメータは、ピーク振幅、変調形状、前記レーザパルス列におけるパルスの繰り返し率、レーザ波長、レーザによって放射される光における光子エネルギー、パルスデューティサイクル、パルス幅、および変調デューティサイクルを含む、請求項２７乃至２９のいずれか一項に記載の命令を格納したコンピュータ可読媒体。
  31. 変調形状は、正方形状、三角形状、正弦波形状、およびパルス立ち上がり時間、パルス立ち下がり時間およびパルスデューティサイクルが変化する任意の形状を含む１組の形状から選択される、請求項２７乃至３０のいずれか一項に記載の命令を格納したコンピュータ可読媒体。
  32. 前記命令は、実行時に、前記プロセッサに
    前記レーザパルス列が印加される物質または物質の混合物を示す入力を受信すること、
    パルス列が印加されたときに、示された物質または物質の混合物の蛍光を最適化するために、前記レーザパルス列のパラメータを調整することを行わせる、請求項２７乃至３１のいずれか一項に記載の命令を格納したコンピュータ可読媒体。
  33. モードロックレーザを動作させる方法であって、レーザは、
    少なくとも１つのレーザダイオードと、
    少なくとも１つの利得媒体を含む少なくとも１つのレーザキャビティと、
    少なくとも１つの反射器と、
    前記レーザキャビティの第１の端部に配置された少なくとも１つのアウト出力カプラと、を備え、
    前記方法は、
    振幅が実質的に周期的に変調するレーザパルス列を生成すること、
    前記レーザパルス列を蛍光色素または蛍光色素の組み合わせに印加すること、を含む、方法。
  34. レーザパルスの振幅の変調は、前記レーザダイオードに印加される電流を変化させることによって実現される、請求項３３に記載の方法。
  35. 前記レーザパルス列のパラメータは、ピーク振幅、変調形状、前記レーザパルス列におけるパルスの繰り返し率、レーザ波長、レーザによって放射される光における光子エネルギー、パルスデューティサイクル、パルス幅、および変調デューティサイクルを含む、請求項３３乃至３４のいずれか一項に記載の方法。
  36. 変調形状は、正方形状、三角形状、正弦波形状、およびパルス立ち上がり時間、パルス立ち下がり時間、およびパルスデューティサイクルが変化する任意の形状を含む１組の形状から選択される、請求項３３乃至３５のいずれか一項に記載の方法。
  37. 前記レーザパルス列が印加される色素または色素の混合物の指示を受信すること、
    パルス列が印加されたときに、指示された物質または物質の混合物の蛍光を最適化するために、受信した指示に基づいて前記レーザパルス列のパラメータを調整すること、を含む、請求項３３乃至３６のいずれか一項に記載の方法。
  38. レーザパルスが、単一分子または少数の分子の蛍光色素を励起するために使用される、請求項１乃至２６のいずれか一項に記載のモードロックレーザ。
  39. 前記命令は、実行時に、前記プロセッサに、前記レーザが単一分子または少数の分子の蛍光色素を励起させることを行わせる、請求項２７に記載の命令を格納したコンピュータ可読媒体。
  40. 前記レーザパルス列を使用して、単一分子または少数の分子の蛍光色素を励起することをさらに含む、請求項３３乃至３６のいずれか一項に記載の方法。
  41. 色素の飽和特性を向上させるために前記レーザパルス列のパラメータを選択することをさらに含み、色素の飽和特性を向上により、色素の寿命が延び、標的分子に影響を与える可能性があるフリーラジカルなどのホスト種の生成が低減する、請求項３３乃至３６のいずれか一項に記載の方法。
  42. 利得スイッチレーザであって、
    少なくとも１つの利得媒体を含む少なくとも１つのレーザキャビティを備え、
    レーザの出力は、異なる色励起のインターリーブされたレーザパルス列を生成するように設定されている、利得スイッチレーザ。
  43. レーザパルスの変調を少なくとも部分的に生成する、前記レーザキャビティの外部にある光変調器をさらに備え、前記光変調器は、光チョッパー、電気光学変調器、音響光学変調器の組から選択される、請求項４２に記載の利得スイッチレーザ。
  44. 前記利得媒体を励起するための利得スイッチレーザパルスを生成する１つまたは複数のダイオードをさらに備える、請求項４２に記載の利得スイッチレーザ。
  45. 変調は、前記１つまたは複数のダイオードから前記利得スイッチレーザパルスを生成する前記１つまたは複数の電流パルスとともに１つまたは複数の追加の変調信号を導入する１つまたは複数の電気信号によって生成される、請求項４４に記載の利得スイッチレーザ。
  46. 請求項４２乃至４５のいずれか一項に記載の利得スイッチレーザを使用する方法であって、
    レーザパルス列を蛍光色素に印加すること、
    前記レーザパルス列におけるパルスの異なる色励起での色素の相対吸収を調べることによって、色素を識別すること、を含む方法。
  47. 色素の量が、単一分子から少数の分子の範囲である、請求項４６に記載の方法。
  48. 前記１つまたは複数のダイオードから前記利得スイッチレーザパルスを生成する前記１つまたは複数の電流パルスのクロック位相は、独立して直接制御される、請求項４４乃至４５のいずれか一項に記載の利得スイッチレーザ。
  49. 請求項４８に記載の利得スイッチレーザを使用する方法であって、
    レーザパルス列を蛍光色素に印加すること、
    光子検出器アレイを使用して色素の蛍光によって生成される光子を検出すること、
    １つまたは複数の電流パルスのクロック位相を使用して、スキューおよび伝搬時間を考慮して、検出器アレイを構成すること、を含む方法。
  50. 光子検出器アレイは大型である、請求項４９に記載の方法。
  51. 色素の量が、単一分子から少数の分子の範囲である、請求項４９乃至５０のいずれか一項に記載の方法。
  52. 超短レーザパルスを有する振幅変調レーザパルス列を生成するレーザ光源。
  53. パルス列が、１００ピコ秒以下のパルス持続時間と、振幅が変化する個々のパルスとを有する、請求項５２に記載のレーザ光源。
  54. 方法であって、
    レーザ光源を使用して、１００ピコ秒以下のパルス幅と、振幅が変化する個々のパルスとを有する振幅変調パルス列を生成することを含む方法。
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