KR20180009772A - 펄스 레이저 및 바이오분석 시스템 - Google Patents

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KR20180009772A
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pulse
pulses
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조나단 엠. 로스버그
제이슨 더블유. 시클러
로렌스 씨. 웨스트
파이살 아마드
폴 이. 글렌
잭 제웰
존 글렌
호세 카마라
제레미 크리스토퍼 조단
토드 레아릭
파시드 가세미
조나단 씨. 슐츠
키쓰 지. 피프
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퀀텀-에스아이 인코포레이티드
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Abstract

극초단 광학 펄스들(1-110)을 생성하기 위한 장치들 및 방법들이 설명되어 있다. 고파워, 고체, 수동 모드 동기 레이저(1-110)가 생물학적 또는 화학적 분석들을 위해 휴대용 기기 내에 통합될 수 있는 컴팩트한 모듈로 제조될 수 있다. 펄스 레이저는 전자 데이터 취득률(electronic data-acquisition rate)들에 상응하는 반복 레이트로 100 ps 이하의 광학 펄스들을 생성할 수 있다. 광학 펄스들은 기기의 반응 챔버들 내의 샘플들을 여기시킬 수 있고, 기기의 신호 취득 및 신호 처리 전자장치들을 작동시키기 위한 기준 클록을 생성하는 데 사용될 수 있다.

Description

펄스 레이저 및 바이오분석 시스템
관련 출원들의 상호 참조
본 출원은 2015년 5월 20일자로 출원된, 발명의 명칭이 "Pulsed Laser"인 미국 가출원 제62/164,485호, 2016년 3월 18일자로 출원된, 발명의 명칭이 "Pulsed Laser and System"인 미국 가출원 제62/310,398호, 2015년 8월 7일자로 출원된, 발명의 명칭이 "Integrated Device for Temporal Binning of Received Photons"인 미국 출원 제14/821,656호, 2015년 8월 7일자로 출원된, 발명의 명칭이 "Integrated Device for Probing, Detecting and Analyzing Molecules"인 미국 출원 제14/821,688호, 2015년 5월 20일자로 출원된, 발명의 명칭이 "Methods for Nucleic Acid Sequencing"인 미국 가출원 제62/164,482호, 및 2016년 1월 29일자로 출원된, 발명의 명칭이 "Friction-Drive Electromechanical Motor"인 미국 가출원 제62/289,019호를 우선권 주장한다. 이 출원들 각각은 이로써 참조에 의해 그 전체가 원용된다.
본 출원은 광학 펄스들을 생성하기 위한 장치들 및 방법들과 화학적 및 생물학적 시료들을 분석하는 데 광학 펄스들을 사용하기 위한 계측장비(instrumentation)에 관한 것이다.
극초단 광학 펄스들(즉, 약 100 피코초 미만의 광학 펄스들)은 다양한 연구 개발 분야들은 물론, 시간 영역 분석들을 수반하는 상업적 적용분야들에서 유용하다. 예를 들어, 극초단 광학 펄스들은 시간 영역 분광법, 광학적 거리측정(optical ranging), TDI(time-domain imaging), OCT(optical coherence tomography), FLI(fluorescent lifetime imaging), 및 유전자 시퀀싱(genetic sequencing)을 위한 수명 분해 형광 검출(lifetime-resolved fluorescent detection)에 유용할 수 있다. 극초단 펄스들은 또한 광학 통신 시스템들, 의료 적용분야들, 및 광전자 디바이스들의 테스트를 비롯한 상업적 적용분야들에 유용할 수 있다.
종래의 모드 동기 레이저(mode-locked laser)들은 극초단 광학 펄스들을 생성하기 위해 개발되어 왔고, 각종의 이러한 레이저들이 현재 상업적으로 이용가능하다. 예를 들어, 일부 고체 레이저(solid-state laser)들 및 파이버 레이저(fiber laser)들은 200 펨토초보다 많이 낮은 지속시간들을 갖는 펄스들을 전달하기 위해 개발되었다. 그렇지만, 일부 적용분야들에서, 이 펄스 지속시간들은 필요한 것보다 더 짧을 수 있으며, 특정 적용분야들에 대한 이 레이징 시스템(lasing system)들의 비용은 엄청나게 높을 수 있다. 그에 부가하여, 이 레이징 시스템들은, 상당한 크기의 풋프린트(예컨대, 1 ft2 이상 정도)를 가지는 독립형 시스템일 수 있으며, 용이하게 휴대가능하지 않거나 다른 휴대용 시스템들 내에 모듈로서 통합되지 않는다.
본원에서 설명되는 기술은 극초단 광학 펄스들을 생성하기 위한 장치들 및 방법들에 관한 것이다. 100 피코초 이하의 펄스(sub-100-picosecond pulse)들을 ~ 100 MHz 펄스 반복 레이트(pulse-repetition rate)들로 생성할 수 있는 컴팩트한 저가의 레이저로서 구현될 수 있는 모드 동기 레이저 시스템이 설명된다. 광학 펄스들이 화학적 또는 바이오분석 시스템의 반응 챔버들에 전달될 수 있다. 레이저로부터의 광학 펄스들은 전자적으로 검출될 수 있고, 그 신호가 시스템의 데이터 취득 전자장치들(data-acquisition electronics)을 동기화 및 구동하는 전자 클록 신호를 생성하기 위해 처리된다. 본 발명자들은 컴팩트한 저가의 펄스 레이저 시스템이 계측장비(예컨대, TOF(time-of-flight) 이미징 기기들, 수명 분해 형광 검출을 이용하는 바이오분석 기기들, 유전자 시퀀싱 기기들, OCT(optical coherence tomography) 기기들 등) 내에 통합될 수 있고, 이러한 계측장비가 용이하게 휴대가능하고 극초단 펄스 레이저를 요구하는 종래의 계측장비에 대한 경우보다 상당히 더 낮은 비용으로 생산될 수 있게 해줄 수 있다는 것을 인식하고 알았다. 높은 휴대성은 이러한 기기들이 연구, 개발, 임상적 사용(clinical use), 현장 배치(field deployment), 및 상업적 적용분야들에 보다 유용하게 되도록 할 수 있다.
일부 실시예들은 350 mm 이하의 최대 에지 길이를 갖는 베이스 플레이트(base plate), 베이스 플레이트 상에 장착된 이득 매질(gain medium), 레이저 캐비티(laser cavity)의 제1 단부에 위치된, 베이스 플레이트 상에 장착된 제1 단부 미러, 및 베이스 플레이트 상에 장착되고 레이저 캐비티에 대한 제2 단부 미러를 형성하는 포화성 흡수체 미러(saturable-absorber mirror)를 포함하는 모드 동기 레이저(mode-locked laser)에 관한 것이며, 여기서 모드 동기 레이저는 50 MHz 내지 200 MHz의 반복 레이트로 수동 모드 동기(passive mode locking)에 의해 광학 펄스들을 생성하도록 구성된다
일부 실시예들은 DNA를 시퀀싱하는 방법에 관한 것이다. 본 방법은 단일 특성 파장(characteristic wavelength)의 펄스 여기 에너지(pulsed excitation energy)를 생성하는 단계, 펄스 여기 에너지를 바이오 광전자 칩(bio-optoelectronic chip) 쪽으로 지향시키는 단계 - 바이오 광전자 칩은 표적 핵산(target nucleic acid)에 상보적인 성장 가닥(growing strand) 내로의 뉴클레오티드(nucleotide)들 또는 뉴클레오티드 유사체(nucleotide analog)들의 순차적 혼입을 지원함 -, 단일 특성 파장의 펄스 여기 에너지에 의해 유도(induce)된 형광 방출을 나타내는 신호들을 수신하는 단계 - 신호들은 성장 가닥 내로의 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들의 순차적 혼입에 대응함 -, 및 성장 가닥 내로 혼입된 4개의 상이한 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들의 상동성(identity)을 결정하기 위해 수신된 신호들을 처리하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 실시예들은 단일 특성 파장의 광학 여기 펄스들을 생성하도록 구성된 펄스 레이저 시스템(pulsed laser system), 바이오 광전자 칩을 수납하고 바이오 광전자 칩과의 전기적 연결들 및 광학 커플링을 이루게 하는 리셉터클(receptacle) - 바이오 광전자 칩은 표적 핵산에 상보적인 성장 가닥 내로의 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들의 순차적 혼입을 지원함 -, 여기 펄스들을 리셉터클 쪽으로 지향시키도록 배열된 빔 스티어링 광학계(beam-steering optic)들, 및 단일 특성 파장의 여기 펄스들에 의해 유도된 형광 방출을 나타내는 신호들을 수신하고, 성장 가닥 내로 혼입된 4개의 상이한 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들의 상동성을 결정하기 위해, 수신된 신호들을 처리하도록 구성된 신호 프로세서 - 수신된 신호들은 성장 가닥 내로의 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들의 순차적 혼입에 대응함 - 를 포함하는 바이오분석 기기에 관한 것이다.
일부 실시예들은 단일 특성 파장의 펄스 여기 에너지를 생성하도록 구성된 레이저, 및 전자 또는 전기기계 발진기로부터의 제1 클록 신호를 레이저로부터의 광학 펄스들의 검출로부터 생성된 제2 클록 신호에 동기화시키고, 바이오분석 기기에 의한 데이터 취득을 타이밍 조절하기 위해 동기화된 제1 클록 신호를 제공하도록 구성된 클록 생성 회로를 포함하는 바이오분석 기기에 관한 것이다.
일부 실시예들은 펄스 레이저, 연속파 레이저, 제1 비선형 광학 요소, 및 제2 비선형 광학 요소를 포함하는 시스템에 관한 것이며, 여기서 시스템은 제1 비선형 광학 요소로부터 생성된 제1 특성 파장의 제1 펄스 트레인(pulse train) 및 제2 비선형 광학 요소로부터 제2 특성 파장의 제2 펄스 트레인을 생성하도록 구성된다.
일부 실시예들은 동기화된 광학 펄스들을 제공하는 방법에 관한 것이다. 본 방법은 제1 특성 파장에서 펄스 레이저를 작동시키는 단계, 제2 특성 파장에서 연속파 레이저를 작동시키는 단계, 펄스 레이저로부터의 제1 펄스 트레인을 연속파 레이저의 레이저 캐비티 내로 커플링시키는 단계, 및 연속파 레이저의 레이저 캐비티에서 제3 특성 파장의 제2 펄스 트레인을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 실시예들은 제1 펄스 레이저, 제2 펄스 레이저, 제1 비선형 광학 요소, 및 제2 비선형 광학 요소를 포함하는 시스템에 관한 것이고, 여기서 시스템은 제1 비선형 광학 요소로부터 생성된 제1 특성 파장의 제1 펄스 트레인 및 제2 비선형 광학 요소로부터 합-주파수 생성(sum-frequency generation)에 의해 제2 특성 파장의 제2 펄스 트레인을 생성하도록 구성된다.
일부 실시예들은 동기화된 광학 펄스들을 제공하는 방법에 관한 것이다. 본 방법은 제1 특성 파장에서 제1 펄스 레이저를 작동시키는 단계, 제2 특성 파장에서 제2 펄스 레이저를 작동시키는 단계, 제1 펄스 레이저를 제2 펄스 레이저에 동기화시키는 단계, 제3 특성 파장의 제1 펄스 트레인을 생성하기 위해 제1 펄스 레이저로부터의 펄스들을 주파수 배가(frequency doubling)시키는 단계, 제1 펄스 레이저 및 제2 펄스 레이저로부터의 펄스들을 비선형 광학 요소 내로 커플링시키는 단계, 및 합-주파수 생성에 의해, 제4 특성 파장의 제2 펄스 트레인을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 실시예들은 제1 펄스 레이저, 및 캐비티내 포화성 흡수체 미러(intracavity saturable absorber mirror)를 포함하는 제2 펄스 레이저를 포함하는 시스템에 관한 것이고, 여기서 시스템은 제1 펄스 레이저로부터의 펄스들을 제2 펄스 레이저의 포화성 흡수체 미러 상으로 지향시키도록 구성된다.
일부 실시예들은 2개의 레이저들을 모드 동기시키는 방법에 관한 것이다. 본 방법은 제1 특성 파장에서 제1 펄스 레이저를 작동시키는 단계, 및 제1 펄스 레이저로부터의 펄스 트레인을 제2 펄스 레이저의 레이저 캐비티 내의 포화성 흡수체 미러 상으로 커플링시키는 단계를 포함할 수 있다.
일부 실시예들은 제1 특성 파장을 갖는 펄스들을 제1 반복 레이트로 생성하도록 구성된, 제1 레이저 캐비티를 갖는 제1 모드 동기 레이저, 연속파 방사(continuous-wave radiation)를 생성하도록 구성된, 제2 레이저 캐비티를 갖는 제2 레이저, 제2 레이저 캐비티 내의 비선형 광학 요소, 및 제1 모드 동기 레이저로부터의 출력을 비선형 광학 요소 내로 지향시키는 광학 요소들을 포함하는 펄스 레이저 시스템에 관한 것이다.
일부 실시예들은 다수의 특성 파장들의 광학 펄스들을 생성하는 방법에 관한 것이다. 본 방법은 제1 레이저 캐비티를 갖는 제1 모드 동기 레이저에서 제1 특성 파장들의 광학 펄스들을 생성하는 단계, 연속파 모드에서 제2 특성 파장들에서 제2 레이저 캐비티를 갖는 제2 레이저를 작동시키는 단계, 제1 모드 동기 레이저로부터의 펄스들을 제2 레이저 캐비티 내의 비선형 광학 요소 내로 주입시키는 단계, 및 비선형 광학 요소에서 제3 특성 파장들의 광학 펄스들을, 합-주파수 생성에 의해, 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 실시예들은 베이스 구조체(base structure), 베이스 구조체 내에 장착된 다이오드 펌프 소스(diode pump source), 및 이득 매질을 포함하고 광학 펄스들을 생성하도록 구성된 베이스 구조체 내의 레이저 캐비티 - 다이오드 펌프 소스 및 이득 매질 각각은 베이스 구조체로부터 부분적으로 열적으로 그리고 기계적으로 격리된 플랫폼 상에 장착됨 - 를 포함하는 펄스 레이저에 관한 것이다.
본 교시내용의 전술한 및 다른 양태들, 구현들, 단계들, 기능들, 특징들, 및 실시예들은 첨부 도면들과 함께 이하의 설명으로부터 보다 완전히 이해될 수 있다.
통상의 기술자는 본원에 설명된 도면들이 예시를 위한 것에 불과하다는 것을 이해할 것이다. 일부 경우들에서, 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위해 본 발명의 다양한 양태들이 과장 또는 확대되어 도시되어 있을 수 있다는 것을 잘 알 것이다. 도면들에서, 유사한 참조 문자들은 일반적으로 다양한 도면들 전반에 걸쳐 유사한 특징들, 기능적으로 유사한 및/또는 구조적으로 유사한 요소들을 지칭한다. 도면들이 꼭 일정 축척으로 되어 있는 것은 아니며, 그 대신에 교시내용의 원리들을 설명하는 것에 중점을 두고 있다. 도면들이 결코 본 교시내용의 범주를 한정하는 것으로 의도되어 있지 않다.
도 1aa는 일부 실시예들에 따른, 분석 기기를 도시한 블록도.
도 1ab는 일부 실시예들에 따른, 분석 기기 내에 통합된 펄스 레이저를 도시한 도면.
도 1b는 일부 실시예들에 따른, 광학 펄스들의 트레인을 도시한 도면.
도 1c는 일부 실시예들에 따른, 각각의 챔버에 대한 하나 이상의 도파관들 및 대응하는 검출기들을 통해 펄스 레이저에 의해 광학적으로 여기될 수 있는 병렬 반응 챔버(parallel reaction chamber)들의 일 예를 도시한 도면.
도 1d는 일부 실시예들에 따른, 도파관으로부터의 반응 챔버의 광학 여기를 예시한 도면.
도 1e는 일부 실시예들에 따른, 집적된 반응 챔버, 광학 도파관, 및 시간-비닝 광검출기(time-binning photodetector)의 추가 상세들을 도시한 도면.
도 1f는 일부 실시예들에 따른, 반응 챔버 내에서 일어날 수 있는 생물학적 반응의 일 예를 도시한 도면.
도 1g는 상이한 감쇠 특성들을 갖는 2개의 상이한 형광단들에 대한 방출 확률 곡선들을 도시한 도면.
도 1h는 일부 실시예들에 따른, 형광 방출의 시간-비닝 검출을 도시한 도면.
도 1i는 일부 실시예들에 따른, 시간-비닝 광검출기를 도시한 도면.
도 1ja는 일부 실시예들에 따른, 펄스 여기(pulsed excitation) 및 샘플로부터의 형광 방출의 시간-비닝 검출(time-binned detection)을 도시한 도면.
도 1jb는 일부 실시예들에 따른, 샘플의 반복된 펄스 여기(repeated pulsed excitation) 이후의 다양한 시간 빈(time bin)들에서의 누적된 형광 광자 카운트들의 히스토그램을 도시한 도면.
도 1ka 내지 도 1kd는 일부 실시예들에 따른, 4개의 뉴클레오티드들(T, A, C, G) 또는 뉴클레오티드 유사체들에 대응할 수 있는 상이한 히스토그램들을 도시한 도면.
도 2aa는 일부 실시예들에 따른, 펄스 레이저 시스템을 도시한 도면.
도 2ab는 일부 실시예들에 따른, 휴대용 기기 내에 통합된 펄스 레이저 시스템을 도시한 도면.
도 2ba는 일부 실시예들에 따른, 집적된 광학 마운트(integrated optical mount)를 도시한 도면.
도 2bb는 일부 실시예들에 따른, 집적된 광학 마운트에 장착된 광학계를 도시한 도면.
도 3a는 일부 실시예들에 따른, 다이오드 펌핑, 고체, 모드 동기 레이저(diode-pumped, solid-state, mode-locked laser)를 도시한 도면.
도 3ba 내지 도 3bd는 일부 구현들에 따른, 레이저 캐비티의 일부로서 통합될 수 있는 광학 경로 길이 익스텐더(optical-path-length extender)들의 다양한 실시예들을 도시한 도면.
도 3ca는 일부 실시예들에 따른, 주파수 배가(frequency doubling)가 레이저 캐비티 외부에서 있는, 다이오드 펌핑, 고체, 모드 동기 레이저를 도시한 도면.
도 3cb는 일부 실시예들에 따른, 다이오드 펌핑, 고체, 비선형 미러 모드 동기 레이저(diode-pumped, solid-state, nonlinear-mirror mode-locked laser)를 도시한 도면.
도 3cc는 일부 실시예들에 따른, 다이오드 펌핑, 고체, 다중 파장, 모드 동기 레이저(diode-pumped, solid-state, multi-wavelength, mode-locked laser)를 도시한 도면.
도 3da는 일부 구현들에 따른, 포화성 흡수체 미러의 일부분을 도시한 도면.
도 3db는 일부 실시예들에 따른, 도 3da의 포화성 흡수체 미러에 대한 밴드 갭 다이어그램을 도시한 도면.
도 3dc는 일부 실시예들에 따른, 포화성 흡수체 미러 내의 양자 웰 흡수체들의 위치들에서의 강도 프로파일들을 예시한 도면.
도 3ea는 일부 실시예들에 따른, 다중 파장, 모드 동기 레이저(multi-wavelength, mode-locked laser)에 대한 출력 커플러를 도시한 도면.
도 3eb는 일부 실시예들에 따른, 다중 파장, 모드 동기 레이저에 대한 출력 커플러를 도시한 도면.
도 3f는 일부 실시예들에 따른, 컴팩트한 모드 동기 레이저에서 사용될 수 있는 이득 매질 또는 다른 고파워(high-power) 광학 컴포넌트를 위한 마운트를 예시한 도면.
도 3ga는 일부 실시예들에 따른, 컴팩트한 모드 동기 레이저에서 사용될 수 있는 이득 매질 또는 다른 고파워 광학 시스템을 장착하기 위한 플랫폼을, 평면도로, 도시한 도면.
도 3gb 및 도 3gc는 일부 실시예들에 따른, 도 3ga에 예시된 플랫폼의 입면도들을 도시한 도면.
도 3ha는 일부 실시예들에 따른, 하나의 레이저가 연속파 모드에서 작동하는, 2개의 파장들의 동기화된 펄스 트레인들을 생성하기 위한 2-레이저 시스템(two-laser system)을 도시한 도면.
도 3hb는 일부 실시예들에 따른, 하나의 레이저가 연속파 모드에서 작동하는, 2개의 파장들의 동기화된 펄스 트레인들을 생성하기 위한 2-레이저 시스템을 도시한 도면.
도 3i는 일부 실시예들에 따른, 하나의 레이저가 제2 레이저의 포화성 흡수체를 부분적으로 표백(bleach)시키는, 2개의 파장들의 동기화된 펄스 트레인들을 생성하기 위한 2-레이저 시스템을 도시한 도면.
도 3j는 일부 실시예들에 따른, 동기화된 레이저 시스템에서 레이저 캐비티 길이를 제어하기 위한 전기기계 제어 회로를 도시한 도면.
도 4a 및 도 4b는 일부 실시예들에 따른, 모드 동기, 레이저 다이오드(mode-locked, laser diode)들을 도시한 도면.
도 4c는 일부 구현들에 따른, 한 길이의 광학 파이버를 광학 지연 요소로서 포함하는 모드 동기, 레이저 다이오드를 도시한 도면.
도 5a 내지 도 5c는 일부 실시예들에 따른, 모드 동기 파이버 레이저들을 도시한 도면.
도 6aa는 일부 실시예에 따른, 이득 스위칭을 위한 광학 펌프 및 출력 펄스들을 도시한 도면.
도 6ab는 일부 실시예들에 따른, 완화 진동(relaxation oscillation)들을 도시한 도면.
도 6ac는 일부 실시예들에 따른, 테일(tail)을 나타내는 광학 출력 펄스를 도시한 도면.
도 6ba는 일부 실시예들에 따른, 펄스 반도체 레이저 다이오드(pulsed semiconductor laser diode)를 도시한 도면.
도 6bb는 일 실시예에 따른, 레이저 다이오드 또는 발광 다이오드를 펄싱(pulsing)하기 위한 펄서 회로도(pulser circuit schematic)를 도시한 도면.
도 6bc는 일부 실시예들에 따른, 레이저 다이오드에 전달되는 전류의 개선들을 도시한 도면.
도 6c는 일부 실시예들에 따른, 레이저 다이오드를 이득 스위칭하기 위한 구동 파형을 도시한 도면.
도 6da는 일부 실시예들에서의, 레이저 다이오드 또는 발광 다이오드를 구동하기 위한 펄서 회로를 도시한 도면.
도 6db는 일부 실시예들에 따른, 레이저 다이오드 또는 발광 다이오드를 구동하기 위한 펄서 회로도를 도시한 도면.
도 6dc는 일부 실시예들에 따른, 레이저 다이오드 또는 발광 다이오드를 구동하기 위한 펄서 회로도를 도시한 도면.
도 6dd는 일부 실시예들에 따른, 레이저 다이오드 또는 발광 다이오드를 펄싱하기 위한 RF 구동기(RF driver)를 도시한 도면.
도 6de는 일부 실시예들에 따른, 도 6dd의 회로에 의해 생성된 구동 파형을 예시한 도면.
도 6df는 일부 실시예들에 따른, 레이저 다이오드 또는 발광 다이오드를 펄싱하기 위한 RF 구동기를 도시한 도면.
도 6dg는 일부 실시예들에 따른, 도 6df의 회로에 의해 생성된 구동 파형들을 도시한 도면.
도 6dh는 일부 실시예들에 따른, 레이저 다이오드 또는 발광 다이오드를 구동하기 위한 펄서 회로도를 도시한 도면.
도 6di는 일부 실시예들에 따른, 레이저 다이오드에의 파워 커플링(power coupling)의 효율을 예시한 도면.
도 6dj는 일부 실시예들에 따른, 레이저 다이오드 또는 발광 다이오드로부터의 광학 방출을 펄싱하기 위한 펄서 및 구동기 회로를 도시한 도면.
도 6dk는 일부 실시예들에 따른, 펄스들의 트레인(train of pulses)을 생성하기 위한 펄서 회로를 도시한 도면.
도 6dl은 일부 실시예들에 따른, 펄서 회로 내의 논리 게이트에의 데이터 입력들을 예시한 도면.
도 6dm은 일부 실시예들에 따른, 전기 펄스들을 사용해 레이저 다이오드 또는 발광 다이오드를 구동하기 위한 구동기 회로를 도시한 도면.
도 6ea는 일부 실시예들에 따른, 레이저 다이오드를 이득 스위칭하기 위한 펄서 회로를 도시한 도면.
도 6eb는 일부 실시예들에 따른, 펄서 회로로부터의 구동 전압을 예시한 도면.
도 6ec 및 도 6ed는 일부 실시예들에 따른, 이득 스위칭 레이저 다이오드(gain-switched laser diode)로부터 생성된 초고속 광학 펄스들의 예시적인 측정들을 예시한 도면.
도 6fa는 일부 실시예들에 따른, 이득 스위칭 또는 Q-스위칭될 수 있는 슬래브 결합 광학 도파관 반도체 레이저(slab-coupled optical waveguide semiconductor laser)를 도시한 도면.
도 6fb는 일부 실시예들에 따른, 슬래브 결합 광학 도파관 레이저에서의 광학 모드 프로파일을 예시한 도면.
도 6fc는 일부 실시예들에 따른, 집적된, 이득 스위칭 반도체 레이저 및 결합된 포화성 흡수체(integrated, gain-switched semiconductor laser and coupled saturable absorber)를 도시한 도면.
도 7aa는 일부 실시예들에 따른, 연속파 레이저로부터 펄스들을 생성하도록 구성된 광학 스위치 어레이(optical switch array)를 도시한 도면.
도 7abc의 도 7ab는 일부 구현들에 따른, 도 7aa에 도시된 광학 스위치 어레이의 스위치들에 대한 구동 파형들을 예시한 도면.
도 7abc의 도 7ac는 일부 구현들에 따른, 도 7aa에 도시된 광학 스위치 어레이의 몇몇 포트들에서의 광학 강도들을 도시한 도면.
도 7ade의 도 7ad는 일부 구현들에 따른, 도 7aa에 도시된 광학 스위치 어레이의 스위치들에 대한 구동 파형들을 예시한 도면.
도 7ade의 도 7ae는 일부 구현들에 따른, 도 7aa에 도시된 광학 스위치 어레이의 몇몇 포트들에서의 광학 강도들을 도시한 도면.
도 8a는 일부 실시예들에 따른, 빔 스티어링 모듈(beam-steering module)을 도시한 도면.
도 8b는 일부 실시예들에 따른, 빔 스티어링 모듈의 광학 상세들을 도시한 도면.
도 8c는 일부 실시예들에 따른, 칩 상의 광학 커플러에 대한 펄스 레이저 빔의 정렬을 도시한 도면.
도 8d는 일부 실시예들에 따른, 펄스 레이저로부터의 광학 펄스들을 바이오 광전자 칩의 다수의 도파관들 내로 커플링시키기 위한 검출 및 제어 회로부를 도시한 도면.
도 8e는 일부 실시예들에 따른, 펄스 레이저로부터의 광학 펄스들을 바이오 광전자 칩의 다수의 도파관들 내로 커플링시키는 방법들과 연관된 단계들을 도시한 도면.
도 9a는 일부 실시예들에 따른, 광학 펄스들의 타이밍을 기기 전자장치들(instrument electronics)에 동기화시키기 위한 시스템을 도시한 도면.
도 9b는 일부 실시예들에 따른, 광학 펄스들의 타이밍을 기기 전자장치들에 동기화시키기 위한 시스템을 도시한 도면.
도 9c는 일부 실시예들에 따른, 펄스 광학 소스(pulsed optical source)를 통합하고 있는 분석 기기를 위한 클록 생성 회로부를 도시한 도면.
도 9d는 일부 실시예들에 따른, 2개의 펄스 소스들로부터의 광학 펄스들의 타이밍을 기기 전자장치들에 동기화시키기 위한 시스템을 도시한 도면.
도 9ea는 일부 실시예들에 따른, 2개의 펄스 소스들로부터의 광학 펄스들의 인터리빙된 타이밍(interleaved timing)을 기기 전자장치들에 동기화시키기 위한 시스템을 도시한 도면.
도 9eb는 일부 실시예들에 따른, 2개의 펄스 광학 소스들로부터의 인터리빙되고 동기화된 펄스 트레인들을 도시한 도면.
도 9fa는 일부 실시예들에 따른, 2개 이상의 파장들의 동기화된 펄스 트레인들을 생성하기 위한 2-레이저 시스템을 도시한 도면.
도 9fb는 일부 실시예들에 따른, 2개의 파장들의 동기화된 펄스 트레인들을 생성하기 위한 2-레이저 시스템을 도시한 도면.
본 발명의 특징들 및 장점들은, 도면들과 관련하여 살펴볼 때, 이하에 기재되는 상세한 설명으로부터 보다 명백해질 것이다. 도면들을 참조하여 실시예들을 설명할 때, 방향 참조들("위", "아래", "상부", "하부", "좌측", "우측", "수평", "수직" 등)이 사용될 수 있다. 이러한 참조들은 도면들을 보통의 배향에서 보는 독자를 돕기 위한 수단으로서만 의도되어 있다. 이 방향 참조들은 구현된 디바이스의 피처(feature)들의 선호된 또는 유일한 배향을 설명하려는 것으로 의도되어 있지 않다. 디바이스가 다른 배향들을 사용하여 구현될 수 있다.
I. 서론
본 발명자들은 종래의 극초단 펄스 레이저들이 전형적으로 많은 모바일 적용분야들에 대해 그리고/또는 이미징, 거리측정, 또는 바이오분석 적용분야들에 적합하게 될 수 있는 휴대용 계측장비 내에 통합시키기에 크고, 비싸며, 부적당하다는 것을 인식하고 알았다. 그에 따라, 본 발명자들은 선택된 파장들의 그리고 약 400 밀리와트(mW)까지의 평균 광학 파워(average optical power)들의 100 피코초 이하 펄스들을 제공할 수 있는 컴팩트한 극초단 펄스 레이징 시스템들을 안출하였다. 레이징 시스템은 약 50 MHz 내지 약 200 MHz의 광학 펄스들의 반복 레이트를 제공하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 펄스 레이저 및 그의 광학계들에 의해 점유되는 면적은 약 40 mm 이하의 두께를 갖는 A4 용지의 크기 정도일 수 있다. 일부 구현들에서, 펄스 반도체 레이저(pulsed semiconductor laser)는 이 크기보다 실질적으로 더 작을 수 있다.
"광학"이라는 용어는 자외선, 가시광, 근적외선, 및 단파장 적외선 스펙트럼 대역들을 지칭할 수 있다.
유전자 시퀀싱 또는 대량 병렬 분석(massively-parallel assay)과 같은, 일부 바이오분석 적용분야들에서, 컴팩트한 펄스 레이징 시스템은 광학 여기 에너지를 칩 상에 집적된 복수의 반응 챔버들에 전달하는 데 사용될 수 있다. 칩 상의 반응 챔버들의 개수는 약 10,000개 내지 약 10,000,000개일 수 있고, 챔버들은, 일부 구현들에 따르면, 한 기간에 걸쳐 다수의 생화학 반응들을 거칠 수 있는 샘플들을 포함할 수 있다. 다른 구현들에서, 칩 상에 보다 적거나 보다 많은 반응 챔버들이 있을 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 펄스 레이저로부터의 광학 펄스에 의한 여기 이후에, 샘플들 또는 샘플들과 상호 작용하는 분자들이 형광을 발하는 하나 이상의 형광단들로 라벨링될 수 있거나, 샘플들이 자체적으로 형광을 발할 수 있다. 반응 챔버들로부터의 형광의 검출 및 분석은 챔버들 내의 샘플들에 관한 정보를 제공한다.
이러한 다수의 반응 챔버들을 포함하고 다수의 상이한 형광단들을 사용하는 휴대용 기기를 제조하기 위해, 몇 가지 기술적 과제들이 존재한다. 펄스 레이저 시스템은 작고 경량이어야만 하며, 모든 반응 챔버들 내의 형광단들을 여기시키기에 충분한 광학 파워를 제공해야만 한다. 그에 부가하여, 펄스 레이저를 사용해 상이한 형광단들(예컨대, DNA 시퀀싱을 위한 상이한 방출 특성들을 갖는 4개의 형광단들)을 여기시키고, 각각의 형광단이 다른 형광단들과 구별될 수 있도록, 각각의 반응 챔버에서 형광단들로부터 상이한 방출 특성들을 검출하는 어떤 방법이 있어야만 한다.
개략적으로 말하면, 도 1aa에 도시된 바와 같이, 분석 기기(1-100)는 기기 내에 장착되거나 기기에 다른 방식으로 결합된 하나 이상의 펄스 레이저들(1-110)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 펄스 레이저(1-110)는 모드 동기 레이저일 수 있다. 모드 동기 레이저는 레이저의 종 주파수 모드(longitudinal frequency mode)들의 위상 동기(phase locking)를 유도(induce)하는, 레이저 캐비티 내에 있는 또는 레이저 캐비티에 결합된, 요소(예컨대, 포화성 흡수체, 음향 광학 변조기(acoustooptic modulator), Kerr 렌즈(Kerr lens))를 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 펄스 레이저(1-110)는 이득 스위칭 레이저(gain-switched laser)일 수 있다. 이득 스위칭 레이저는 레이저의 이득 매질에서의 광학 이득을 변조하는 외부 변조기(external modulator)를 포함할 수 있다.
기기(1-100)는 광학 시스템(1-115) 및 분석 시스템(1-160)을 포함할 수 있다. 광학 시스템(1-115)은 하나 이상의 광학 컴포넌트들(예컨대, 렌즈, 미러, 광학 필터, 감쇠기(attenuator))를 포함할 수 있고, 펄스 레이저(1-110)로부터의 광학 펄스들(1-122)을 조작하도록 그리고/또는 그 광학 펄스들(1-122)을 분석 시스템(1-160)에 전달하도록 구성될 수 있다. 분석 시스템은 광학 펄스들을 분석되어야 하는 적어도 하나의 샘플로 지향시키고, 적어도 하나의 샘플로부터 하나 이상의 광학 신호들(예컨대, 형광, 후방산란 방사(backscattered radiation))을 수신하며, 수신된 광학 신호들을 나타내는 하나 이상의 전기 신호들을 생성하도록 배열된 많은 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 분석 시스템(1-160)은 하나 이상의 광검출기들 및 광검출기들로부터의 전기 신호들을 처리하도록 구성된 신호 처리 전자장치들(예컨대, 하나 이상의 마이크로컨트롤러들, 하나 이상의 FPGA(field-programmable gate array)들, 하나 이상의 마이크로프로세서들, 하나 이상의 디지털 신호 프로세서들, 논리 게이트들 등)을 포함할 수 있고, 또한 데이터 통신 링크를 통해 데이터를 외부 디바이스들에게 전송하고 그로부터 수신하도록 구성된 데이터 전송 하드웨어를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 분석 시스템(1-160)은, 분석될 하나 이상의 샘플들을 보유하는, 바이오 광전자 칩(1-140)을 수납하도록 구성될 수 있다.
광학 펄스들(1-122)이 단일 횡 광학 모드(single transverse optical mode)를 갖는 것으로 도시되어 있지만, 일부 실시예들에서, 펄스 레이저(1-110)로부터의 광학 출력은 다중 모드(multimodal)일 수 있다. 예를 들어, 횡 출력 빔 프로파일(transverse output beam profile)은 레이저의 다중 모드 동작으로 인해 다수의 강도 피크들 및 최소치들을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 다중 모드 출력은 분석 시스템(1-160)에 결합될 때 (예컨대, 확산 광학계들에 의해) 균질화(homogenize)될 수 있다. 일부 구현들에서, 다중 모드 출력은 분석 시스템(1-160) 내의 복수의 파이버들 또는 도파관들에 커플링될 수 있다. 예를 들어, 다중 모드 출력의 각각의 강도 피크는 바이오 광전자 칩(1-140)에 연결되는 개별적인 도파관에 커플링될 수 있다. 펄스 레이저가 다중 모드 상태(multimode state)에서 작동할 수 있게 하는 것은 펄스 레이저로부터의 보다 높은 출력 파워들을 가능하게 할 수 있다.
도 1ab는 기기의 기기 섀시 또는 프레임(1-102)에 장착될 수 있는 펄스 레이저(1-110)를 포함하는 분석 기기(1-100)의 더 상세한 예를 도시하고 있다. 분석 기기는 분리가능한 패키징된 바이오 광전자 칩(1-140)을 수납하도록 구성될 수 있다. 이 칩은 복수의 반응 챔버들, 광학 여기 에너지를 반응 챔버들에 전달하도록 배열되어 있는 집적된 광학 컴포넌트들, 및 반응 챔버들로부터의 형광 방출을 검출하도록 배열되어 있는 집적된 광검출기들을 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 칩(1-140)은 일회용일 수 있는 반면, 다른 구현들에서, 칩이 재사용가능할 수 있다. 칩이 기기에 의해 수납될 때, 칩은 펄스 레이저와 전기적 및 광학적 통신을 하고 분석 시스템(1-160)과 전기적 및 광학적 통신을 할 수 있다.
일부 실시예들에서, 바이오 광전자 칩은, 부가의 기기 전자장치들을 포함할 수 있는 인쇄 회로 보드(PCB)와 같은, 전자 회로 보드(1-130) 상에 (예컨대, 소켓 연결부(socket connection)를 통해) 장착될 수 있다. 예를 들어, PCB(1-130)는 전력(electrical power), 하나 이상의 클록 신호들, 및 제어 신호들을 바이오 광전자 칩(1-140)에 제공하도록 구성된 회로부, 및 반응 챔버들로부터 검출된 형광 방출을 나타내는 신호들을 수신하도록 배열된 신호 처리 회로부를 포함할 수 있다. PCB(1-130)는 또한 광학 커플링에 관련한 피드백 신호들 및 바이오 광전자 칩(1-140)의 도파관들 내로 커플링된 광학 펄스들(1-122)의 파워 레벨들을 수신하도록 구성된 회로부를 포함할 수 있다. 바이오 광전자 칩으로부터 반환된 데이터는 부분적으로 또는 전체적으로 기기에 의해 처리될 수 있지만, 일부 구현들에서, 데이터가 네트워크 연결을 통해 하나 이상의 원격 데이터 프로세서들에게 전송될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 극초단 펄스 레이저(1-110)는 이득 매질(1-105)(일부 실시예들에서, 고체 재료(solid-state material)일 수 있음), 이득 매질을 여기시키기 위한 펌프 소스(예컨대, 레이저 다이오드, 도시되지 않음), 출력 커플러(1-111), 및 레이저 캐비티 단부 미러(1-119)를 포함할 수 있다. 레이저의 광학 캐비티는 출력 커플러 및 단부 미러에 의해 구속될 수 있다. 레이저 캐비티의 광학 축(1-125)은 레이저 캐비티의 길이를 증가시키기 위해 하나 이상의 폴딩(fold)들(방향전환(turn)들)을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 빔 정형(beam shaping), 파장 선택, 및/또는 펄스 형성(pulse forming)을 위한 부가의 광학 요소들(도시되지 않음)이 레이저 캐비티 내에 있을 수 있다. 일부 경우들에서, 단부 미러(1-119)는, 종 캐비티 모드(longitudinal cavity mode)들의 수동 모드 동기를 유도하고 레이저(1-110)의 펄스 작동(pulsed operation)을 가져오는, 포화성 흡수체 미러(saturable-absorber mirror, SAM)를 포함할 수 있다.
수동적으로 모드 동기될 때, 캐비티내 펄스(intracavity pulse)(1-120)는 단부 미러(1-119)와 출력 커플러(1-111) 사이에서 순환할 수 있고, 캐비티내 펄스의 일부분은 출력 커플러(1-111)를 통해 출력 펄스(1-122)로서 투과될 수 있다. 따라서, 캐비티내 펄스(1-120)가 레이저 캐비티 내에서 출력 커플러(1-111)와 단부 미러(1-119) 사이를 왔다갔다 바운싱(bounce)하기 때문에, 출력 펄스들(1-122)의 트레인이, 도 1b의 그래프에 도시된 바와 같이, 출력 커플러에서 검출될 수 있다.
도 1b는 출력 펄스들(1-122)의 시간 강도(temporal intensity) 프로파일들을 도시하고 있다. 일부 실시예들에서, 방출된 펄스들의 피크 강도 값들은 대략 동일할 수 있고, 프로파일들은 가우시안 시간 프로파일을 가질 수 있지만, sech2 프로파일과 같은, 다른 프로파일들이 가능할 수 있다. 일부 경우들에서, 펄스들은 대칭적 시간 프로파일들을 갖지 않을 수 있고 다른 시간 형상들을 가질 수 있다. 각각의 펄스의 지속시간은, 도 1b에 나타낸 바와 같이, FWHM(full-width-half-maximum) 값에 의해 특징지워질 수 있다. 펄스 레이저의 일부 실시예들에 따르면, 극초단 광학 펄스들은 100 피코초(ps) 미만의 FWHM 값들을 가질 수 있다. 일부 경우들에서, FWHM 값들은 30 ps 미만일 수 있다.
출력 펄스들(1-122)은 규칙적인 간격들(T)만큼 분리될 수 있다. (예컨대, 모드 동기 레이저들에 대한) 어떤 실시예에서, T는 출력 커플러(1-111)와 캐비티 단부 미러(1-119) 사이의 왕복 이동 시간(round-trip travel time)에 의해 결정될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 펄스 분리 간격(pulse-separation interval)(T)은 약 1 ns 내지 약 30 ns일 수 있다. 일부 경우들에서, 펄스 분리 간격(T)은, 약 0.7 미터 내지 약 3 미터의 레이저 캐비티 길이(레이저 캐비티 내의 광학 축(1-125)의 대략적인 길이)에 대응하는, 약 5 ns 내지 약 20 ns일 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 원하는 펄스 분리 간격(T) 및 레이저 캐비티 길이는 칩(1-140) 상의 반응 챔버들의 개수, 형광 방출 특성들, 및 바이오 광전자 칩(1-140)으로부터의 데이터를 판독하기 위한 데이터 핸들링 회로부(data-handling circuitry)의 속도의 조합에 의해 결정될 수 있다. 본 발명자들은 상이한 형광단들이 그들의 상이한 형광 감쇠율(fluorescent decay rate)들에 의해 구별될 수 있다는 것을 인식하고 알고 있었다. 그에 따라, 선택된 형광단들의 상이한 감쇠율들을 구별하기 위해 선택된 형광단들에 대한 적절한 통계를 수집하기에 충분한 펄스 분리 간격(T)이 필요하다. 그에 부가하여, 펄스 분리 간격(T)이 너무 짧으면, 데이터 핸들링 회로부가 많은 수의 반응 챔버들에 의해 수집되는 많은 양의 데이터를 쫓아갈 수 없다. 본 발명자들은 약 5 ns 내지 약 20 ns의 펄스 분리 간격(T)이 약 2 ns까지의 감쇠율들을 갖는 형광단들에 그리고 약 60,000 내지 600,000개의 반응 챔버들로부터의 데이터를 핸들링하는 데 적당하다는 것을 인식하고 알고 있었다.
일부 구현들에 따르면, 빔 스티어링 모듈(1-150)은 펄스 레이저(1-110)로부터의 출력 펄스들을 수신할 수 있고, 바이오 광전자 칩(1-140)의 광학 커플러 상으로의 광학 펄스들의 위치 및 입사각들을 조절하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 펄스 레이저로부터의 출력 펄스들은 출력 펄스들의 빔을 바이오 광전자 칩(1-140) 상의 광학 커플러에 정렬시키도록 구성된 빔 스티어링 모듈(1-150)에 의해 조작될 수 있다. 빔 스티어링 모듈은 광학 커플러에서 광학 빔에 대한 위치 및 입사각 조절들을 제공할 수 있다. 일부 구현들에서, 빔 스티어링 모듈은 광학 커플러 상으로의 출력 펄스들의 빔의 포커싱을 추가로 제공할 수 있다.
도 1c를 참조하면, 출력 펄스들(1-122)은 바이오 광전자 칩 상의 하나 이상의 광학 도파관들(1-312) 내로 커플링될 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학 펄스들이 격자 커플러(grating coupler)(1-310)를 통해 하나 이상의 도파관들에 커플링될 수 있지만, 일부 실시예들에서 바이오 광전자 칩 상의 광학 도파관의 단부에의 커플링이 사용될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 격자 커플러(1-310)에 대한 광학 펄스들(1-122)의 빔의 정렬을 돕기 위한 쿼드 검출기(quad detector)(1-320)가 반도체 기판(1-305)(예컨대, 실리콘 기판) 상에 위치될 수 있다. 하나 이상의 도파관들(1-312) 및 반응 챔버들(1-330)은 기판, 도파관, 반응 챔버들, 및 광검출기들(1-322) 사이에 개재 유전체 층들(예컨대, 실리콘 이산화물 층들)을 갖는 동일한 반도체 기판 상에 집적될 수 있다.
각각의 도파관(1-312)은 도파관을 따라 반응 챔버들에 커플링되는 광학 파워를 균등화(equalize)하게 하기 위해 반응 챔버들(1-330) 아래에 테이퍼된 부분(tapered portion)(1-315)을 포함할 수 있다. 감소하는 테이퍼(reducing taper)는 보다 많은 광학 에너지를 도파관의 코어 밖으로 강제로 내보내, 반응 챔버들에의 커플링을 증가시키고, 반응 챔버들 내로의 광 커플링에 대한 손실들을 비롯한, 도파관을 따라 있는 광학 손실들을 보상할 수 있다. 제2 격자 커플러(1-317)는 광학 에너지를 집적된 포토다이오드(1-324)로 지향시키기 위해 각각의 도파관의 단부에 위치될 수 있다. 집적된 포토다이오드는 도파관을 따라 커플링된 파워의 양을 검출할 수 있고, 검출된 신호를, 예를 들어, 빔 스티어링 모듈(1-150)을 제어하는 피드백 회로부에 제공할 수 있다.
반응 챔버들(1-330)은 도파관의 테이퍼진 부분(1-315)과 정렬되고 터브(tub)(1-340)에 리세싱(recess)될 수 있다. 반도체 기판(1-305) 상에 위치된, 각각의 반응 챔버(1-330)에 대한 시간-비닝 광검출기들(1-322)이 있을 수 있다. 반응 챔버들에 없는(예컨대, 반응 챔버들 위쪽의 용액 중에 분산된) 형광단들의 광학 여기를 방지하기 위해, 반응 챔버들 주위에 그리고 도파관 위쪽에 금속 코팅 및/또는 다층 코팅(1-350)이 형성될 수 있다. 각각의 도파관의 입력 및 출력 단부들에서 도파관(1-312)에서의 광학 에너지의 흡수 손실을 감소시키기 위해 금속 코팅 및/또는 다층 코팅(1-350)이 터브(1-340)의 에지들 너머에서 융기(raise)될 수 있다.
복수의 도파관들, 반응 챔버들, 및 시간-비닝 광검출기들의 행들이 바이오 광전자 칩(1-140) 상에 있을 수 있다. 예를 들어, 일부 구현들에서, 각각이 512개의 반응 챔버들을 갖는, 128개의 행들, 따라서 총 65,536개의 반응 챔버들이 있을 수 있다. 다른 구현들은 보다 적거나 보다 많은 반응 챔버들을 포함할 수 있고, 다른 레이아웃 구성들을 포함할 수 있다. 펄스 레이저(1-110)로부터의 광학 파워는 하나 이상의 스타 커플러(star coupler)들 또는 다중 모드 간섭 커플러(multi-mode interference coupler)들을 통해, 또는, 칩(1-140)에 대한 광학 커플러와 복수의 도파관들 사이에 위치된, 임의의 다른 수단에 의해 다수의 도파관들에 분배될 수 있다.
도 1d는 도파관(1-315) 내의 광학 펄스(1-122)로부터 반응 챔버(1-330)로의 광학 에너지 커플링을 예시하고 있다. 도면은 도파관 치수, 반응 챔버 치수, 상이한 재료들의 광학 속성들, 및 도파관(1-315)과 반응 챔버(1-330) 간의 거리를 고려한 광학파(optical wave)의 전자계 시뮬레이션으로부터 생성되었다. 도파관은, 예를 들어, 실리콘 이산화물의 주변 매질(1-410) 내에 실리콘 질화물로 형성될 수 있다. 도파관, 주변 매질, 및 반응 챔버는 2015년 8월 7일자로 출원된, 발명의 명칭이 "Integrated Device for Probing, Detecting and Analyzing Molecules"인 미국 출원 제14/821,688호에 설명된 마이크로제조 공정들에 의해 형성될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 소산 광학 필드(evanescent optical field)(1-420)는 도파관에 의해 전달된 광학 에너지를 반응 챔버(1-330)에 커플링시킨다.
반응 챔버(1-330)에서 일어나는 생물학적 반응의 비제한적 예가 도 1e에 도시되어 있다. 이 예에서, 표적 핵산에 상보적인 성장 가닥 내로의 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들의 순차적 혼입이 반응 챔버에서 일어나고 있다. DNA를 시퀀싱하기 위해 순차적 혼입이 검출될 수 있다. 반응 챔버는 약 150 nm 내지 약 250 nm의 깊이 및 약 80 nm 내지 약 160 nm의 직경을 가질 수 있다. 인접한 반응 챔버들 및 다른 원하지 않는 광원들로부터의 미광(stray light)을 차단하는 애퍼처(aperture)를 제공하기 위해 금속화 층(metallization layer)(1-540)(예컨대, 전기적 기준 전위를 위한 금속화부(metallization))이 광검출기 위쪽에 패터닝될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 폴리메라아제(1-520)는 반응 챔버(1-330) 내에 위치(예컨대, 챔버의 베이스에 부착)될 수 있다. 폴리메라아제는 표적 핵산(1-510)(예컨대, DNA로부터 유래(derive)된 핵산의 일부분)을 흡수(take up)하고, DNA(1-512)의 성장 가닥을 생성하기 위해, 상보적 핵산의 성장 가닥을 시퀀싱할 수 있다. 상이한 형광단들로 라벨링된 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들이 반응 챔버 위쪽에 그리고 반응 챔버 내에 있는 용액 중에 분산될 수 있다.
도 1f에 도시된 바와 같이, 라벨링된 뉴클레오티드 또는 뉴클레오티드 유사체(1-610)가 상보적 핵산의 성장 가닥 내에 혼입될 때, 하나 이상의 부착된 형광단들(1-630)이 도파관(1-315)으로부터 반응 챔버(1-330) 내로 커플링된 광학 에너지의 펄스들에 의해 반복하여 여기될 수 있다. 일부 실시예들에서, 형광단 또는 형광단들(1-630)은 임의의 적합한 링커(linker)(1-620)에 의해 하나 이상의 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들(1-610)에 부착될 수 있다. 혼입 이벤트는 약 100 ms까지의 기간 동안 지속될 수 있다. 이 시간 동안, 형광단(들)의 여기로 인해 생기는 형광 방출의 펄스들이 시간-비닝 광검출기(1-322)를 사용해 검출될 수 있다. 상이한 방출 특성들(예컨대, 형광 감쇠율, 강도, 형광 파장)을 갖는 형광단들을 상이한 뉴클레오티드들(A, C, G, T)에 부착시키는 것에 의해, DNA(1-512)의 가닥이 핵산을 혼입하는 동안 상이한 방출 특성들을 검출 및 구별하는 것은 DNA의 성장 가닥의 유전자 서열(genetic sequence)의 결정을 가능하게 한다.
일부 실시예들에 따르면, 형광 방출 특성들에 기초하여 샘플들을 분석하도록 구성된 분석 기기(1-100)는 상이한 형광 분자들 간의 형광 수명들 및/또는 강도들의 차이들, 및/또는 상이한 환경들에서 동일한 형광 분자들의 수명들 및/또는 강도들 간의 차이들을 검출할 수 있다. 설명으로서, 도 1g는, 예를 들어, 2개의 상이한 형광 분자들로부터의 형광 방출을 나타낼 수 있는, 2개의 상이한 형광 방출 확률 곡선들(A 및 B)을 플로팅(plot)한 것이다. 곡선 A(파선)를 참조하면, 짧은 또는 극초단 광학 펄스에 의해 여기된 후에, 제1 분자로부터의 형광 방출의 확률(pA(t))은, 도시된 바와 같이, 시간에 따라 감쇠될 수 있다. 일부 경우들에서, 시간에 따른 광자 방출 확률의 감소는 지수 감쇠 함수(exponential decay function)
Figure pct00001
에 의해 표현될 수 있고, 여기서, PAo는 초기 방출 확률이고, τA는 방출 감쇠 확률(emission decay probability)을 특징지우는 제1 형광 분자와 연관된 시간 파라미터이다. τA는 제1 형광 분자의 "형광 수명", "방출 수명", 또는 "수명"이라고 지칭될 수 있다. 일부 경우들에서, τA의 값은 형광 분자의 국소 환경(local environment)에 의해 변화될 수 있다. 다른 형광 분자들은 곡선 A에 도시된 것과 상이한 방출 특성들을 가질 수 있다. 예를 들어, 다른 형광 분자는 단일 지수 감쇠(single exponential decay)와 상이한 감쇠 프로파일을 가질 수 있고, 그의 수명은 반감기 값(half-life value) 또는 어떤 다른 메트릭에 의해 특징지워질 수 있다.
제2 형광 분자는, 도 1g에서 곡선 B에 대해 도시된 바와 같이, 지수적이지만, 어느 정도 상이한 수명 τB를 갖는 감쇠 프로파일을 가질 수 있다. 도시된 예에서, 곡선 B의 제2 형광 분자에 대한 수명은 곡선 A에 대한 수명보다 더 짧고, 방출 확률은, 제2 분자의 여기 이후 보다 이른 시점에서는, 곡선 A에 대해서보다 더 높다. 상이한 형광 분자들은, 일부 실시예들에서, 약 0.1 ns 내지 약 20 ns 범위에 있는 수명들 또는 반감기 값들을 가질 수 있다.
본 발명자들은 형광 방출 수명들의 차이들이 상이한 형광 분자들의 존재 여부를 구별하는 데 그리고/또는 형광 분자가 처해 있는 상이한 환경들 또는 조건들을 구별하는 데 사용될 수 있다는 것을 인식하고 알았다. 일부 경우들에서, (예를 들어, 방출 파장이 아닌) 수명에 기초하여 형광 분자들을 구별하는 것은 분석 기기(1-100)의 양태들을 단순화시킬 수 있다. 일 예로서, 수명에 기초하여 형광 분자들을 구별할 때, 파장 판별 광학계(wavelength-discriminating optic)들(파장 필터들, 각각의 파장에 대한 전용 검출기들, 상이한 파장들의 전용 펄스 광학 소스들, 및/또는 회절 광학계들 등)이 개수가 감소되거나 제거될 수 있다. 일부 경우들에서, 광학 스펙트럼의 동일한 파장 영역 내에서 방출하지만 어느 정도 상이한 수명들을 갖는 상이한 형광 분자들을 여기시키기 위해, 단일 특성 파장에서 작동하는 단일 펄스 광학 소스가 사용될 수 있다. 동일한 파장 영역에서 방출하는 상이한 형광 분자들을 여기시키고 구별하기 위해, 상이한 파장들의 다수의 소스들이 아니라, 단일 펄스 광학 소스를 사용하는 분석 시스템은 작동시키고 유지 보수하기가 보다 덜 복잡하고, 보다 컴팩트이며, 보다 낮은 비용으로 제조될 수 있다.
형광 수명 분석에 기초한 분석 시스템들이 특정 이점들을 가질 수 있지만, 분석 시스템에 의해 획득되는 정보의 양 및/또는 검출 정확도는 부가의 검출 기법들을 참작함으로써 증가될 수 있다. 예를 들어, 일부 분석 시스템들(1-160)은 그에 부가하여 형광 파장 및/또는 형광 강도에 기초하여 샘플의 하나 이상의 속성들을 구별하도록 구성될 수 있다.
도 1g를 또다시 참조하면, 일부 실시예들에 따르면, 형광 분자의 여기 이후에 형광 방출 이벤트들을 시간-비닝하도록 구성되는 광검출기를 사용해 상이한 형광 수명들이 구별될 수 있다. 시간 비닝은 광검출기에 대한 단일 전하 축적 사이클(single charge-accumulation cycle) 동안 일어날 수 있다. 전하 축적 사이클은 광 생성 캐리어(photo-generated carrier)들이 시간-비닝 광검출기의 빈(bin)들에 축적되는 판독 이벤트(read-out event)들 사이의 간격이다. 방출 이벤트들의 시간-비닝에 의해 형광 수명을 결정하는 개념은 도 1h에 그래픽으로 소개되어 있다. t1 직전인 시각 te에서, 형광 분자 또는 동일한 유형(예컨대, 도 1g의 곡선 B에 대응하는 유형)의 형광 분자들의 앙상블(ensemble)이 짧은 또는 극초단 광학 펄스에 의해 여기된다. 분자들의 큰 앙상블의 경우, 방출 강도는, 도 1h에 도시된 바와 같이, 곡선 B와 유사한 시간 프로파일을 가질 수 있다.
그렇지만, 단일 분자 또는 작은 수의 분자들의 경우, 형광 광자들의 방출은, 이 예에서, 도 1g에서의 곡선 B의 통계에 따라 일어난다. 시간-비닝 광검출기(1-322)는 방출 이벤트들로부터 생성된 캐리어들을, 형광 분자(들)의 여기 시각과 관련하여 시간 분해(temporally resolve)되는 이산 시간 빈(discrete time bin)들(도 1h에 3개가 나타내어져 있음) 내에, 축적할 수 있다. 많은 수의 방출 이벤트들이 합산될 때, 그 결과 얻어진 시간 빈들은 도 1h에 도시된 감쇠하는 강도 곡선과 비슷할 수 있으며, 비닝된 신호(binned signal)들은 상이한 형광 분자들 또는 형광 분자가 위치되는 상이한 환경들을 구별하는 데 사용될 수 있다.
시간-비닝 광검출기(1-322)의 예들은 2015년 8월 7일자로 출원된, 발명의 명칭이 "Integrated Device for Temporal Binning of Received Photons"인 미국 특허 출원 제14/821,656호 - 이는 참조에 의해 본원에 원용됨 - 에 설명되어 있다. 설명을 위해, 시간-비닝 광검출기의 비제한적인 실시예가 도 1i에 도시되어 있다. 단일 시간-비닝 광검출기(1-900)는 광자 흡수/캐리어 생성 영역(1-902), 캐리어 이동 영역(carrier-travel region)(1-906), 및 복수의 캐리어 저장 빈들(1-908a, 1-908b, 1-908c) - 모두가 반도체 기판 상에 형성됨 - 을 포함할 수 있다. 캐리어 이동 영역은 캐리어 수송 채널(carrier-transport channel)들(1-907)에 의해 복수의 캐리어 저장 빈들에 연결될 수 있다. 3개의 캐리어 저장 빈들만이 도시되어 있지만, 더 많이 있을 수 있다. 캐리어 저장 빈들에 연결된 판독 채널(1-910)이 있을 수 있다. 반도체를 국소적으로 도핑하는 것 및/또는 광검출 능력을 제공하고 캐리어들을 한정하기 위해 인접한 절연 영역들을 형성하는 것에 의해, 광자 흡수/캐리어 생성 영역(1-902), 캐리어 이동 영역(1-906), 캐리어 저장 빈들(1-908a, 1-908b, 1-908c), 및 판독 채널(1-910)이 형성될 수 있다. 시간-비닝 광검출기(1-900)는 또한, 디바이스를 통해 캐리어들을 수송하기 위한 전계들을 디바이스에 생성하도록 구성되는, 기판 상에 형성된 복수의 전극들(1-920, 1-922, 1-932, 1-934, 1-936, 1-940)을 포함할 수 있다.
작동 중에, 형광 광자들이 상이한 때에 광자 흡수/캐리어 생성 영역(1-902)에서 수광되어 캐리어들을 생성할 수 있다. 예를 들어, 대략 시각 t1에서, 3개의 형광 광자들은 광자 흡수/캐리어 생생 영역(1-902)의 공핍 영역에 3개의 캐리어 전자들을 생성할 수 있다. (전극들(1-920 및 1-922)에 그리고 임의로 또는 대안적으로 전극들(1-932, 1-934, 1-936)에 대한 도핑 및/또는 외부 인가 바이어스(externally applied bias)로 인한 디바이스 내의 전계는 캐리어들을 캐리어 이동 영역(1-906)으로 이동시킬 수 있다. 캐리어 이동 영역에서, 이동 거리가 형광 분자들의 여기 이후의 시간으로 변환(translate)된다. 나중의 시각 t5에서, 다른 형광 광자가 광자 흡수/캐리어 생성 영역(1-902)에 수광되고 부가의 캐리어를 생성할 수 있다. 이 때, 처음 3개의 캐리어들은 제2 저장 빈(1-908b)에 인접한 캐리어 이동 영역(1-906) 내의 위치로 이동하였다. 나중의 시각 t7에서, 캐리어들을 캐리어 이동 영역(1-906)으로부터 저장 빈들로 측방으로 수송하기 위해 전극들(1-932, 1-934, 1-936)과 전극(1-940) 사이에 전기 바이어스(electrical bias)가 인가될 수 있다. 처음 3개의 캐리어들은 이어서 제1 빈(1-908a)으로 수송되어 제1 빈(1-908a)에 유지될 수 있고, 나중에 생성된 캐리어는 제3 빈(1-908c)으로 수송되어 제3 빈(1-908c)에 유지될 수 있다. 일부 구현들에서, 각각의 저장 빈에 대응하는 시간 간격들이 나노초 이하의 시간 스케일(sub-nanosecond time scale)로 되어 있지만, 일부 실시예들에서(예컨대, 형광단들이 더 긴 감쇠 시간들을 갖는 실시예들에서) 더 긴 시간 스케일들이 사용될 수 있다.
여기 이벤트(예컨대, 펄스 광학 소스로부터의 여기 펄스) 이후에 캐리어들을 생성하고 시간-비닝하는 프로세스는 단일 여기 펄스 이후에 한 번 일어날 수 있거나 광검출기(1-900)에 대한 단일 전하 축적 사이클 동안 다수의 여기 펄스들 이후에 여러 번 반복될 수 있다. 전하 축적이 완료된 후에, 캐리어들은 판독 채널(1-910)을 통해 저장 빈들로부터 판독될 수 있다. 예를 들어, 저장 빈들(1-908a, 1-908b, 1-908c)로부터 캐리어들을 제거하기 위해 적절한 바이어싱 시퀀스(biasing sequence)가 적어도 전극(1-940) 및 다운스트림 전극(downstream electrode)(도시되지 않음)에 인가될 수 있다.
다수의 여기 이벤트들 이후에, 예를 들어, 형광 방출 감쇠율을 나타내는 대응하는 빈들을 갖는 히스토그램을 제공하기 위해, 각각의 전자 저장 빈에 축적된 신호가 판독될 수 있다. 이러한 프로세스는 도 1ja 및 도 1jb에 예시되어 있다. 히스토그램의 빈들은 반응 챔버에서의 형광단(들)의 여기 이후에 각각의 시간 간격 동안 검출된 광자들의 수를 나타낼 수 있다. 일부 실시예들에서, 도 1ja에 도시된 바와 같이, 많은 수의 여기 펄스들 이후에 빈들에 대한 신호들이 축적될 것이다. 펄스 간격 시간(T)만큼 분리된 시각들 te1, te2, te3, ... teN에서 여기 펄스들이 발생할 수 있다 . 전자 저장 빈들에 신호들을 축적하는 동안 105 내지 107개의 여기 펄스들이 반응 챔버에 인가될 수 있다. 일부 실시예들에서, 하나의 빈(빈 0)이 각각의 광학 펄스에 의해 전달된 여기 에너지의 진폭을 검출하고, (예컨대, 데이터를 정규화하기 위해) 기준 신호로서 사용되도록 구성될 수 있다.
일부 구현들에서, 도 1ja에 도시된 바와 같이, 여기 이벤트 이후에 형광단으로부터 평균 하나의 광자만이 방출될 수 있다. 시각 te1에서의 제1 여기 이벤트 이후에, 시각 tf1에서 방출된 광자가 제1 시간 간격 내에서 발생할 수 있고, 따라서 그 결과 얻어진 전자 신호(electron signal)가 제1 전자 저장 빈에 축적된다(빈 1에 기여함). 시각 te2에서의 후속 여기 이벤트에서, 시각 tf2에서 방출된 광자가 제2 시간 간격 내에서 발생할 수 있고, 따라서 그 결과 얻어진 전자 신호는 빈 2에 기여한다.
많은 수의 여기 이벤트들 및 신호 축적들 이후에, 반응 챔버에 대한 다중 값 신호(예컨대, 2개 이상의 값들의 히스토그램, N-차원 벡터 등)을 제공하기 위해 시간-비닝 광검출기(1-322)의 전자 저장 빈들이 판독될 수 있다. 각각의 빈에 대한 신호 값들은 형광단의 감쇠율에 의존할 수 있다. 예를 들어, 도 1h를 또다시 참조하면, 감쇠 곡선 B를 갖는 형광단은 감쇠 곡선 A를 갖는 형광단보다 더 높은, 빈 1에서의 신호 대 빈 2에서의 신호의 비를 가질 것이다. 특정의 형광단 - 이 특정의 형광단은, 차례로, 반응 챔버에 있을 때 형광단에 링크(link)된 뉴클레오티드 또는 뉴클레오티드 유사체(또는 임의의 다른 관심 분자 또는 시료)를 식별해줌 - 을 결정하기 위해, 빈들로부터의 값들이 분석되고 교정 값(calibration value)과 그리고/또는 서로 비교될 수 있다.
신호 분석을 이해하는 데 추가로 도움을 주기 위해, 축적된 다중-빈 값(multi-bin value)들이, 예를 들어, 도 1jb에 도시된 바와 같이, 히스토그램으로서 플로팅될 수 있거나, 또는 N-차원 공간에서의 벡터 또는 위치로서 기록될 수 있다. 4개의 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들에 링크된 4개의 상이한 형광단들의 다중 값 신호들에 대한 교정 값들(예컨대, 교정 히스토그램들)을 취득하기 위해 교정 런(calibration run)들이 개별적으로 수행될 수 있다. 일 예로서, 교정 히스토그램들은 도 1ka(T 뉴클레오티드와 연관된 형광 라벨(fluorescent label)), 도 1kb(A 뉴클레오티드와 연관된 형광 라벨), 도 1kc(C 뉴클레오티드와 연관된 형광 라벨), 및 도 1kd(G 뉴클레오티드와 연관된 형광 라벨)에 도시된 것처럼 보일 수 있다. 측정된 다중 값 신호(도 1jb의 히스토그램에 대응함)와 교정 다중 값 신호들(도 11a의 히스토그램에 대응함)의 비교는 DNA의 성장 가닥 내에 혼입되어 있는 뉴클레오티드 또는 뉴클레오티드 유사체의 상동성 "T"(도 1ka)를 결정할 수 있다.
일부 구현들에서, 상이한 형광단들을 구별하기 위해 형광 강도가 그에 부가하여 또는 대안적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 형광단들이 상당히 상이한 강도들로 방출하거나 그들의 여기 확률들의 상당한 차이(예컨대, 적어도 약 35%의 차이)를 가질 수 있지만, 그들의 감쇠율들은 유사할 수 있다. 비닝된 신호들(빈 1 내지 빈 3)을 측정된 여기 에너지 빈 0과 대비하여 참조하는 것에 의해, 강도 레벨들에 기초하여 상이한 형광단들을 구별하는 것이 가능할 수 있다.
일부 실시예들에서, 형광단 강도에 기초하여 뉴클레오티드들의 상동성이 확인될 수 있도록, 상이한 수의 동일 유형의 형광단들이 상이한 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들에 링크될 수 있다. 예를 들어, 2개의 형광단들이 제1 뉴클레오티드(예컨대, "C") 또는 뉴클레오티드 유사체에 링크될 수 있고, 4개 이상의 형광단들이 제2 뉴클레오티드(예컨대, "T") 또는 뉴클레오티드 유사체에 링크될 수 있다. 형광단들의 개수들이 상이한 것으로 인해, 상이한 뉴클레오티드들과 연관된 여기 및 형광단 방출 확률들이 상이할 수 있다. 예를 들어, 신호 축적 간격 동안 "T" 뉴클레오티드 또는 뉴클레오티드 유사체에 대한 방출 이벤트들이 더 많을 수 있고, 따라서 빈들의 겉보기 강도(apparent intensity)가 "C" 뉴클레오티드 또는 뉴클레오티드 유사체보다 상당히 더 높다.
본 발명자들은 형광단 감쇠율들 및/또는 형광단 강도들에 기초하여 뉴클레오티드들 또는 임의의 다른 생물학적 또는 화학적 시료들을 구별하는 것이 분석 기기(1-100)에서의 광학 여기 및 검출 시스템들의 단순화를 가능하게 할 수 있다는 것을 인식하고 알았다. 예를 들어, 단일 파장 소스(예컨대, 다수의 소스들이 아니라 하나의 특성 파장을 생성하는 소스 또는 다수의 상이한 특성 파장들에서 작동하는 소스)를 사용해 광학 여기가 수행될 수 있다. 또한, 검출 시스템에 파장 판별 광학계들 및 필터들이 필요하지 않을 수 있다. 또한, 상이한 형광단들로부터의 방출을 검출하기 위해 각각의 반응 챔버에 대해 단일 광검출기가 사용될 수 있다.
"특성 파장"또는 "파장"이라는 문구는 제한된 방사 대역폭 내의 중심 또는 우세 파장(예컨대, 펄스 광학 소스에 의해 출력된 20 nm 대역폭 내의 중심 또는 피크 파장)을 지칭하는 데 사용된다. 일부 경우들에서, "특성 파장"또는 "파장"은 소스에 의해 출력된 총 방사 대역폭 내의 피크 파장을 지칭하는 데 사용될 수 있다.
본 발명자들은 약 560 nm 내지 약 900 nm의 범위에 있는 방출 파장들을 갖는 형광단들이 (CMOS 공정들을 사용하여 실리콘 웨이퍼 상에 제조될 수 있는) 시간-비닝 광검출기에 의해 검출될 적절한 양의 형광을 제공할 수 있다는 것을 인식하고 알았다. 이 형광단들이, 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들과 같은, 생물학적 관심 분자들에 링크될 수 있다. 이 파장 범위 내의 형광 방출은 보다 긴 파장들의 형광보다 실리콘 기반 광검출기에서 더 높은 응답도(responsivity)로 검출될 수 있다. 그에 부가하여, 이 파장 범위 내의 형광단들 및 관련 링커들은 DNA의 성장 가닥들 내로의 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들의 혼입을 방해하지 않을 수 있다. 본 발명자들은 또한 약 560 nm 내지 약 660 nm 범위에 있는 방출 파장들을 갖는 형광단들이 단일 파장 소스를 사용해 광학적으로 여기될 수 있다는 것을 인식하고 알았다. 이 범위 내의 예시적인 형광단은 미국 메사추세츠주 월섬 소재의 Thermo Fisher Scientific Inc.로부터 입수가능한 Alexa Fluor 647이다. 본 발명자들은 또한, 약 560 nm 내지 약 900 nm의 파장들을 방출하는 형광단들을 여기시키기 위해, 펄스 레이저로부터의 보다 짧은 파장들(예컨대, 약 500 nm 내지 약 650 nm)의 여기 에너지가 요구될 수 있다는 것을 인식하고 알았다. 일부 실시예들에서, 시간-비닝 광검출기들은, 예컨대, Ge와 같은 다른 재료들을 광검출기의 활성 영역 내에 혼입시키는 것에 의해, 샘플들로부터의 보다 긴 파장의 방출을 효율적으로 검출할 수 있다.
본 발명자들은 또한, 여기 에너지가 차후에 검출된 형광 신호를 압도하거나 방해하지 않도록, 앞서 설명된 검출 방식들에 대해 펄스 레이저로부터의 광학 펄스들이 신속하게 소광(extinguish)되어야만 한다는 것을 인식하고 알았다. 일부 실시예들에서, 도 1e를 또다시 참조하면, 도파관(1-315)과 시간-비닝 광검출기(1-322) 사이에 파장 필터들이 없을 수 있다. 여기 에너지가 차후의 신호 수집(signal collection)을 방해하는 것을 피하기 위해, 여기 펄스는 여기 펄스의 피크로부터 약 100 ps 내에 적어도 50 dB만큼 강도가 감소될 필요가 있을 수 있다. 일부 구현들에서, 여기 펄스는 여기 펄스의 피크로부터 약 100 ps 내에 적어도 80 dB만큼 강도가 감소될 필요가 있을 수 있다. 본 발명자들은 모드 동기 레이저들이 이러한 고속 턴-오프(rapid turn-off) 특성들을 제공할 수 있다는 것을 인식하고 알았다. 일부 경우들에서, 방출 파장들이 여기 파장보다 상당히 더 긴 경우에, 시간-비닝 광검출기들에 대한 여기 펄스의 영향을 추가로 감소시키기 위해 간단한 광학 필터들이 광검출기들 위쪽에 통합될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 여기 에너지가 형광 신호에 대한 검출 장치로부터 멀리 떨어지게 지향되면, 펄스들 사이의 여기 에너지의 강도 감소가 20 dB 이상만큼 추가로 감소될 수 있다. 예를 들어, 여기 에너지가, 도 1c에 도시된 바와 같이, 도파관에서 전달될 수 있어, 형광 검출 경로와 상이한 방향으로 전파할 수 있다(예컨대, 2개의 경로들의 방향들이 도면에 도시된 바와 같이 대략 직교일 수 있다). 펄스들 간의 여기 에너지의 감소는 도파관 재료 개발 및 디바이스 제조(예컨대, 감소된 산란 손실 및 감소된 형광을 나타내는 도파관 재료 및 평활한 도파관 측벽들을 생성하는 에칭 프로세스)를 통해 달성될 수 있다. 게다가, 반응 챔버로부터의 여기 에너지의 산란은 전자기적 시뮬레이션들로부터의 결과들에 기초하여 챔버 기하학적 구조, 재료들, 및 주변 구조체들의 기하학적 구조들의 선택에 의해 감소될 수 있다.
본 발명자들은 또한 펄스 레이저가 여기 펄스마다 바이오 광전자 칩 상의 반응 챔버들 각각에서 적어도 하나의 형광단을 여기시키기 위해 펄스당 충분한 에너지를 제공해야만 한다는 것을 인식하고 알았다. 약 65,000개의 반응 챔버들을 포함하는 칩의 경우 그리고 시스템 전반에 걸친 광학 손실들을 고려하여, 본 발명자들은 펄스 레이저가 여기 파장에서 약 300 mW 이상의 평균 광학 파워를 제공해야만 한다고 결정하였다.
본 발명자들은, 바이오 광전자 칩(1-140)의 광학 커플러 및 도파관들에의 효율적인 커플링이 달성될 수 있도록, 펄스 레이저의 빔 품질이 높아야만 한다(예컨대, M2 값이 1.5 미만)는 것을 추가로 인식하고 알았다.
앞서 설명된 바와 같이 DNA를 시퀀싱하도록 구성된 기기와 같은, 전술한 특성들을 가지며 컴팩트한 패키지에서 작동가능한(예컨대, 약 0.5 ft3 미만의 체적을 점유함) 펄스 레이저 시스템은 휴대용 분석 기기들(1-100)에 유용할 것이다.
II. 펄스 레이저 실시예들
II. A. 모드 동기 레이저들
본 발명자들은 평균 파워, 컴팩트성(compactness), 빔 품질, 펄스 반복 레이트, 작동 파장, 및 광학 펄스들의 턴-오프 속도의 면에서 앞서 설명된 성능 규격들을 달성하는 펄스 레이저 시스템(1-110)을 고안하고 제작하였다. 일부 실시예들에 따르면, 펄스 레이저는 도 2aa에 도시된 바와 같이 고체, 모드 동기 레이저를 포함한다. 레이저 시스템의 광학 컴포넌트들은, 길이가 약 20 cm 내지 약 40 cm이고, 높이가 약 10 cm 내지 약 30 cm이며, 약 10 mm 내지 약 18 mm의 두께를 갖는, 베이스 플레이트(2-105) 상에 장착될 수 있다. 일부 구현들에서, 베이스 플레이트의 치수는 길이가 약 30 cm이고, 높이가 약 18 cm이며, 두께가 약 12 mm일 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학 컴포넌트들 및 관련 광학 마운트들을 비롯한, 레이징 시스템의 전체 두께가 4 cm 내지 약 6 cm일 수 있도록, 12 mm 직경의 광학 컴포넌트들(또는 더 작은 것)이 레이저 시스템에서 사용될 수 있고 (도 2ba와 관련하여 후술되는 바와 같이) 베이스 플레이트 내로 부분적으로 리세싱될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 레이징 시스템에 의해 점유되는 체적은 약 30 cm x 18 cm x 5 cm 또는 약 0.1 ft3일 수 있다.
펄스 레이저는 레이저 캐비티의 출력 단부에 있는 출력 커플러(1-111), 이득 매질(1-105), 및 레이저 캐비티의 반대쪽 단부에 있는 포화성 흡수체 미러(SAM)(1-119)를 포함할 수 있다. 원하는 펄스 반복 레이트를 달성하기 위해 광학 축(1-125)을 폴딩시켜 레이저 캐비티의 길이를 연장시키기 위해 레이저 캐비티 내에 다수의 미러들이 있을 수 있다. 캐비티내 레이저 빔의 크기 및/또는 형상을 변화시키기 위해 레이저 캐비티 내에 빔 정형 광학계(beam-shaping optic)들(예컨대, 렌즈들 및/또는 곡면 미러(curved mirror)들)이 또한 있을 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 출력 커플러(1-111)는 10-5(스크래치(scratch) 및 디그(dig))의 표면 품질 및 λ/10 이하의 파면 오차(wavefront error)를 갖는 고품질 레이저 광학계일 수 있다. 출력 커플러의 한쪽 표면은 레이징 파장(λl)에 대해 약 75% 내지 약 90%의 반사율(reflectance)을 제공하기 위해 다층 유전체로 코팅될 수 있다. 출력 커플러의 제2 표면은 반사방지 코팅으로 코팅될 수 있고, 반사 표면에 대해 한 각도로 배향될 수 있다. 이득 매질(1-105)을 여기시키는 데 사용될 수 있는 다이오드 펌프 레이저로부터의 펌프 파장(pump wavelength)(λp)을 무시할 정도의 반사를 가지면서 투과시키기 위해, 출력 커플러 상의 코팅들은 이색성(dichroic)일 수 있다. 출력 커플러는 2개의 직교 축들에 관해 입사 광학 축(1-125)에 대한 각도 조절을 제공하는 2-축 조절가능 마운트에 장착될 수 있다. 일부 실시예들에서, 출력 커플러는 비조절가능 마운트 상에 장착될 수 있다.
이득 매질(1-105)은 열을 베이스 플레이트(2-105) 내로 소산시키는 열 전도성 마운트(예컨대, 구리 블록)에 장착된 네오디뮴-도핑된 재료를 포함할 수 있다. 이득 매질로부터 구리 블록으로의 열 전달을 개선시키기 위해, 이득 매질이 인듐 포일 또는 열 전도성 마운트로의 열 전달을 개선시키는 임의의 다른 적절한 재료로 랩핑(wrap)될 수 있다. 일부 경우들에서, 이득 매질 및 열 전도성 마운트는, 열을 베이스 플레이트(2-105) 내로 싱크(sink)시킬 수 있는, TEC(thermo-electric cooler) 상에 장착될 수 있다. TEC는 이득 매질의 온도 제어를 제공할 수 있다. 일부 구현들에서, 이득 매질은 약 3 mm 내지 약 10 mm의 길이를 갖는 네오디뮴 바나데이트(예컨대, Nd3+:YVO4)를 포함할 수 있다. 네오디뮴 도펀트 레벨은 약 0.10% 내지 약 1%일 수 있다. 결정체의 단부 패싯(end facet)들은, 네오디뮴 바나데이트의 경우 약 1064 nm일 수 있는, 레이징 파장(λl)에 대해 반사방지 코팅될 수 있다. 이득 매질(1-105)은, 이득 매질의 단부 패싯들이 레이저 캐비티의 광학 축(1-125)에 대해 약 1도 내지 약 3도의 각도로 배향된 법선 벡터들을 갖는 배향으로, 비조절가능 마운트(미세한 각도 또는 위치 조절을 제공하지 않는 마운트)에 장착될 수 있다.
포화성 흡수체 미러(1-119)는 다층 반도체 구조체(예컨대, 다중 양자 웰) 및 고반사체(high reflector)를 포함할 수 있다. 반도체 구조체는 비선형 광학 흡수를 나타낼 수 있다. 예를 들어, SAM은 낮은 광학 강도들에서는 보다 높은 흡수를 나타낼 수 있고, 높은 광학 강도들에서는 표백되거나 거의 흡수를 나타내지 않을 수 있다. 반도체 구조체가 고반사체에 입사하여 그로부터 반사되는 광학 필드(optical field)에 의해 생성된 광학 정재파(optical standing wave)의 대략 피크 강도에 위치되도록, 반도체 구조체가 SAM 내의 고반사체로부터 이격될 수 있다. SAM의 일 예는 독일 예나 소재의 BATOP Optoelectronics GmbH로부터 입수가능한 부품 번호 SAM-1064-5-10ps-x이다. SAM의 비선형 광학 흡수로 인해, 레이저는 우선적으로 펄스 작동 모드(pulsed mode of operation)에서 작동한다(수동적으로 모드 동기됨). 일부 구현들에서, SAM의 표면이 광학 축(1-125)에 대해 횡방향인 방향으로 이동될 수 있도록, SAM이 회전 및/또는 횡방향 위치결정 마운트(rotating and/or transverse-positioning mount) 상에 장착될 수 있다. SAM이 손상되면, 캐비티내 빔(intracavity beam)이 SAM의 손상되지 않은 영역 상으로 포커싱되도록, SAM이 이동 및/또는 회전될 수 있다. 다른 실시예들에서, SAM은 비조절가능 마운트 상에 장착될 수 있다.
이득 매질(1-105)을 여기시키기 위해, 펌프 모듈(2-140) 내의 레이저 다이오드로부터의 연속파 출력(도 2aa에서 흑색 점선으로 표시됨)이 커플링 렌즈(2-142)를 사용하여 이득 매질 내로 포커싱될 수 있다. 일부 실시예들에서, 레이저 다이오드로부터의 빔은 직사각형 또는 정사각형의 단면을 가질 수 있고 약간(예컨대, 약 5도 내지 약 10도) 발산할 수 있다. 일부 구현들에서, 커플링 렌즈(2-142)의 초점 거리(focal length)는 약 20 mm 내지 약 30 mm일 수 있다. 흡수되지 않은 펌프 방사는 레이저 캐비티 방향전환 미러(laser-cavity turning mirror)(2-115)를 통과하여 빔 덤프(beam dump)(2-116)에 흡수될 수 있다.
다른 실시예들에서 다른 여기 소스들이 이득 매질(1-105)을 펌핑하는 데 사용될 수 있고, 본 발명은 레이저 다이오드들로 제한되지 않는다. 일부 실시예들에서, 파이버 레이저 또는 파이버 커플링 레이저(fiber-coupled laser)가 펄스 레이저(1-110)의 이득 매질(1-105)을 펌핑하는 데 사용될 수 있다. 파이버 레이저는 하나 이상의 레이저 다이오드들에 의해 펌핑되는 파이버 레이저 캐비티의 일부로서 능동 광학 파이버(active optical fiber)를 포함할 수 있다. 파이버 커플링 레이저는 하나 이상의 레이저 다이오드들 - 이들의 출력이 광학 파이버 내로 커플링됨 - 을 포함할 수 있다. 파이버 레이저 또는 파이버 커플링 레이저로부터의 광학 에너지를 전달하는 파이버로부터의 출력 빔은 레이저 다이오드 대해 사용되는 것과 동일한 또는 유사한 광학계들을 사용하여 이득 매질로 지향되고 이득 매질 내로 포커싱될 수 있다. 파이버로부터의 광학 빔은 고파워 레이저 다이오드 펌프 소스로부터 바로 오는 빔보다 더 원형이고, 균질하며 그리고/또는 가우시안인(또는 탑햇 형상인(top-hat-shaped)) 공간 프로파일을 가질 수 있다. 펌프 소스는, 일부 실시예들에서, 베이스 플레이트(2-105) 이외의 금구(fixture) 상에 장착될 수 있거나 그렇지 않을 수 있으며, 펌프 에너지를 전달하는 파이버의 단부는 이득 매질(1-105)과 같은 쪽에 있는 베이스 플레이트의 측면 또는 이득 매질(1-105)의 반대쪽에 있는 베이스 플레이트의 측면 상에 위치된 펄스 레이저 상의 마운트에 부착될 수 있거나, 레이저 캐비티 구조체로부터 멀리 떨어져 장착될 수 있다.
커플링 렌즈(2-142)의 초점 거리, 펌프 빔의 크기, 및 렌즈와 이득 매질(1-105) 사이의 거리는 이득 매질에서의 펌프 빔의 크기(단면 치수)를 결정한다. 실시예들에서, 이득 매질에서의 펌프 빔의 크기는 이득 매질에서의 레이저 빔의 모드 필드 크기(mode-field size)에 대략(예컨대, 15% 내로) 매칭된다. 이득 매질에서의 레이저 빔의 모드 필드 크기는 레이저 캐비티 내의 곡면 미러(2-117)의 초점 거리, 이득 매질에서의 펌프 빔의 웨이스트(waist), 및 이득 매질과 곡면 미러 간의 거리에 의해 주로 결정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 곡면 미러(2-117)의 초점 거리는 약 200 mm 내지 약 300 mm일 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 이득 매질(1-105)에서의 펌프 빔의 위치는 펌프 모듈(2-140) 내의 조절가능 마운트들에 의해 2 자유도로(레이저 캐비티의 광학 축(1-125)에 횡방향인 방향들에서) 조절된다. 이 조절가능 마운트들은 펄스 레이저 캐비티 외부에 있다. 펌프 빔에 대한 조절가능 마운트들은, 이득 매질(1-105)에서 레이저 빔을 오버랩(overlap)시키고 레이저의 펌핑 효율을 개선시키기 위해, 펌프 빔을 스티어링하는 데 사용될 수 있다.
SAM(1-119)에서의 비선형 광학 흡수를 이용하기 위해, 포커싱 렌즈(2-123)는 SAM 근방에서 레이저 캐비티 내에 통합된다. 일부 실시예들에 따르면, 포커싱 렌즈(2-123)의 초점 거리는 약 70 mm 내지 약 130 mm이며, SAM은 대략 포커싱 렌즈(2-123)의 초점 거리에 위치된다. 포커싱 렌즈는 SAM 상에서의 캐비티내 레이저 빔의 스폿 크기를 감소시켜, 그의 강도를 증대시킨다.
본 발명자들은, 다소 놀랍게도, 일부 레이저 캐비티 구성들에 대해, SAM 상에서의 레이저 빔의 스폿 크기가 포커싱 렌즈(2-123)와 SAM(1-119) 사이의 거리의 변화들보다 곡면 미러(2-117)와 레이저의 출력 커플러(1-111) 사이의 거리의 변화들에 더 민감하다는 것을 발견하였다. 이 결과는 곡면 미러(2-117)와 포커싱 렌즈(2-123) 사이의 연장된 캐비티 길이에 관련되어 있다. 연장된 캐비티 길이는 베이스 플레이트(2-105) 상에서 광학 펄스들을 왔다갔다 바운싱시켜, 곡면 미러(2-117)와 포커싱 렌즈(2-123) 사이의 이동 거리를 증가시키는 다수의 고반사 광학계들(2-121)(예컨대, 약 99.9% 내지 약 99.999%의 반사율들을 가짐)을 포함한다. 이 연장된 캐비티 길이를 따라, 레이저 빔이 대략 평행화(collimate)될 수 있다. 곡면 미러(2-117)와 출력 커플러(1-111) 사이의 거리의 변화들은 연장된 캐비티의 평행화에 영향을 줄 수 있으며, 증가된 캐비티 길이는 포커싱 렌즈(2-123)에서의 빔 크기의 변화들을 증폭시킨다. 이 증폭은 차례로 포커싱 렌즈(2-123)와 SAM(1-119) 사이의 거리의 변화들보다 더 강하게 SAM에서의 스폿 크기에 영향을 준다.
일부 실시예들에서, 출력 커플러와 곡면 미러 사이의 거리의 작동중 조정(operational tuning)을 제공하기 위해, 미세 위치 제어(예컨대, 마이크로 위치결정 스테이지(micro-positioning stage))가 출력 커플러(1-111) 및/또는 곡면 미러(2-117)에 포함될 수 있다. 곡면 미러(2-117)의 초점 거리가 규정된 허용오차(tolerance)(예컨대, ± 2 mm)를 가질 수 있기 때문에, 미세 위치 제어의 범위가 적어도 곡면 미러의 규정된 초점 거리 허용오차를 포함하는 범위에 걸쳐 연장될 수 있다. 일부 구현들에서, 미세 위치 제어가 출력 커플러(1-111) 및/또는 곡면 미러(2-117)에 포함되지 않을 수 있다. 그 대신에, 곡면 미러의 초점 거리가 설치 이전에 결정될 수 있고, 곡면 미러가 그에 따라 캐비티 내에 위치될 수 있다. 일부 경우들에서, 출력 커플러(1-111)는 비조절가능 마운트 상에 장착될 수 있고, 곡면 미러(2-117)는 2-축 틸트 조절 마운트(two-axis tilt-adjustment mount) 상에 장착될 수 있다. 일부 실시예들에서, 곡면 미러에 대한 조절가능 마운트는, 레이저가 작동하는 동안 조절될 수 있고 레이저 빔을 조절함에 있어서 2 자유도를 제공할 수 있는, 펄스 레이저 캐비티에서의 유일한 조절가능 마운트일 수 있다. 따라서, 펄스 레이저는 캐비티 단부 미러들 사이에 위치된 곡면 미러 마운트를 통해 2 자유도에 걸쳐서만 작동중 조절(operational adjustment)을 가질 수 있다. 도 2a에 도시된 레이저 캐비티의 나머지 광학 컴포넌트들은 비조절가능 마운트 상에 장착할 수 있다. 비조절가능 마운트들 및 단지 하나의 조절가능 마운트를 사용하는 것은 작동 중에 펄스 레이저를 보다 신뢰성있고 강건하게 만들 수 있고, 펄스 레이저에서의 광학 컴포넌트들의 드리프트(drift) 및 오정렬(misalignment)을 감소시킬 수 있다.
일부 실시예들에서, 부가 요소들이 레이저 캐비티에 포함될 수 있다. 예를 들어, 캐비티내 빔 스티어링 모듈(2-130)이 포커싱 렌즈(2-123) 이전에 그리고/또는 그 이후에 포함될 수 있다(도 2aa에서는 포커싱 렌즈 이전에 도시됨). 캐비티내 빔 스티어링 모듈은 레이저 빔을 2개의 방향들로 평행 이동(translate)시키기 위해 2개의 직교 축들에 관해 레이저 빔에 대해 각을 이룰 수 있는 반사방지 코팅된 광학 플랫(optical flat)들을 포함할 수 있다. 캐비티내 빔 스티어링 모듈(2-130)에 대한 광학 플랫들이 포커싱 렌즈(2-123) 이전에 위치될 때, 레이저 빔의 평행 이동은 주로 SAM(1-119) 상에서의 레이저 빔의 입사각의 변화를 가져올 것이다. 광학 플랫들이 포커싱 렌즈 이후에 위치되는 경우, 레이저 빔의 평행 이동은 주로 SAM 상에서의 레이저 빔의 위치의 변화를 가져올 것이다. 일부 구현들에서, 캐비티 정렬의 자동화된 미세 조정(automated, fine tuning)(예컨대, 레이저의 평균 파워 또는 다른 펄스 작동 특성들로부터 도출된 피드백 신호들에 기초한 자동화된 조정 및/또는 정렬)을 제공하기 위해 캐비티내 빔 스티어링 모듈(2-130)이 사용될 수 있다. 일부 경우들에서, SAM 상에서 레이저 빔을 재배치하기 위해(예컨대, SAM이 초점 스폿(focal spot)에서 손상되는 경우 레이저 빔을 이동시킴) 캐비티내 빔 스티어링 모듈이 사용될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 레이저 빔의 캐비티내 재정렬을 위해 광학 플랫들을 회전시키는 것을 사용하는 것보다는, 다른 가능한 것은 이득 매질 내에서의 열 렌징(thermal lensing)에 영향을 줄 수 있는 이득 매질(1-105)에서의 비대칭 열 그레이디언트(asymmetric thermal gradient)들을 유도하는 것이다. 이득 매질(1-105)에서의 비대칭 열 그레이디언트들은, 캐비티내 레이저 빔이 이득 매질을 통과할 때, 캐비티내 레이저 빔에서의 작은 각편향(angular deflection)들을 야기할 수 있다. 일부 구현들에서, 하나 이상의 온도 제어 디바이스들(예컨대, 저항 가열 요소(resistive heating element)들, TEC 쿨러들, 또는 이들의 조합)이 이득 매질의 하나 이상의 측면들에 결합될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 이득 매질(1-105)은 이득 매질의 4개의 면(face)들(4개의 종방향 에지들)에 열적으로 결합된 4개의 독립적으로 작동가능한 가열 요소들을 가질 수 있다. 열적 결합은 온도 제어 디바이스와 이득 매질의 면 사이에 위치된 열 에폭시 또는 인듐 포일을 포함할 수 있다. 각각의 온도 제어 디바이스는 또한 온도 제어 디바이스의 반대쪽 측면 상의 히트 싱크(예컨대, 레이저 블록(laser block))에의 열적 결합을 포함할 수 있다. 일부 경우들에서, 이득 매질의 제1 대향 면(opposing face)들 상에 위치된 제1 온도 제어 디바이스 쌍 중 하나 이상의 온도 제어 디바이스들은 2개의 제1 대향 면들에 수직인 방향들(예컨대, ± x 방향들)에서 빔 편향을 제공할 수 있다. 이득 매질의 제2 대향 면들의 직교 쌍(orthogonal pair) 상에 위치된 제2 온도 제어 디바이스 쌍 중 하나 이상의 온도 제어 디바이스들은 직교 방향들(예컨대, ± y 방향들)에서 빔 편향을 제공할 수 있다. 온도 제어 디바이스들에서 온도들을 선택적으로 변화시키는 것에 의해, 캐비티내 레이저 빔이 스티어링되고 재정렬될 수 있다. 스티어링 및 재정렬은 SAM(1-119) 상에서의 캐비티내 빔의 위치를 변경할 수 있다. 일부 경우들에서, 캐비티내 레이저 빔을 재정렬시키기 위해 곡면 미러(2-117) 또는 캐비티 단부 미러가 추가로 조절될 수 있다.
일부 실시예들에서, 펄스 레이저(1-110)는 레이저 내의 광학 컴포넌트들 중 하나 또는 몇 개의 광학 컴포넌트들에 대한 조절가능 마운트들을 제공할 수 있다. 안정성, 빔 품질, 출력 파워, 및/또는 펄스 특성들을 위해 레이저의 작동이 조정될 수 있도록, 조절가능 마운트는 조작자로 하여금 레이저가 레이징하는 중인 동안 광학 컴포넌트의 위치 및/또는 배향을 미세하게 조절할 수 있게 할 수 있다. 미세 조정은 미러 마운트들 상의 마이크로미터(micrometer)들 및/또는 미세 나사산 스크루 조절부(finely-threaded screw adjustment)들에 의해 달성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 펄스 레이저(1-110)는 출력 커플러(1-111)(각도 조절부들), 곡면 미러(2-117)(위치 및 각도 조절부들), 및 SAM(1-119)(각도 조절부들) 중 하나 이상에 대해서만 조절가능 마운트들을 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 커플링 렌즈(2-142)는 조절가능 위치결정 마운트를 포함할 수 있다. 레이저 캐비티의 나머지 광학 컴포넌트들은, 제조 중에, 고정된 비조절가능 마운트(fixed, non-adjustable mount)들에 정렬될 수 있다. 집적된 자기 정렬 비조절가능 마운트(integrated, self-aligning, non-adjustable mount)의 일 예가 도 2ba와 관련하여 이하에서 설명된다.
본 발명자들은 이득 매질(1-105)에서의 그리고 SAM(1-119) 상에서의 캐비티내 레이저 빔의 다양한 상대 스폿 크기(relative spot size)들에 대해 레이저(1-110)의 안정된 펄스 작동이 일어날 수 있다는 것을 인식하고 알았다. 예를 들어, 이득 매질에서의 최소 빔 웨이스트 대 SAM 상에서의 포커싱된 빔 웨이스트의 비는 약 4:1 내지 약 1:2일 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 이득 매질에서의 빔 반경(강도의 1/e2 값)은 약 20 μm 내지 약 200 μm일 수 있고, SAM 상에서의 빔 반경(강도의 1/e2 값)은 약 50 μm 내지 약 200 μm일 수 있다. 이 범위들을 벗어난 비들과 빔 반경들에 대해, 펄스 작동이 불안정해질 수 있고, 레이저는 Q-스위칭할 수 있며, 이는 SAM을 손상시킬 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, SAM의 규격은 그의 포화 플루엔스(saturation fluence)일 수 있고, SAM 상에서의 포커싱된 레이저 빔의 강도는 포화 플루엔스에 비례할 수 있다. 예를 들어, 포커싱된 레이저 빔의 강도는 SAM의 포화 플루엔스의 대략 1배 내지 10배일 수 있다.
본 발명자들은 펄스 레이저의 평균 파워 및/또는 스펙트럼 특성들이 안정된 모드 동기 작동의 결정적 요인일 수 있다는 것을 인식하고 알았다. 예를 들어, 모드 동기 작동 중의 레이저의 평균 파워가 특정 값 아래로 떨어지면, SAM에서의 비선형 광학 흡수가 모드 동기를 지원하는 데 충분하지 않을 수 있다. 레이저는 그러면 Q-스위칭하고 SAM을 손상시킬 수 있다. 일부 경우들에서, 레이저의 평균 출력 파워의 급격한 변동들은 레이저가 모드 동기에 부가하여 Q-스위칭하고 있다는 것을 나타낼 수 있고, 이는 SAM을 손상시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 센서(2-154)(예컨대, 포토다이오드)가 포함되고 레이저(1-110)에 의해 생성된 광학 파워를 감지하도록 배열될 수 있다. 감지된 평균 레이저 파워가 미리 설정된 레벨 아래로 드리프트하거나 파워 변동들이 검출되면, 자동화된 캐비티 정렬 루틴이 파워를 복구하기 위해 실행될 수 있고 그리고/또는 레이저가 정비(servicing)를 위해 정지(shut off)될 수 있다.
알 수 있는 바와 같이, 많은 수의 미러들로 인해 레이저 캐비티 광학계들의 정렬이 어려울 수 있다. 일부 실시예들에서, 펄스 레이저는 레이저 캐비티의 광학 축을 따라, 예컨대, 곡면 미러(2-117)와 포커싱 렌즈(2-123) 사이에 위치된 마운팅 피처(mounting feature)들(2-118)(예컨대, 스크루 구멍(screw hole)들 및/또는 위치맞춤 피처(registration feature)들)을 포함할 수 있다. 마운팅 피처들(2-118)은 제2 출력 커플러가 장착될 수 있는 광학 마운트를 수납하도록 구성될 수 있다. 광학 마운트 및 제2 출력 커플러가 제자리에 있을 때, 레이저는 단축된 레이저 캐비티를 갖는 연속파 모드에서 레이징(lase)하도록 정렬될 수 있다. 제2 출력 커플러는 소량의 파워(예컨대, 2% 또는 임의의 다른 적당한 값)를 투과시키고, 삽입된 광학 마운트와 SAM(1-119) 사이에서 레이저의 광학 컴포넌트들을 정렬시키는 데 사용될 수 있는 레이저 빔을 제공할 수 있다. 이 나머지 컴포넌트들이 정렬되면, 레이저(1-110)가 전체 캐비티 길이(full cavity length)를 갖는 펄스 모드에서 작동하도록 조정될 수 있도록, 삽입된 광학 마운트가 제거될 수 있다.
본 발명자들은 다이오드 펌프 모듈(2-140)로부터의 열이 펄스 레이저(1-110)의 작동에 악영향을 줄 수 있다는 것을 인식하고 알았다. 예를 들어, 다이오드 펌프 모듈(2-140)로부터의 열은 베이스 플레이트(2-105)의 상당 구역을 따뜻하게 하고 시간의 경과에 따라 레이저 캐비티 광학계들의 정렬을 변경할 수 있다. 다이오드 펌프 레이저로부터의 열에 의해 야기된 유해한 효과들을 피하기 위해, 다이오드 펌프 모듈(2-140)이 베이스 플레이트(2-105)에 있는 구멍(hole)(2-145)을 통해 장착될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 레이저 다이오드로부터의 빔은, 다이오드 펌프 모듈(2-140) 내에서 45°로 배향되고 펄스 레이저의 출력 빔 경로(2-125) 상에 놓여 있는, 이색성 미러(dichroic mirror) 쪽으로(지면으로부터 나오는 방향으로) 지향될 수 있다. 이색성 미러는 레이저 다이오드의 펌프 빔을 이득 매질(1-105) 및 레이저 캐비티의 광학 축에 맞춰 정렬시킬 수 있는 조절부들을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 다이오드 펌프 모듈(2-140)은 열 절연성 마운팅 하드웨어(thermally insulating mounting hardware)를 사용하여 베이스 플레이트(2-105)에 부착될 수 있다. 예를 들어, 다이오드 펌프 모듈을 부착시키기 위해 나일론 스크루들이 사용될 수 있고, 베이스 플레이트와 다이오드 펌프 모듈의 마운팅 표면(mounting surface)들 사이에 나일론 또는 세라믹 와셔들이 배치할 수 있다. 일부 구현들에서, 작은 스테인리스강 스크루들(예컨대, 4 내지 40 또는 그 이하의 스크루 크기들)이 나일론 또는 세라믹 와셔들과 함께 사용될 수 있다. 그에 부가하여, 열이 베이스 플레이트 및 레이저 캐비티 광학계들로부터 멀어지는 쪽으로 전도되도록, 다이오드 펌프 모듈의 TEC, 냉각 핀들, 및/또는 강제 공랭(forced-air cooling)이 베이스 플레이트(2-105)의 뒷면(reverse side)에 구현될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 다이오드 펌프 모듈(2-140)은 베이스 플레이트(2-105)의 에지로부터 약 2 cm 내에 위치될 수 있고, 소산된 열은, 예를 들어, 팬(fan)에 의해 에지 쪽으로 그리고 베이스 플레이트로부터 멀어지는 쪽으로 보내진다. 베이스 플레이트(2-105)는 그에 부가하여, 열이 제거되는 플레이트의 뒷면 상에서의 공기 흐름(air flow) 또는 난류(turbulence)로부터 베이스 플레이트의 한쪽 측면 상의 레이저 광학계들 및 레이저 캐비티를 보호하는, 윈드 스크린(wind screen)으로서 역할할 수 있다. 일부 구현들에서, TEC는 피드백 및 제어 회로부에 연결되고 다이오드 펌프 레이저를 원하는 작동 온도로 유지시키는 데 사용될 수 있다.
펄스 레이저(1-110)를 포함하는 부분적으로 조립된 휴대용 기기(1-100)의 일 예가 도 2ab에 도시되어 있다. 사진에서 바이오 광전자 칩(1-140)이 장착된 인쇄 회로 보드(1-130)가 또한 보인다. 빔 스티어링 모듈(1-150)이 또한 PCB(1-130)에 부착될 수 있다. 이 실시예에서, 펄스 레이저의 광학계들이 많은 탭 구멍(tapped hole)들을 갖는 광학 브레드보드(optical breadboard) 상에 장착된다. 일부 실시예들에서, 펄스 레이저에 대한 일부 광학계들은 베이스 플레이트(2-105)에 형성되는 집적된 자기 정렬 광학 마운트(integrated, self-aligning, optical mount)들에 장착될 수 있다.
집적된 자기 정렬 광학 마운트(2-210)의 일 예가 도 2ba에 도시되어 있다. 집적된 광학 마운트(2-210)는 펄스 레이저(1-110)의 베이스 플레이트(2-105)에 머시닝(machining)되거나 다른 방식으로 형성된 축방향 트렌치(2-220)를 포함할 수 있다. 축방향 트렌치(2-220)는 펄스 레이저 캐비티의 광학 축에 평행한 방향으로 연장될 수 있다. 집적된 광학 마운트는 축방향 트렌치(2-220)에 대략 횡방향으로 형성되는 코플래너 표면(coplanar surface)들(2-230)을 추가로 포함할 수 있다. 코플래너 표면들은 축방향 트렌치(2-220)에 대략 직교인 방향으로 짧은 트렌치를 머시닝 또는 밀링(milling)하는 것에 의해 형성될 수 있다. 일부 경우들에서, 장착된 광학계로부터의 역반사(back reflection)들이 레이저 캐비티의 광학 축으로부터 변위(displace)되도록, 코플래너 표면들이 작은 각도로 배향될 수 있다. 축방향 트렌치(2-220)의 베이스에, 경사진 표면들(2-240)이 있을 수 있다(도 2ba에서는 하나만이 보인다). 경사진 표면들(2-240)은 축방향 트렌치의 베이스 근방에 머시닝, 밀링, 또는 다른 방식으로 형성될 수 있고, 축방향 트렌치(2-220)의 대향 측면들 상에 위치될 수 있다. 경사진 표면들은 코플래너 표면들(2-230) 쪽으로의 방향으로 기울어져 있고, 그 위에 장착된 광학계에 대한 지지를 제공할 수 있다.
펄스 레이저에 대한 광학 컴포넌트(2-250)는, 예를 들어, 도 2bb에 도시된 바와 같이, 집적된 광학 마운트(2-210)에 의해 지지될 수 있다. 광학계(2-250)는, 예를 들어, 캐비티 미러, 레이저 캐비티 내의 렌즈, 또는 이득 매질(1-105)을 포함할 수 있다. 일부 경우들에서, 광학계(2-250)는, 도면에 도시된 바와 같이, 집적된 광학 마운트(2-210)에 그 자체로 장착될 수 있다. 다른 실시예들에서, 광학계는 집적된 광학 마운트(2-210)에 배치될 수 있는 지지 금구(supporting fixture)(예컨대, 환형 플레이트, 조절가능 마운트) 내에 장착될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 광학 컴포넌트(2-250), 또는 지지 금구는 집적된 광학 마운트(2-210)의 코플래너 표면들(2-230)에 위치맞춤되고 그와 맞닿아 있는 편평한 표면을 포함할 수 있다. 광학계 또는 금구는 컴플라이언트 유지 디바이스(compliant retaining device)(예컨대, 베이스 플레이트에 패스닝(fasten)될 수 있는 바(bar), 플렉시블 플라스틱 바 또는 암(arm) 등 상에 장착된 O-링(O-ring))에 의해 집적된 마운트에 유지될 수 있다. 컴플라이언트 유지 디바이스는 광학계(2-250) 또는 지지 금구의 상부 에지(top edge)와 접촉할 수 있고, 경사진 표면들(2-240) 및 코플래너 표면들(2-230) 쪽으로의 방향들로 광학계 또는 금구에 힘을 가할 수 있다. 광학계(2-250) 또는 지지 금구의 하부 에지(lower edge)는 경사진 표면들(2-240) 상의 지점들과 접촉할 수 있다. 경사진 표면들(2-240)은 또한 코플래너 표면들(2-230) 쪽으로 부분적으로 지향되는 성분을 갖는 힘을 광학계 또는 금구에 제공할 수 있다. 경사진 표면들(2-240)에 있는 접촉 지점들 및 코플래너 표면들(2-230) 쪽으로 지향되는 힘은 광학계 또는 금구를 레이저 캐비티 내의 원하는 배향 및 위치에 자기 정렬시킬 수 있다. 일부 구현들에서, 광학계 또는 지지 금구는 정렬된 배향으로 (예컨대, 접착제를 사용해) 집적된 광학 마운트에 본딩될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 하나 이상의 집적된 광학 마운트들(2-210)이 펄스 레이저(1-110)의 베이스 플레이트에 형성될 수 있다. 일부 경우들에서, 축방향 트렌치(2-220)는, 도 2ba에 도시된 바와 같이, 몇 개의 집적된 광학 마운트들을 관통하여 연장될 수 있다. 집적된 광학 마운트의 유리한 특징들 중에는 펄스 레이저의 광학 축의 하강(lowering)이 있다. 이것은 그렇지 않았으면 베이스 플레이트의 표면으로부터 연장되는 광학 마운트들 내로 커플링되고 그 광학 마운트들에 의해 증폭될 수 있을지도 모르는 기계 진동(mechanical vibration)들의 효과들을 감소시킬 수 있고, 그렇지 않았으면 베이스 플레이트의 표면으로부터 연장되는 광학 마운트들의 움직임에 의해 증폭될 수 있을 지도 모르는 열 팽창(예컨대, 베이스 플레이트(2-105)의 약간의 뒤틀림(warping))의 효과들을 감소시킬 수 있다.
도 2a을 또다시 참조하면, 출력 펄스들의 광학 파장을 반감(halve)시키기 위해, 펄스 레이저(1-110)의 출력이 렌즈(2-164)를 통해 주파수 배가 결정체(frequency-doubling crystal)(2-170) 내로 포커싱될 수 있다. 예를 들어, 펄스 레이저(1-110)는 약 1064 nm의 특성 파장을 갖는 펄스들을 생성할 수 있고, 주파수 배가 결정체(2-170)는 파장을 약 532 nm로 변환시킬 수 있다. 주파수 배가된 출력은 바이오 광전자 칩(1-140)에서 상이한 방출 특성들을 갖는 형광단들을 여기시키기 위해 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 반파장판(half-wave plate)(2-160)이 회전가능 마운트 - 그의 회전각(rotation angle)은 액추에이터(2-162)에 의해 제어됨 - 에 장착될 수 있으며, 펄스 레이저의 출력 광학 경로에서 주파수 배가 결정체(2-170) 이전에 위치될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 액추에이터(2-162)는 스테퍼 모터(stepper motor), 압전 모터(piezoelectric motor), 정밀 베어링(precision bearing)들을 가지며 광학 컴포넌트를 회전시키도록 구성된 갈바노미터(galvanometer), DC 모터, 또는 임의의 다른 적당한 작동 메카니즘을 포함할 수 있다. 반파장판(2-160)을 회전시키는 것은 레이저의 출력 펄스들의 편광을 변화시키고 주파수 배가 결정체(2-170)에서의 제2 고조파 변환 효율(second-harmonic conversion efficiency)을 변경할 수 있다. 반파장판의 제어는 그러면 바이오 광전자 칩(1-140)에 전달되는 주파수 배가된 파장에서의 파워의 양을 제어하는 데 사용될 수 있다. 반파장판(또는 주파수 배가 결정체)을 회전시키는 것에 의해, 주파수 배가된 파장에서의 광학 파워가, 기본 파장에서의 레이저의 작동에 영향을 주지 않으면서, 큰 범위에 걸쳐(예컨대, 10배 이상의 범위에 걸쳐) 작은 양의 단위로 정밀하게 변화될 수 있다. 즉, 펄스 레이저(1-110)의 모드 동기 안정성, 열 소산, 및 다른 특성들에 영향을 미치지 않고, 주파수 배가된 파장에서의 파워가 변화될 수 있다. 일부 실시예들에서, 기본 레이저 작동에 영향을 주지 않으면서 주파수 배가된 파워(frequency-doubled power)를 제어하기 위해 그에 부가하여 또는 대안적으로 다른 조절들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 주파수 배가 효율을 변화 및/또는 극대화시키기 위해, 주파수 배가 결정체(2-170)에의 펄스 레이저 빔의 입사각 및/또는 렌즈(2-164)와 주파수 배가 결정체 간의 거리가 자동적으로 제어될 수 있다.
일부 실시예들에서, 주파수 배가된 출력 펄스들이 방향전환 미러(2-180)에 의해 빔 스티어링 모듈(1-150)로 지향될 수 있다. 방향전환 미러(2-180)는, 주파수 배가 결정체(2-170)에 의해 하향 변환(down-convert)되지 않은 광학 방사를 빔 덤프(도시되지 않음) 쪽으로 투과시키도록, 이색성일 수 있다.
작동 중에, 7 mm의 길이 및 약 0.25%의 도핑 레벨을 갖는 이득 매질로서 Nd3+:YVO4를 이용하는 펄스 레이저(1-110)는 대략 20 ps의 FWHM 값을 갖는 1064 nm의 펄스들을 생성할 수 있다 . 펄스는 펄스의 피크로부터 100 ps 내에 대략 80 dB만큼 소광된다. 펄스 반복 레이트는 대략 90 MHz이고, 기본 파장에서의 펄스 레이저의 평균 파워는 약 900 mW이다. 평균 주파수 배가된 파워는 약 300 mW이다. 레이저를 작동시키는 데 요구되는 AC 전력(AC power)은 약 20 와트 미만이다. 레이저는 컴팩트하고, 0.1 ft3 미만의 체적을 차지하며, 중량이 대략 10 파운드이고, DNA를 시퀀싱하기 위한 탁상용 기기(table-top instrument)와 같은, 휴대용 분석 기기 내에 모듈로서 쉽게 통합될 수 있다.
일부 구현들에서, 부가의 모드 동기 레이저 구성들 및 특징들이 사용될 수 있다. 도 3a는 컴팩트한 모드 동기 레이저(3-100)의 단지 하나의 예를 도시하고 있다. 개략적으로 말하면, 컴팩트한 모드 동기 레이저는 다이오드 펌프 소스(3-105), 이득 매질(3-107), 주파수 배가 요소(3-109), 광학 지연 요소(3-110), 및 2개의 레이저 캐비티 단부 미러들(TC1) 및 포화성 흡수체 미러(3-120)를 포함한다. 이득 매질(3-107)은 레이징 파장(λ1)의 광학 방출을 생성하기 위해 파장(λp)의 다이오드 펌프 소스(3-105)에 의해 여기될 수 있다. 주파수 배가 요소(3-109)는 레이징 파장을 레이징 파장의 1/2인 λ2의 주파수 배가된 출력 파장으로 변환시킬 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 도시된 광학적 펌핑 레이징 시스템(optically-pumped lasing system)들 중 임의의 것에 대한 펌프 파장(λp)은 대략 450 nm 내지 대략 1100 nm일 수 있다. 도시된 레이징 시스템들 중 임의의 것에 대한 레이징 파장(λ1)은, 일부 구현들에 따르면, 대략 800 nm 내지 대략 1500 nm일 수 있다. 일부 경우들에서, 도시된 레이징 시스템들 중 임의의 것에 대한 출력 파장(λ2)은 대략 400 nm 내지 대략 750 nm일 수 있다. 일부 경우들에서, 출력 파장(λ2)은 대략 500 nm 내지 대략 700 nm일 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 출력 펄스 지속시간은 약 1 피코초 내지 약 100 피코초일 수 있다. 일부 경우들에서, 출력 펄스 지속시간은 약 1 피코초 내지 약 30 피코초일 수 있다.
일부 실시예들에서, 도시된 레이징 시스템들 중 임의의 것에 대한 광학 펌프 소스(3-105), 이득 매질(3-107), 및 주파수 배가 요소(3-109)는 원하는 출력 파장(λ2)을 생성하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 녹색 출력 파장이 요망되면, 이득 매질은 1064 nm 및 1053 nm에서, 각각, 레이징하는 Nd:YAG 또는 Nd:YLF일 수 있다. 주파수 배가 요소(3-109)는, 일부 구현들에서, KTP 또는 BBO일 수 있고, 펌프 소스는 대략 800 nm에서 레이징하는 하나 이상의 레이저 다이오드들을 포함할 수 있다. 다른 원하는 출력 파장들(λ2)에 대해 다른 재료들이 선택될 수 있다. 예를 들어, 1280 nm에서 레이징할 수 있고 (광학 스펙트럼의 적색 영역에 있는) 640 nm로 주파수 배가될 수 있는, Cr:포스테라이트가 이득 매질로서 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 주파수 배가 없이, 곧바로 (적색에 있는) 640 nm에서 레이징하기 위해 Pr:LiYF4가 이득 매질(3-107)로서 사용될 수 있다. 본 발명자들은, 532 nm(녹색) 및/또는 671 nm(적색)으로 배가될 수 있는, 하나 또는 2개의 파장들 1064 ㎚ 및/또는 1342 nm에서 레이징하기 위해 Nd:YVO4가 이득 매질로서 사용될 수 있다는 것을 인식하고 알았다. 본 발명자들은 또한 부가의 파장들을 획득하기 위해 비선형 결정체(nonlinear crystal)에서 합-주파수 생성이 수행될 수 있다는 것을 인식하고 알았다. 예를 들어, 대략 594 nm의 방사를 생성하기 위해 Nd:YVO4로부터의 2개의 레이징 파장들의 펄스들이 비선형 결정체에서 혼합될 수 있다. 이득 매질, 광학 펌프 소스, 및 비선형 요소(3-109)의 선택을 통해 생성될 수 있고 형광단들을 여기시키기 위한 관심 대상인 부가의 파장들은: 515 nm, 563 nm, 612 nm, 632 nm, 및 647 nm를 포함하지만, 이들로 제한되지 않는다. 상이한 이득 매질들은 네오디뮴 도핑된 이트륨 알루미늄 가넷(Nd:YAG), 이테르븀 도핑된 YAG(Yb:YAG), 이테르븀 도핑된 유리(Yb:유리), 에르븀 도핑된 YAG(Er:YAG), 또는 티타늄 도핑된 사파이어(Ti:사파이어)를 포함하지만, 이들로 제한되지 않는다.
일부 구현들에서, 컴팩트한 다이오드 펌핑 모드 동기 레이저(compact, diode-pumped, mode-locked laser)는 개조된 고파워 레이저 포인터(modified, high-power, laser pointer)를 포함할 수 있다. 고파워 레이저 포인터들은 저렴한 비용으로 이용가능하며, 본 발명자들은 컴팩트한 모드 동기 레이저를 만들기 위해 이러한 레이저 포인터가 개조될 수 있다는 것을 인식하고 알았다. 예를 들어, 이색성 미러(DC1)가 다이오드 펌프 소스(3-105)와 레이저 이득 매질(3-107) 사이에 삽입될 수 있다. 부가의 광학 컴포넌트들을 통합시키기 위해 캐비티 길이가 증가될 수 있도록, 이색성 미러가 레이저 캐비티의 단부 미러를 대체할 수 있다. 이색성 미러(DC1)는 레이징 파장(λ1)의 실질적으로 전부를 반사시키고, 펌프 파장(λp)의 실질적으로 전부를 투과시킬 수 있다.
이색성 미러(DC1)는 레이저 캐비티로부터 빔이 광학 지연 요소(3-110) 쪽으로 지향될 수 있게 할 수 있다. 광학 지연 요소로부터의 출력이 포화성 흡수체 미러(3-120) 쪽으로 보내질 수 있다. 레이저 포인터를 모드 동기시키고 초고속 광학 펄스들을 생성할 레이저 캐비티 내의 강도 의존적 손실 요소(intensity-dependent loss element)를 제공하기 위해 포화성 흡수체 미러(3-120)가 추가될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 다이오드 펌프 소스(3-105)는 광학 시스템(OS1)의 하나 이상의 렌즈들에 의해 조작되어 이득 매질(3-107) 쪽으로 지향되는 파장(λp)의 광학 펌프 빔을 제공한다. 일부 실시예들에 따르면, 펌프 파장은 대략 700 nm 내지 대략 900 nm 일 수 있다. 레이저 다이오드 펌프 소스의 일 예는 중국 산시성 시안시 소재의 FocusLight Coroporation로부터 입수가능한 레이저 다이오드 모델 FL-FM01-10-808이다. 일부 실시예들에서, 다이오드 펌프 소스(3-105)는 펌프 소스에 의해 발생된 열을 소산시키기 위해 열적으로 냉각(thermally cool)될 수 있다. 예를 들어, TEC(thermal electric cooler)는 다이오드 어셈블리로부터 열을 추출하기 위해 다이오드 펌프 소스에 열적으로 커플링(thermally couple)될 수 있다. 일부 구현들에서, 이득 매질(3-107) 및/또는 주파수 배가 요소(3-109)는 또한, 예를 들어, 하나 이상의 TEC(thermal electric cooler)들(3-103)을 사용하여 온도 제어될 수 있다.
일부 구현들에서, TEC들이 사용되지 않을 수 있다. 그 대신에, 높은 열 레벨들을 경험할 수 있는 광학 컴포넌트들(예컨대, 다이오드 펌프 소스, 이득 매질, 비선형 광학 요소들)은 광학 컴포넌트들로부터의 열을 전도 및/또는 소산시킬 수 있는 열 전도성 싱크(thermally conductive sink)들 상에 장착될 수 있다. 일부 실시예들에서, 써멀 싱크(thermal sink)들은 광학 컴포넌트와 그리고 열 전도성 및/또는 소산성(dissipative) 지지 플레이트와 열 접촉(thermal contact)하는 솔리드 구리 마운트(solid copper mount)들을 포함할 수 있다. 일부 경우들에서, 써멀 싱크와 광학 컴포넌트 사이에, 컴포넌트로부터 마운트로의 열 전도를 개선시키기 위해, 열 전도성 필름(예컨대, 가단성(malleable) 인듐 필름)이 배치될 수 있다.
모드 동기 레이저는 펌프 소스(3-105)로부터의 빔의 발산을 재정형(reshape) 및/또는 변경하도록 구성되는 제1 광학 시스템(OS1)을 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 펌프 소스 빔 웨이스트가 이득 매질에서 레이저 빔의 빔 웨이스트와 대략 일치하도록, 제1 광학 시스템(OS1)은 펌프 소스로부터의 빔의 크기를 증가 또는 감소시킬 수 있다. 그에 부가하여 또는 대안적으로, 제1 광학 시스템은 빔의 단면 형상을, 예를 들어, 타원형으로부터 원형으로 또는 정사각형 형상의 빔으로 변경할 수 있다. 일부 실시예들에서, 본 발명자들은 다이오드 펌프 소스(3-105)로부터의 정사각형 또는 직사각형 형상의 빔이 이득 매질(3-107)을 펌핑하기 위해 요망되고, 모드 동기 레이저의 펌핑 효율을 현저히 개선시킬 수 있다는 것을 발견하였다.
제1 광학 시스템(OS1)은, 일부 실시예들에서, 하나 이상의 원통형 렌즈(cylindrical lens)들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 광학 시스템은 한 쌍의 교차 원통형 렌즈(crossed cylindrical lens)들을 포함할 수 있다. 제1 원통형 렌즈는 짧은 초점 거리(예컨대, 약 5 mm 미만)를 가질 수 있고, 제2 원통형 렌즈는 보다 긴 초점 거리를 가질 수 있다. 일부 구현들에서, 제1 원통형 렌즈는 약 150 마이크로미터 미만의 직경을 갖는 한 길이의 광학 파이버를 포함할 수 있다. 그의 초점 거리는 500 마이크로미터 미만일 수 있다. 제2 원통형 렌즈는 약 5 mm 내지 약 10 mm인 초점 거리를 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 모드 동기 레이저 캐비티는 도 3a에 도시된 바와 같은 복수의 광학 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 레이저 캐비티의 한쪽 단부는, 일부 실시예들에서, 삼색성 미러(trichroic mirror)(TC1)를 포함할 수 있다. 삼색성 미러는 레이징 파장(λ1) 및 펌프 파장(λp)을 반사시키고 주파수 배가된 출력 파장(λ2)을 통과시키도록 설계되어 있는 다층 코팅을 가질 수 있다. 레이저 캐비티는 펌프 소스로부터의 빔 및 이득 매질(3-107) 및 비선형 광학 요소(3-109) 내로의 레이저 빔의 발산을 재정형 및/또는 변경하도록 구성되어 있는 제2 광학 시스템(OS2)을 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 이득 매질과 비선형 광학 요소 사이에 제5 광학 시스템(도시하지 않음)가 배치되어 있을 수 있다. 레이저 캐비티는 캐비티내 레이저 빔을 광학 지연 요소(3-110) 쪽으로 반사시키는, 앞서 설명된, 이색성 반사체(dichroic reflector)(DC1)를 포함할 수 있다. 광학 지연 요소는 컴팩트한 구성의 레이저 캐비티에 광학 경로 길이를 추가하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 광학 지연 요소(3-110)는, 각각의 측면이 5 cm 미만이고 게다가 길이가 약 40 cm 초과인 광학 경로 길이를 그 요소 내에 제공하는, 광학 시스템을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학 지연 요소는 레이저 캐비티가 배치되는 베이스 구조체 또는 하우징의 임의의 횡방향 치수보다 더 큰 양의 광학 경로 길이를 레이저 캐비티에 추가할 수 있다. 레이저 캐비티는, 하나 이상의 렌즈들을 포함하는, 광학 지연 요소로부터의 빔을 재정형 및/또는 포화성 흡수체 미러(3-120) 상으로 포커싱하도록 구성되는 제3 광학 시스템(OS3)을 추가로 포함할 수 있다. 레이저 캐비티 내의 레이저 빔(3-101)은 삼색성 미러(TC1)와 포화성 흡수체 미러(3-120) 사이에서 왔다갔다 반사될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 모드 동기 레이저(3-100)는 출력 광학 시스템(OS4) 및 광학 필터(F1)를 추가로 포함할 수 있다. 출력 광학 시스템은 레이저 캐비티로부터 출력 빔의 발산을 재정형 및/또는 변경하도록 구성될 수 있다. 필터는 펌프 파장(λp) 및 레이징 파장(λ1) 중 하나 또는 둘 다를 흡수 또는 차단하도록 구성될 수 있다.
작동 중에, 이득 매질(3-107)을 효율적으로 여기시키기 위해 다이오드 펌프 소스로부터 펌프 빔이 광학 시스템(OS1)을 사용해 재정형될 수 있다. 포화성 흡수체 미러(3-120)(그의 일 예가 이하에서 더 상세히 설명됨)는, 낮은 강도들이 미러에 의해 흡수되고 높은 강도들이 저 손실로 미러에 의해 반사되도록, 강도 의존적 손실을 나타낸다. 미러의 강도 의존적 손실로 인해, 레이저는 짧은 고강도 펄스들에 대해 우선적으로 모드 동기 상태에서 작동한다. 이 상태에서, 고강도 펄스들은 저 손실로 포화성 흡수체 미러(3-120)로부터 반사된다. 펄스 작동 중에, 펄스들은 레이저 캐비티 내에서 2개의 단부 미러들(TC1, 3-120) 사이에서 왔다갔다 순환하고, 주파수 배가 요소(3-109)에 의해 주파수 배가된다. 이러한 방식으로, 모드 동기 레이저는 배가된 파장(λ2)의 출력 펄스들의 트레인을 생성한다.
광학 지연 요소들(3-110)의 예들이 도 3ba 내지 도 3bd에 도시되어 있다. 단지 하나의 실시예에 따르면, 광학 지연 요소는, 도 3ba의 평면도에 도시된 바와 같이, 아가일 블록(argyle block)을 포함할 수 있다. 아가일 블록은 제1 직각 프리즘(3-112) 및 제2 직각 프리즘(3-114)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 프리즘들의 수직 사이드 면(perpendicular side face)들이 코팅되어 있지 않을 수 있지만, 다른 실시예들에서, 수직 면(perpendicular face)들이 고반사 코팅(high-reflective coating)들을 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 프리즘들 중 하나의 프리즘 상의 수직 면의 길이는 약 20 mm 내지 약 60 mm일 수 있다. 각각의 프리즘은 임의의 적당한 광학 품질의 유리, 예를 들어, BK-7 또는 용융 실리카(fused silica)로 형성될 수 있다. 높은 열적 안정성을 위해, 지연 요소는, Corning으로부터 입수가능한 ULE와 같은, 초저팽창 유리(ultra-low expansion glass)로 형성될 수 있다. 프리즘의 사이드 면(side face)들은, 예를 들어, λ/10 이상의 편평도(flatness)를 갖는, 높은 광학 품질로 폴리싱(polish)될 수 있다.
도면에 도시된 바와 같이, 제1 프리즘(3-112)과 제2 프리즘(3-114)은 오프셋되어 서로 접착될 수 있다. 프리즘들은 광학 본딩(optical bonding)을 통해 또는 광학 접착제를 사용하여 접착될 수 있다. 일부 구현들에서, 광학 지연 요소(3-110)는 절단(cutting) 및 폴리싱에 의해 단일 유리로 형성될 수 있다. 레이저 캐비티 빔(3-101)은 지연 요소의 제1 포트를 통해 진입하고, 아가일 블록의 제2 포트를 빠져나가기 전에, 내부에서, 점선으로 도시된, 우회하는 광학 경로(circuitous optical path)를 따라 반사될 수 있다. 일부 구현들에 따르면, 레이저 캐비티 내의 요소에서의 광학 경로 길이를 배가하기 위해 지연 요소가 두 번 통과(double-pass)된다.
광학 지연 요소(3-212)의 다른 실시예가 도 3bb에 도시되어 있다. 일부 실시예들에 따르면, 광학 지연 요소는 직사각형 형상으로 형성되는 단일 광학 블록을 포함할 수 있다. 지연 요소(3-212)는, 도면에서 점선으로 도시된 바와 같이, 레이저 빔을 지연 요소 내에서 왔다갔다 반사시키는 수직 에지 면(perpendicular edge face)들(3-230)을 포함할 수 있다. 지연 요소는 지연 요소에 대한 입구 포트(3-232) 및 출구 포트(2-234)를 제공하는 2개의 폴리싱된 면들을 추가로 포함할 수 있다. 수직 사이드 면들이, 일부 실시예들에서는, 코팅되어 있지 않거나, 다른 실시예에서는, 고반사 코팅들(예컨대, 다층 코팅들)로 코팅되어 있을 수 있다. 레이저 캐비티 내의 광학 경로 길이를 증가시키기 위해 지연 요소(3-212)가 두 번 통과될 수 있다. 일부 구현들에서, 지연 요소의 에지의 최대 길이는 약 20 mm 내지 약 60 mm일 수 있다. 지면 내로 들어가는 방향으로 측정된, 블록의 두께는 약 5 mm 내지 약 20 mm일 수 있다. 지연 요소(3-212)는, 앞서 설명된 바와 같이, 임의의 적당한 광학 품질의 유리로 형성될 수 있다. 반사 에지 면(reflective edge face)들은, 예를 들어, λ/10 이상의 편평도를 갖는, 높은 광학 품질로 폴리싱될 수 있다.
도 3bc는 광학 지연 요소(3-214)의 또 다른 실시예를 도시하고 있다. 일부 실시예들에 따르면, 지연 요소는 한 쌍의 평면 미러(planar mirror)들(M1, M2)을 포함할 수 있고, 이 평면 미러들은 그들의 중심들에서 거리 D만큼 이격되고 서로에 대해 약간의 각도 α로 경사져 있다. 각각의 미러는 길이 L을 가질 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 미러들의 간격(spacing) D는 약 10 mm 내지 약 50 mm일 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 미러들의 길이 L은 약 20 mm 내지 약 60 mm일 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 각도 α는 약 0° 내지 약 10°일 수 있다. 지면 내로 들어가는 방향을 따라 측정된, 미러들(M1, M2)의 높이는 약 5 mm 내지 약 20 mm일 수 있다. 미러들(M1, M2)은, 앞서 설명된 바와 같이, 임의의 적당한 광학 품질의 유리로 형성될 수 있다. 미러들의 반사 표면들은, 예를 들어, λ/10 이상의 편평도를 갖는, 높은 광학 품질로 폴리싱될 수 있다. 반사 표면들은 고품질 고반사 다층 코팅(high-quality, high-reflective, multilayer coating)들로 코팅되고 일부 구현들에서 약 99.5% 초과의 반사율을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 반사율들은 약 99.9% 초과일 수 있다. 일부 실시예들에서, 반사율들은 약 99.99% 초과일 수 있다. 일부 구현들에서, 반사율들은 약 99.999% 초과일 수 있다.
광학 지연 요소(3-216)의 다른 실시예가 도 3bd에 도시되어 있다. 이 실시예는 도 3bc에 도시된 실시예와 유사한 솔리드 블록을 포함할 수 있다. 일부 구현들에 따르면, 광학 지연 요소(3-216)는 도면에 도시된 바와 같이 5개의 표면들을 갖는 솔리드 광학 재료 블록(solid block of optical material)을 포함할 수 있다. 2개의 표면들(3-234)은 서로에 대해 약간의 각도 α로 경사져 있을 수 있다. 표면들은 광학 빔(3-101)을 도면에 표시된 바와 같이 점선 경로를 따라 표면들 사이에서 왔다갔다 반사시키기 위해 고반사 코팅들을 포함할 수 있다. 지연 요소(3-216)는 지연 요소에의 입구 포트 및 지연 요소로부터 출구 포트를 제공하는 2개의 코팅되지 않은 또는 반사방지 코팅된 표면들(3-232)을 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 지연 요소는 캐비티내 레이저 빔(3-101)이 브루스터 각도로 지연 요소에 진입하고 그로부터 빠져나가도록 배열될 수 있다. 지연 요소(3-216)는, 앞서 설명된 바와 같이, 임의의 적당한 광학 품질의 유리로 형성될 수 있다. 반사 표면들(3-234)은, 예를 들어, λ/10 이상의 편평도를 갖는, 높은 광학 품질로 폴리싱될 수 있다. 반사 표면들은 고품질 고반사 다층 코팅들로 코팅되고 일부 구현들에서 약 99.5% 초과의 반사율을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 반사율들은 약 99.9% 초과일 수 있다. 일부 실시예들에서, 반사율들은 약 99.99% 초과일 수 있다. 일부 구현들에서, 반사율들은 약 99.999% 초과일 수 있다.
도 3ba, 도 3bb 및 도 3bd에 도시된 솔리드 블록 지연 요소들(3-110, 3-212, 3-216)의 장점은 이 요소들이 레이저 캐비티 내에 삽입될 때 도 3bc의 2개의 미러들과 같은 다중-컴포넌트 지연 요소들만큼 정밀한 정렬을 요구하지 않는다는 것이다. 그렇지만, 솔리드 블록 컴포넌트들은 제조 공정 동안 보다 많은 주의를 요구할 것이고, 이는 제조 비용의 증가를 가져올 수 있다. 도 3bc에 도시된 다중-컴포넌트 지연 요소(3-214)는 제조 공정 동안 그만큼 많은 주의를 요구하지 않을 것이지만, 레이저 캐비티에 추가될 때 보다 많은 주의를 요구하고 미러들의 서로에 대한 보다 정밀한 정렬을 요구할 것이다.
광학 지연 요소들을 통합하고 있는 다른 모드 동기 레이저 설계들은 컴팩트한 극초단 펄스 레이저 시스템에 구현될 수 있다. 도 3ca 내지 도 3cc는 컴팩트한 초고속 모드 동기 레이저들의 부가의 실시예들을 도시하고 있다. 도 3ca는, 주파수 배가 요소(3-109)가 레이저 캐비티 외부에 위치된, 포화 흡수체 미러(SAM) 모드 동기 레이저(3-300)의 일 실시예를 도시하고 있다. 도 3a와 관련하여 설명된 모드 동기 레이저(3-100)의 요소들과 유사한 모드 동기 레이저의 요소들은 유사한 참조 번호들로 번호가 매겨지고 그들의 설명이 반복되지 않는다. 일부 실시예들에 따르면, SAM 모드 동기 레이저는 출력 커플러(TC1) 및 포화성 흡수체 미러(3-120)를 캐비티 단부 미러들로서 포함할 수 있다. 출력 커플러는, 펌프 파장(λp)은 통과시키고 레이징 파장(λ1) 및 주파수 배가된 파장(λ2)에 대해서는 고반사성(highly reflective)이도록 구성된, 삼색성 미러를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 출력 커플러(TC1)는 레이징 파장(λ1)의 약 2% 내지 약 15%를 투과시킬 수 있다. 펌프 파장(λp)은 이득 매질(3-107)을 통해 역반사시키고 레이징 파장(λ1)은 지연 요소(3-110) 쪽으로 투과시키기 위해, 이색성 미러(DC2)가 레이저 캐비티 내에 위치될 수 있다. 레이저 캐비티로부터의 출력 빔은 레이저 캐비티 외부에 위치될 수 있는 주파수 배가 요소(3-109) 쪽으로 지향될 수 있다. 레이징 파장, 그리고 임의로 펌프 파장을 차단시키기 위해 필터(F1)가 포함될 수 있다.
도 3cb는, 일부 실시예들에 따른, 비선형 미러 모드 동기(NMM) 레이저(3-302)의 일 실시예를 도시하고 있다. 이 실시예는 포화성 흡수체를 사용할 수 있거나 그렇지 않을 수 있다. 그 대신에, 주파수 배가 요소(3-109) 및 이색성 미러(DC2)는 레이저의 모드 동기를 야기하는 강도 의존적 손실 메커니즘을 제공할 수 있다. 도 3a와 관련하여 설명된 모드 동기 레이저의 요소들과 유사한 모드 동기 레이저의 요소들은 유사한 참조 번호들로 번호가 매겨지고 그들의 설명이 반복되지 않는다.
일부 실시예들에 따르면, NMM 레이저 캐비티는 출력 커플러로서 역할하는 삼색성 미러(TC1) 및 주파수 배가 파장(λ2)에 대한 고반사체로서 역할하는 이색성 미러(DC2)를 포함할 수 있다. 삼색성 미러(TC1)는, 펌프 파장(λp)은 통과시키고 레이징 파장(λ1)에 대해 고반사성이며 주파수 배가된 파장(λ2)에 대해 고반사성이도록, 구성될 수 있다. 레이저 캐비티는, 펌프 파장은 이득 매질을 통해 역반사시키고 레이징 파장 및 주파수 배가된 파장은 통과시키도록 구성되어 있는, 부가의 삼색성 반사체(TC2)를 포함할 수 있다. 레이징 파장(λ1)은 주파수 배가 요소(3-109)에 입사할 수 있고, 주파수 배가 요소(3-109)에서 레이징 파장(λ1)은 레이저 캐비티 내의 주파수 배가된 파장(λ2)으로 변환된다. 이색성 반사체(DC2)는 주파수 배가된 파장(λ2)에 대해 고반사율(high reflectivity)을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 이는 주파수 배가된 파장의 약 95% 내지 약 100%, 및 레이징 파장(λ1)의 약 60% 내지 약 75%를 반사시킬 수 있다. 레이징 파장에 대한 더 높은 손실로 인해, 레이저는 고강도의 펄스들을 갖는 모드 동기 상태에서 작동하는 것을 선호할 것인데, 그 이유는 이 고강도 펄스들이 주파수 배가 요소(3-109)에 의해 배가된 주파수(doubled frequency)로 보다 효율적으로 변환되고 이색성 미러(DC2)로부터 보다 효율적으로 반사될 수 있기 때문이다. 주파수 배가된 파장(λ2)은 이어서 이색성 미러(DC1)를 사용해 모드 동기 레이저로부터 커플링될 수 있다.
도 3cc는 2개의 주파수 배가된 출력 파장들(λ3, λ4)을 생성하도록 구성되어 있는 컴팩트한 모드 동기 레이저의 또 다른 실시예를 도시하고 있다. 일부 구현들에서, 이득 매질(3-308)은 Nd:YVO4를 포함할 수 있고, 레이저 캐비티 내의 광학 요소들 상의 코팅들은 1064 nm 내지 1342 nm 파장들의 동시적인 레이징을 제공할 반사 및 투과 값들로 엔지니어링될 수 있다. 이 파장들은, 예를 들어, 레이저 캐비티 외부에 위치된 배가 요소(doubling element)(3-109)를 사용해 주파수 배가될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 듀얼 파장 모드 동기 레이저(dual-wavelength mode-locked laser)는 도 3ca에 도시된 SAM 모드 동기 레이저와 유사하게 배열될 수 있다. 그렇지만, 제1 이색성 미러는 삼색성 미러(TC1)로 대체되고, 제2 이색성 미러는 제3 삼색성 미러(TC3)로 대체된다. 그에 부가하여, 2개의 파장들(λ1, λ2)로 레이징할 수 있는 이득 매질이 선택되었다. 게다가, 포화성 흡수체 미러(3-325)는 2개의 레이징 파장들에서 강도 의존적 손실을 나타내도록 개조되었다.
일부 실시예들에 따르면, 삼색성 미러(TC1)는 펌프 파장을 이득 매질(3-308) 쪽으로 효율적으로 반사시키도록 그리고 2개의 레이징 파장들(λ1, λ2)을 주파수 배가 요소(3-109) 쪽으로 통과시키도록 구성될 수 있다. 삼색성 미러(TC3)는 펌프 파장(λp)을 다시 이득 매질(3-308)을 통해 반사시키도록 그리고 2개의 레이징 파장들(λ1, λ2)을 지연 요소(3-110) 쪽으로 그리고 계속하여 포화성 흡수체 미러(3-325) 쪽으로 통과시키도록 구성될 수 있다. SAM(3-325) 및 삼색성 미러(TC2)는 레이저 캐비티의 단부 미러들일 수 있다. 펌프 소스에 의해 여기될 때, 듀얼 파장 레이저는 2개의 레이징 파장들에 모드 동기할 수 있다.
도 3a 및 도 3ca 내지 도 3cc에 도시된 모드 동기 레이저 시스템들은 도면들에 도시된 바와 같이 직선 구성(rectilinear configuration)으로 배열될 수 있거나 그렇지 않을 수 있다. 일부 구현들에서, 캐비티들이, 본 발명의 범주를 벗어나지 않으면서, 부가의 미러들을 사용해 다양한 각도들로 그리고 상이한 기하학적 구성들로 폴딩될 수 있다. 광학 요소들 상에 형성된 반사 및 투과 코팅들은 코팅들이 설계되는 대응하는 레이징, 펌프, 및 주파수 배가된 빔들의 입사각들에 따라 엔지니어링될 것이다. 예를 들어, 수직 빔 입사에서 특정의 파장의 고반사율을 위해 엔지니어링된 코팅은 45°로 미러에 입사하는 동일한 파장의 빔에 대해 상이한 설계를 가질 것이다. 일부 실시예들에서, 코팅들이 특정 빔 입사각에 대해 테일러링(tailor)되어 있을 수 있다.
이제부터, 듀얼 파장 포화성 흡수체 미러(3-325)의 상세들이 설명될 것이다. 일부 실시예들에 따르면, 반도체 기판(3-405) 상에 형성될 수 있는 듀얼 파장 SAM이 도 3da에 도시되어 있다. 기판(3-405)의 표면은 고반사율 코팅(3-430)을 포함할 수 있다. 고반사율 코팅은, 일부 구현들에서, 다층 유전체 코팅(multilayer dielectric coating)을 포함할 수 있다. 일부 경우들에서, 고반사율 코팅은 금속 코팅을 포함할 수 있다. 제1 다중 양자 웰 구조체(3-412)는 기판 상에서 고반사율 코팅으로부터 거리 d1에 형성될 수 있다. 제2 다중 양자 웰 구조체(3-410)는 고반사율 코팅(3-430)으로부터 제2 거리 d2에 형성될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 제1 및 제2 다중 양자 웰 구조체들은 중간 반도체 층(3-407)에 의해 분리될 수 있다. 하나 이상의 부가 층들(3-409)이 제2 다중 양자 웰 구조체(3-410)에 인접하여 형성될 수 있거나 그렇지 않을 수 있다. 레이저 캐비티로부터의 광은 포화성 흡수체 미러의 제1 표면(3-402)에 입사될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 기판(3-405), 중간 층(3-407) 및 부가 층 또는 층들(3-409) 중 하나 이상은 실리콘 또는 다른 반도체 재료들을 포함할 수 있다. 다중 양자 웰 구조체들(3-412, 3-410)은, 일부 실시예들에 따르면, 에피택셜 성장 또는 원자 층 퇴적에 의해 형성될 수 있다. 다중 양자 웰 구조체들은 하기의 원소들: In, Ga, As, Al, P 중 하나 이상을 포함하는 조성들을 갖는 재료들의 교번 층(alternating layer)들로 형성될 수 있다.
도 3db는, 일부 실시예들에 따른, 도 3da에 도시된 포화성 흡수체 미러(3-325)의 고반사율 표면(3-430)으로부터의 거리의 함수로서 플로팅된 에너지 밴드 갭 다이어그램을 도시하고 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 제1 다중 양자 웰 구조체(3-412)는 제1 에너지 밴드 갭(BG2)을 생성할 수 있고, 제2 다중 양자 웰 구조체(3-410)는 제2 에너지 밴드 갭(BG4)을 생성할 수 있다. 제1 및 제2 에너지 밴드 갭들은 주변 영역들의 밴드 갭들(BG1, BG3, 및 BG5)보다 더 작을 수 있다. 제1 에너지 밴드 갭(BG2)은 제1 레이징 파장(λ1)을 포화가능하게 흡수(saturably absorb)하도록 엔지니어링될 수 있고, 제2 에너지 밴드 갭(BG4)은 제2 레이징 파장(λ2)을 포화가능하게 흡수하도록 엔지니어링될 수 있다. 제1 및 제2 레이징 파장들은 보다 큰 밴드 갭들을 갖는 주변 영역들을, 감쇠가 거의 없거나 전혀 없이, 통과할 수 있다.
제1 다중 양자 웰 구조체(3-412) 및 제2 다중 양자 웰 구조체(3-410)의 위치들은, 각각, 도 3dc에 도시된 바와 같이, 반사 표면(3-430)으로부터 반사되는 제1 레이징 파장(λ1) 및 제2 파장(λ2)의 강도 파복(intensity anti-node)들과 대략 정렬하도록 위치될 수 있다. 예시된 강도 파복들(3-441, 3-442)은 고반사율 표면(3-430)으로부터 거리들 d1 및 d2에 위치될 수 있다. 예시된 강도 파복들은 유일한 강도 파복들이 아닐 수 있고, 예시된 파복들과 고반사율 표면은 물론 고반사율 표면으로부터 더 멀리 있는 부가의 강도 파복들 사이에 강도 파복들이 더 있을 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 보다 작은 밴드 갭(BG2)을 갖는 다중 양자 웰 구조체(3-412)가 고반사율 표면(3-430)에 보다 가깝게 위치될 것이다. 이것은 보다 긴 파장(λ1)이 그다지 감쇠되지 않으면서 제2 다중 양자 웰 구조체(3-410)를 통과할 수 있게 할 수 있다. 단지 하나의 예로서, 제1 다중 양자 웰 구조체(3-412)는 1342 nm의 파장에 대략적으로 대응하는 밴드 갭(BG2)을 갖도록 엔지니어링될 수 있고, 제2 다중 양자 웰 구조체(3-410)는 대략 1064 nm에 대응하는 밴드 갭(BG4)을 갖도록 엔지니어링될 수 있다. 이러한 방식으로, 2개의 레이징 파장들에서 모드 동기를 생성하기 위해, 양쪽 레이징 파장들에 대해 강도 의존성 손실이 제공될 수 있다.
도 3cc를 또다시 참조하면, 작동 중일 때, 듀얼 파장 레이저(3-304)는 2개의 레이징 파장들(λ1, λ2)에서 동시에 초고속 펄스들을 생성할 수 있다. 2개의 상이한 파장들의 펄스들의 반복 레이트는 레이저 캐비티 내에서의 각각의 파장에 대한 광학 경로 길이에 의존할 것이다. 레이징 빔들이 통과해야만 레이저 캐비티 내의 광학 요소들(예컨대, 이득 매질(3-308), 삼색성 미러(TC3), 광학 시스템(OS2), 광학 지연 요소(3-110))이 있기 때문에 그리고 각각의 요소에서의 굴절률이 2개의 파장들에 대해 상이할 수 있기 때문에, 레이저 캐비티 내에서의 제1 및 제2 레이징 파장들에 대한 광학 경로 길이들이 상이할 것이다. 광학 경로 길이들의 차이는 2개의 상이한 펄스 반복 레이트들을 가져올 수 있으며, 이는 일부 적용분야들에서 바람직하지 않을 수 있다.
일부 실시예들에서, 하나의 레이저로부터의 광학 방사가 양쪽 양자 웰들에서의 캐리어 밀도들에 영향을 줄 수 있도록, 2개의 다중 양자 웰 세트들이 서로 가깝게 위치된다. 양자 웰들은 λ1 및 λ2에 대응하는 흡수 상태(absorbing state)들을 갖도록 설계될 수 있다. 양자 웰들의 교차 포화(cross-saturation)는 양쪽 레이저 소스들로부터의 펄스들의 타이밍을 동기화시키는 데 도움이 될 수 있다.
2개의 상이한 펄스 반복 레이트들로 펄스들의 트레인들을 생성하는 것을 피하기 위해, 본 발명자들은 2개의 레이징 파장들에 대한 광학 경로 길이들을 대략 동일하게 만들기 위해 보상 광학 시스템이 레이저 캐비티 내에 포함되어야만 한다는 것을 인식하고 알았다. 도 3ea를 참조하면, 본 발명자들은, 단부 미러 또는 출력 커플러와 같은, 단일 경로 길이 보상 요소(single, path-length-compensating element)(3-500)가 레이저 캐비티 내에서의 2개의 레이징 파장들에 대한 광학 경로 길이들의 차이들을 보상하도록 엔지니어링될 수 있다는 것을 인식하고 알았다. 일부 실시예들에 따르면, 출력 커플러는 출력 커플러의 제1 측면 상의 제1 표면(3-552)에 제1 레이징 파장에 대한 제1 이색성 고반사율 코팅을 포함하고, 출력 커플러의 제2 측면 상의 제2 표면(3-554)에 제2 이색성 고반사율 코팅을 포함할 수 있다. 출력 커플러의 경우, 각자의 파장에 대한 각각의 코팅의 반사율은 약 70% 내지 약 98%일 수 있고, 각각의 코팅은 다른 파장의 98% 초과를 투과시킬 수 있다. 단부 미러가 보상 요소로서 사용되는 실시예들에서, 각각의 코팅에 대한 반사율은 98% 초과일 수 있다.
보상 요소(3-500)의 재료 및 두께 t는 제1 및 제2 레이징 파장들에 대한 레이저 캐비티의 광학 경로 길이들의 차이를 보상하도록 선택될 수 있다. 일 예로서 그리고 어떤 특정의 이론에도 구애됨이 없이, 보상 요소의 두께 t는 하기의 관계식(relation)에 따라 선택될 수 있고:
Figure pct00002
여기서
Figure pct00003
는 제1 및 제2 레이징 파장들(λ1, λ2)의 펄스들에 대한 레이저 캐비티 내에서의 광학 경로의 차이를 나타내고, nλ1 및 nλ2는, 각각, 제1 및 제2 레이징 파장들에 대한 (반사 코팅들 사이의) 보상 요소의 기판에 대한 군 굴절률(group index)들의 값들을 나타낸다. 레이저 캐비티에 대한 광학 경로 차이
Figure pct00004
는 출력 커플러(3-500)의 제1 표면(3-552)에 대한 측정들에 의해 초기에 추정될 수 있다. 펄스 분리 간격 T는 캐비티 길이를 보다 정확하게 결정하는 데 사용될 수 있다. 제1 표면은 레이저 캐비티 쪽으로 배향될 수 있다. 보상 요소의 기판을 두 번 통과하여 제2 표면(3-554) 쪽으로 가기 위해 어느 레이징 파장이든 레이저 캐비티에서 보다 짧은 광학 경로 차이를 갖는 것이 선택될 것이다. 예를 들어, 파장 λ2의 펄스들이 캐비티에서 보다 짧은 광학 경로를 갖는다면, 수학식 1에서 nλ2에 대한 값이 사용된다. 제2 표면(3-554)으로부터 반사하는 펄스들은 커플러(3-500)에서 부가의 광학 경로를 얻는(pick up) 반면, 다른 레이징 파장의 펄스들은 제1 표면(3-552)으로부터 반사한다. 하나의 레이징 파장의 펄스들에 대해 추가된 부가의 광학 경로는 레이저 캐비티에서의 다른 광학 경로 차이들을 보상할 수 있다.
일부 경우들에서, 보상 요소(3-500)의 두께(t)는 약 1 mm 미만일 수 있다. 이러한 얇은 기판은 고품질의 레이저 캐비티 미러에 적당하지 않을 수 있다. 예를 들어, 광학적으로 편평한 표면(optically flat surface)(예컨대, λ/10 이상의 편평도를 가짐)을 얇은 기판 상에 제조 또는 유지하는 것이 어려울 수 있다. 일부 실시예들에서, 도 3eb에 도시된 바와 같이, 보상 요소(3-502)는 지지 기판(3-556) 상에 형성되거나 그에 본딩될 수 있다. 지지 기판은 보상 요소에 인접하여 광학적으로 편평한 표면(예컨대, λ/10 이상의 편평도를 가짐)을 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 보상 요소는 지지 기판(3-556)에 광학적으로 접촉되거나 광학 접착제를 사용해 접착될 수 있다.
일부 실시예들에서, 보상 요소는 지지 기판(3-556) 상에 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 고반사율 다층 코팅(3-562)이 지지 기판(3-556) 상에 형성될 수 있다. 이어서, 중간 층(3-564)이 두께 t로 퇴적될 수 있다. 중간 층은, 일부 실시예들에서, 물리적 퇴적 공정에 의해, 또는, 일부 경우들에서, 기상 퇴적 공정에 의해 퇴적될 수 있다. 일부 구현들에서, 중간 층(3-564)은 퇴적 이후에 광학적으로 편평한 표면으로 폴리싱될 수 있거나 그렇지 않을 수 있다. 차후에, 제2 고반사율 다층 코팅(3-566)이 중간 층(3-564) 상에 형성될 수 있다.
레이저 캐비티 쪽에 있는 보상 요소의 제1 반사 코팅은 제1 레이징 파장을 고도로 반사(highly reflect)시키고 제2 레이징 파장을 고도로 투과(highly transmit)시키는 이색성 코팅(dichroic coating)일 수 있다. 예를 들어, 제1 반사 코팅(3-566)은 제1 레이징 파장(λ1)의 약 85% 내지 약 98%를 반사시킬 수 있고, 제2 레이징 파장(λ2)의 약 98% 초과를 투과시킬 수 있다. 제2 반사 코팅(3-562)은 제2 레이징 파장을 고도로 반사시킬 수 있고, 제1 레이징 파장을 고도로 투과시킬 수 있거나 그렇지 않을 수 있다. 보상 요소(3-500, 3-502)가 캐비티 단부 미러로서 사용되는 경우, 제2 반사 코팅(레이저 캐비티의 중심으로부터 가장 멀리 있음)은 양쪽 레이징 파장들에 대해 고반사성일 수 있다. 이러한 코팅은 제조하기가 보다 쉽고 보다 저렴할 수 있다. 보상 요소(3-500, 3-502)가 출력 커플러로서 사용되는 경우, 제2 반사 코팅은 하나의 레이징 파장에 대해 고반사성이고 다른 레이징 파장에 대해 고투과성(highly transmissive)일 수 있다.
본 발명자들은 레이저 캐비티 내에서의 광학 요소들에 대한 열적 가열 효과들 및/또는 기계적 응력들이 컴팩트한 모드 동기 레이저의 성능에 영향을 줄 수 있는 중요한 인자일 수 있다는 것을 인식하고 알았다. 열적 가열은, 일부 구현들에서, 펌프 소스(3-105), 이득 매질(3-107), 및/또는 주파수 배가 요소(3-109)에서 발생할 수 있다. 이득 매질과 관련하여, 본 발명자들은 이득 결정체(gain crystal)를 장착할 때 부가의 주의가 취해져야만 한다는 것을 인식하고 알았다. 마운트는 열 소산을 가능하게 해야만 하고, 게다가 결정체에 기계적 응력을 주는 것을 피해야만 한다. 일부 실시예들에 따르면, 이득 결정체에 대한 마운팅 구조체(mounting structure)(3-600)의 일 예가 도 3f에 도시되어 있다. 도시된 마운트는 정사각형 단면을 갖는 이득 매질을 위해 설계되어 있지만, 마운트는 직사각형 또는 다각형과 같은 다른 단면들을 위해 설계될 수 있다. 이득 매질은 지면 내로 들어가는 방향을 따라 연장되는 길이 L을 가질 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 이득 매질에 대한 마운팅 구조체(3-600)는 클램핑 배열(clamping arrangement)로 서로 조이닝(join)되도록 구성된 제1 부분(3-620)과 제2 부분(3-622)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 부분과 제2 부분은 스크루들에 대한 관통 구멍들(3-640)을 포함할 수 있으며, 이 관통 구멍들은 2개의 부분들이 지지 베이스 플레이트에 패스닝되고 그와 열 접촉할 수 있게 한다. 제1 부분(3-620) 및 제2 부분(3-622)은, 구리 또는 알루미늄과 같은, 고 열전도성 재료(high-thermal-conducting material)로 형성될 수 있지만, 다른 실시예들에서, 다른 재료들이 사용될 수 있다. 제1 및 제2 부분들은 레이저 캐비티의 이득 매질과 열 접촉하게 배치되도록 배열되는 몇 개의 내부 면(interior face)들(3-615)을 가질 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, (예컨대, 이득 매질이 마운팅 구조체(3-600)에 장착될 때) 이득 매질의 코너들이 위치될 수 있는 마운트의 영역들에 위치된 트렌치들 또는 개구부들(3-630)이 있을 수 있다. 트렌치들 또는 개구부들(3-630)는 그렇지 않았으면 이득 매질 상에 유도될 기계적 및/또는 열적 응력을 감소시킬 수 있다. 트렌치들 또는 개구부들은 이득 매질의 코너 위치 양쪽에 약 1 mm 내지 약 3 mm 연장될 수 있다. 본 발명자들은 이득 매질의 코너들에 있는 개구부들이 그렇지 않았으면 이득 매질을 균열시키고 그리고/또는 레이저의 광학 모드 프로파일에 악영향을 미칠 수 있는 열적 및 기계적 응력을 완화시킬 수 있다는 것을 발견하였다.
일부 구현들에서, 마운팅 구조체(3-600)의 제1 부분(3-620) 및 제2 부분(3-622)은 열적으로 냉각될 수 있고, 예컨대, TEC(thermo-electric cooler)들에 접촉될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 이득 매질에 걸쳐 온도 그레이디언트가 나타날 수 있도록, 제1 부분이 제2 부분과 상이한 온도로 제어가능하게 냉각될 수 있거나, 그 반대일 수 있다. 이러한 미분 제어(differential control)는, 예컨대, 정렬을 위해 또는 펄스 작동을 조정하기 위해, 레이저 캐비티 내에서 레이저 빔을 스티어링하는 데 사용될 수 있다.
본 발명자들은 열을 소산시키는 마운팅 구조체들이 레이저 캐비티의 광학적 정렬(optical alignment)에 악영향을 줄 수 있다는 것을 추가로 인식하고 알았다. 예를 들어, 이득 매질 또는 다이오드 펌프 소스(3-105)에 대한 마운팅 구조체(3-600)는 펄스 레이저의 다른 광학 요소들이 패스닝되는 베이스 플레이트에 패스닝될 수 있다. 마운팅 구조체는 열을 베이스 플레이트 내로 소산시킬 수 있고, 열은 베이스 플레이트의 팽창 및/또는 뒤틀림 또는 다른 왜곡을 야기할 수 있다. 그 결과, 베이스 플레이트의 움직임은 레이저 캐비티의 광학 요소들을 오정렬시키고 레이저 성능에 악영향을 줄 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상당한 열 소산을 필요로 하는 펄스 레이저의 마운팅 구조체 또는 컴포넌트는, 도 3ga에서의 평면도에 도시된 바와 같이, 부분적으로 격리된 플랫폼(3-710) 상에 장착될 수 있다. 플랫폼은 펄스 레이저의 베이스 플레이트 내로의 열 소산을 부분적으로 격리시킬 수 있다. 플랫폼의 입면도들은 도 3gb 및 도 3gc에 도시되어 있다. 부분적으로 격리된 플랫폼(3-710)은, 일부 구현들에 따르면, 머시닝 공정에 의해 베이스 플레이트(3-705)에 형성될 수 있다. 예를 들어, 베이스 플레이트(3-705)는 컴팩트한 모드 동기 레이저에 대한 하우징을 형성하기 위해 머시닝되는 솔리드 재료 블록(solid block of material)의 일부일 수 있다. 부분적으로 격리된 플랫폼(3-710)을 형성하기 위해 하나 이상의 트렌치들 또는 트로프(trough)들(3-730)이 베이스 플레이트(3-705)를 관통하게 머시닝될 수 있다. 이 트로프들은, 도 3gc에 도시된 바와 같이, 베이스 플레이트(3-705)를 관통하여 연장되고, 플랫폼(3-710)을 베이스 플레이트(3-705)로부터 부분적으로 분리시키고 열적으로 격리시킬 수 있다. 예를 들어, 열이 플랫폼으로부터 베이스 플레이트 내로 그만큼 쉽게 소산될 수 없다.
트로프들(3-730)을 형성하는 머시닝 공정 이후에 복수의 지지 탭(support tab)들(3-720)이 남아 있을 수 있다. 지지 탭들은 플랫폼(3-710)에 대한 기계적 지지를 제공하는 것은 물론, 베이스 플레이트(3-705)로의 부분적 열 전도를 제공한다. 플랫폼(3-710)의 하부 표면은, 일부 구현들에 따르면, TEC(thermal-electric cooler)(도시되지 않음)에 열적으로 접촉(thermally contact)될 수 있다. 다양한 실시예들에서, 도 3gb에 도시된 바와 같이, 지지 탭들(3-720)은 플랫폼(3-710)의 상부면과 하부면 사이에서, 플랫폼의 두께와 관련하여, 중앙에 위치된다. 예를 들어, 지지 탭들(3-720)은, 도 3gb에 예시된 바와 같이, 베이스 플레이트(3-705)의 중립 기계 평면(neutral mechanical plane)에 위치될 수 있다. 지지 탭들(3-720)을 플랫폼 및 베이스 플레이트의 두께와 관련하여 중앙에 위치시키는 것은 베이스 플레이트(3-705)와 플랫폼(3-710) 사이에 가해지는 평면외 열적-기계적 응력(out-of-plane thermal-mechanical stress)의 양을 감소시킬 수 있다. 베이스 플레이트 내로 소산되는 열의 양을 감소시키고 평면외 응력을 감소시키는 것은 베이스 플레이트의 뒤틀림 및 레이저 캐비티 내의 다른 광학 컴포넌트들의 원하지 않는 상대 운동(relative motion)을 감소시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 지지 탭들은, 예컨대, 플랫폼에 의해 유도되는 열적-기계적 응력을 수용(accommodate)하기 위해, 플랫폼이 베이스 플레이트(3-705)에 대해 이동할 수 있게 하는 굴곡 부재(flexural member)들을 포함한다. 일부 레이저 컴포넌트들(예컨대, 이득 매질(3-107))의 움직임은 다른 컴포넌트들(예컨대, 캐비티 미러들)만큼 레이저의 작동에 영향을 주지 않을 수 있으며, 따라서 허용될 수 있다. 플랫폼(3-710)의 부분적 열적-기계적 격리는 레이저의 안정성을 개선시키고, 숙련된 조작자에 의한 조절들의 필요성을 감소시킬 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 하나 이상의 플랫폼들(3-710)은 펄스 레이저 내의 고온 요소들을 지지하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 제1 플랫폼(3-710)은 다이오드 펌프 소스(3-105) 또는 펌프 모듈(2-140)을 지지하는 데 사용될 수 있고, 제2 플랫폼은 레이저 이득 매질(3-107, 1-105)을 지지하는 데 사용될 수 있다. 일부 구현들에서, 제3 플랫폼은 비선형 요소(3-109, 2-170)를 지지하는 데 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 상이한 특성 파장들에서 작동하는 다수의 펄스 레이저들이 사용될 수 있다. 본 발명자들은 2개의 레이저들로부터의 펄스 트레인들이 전기기계 피드백 제어 회로부 없이 동기화될 수 있다는 것을 인식하고 알았다. 일부 실시예들에서, 도 3ha에 도시된 바와 같이, 제1 모드 동기 레이저로부터의 펄스 트레인은 제2 연속파 레이저로부터의 펄스들을 생성하는 데 사용될 수 있다. 제1 레이저(1-110a)는 제1 특성 파장(λ1)의 제1 펄스 트레인(3-820a)을 생성할 수 있다. 펄스들로부터의 일부 에너지는 제1 비선형 광학 요소(3-830)에서 제2 고조파 생성(second-harmonic generation, SHG)을 통해 제2 고조파로 변환될 수 있다. 기본 파장의 남아 있는 에너지가 제1 이색성 미러(DC1)에 의해 제2 레이저(3-800) 내로 지향될 수 있고, 제2 레이저(3-800)는 제1 단부 미러(DC2), 합-주파수 생성(sum-frequency generation, SFG)을 위한 제2 비선형 광학 요소(3-840), 이득 매질(3-810), 및 제2 단부 미러(DC3)를 포함한다. 단부 미러들은 제2 레이징 파장(λ2)에 대해 고반사성인 이색성 미러들일 수 있고 다른 파장들을 투과시킬 수 있다. 예를 들어, 단부 미러들이 제2 레이징 파장에 대해서는 99% 초과의 반사율 값들을 가질 수 있고, 제1 레이징 파장(λ1)은 투과시킬 수 있다. 제2 레이저(3-800)는 또한 삼색성 반사체(TC1)를 포함할 수 있고, 이를 통해 이득 매질에 대한 펌프 파장(λp)이 캐비티 내로 유입될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 제2 레이저(3-800)는 연속파 모드에서 작동할 수 있다. 그에 따라, 제2 레이저는, 그 자체로는, 펄스들을 생성하지 않을 것이다. 그에 부가하여, 제2 레이저의 캐비티 미러들이 높은 반사율 값들을 갖기 때문에, 캐비티내 파워(intracavity power)가 아주 높을 수 있는데, 그 이유는 레이저가 그의 작동 파장(λ2)에서의 파워를 캐비티의 외부에 제공할 필요가 없기 때문이다. 높은 캐비티내 파워는 이어서, 제3 파장(λ3)의 펄스 트레인(3-820c)을 생성하기 위해, 제1 레이저(1-110a)로부터 캐비티 내로 주입된 펄스들로 합-주파수 생성을 위해 사용될 수 있다. 제2 레이저(3-800)가 연속파 모드에서 작동하기 때문에, 제2 레이저의 캐비티 길이는 펄스 반복 레이트에 연계되지 않으며, 따라서 캐비티 길이 제어가 필요하지 않을 수 있다. 게다가, SFG를 통한 펄스 생성이 제1 레이저(1-110a)로부터의 펄스들에 의해 결정되기 때문에, 합-주파수 파장(λ3)의 생성된 펄스들이 제1 레이저로부터의 펄스들에 자동으로 동기화되고, 2개의 펄스 트레인들의 전자적 동기화(electronic synchronization)가 필요하지 않다. 기기 전자장치들에의 동기화는 여전히 요구될 것이다.
도 3hb는, 하나의 레이저가 연속파 모드에서 작동하는, 2-레이저 시스템의 대안의 실시예를 도시하고 있다. 이 시스템에서, SFG는 SHG 이전에 일어난다. 일부 경우들에서, 합-주파수 생성의 효율이 제2 고조파 생성보다 작을 수 있으며, 따라서 제1 레이저 펄스들의 강도가 더 높도록 SFG를 먼저 수행하는 것이 유리할 수 있다.
원하는 파장을 획득하기 위해 비선형 광학 요소들을 통한 파장 변환을 이용하는 레이저 실시예들에서, 비선형 광학 요소들은 광학 요소를 통과하는 광학 빔 축에 대한 광학 요소의 각도 조절을 가능하게 하는 마운트들에 지지될 수 있다. 각도 조절은 높은 변환 효율을 위해 비선형 요소가 위상 매칭 각도(phase-matching angle)로 회전할 수 있게 할 수 있다. 각도 조절이 수동으로, 예컨대, 제조 시에 조절 스크루(adjustment screw)들에 의해 이루어지고, 이어서 글루, 수지, 또는 다른 방법을 통해 고정(fix)될 수 있다. 일부 실시예들에서, 사용자 또는 기술자가 필요할 때 추가 조절들을 할 수 있도록, 각도 조절이 고정되지 않을 수 있다.
본 발명자들은, 적어도 하나의 레이저가 포화성 흡수체를 포함하는, 2개의 레이저들로부터의 펄스 트레인들을 동기화시키는 것을 돕기 위한 부가의 방법들을 고안하였다. 도 3i는 제1 모드 동기 레이저(1-110a)로부터의 표백 펄스 트레인(bleaching pulse train)(3-820b)이 제2 모드 동기 레이저(3-910)의 포화성 흡수체 미러(3-120) 쪽으로 지향되는 2-레이저 시스템(3-900)을 도시하고 있다. 제2 모드 동기 레이저는 이득 매질(3-810) 및 출력 커플러(OC1)를 포함할 수 있다. 제2 레이저의 이득 매질은 제1 레이저의 이득 매질과 동일할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 표백 펄스 트레인(3-820b)이 빔 스플리터(beam splitter)(BS1)에 의해 제1 레이저의 주 출력 펄스 트레인(main output pulse train)(3-820a)으로부터 분할(divide)될 수 있다. 표백 펄스 트레인이 포화성 흡수체 미러에 부딪칠(strike) 때, 표백 펄스 트레인은 각각의 펄스 동안 포화성 흡수체 미러를 표백시키는(그의 광학 손실을 감소시키는) 데 도움을 줄 것이다. 이 짧은 손실 감소는 제2 레이저(3-910)에서의 광학 펄스들(3-820c)의 형성 및 타이밍 조절에 영향을 줄 것이다. 다양한 실시예들에서, 표백 펄스들은 제2 레이저 빔으로 조명되는 포화성 흡수체 미러의 영역에 공간적으로 정렬되어야만 한다. 제2 레이저(3-910)의 광학 펄스들이 또한, 일단 형성되면, 포화성 흡수체를 표백시킬 것이기 때문에, 2개의 레이저들이 정상 상태(steady state)에서 작동 중일 때, 제2 레이저(3-910)의 광학 펄스들이 제1 레이저로부터의 펄스들과 동시에 포화성 흡수체 미러(3-120)에 부딪치는 것이 바람직하다. 그에 따라, 전기기계 제어 회로(3-920)는 제2 레이저의 캐비티 길이(및 펄스 반복 레이트)를 제어하는 데 사용될 수 있다.
캐비티 길이를 제어하기 위한 전기기계 제어 회로(3-1000)의 일 예가 도 3j에 도시되어 있다. 다른 실시예들은 상이한 신호 처리 회로부를 사용할 수 있다. 일부 구현들에서, 2개의 레이저들로부터의 펄스들은 2개의 광검출기들(3-1010, 3-1012)을 사용해 검출될 수 있다. 광학 펄스들은, 예를 들어, 빔 스플리터들을 사용해 탭오프(tap off)되는 레이저 빔들의 부분들, 또는 레이저 캐비티들 내의 광학 컴포넌트들로부터의 표유 반사(stray reflection)들, 산란(scatter), 또는 잔여 투과(residual transmission)일 수 있다. 광검출기들로부터의 신호들은 증폭기들(3-1020, 3-1022)을 사용해 증폭되고, 저역 통과 또는 대역 통과 필터들(3-1030, 3-1032)을 사용해 필터링될 수 있다. 2개의 신호들이 직각 위상으로(in quadrature) 혼합될 수 있게 하기 위해, 하나의 신호 경로에 가변 위상 지연(variable phase delay)(3-1034)이 포함될 수 있다. 증폭기들은 연산 증폭기(op-amp) 또는 무선 주파수 증폭기들을 포함할 수 있고, 디지털 또는 아날로그일 수 있다. 필터들은 디지털 필터들 또는 아날로그 필터들일 수 있고, 2개의 레이저들에 대한 펄스 반복 레이트들의 기본 또는 고조파 주파수들에 대응하는 실질적으로 사인파인 출력(substantially sinusoidal output)들을 생성할 수 있다. 합 주파수(sum frequency) 및 차 주파수(difference frequency)를 생성하기 위해, 2개의 필터들로부터의 출력들이 믹서(3-1040)에서 혼합될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 믹서로부터의 출력은, 2개의 주파수들 사이의 위상 시프트(phase shift)에 비례하는 오차 신호를 제공하는, DC 신호를 생성하기 위해 저역 통과 필터(3-1040)를 사용해 필터링될 수 있다. DC 신호 레벨은 전기기계 제어 회로(3-920)에 제공되고, 캐비티 길이들이 얼마나 잘 매칭되는지를 결정하기 위해 모니터링될 수 있다. 캐비티 길이들이 매칭될 때, DC 신호 레벨은 제로 값에 가까울 수 있다. 캐비티 길이들이 매칭되지 않을 때, DC 신호 레벨의 크기는 증가할 수 있고, 제어 회로(3-920)는, 예를 들어, DC 신호 레벨의 크기를 감소시키기 위해, 캐비티 단부 미러를 이동시키는 액추에이터(3-930)에 대한 제어 신호를 생성할 수 있다.
일부 실시예들에서, 전기기계 제어 회로에서 믹서(3-1040) 대신에 위상 동기 루프(phase-locked loop)가 사용될 수 있다. 예를 들어, 필터들(3-1030, 3-1032)로부터의 사인파 또는 디지털화된 구형파 신호들이 위상 동기 루프의 위상 검출기에 인가될 수 있다. 위상 검출기로부터의 출력은 필터링되어 전기기계 제어 회로(3-920)에 제공될 수 있다.
II. B. 모드 동기 반도체 레이저들
일부 구현들에서, 반도체 레이저 다이오드들은 초고속 펄스들의 저가의 소스를 제공하기 위해 모드 동기될 수 있다. 모드 동기 레이저 다이오드들은, 일부 실시예들에 따르면, 샘플들을 프로빙(probing)하거나 측정들을 하는 데 직접 사용될 원하는 파장(예컨대, 청색, 녹색 또는 적색 파장들)의 펄스들을 생성할 수 있다. 일부 경우들에서, 레이저 다이오드에 의해 생성된 펄스들은 프로빙 또는 측정 적용분야들에서 사용하기 위해 다른 파장으로 변환(예컨대, 주파수 배가)될 수 있다. 예를 들어, 모드 동기 레이저 다이오드는 적외선 파장들의 펄스들을 생성할 수 있고, 이 펄스들은 광학 스펙트럼의 청색, 녹색, 또는 적색 영역들로 주파수 배가될 수 있다.
모드 동기 레이저 다이오드(4-100)의 일 실시예가 도 4a에 도시되어 있다. 모드 동기 반도체 레이저는 레이저 다이오드(4-105) 및 포화성 흡수체 미러(3-120)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 레이저 캐비티의 단부들은 반도체 레이저 다이오드(4-105)의 한쪽 단부 상에 형성된 반사 코팅(4-112) 및 포화성 흡수체 미러(3-120)에 의해 정의될 수 있다. 레이저 캐비티는 레이저 다이오드로부터의 광학 빔의 발산을 재정형 및/또는 변경하는 제1 광학 시스템(OS1)을 포함할 수 있다. 레이저 캐비티는 캐비티내 빔을 재정형 및/또는 포화성 흡수체 미러 상으로 포커싱할 수 있는 제2 광학 시스템(OS2)을 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 레이저 캐비티는 광학 지연 요소(3-110)를 포함할 수 있다. 광학 지연 요소는 도 3ba 내지 도 3bd와 관련하여 앞서 설명된 지연 요소의 임의의 실시예일 수 있다. 모드 동기 레이저 다이오드는 파장 λ1에서 레이징하고 약 100 ps보다 더 짧은 지속시간들을 갖는 초고속 펄스들의 트레인을 생성할 수 있다.
일부 구현들에서, 레이저 다이오드(4-105)는 광학 도파관 구조체의 어느 한쪽 단부에 광학 코팅들을 포함할 수 있다. 광학 코팅들(4-110, 4-112)은, 기상 퇴적 공정 또는 물리적 퇴적 공정과 같은, 임의의 적당한 퇴적 공정에 의해 형성될 수 있다. 일부 구현들에서, 레이저 다이오드의 제1 단부는 레이저 캐비티에 대한 출력 커플러로서 역할하는 부분 투과성 코팅(partially-transmissive coating)(4-112)을 포함할 수 있다. 투과성 코팅(4-112)은 초고속 펄스들의 트레인을 제공하기 위해 레이저 빔의 일부분을 캐비티 외부로 투과시킬 수 있다. 코팅(4-112)의 투과율(transmittance)은, 일부 실시예들에 따르면, 대략 2% 내지 대략 15%일 수 있고, 그의 반사율은 약 98% 내지 약 85%일 수 있다. 레이저 다이오드로부터의 방사의 대부분이 그다지 반사 없이 레이저 캐비티 내로 통과할 수 있게 하기 위해, 레이저 다이오드(4-105)의 반대쪽 단부는 반사방지 코팅(4-110)으로 코팅될 수 있다. 예를 들어, 반사방지 코팅(4-110)은 레이징 파장(λ1)의 1% 미만을 반사시킬 수 있다.
일부 실시예들에서, 모드 동기 레이저 다이오드(4-200)에 대한 포화성 흡수체는, 도 4b에 도시된 바와 같이, 동일한 칩 상에 반도체 레이저 다이오드와 함께 집적될 수 있다. 예를 들어, 포화성 흡수체(4-665)는 레이저 다이오드(4-620)가 형성되는 기판 상에 집적될 수 있다. 레이저 캐비티는 레이저 다이오드로부터의 빔의 발산을 재정형 및/또는 변경하는 광학 시스템(OS1)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학 시스템(OS1)이 캐비티 내에서의 빔의 형상 및/또는 발산을 변경하는 데 사용되는 레이저 캐비티 내의 유일한 광학 시스템일 수 있다. 레이저 캐비티는 또한 광학 지연 요소(3-110) 및 출력 커플러(OC1)를 포함할 수 있다. 출력 커플러는 레이징 빔의 일부분을 캐비티 외부로 투과시키고 레이징 빔의 대부분을 레이저 캐비티 내에서 역반사시키는 빔 스플리터를 포함할 수 있다. 출력 커플러(OC1)의 투과율은, 일부 실시예들에 따르면, 대략 2% 내지 대략 15%일 수 있다. 앞서 기술된 바와 같이, 포화성 흡수체(4-665)의 반대쪽에 있는 레이저 다이오드(4-620)의 한쪽 단부는 반사방지 코팅을 포함할 수 있다. 포화성 흡수체는 레이저 다이오드로부터의 방사의 대부분을 다시 레이저 캐비티 내로 반사시키는 고반사 코팅을 포함할 수 있다.
모드 동기 레이저 다이오드(4-300)의 다른 실시예가 도 4c에 도시되어 있다. 이 실시예에서, 광학 파이버(4-320)는 레이저 캐비티에 대한 광학 지연 요소로서 사용된다. 레이저 캐비티는, 일부 실시예들에 따르면, 포화 흡수체(4-665) 및 포화 흡수체에 인접한 고반사율 코팅 - 이들은 레이저 다이오드(4-620)와 동일한 기판 상에 집적됨 - 을 포함할 수 있다. 레이저 캐비티는 레이저 다이오드(4-620)로부터의 방사를 광학 파이버(4-320)에 커플링시키는 데 사용되는 광학 커플링 컴포넌트(4-310)를 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 광학 출력 커플링 요소(4-330)는 파이버(4-320)의 제2 단부에 위치될 수 있고, 레이저 캐비티에 대한 출력 커플러로서 구성될 수 있다.
일부 구현들에서, 광학 커플링 요소(4-310)는 광학 접착제를 포함할 수 있다. 예를 들어, 광학 파이버(4-320)는 레이저 다이오드의 단부에 정렬되고 광학 접착제를 사용하여 그 단부에 접착될 수 있다. 파이버 단부는 레이저 다이오드의 도파 영역(waveguiding region)으로부터의 방사가 파이버 내로 보다 효율적으로 커플링되는 위치에서 본딩될 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학 커플링 요소(4-310)는 볼 렌즈(ball lens) 또는 GRIN(graded refractive index) 렌즈를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 광학 파이버의 반대쪽 단부에 있는 출력 광학 커플링 요소(4-330)의 표면은, 레이저 캐비티로부터의 출력 커플링을 제공하기 위해, 반사 코팅(4-332)을 포함할 수 있다. 출력 커플링 요소(4-330)는, 일부 구현들에서, 볼 렌즈 또는 GRIN 렌즈를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 출력 커플링 요소(4-330)는 광학 파이버(4-320)의 단부 근방에 장착된 렌즈를 포함할 수 있다.
도 4a 내지 도 4c에 예시된 모드 동기 레이저 다이오드들의 도시된 실시예들 중 임의의 것은 파장 변환 요소(3-109)를 포함할 수 있거나 그렇지 않을 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 파장 변환 요소는 레이저 캐비티로부터의 빔에 정렬된 주파수 배가 결정체를 포함할 수 있거나, 파라메트릭 변환(parametric conversion) 또는 4파 혼합(four-wave mixing)을 위해 이용되는 비선형 요소를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 비선형 요소는 레이저 다이오드와 동일한 기판 상에 집적될 수 있는, 리튬 니오베이트와 같은, 주기적 분극반전 재료(periodically-poled material)를 포함할 수 있다.
모드 동기 레이저 다이오드들의 사용은 높은 양의 파워, 예를 들어, 약 300 mW를 초과하는 파워 레벨들을 요구하지 않는 일부 실시예들에 대해 유리할 수 있다. 모드 동기 레이저 다이오드들의 하나의 장점은 그들의 컴팩트한 크기와 레이저에서 사용되는 광학 요소들의 개수의 감소이다. 레이징 매질이 매우 작을 수 있기 때문에(예컨대, 폭이 5 mm 미만임), 일부 실시예들에서 모드 동기 레이저 다이오드들의 어레이들을 사용하는 것이 가능할 수 있다. 일부 구현들에서, 모드 동기 레이저 다이오드들의 어레이는 공통의 광학 요소들을 공유할 수 있다. 예를 들어, 2개 이상의 레이저 다이오드들이 하나 이상의 광학 요소들(예컨대, 광학 지연 요소(3-110), 광학 시스템들(OS1, OS2), 및 포화성 흡수체 미러(3-120) 중 하나 이상)을 공유할 수 있다.
II. C. 모드 동기 파이버 레이저들
일부 실시예들에 따르면, 초고속 펄스들이 또한 모드 동기 파이버 레이저들을 사용하여 생성될 수 있다. 모드 동기 파이버 레이저들의 일부 예들이 도 5a 내지 도 5c에 도시되어 있다. 모드 동기 파이버 레이저는, 앞서 설명되고 도 3ca 내지 도 3cc에 도시된 바와 같은, 다이오드 펌핑 고체 레이저들에 사용되는 광학 요소들을 포함할 수 있다. 그렇지만, 모드 동기 파이버 레이저에서, 이득 매질은 레이저 캐비티에 대한 광학 지연 요소를 또한 제공할 수 있는 한 길이의 광학 파이버(5-120)를 포함한다. 일부 실시예들에 따르면, 다이오드 펌프 소스(3-105)는, 도 5a에 도시된 바와 같이, 파이버(5-120)의 단부 내로 커플링되는 펌핑 파장(λp)을 제공할 수 있다. 일부 구현들에서, 파이버 레이저 캐비티는 제1 이색성 단부 미러(DC1) 및 파이버 레이저의 수동 모드 동기를 야기하는 포화성 흡수체 미러(3-120)에 의해 정의될 수 있다.
도 5a를 참조하면 그리고 일부 실시예들에 따르면, 모드 동기 파이버 레이저(5-100)는 다이오드 펌프 소스(3-105)로부터의 출력 빔을 레이저에 대한 이득 매질로서 역할하는 광학 파이버(5-120) 내로 커플링하도록 구성되는 제1 광학 시스템(OS1)을 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 다이오드 펌프 소스(3-105)로부터의 빔은 광학 파이버(5-120)의 코어 및 이득 매질을 여기시키기 위해 광학 파이버의 클래딩(cladding) 내로 커플링될 수 있다. 제2 광학 시스템(OS2)은, 예컨대, 레이징 파장(λ1)의 빔을 형성하기 위해, 광학 파이버로부터의 방사를 커플링하도록 배열될 수 있다. 레이저 캐비티는, 도면에 도시된 바와 같이, 광학 파이버(5-120)의 단부에 또는 그 근방에 배치된 이색성 미러(DC2)를 추가로 포함할 수 있다. 제2 이색성 미러(DC2)는 레이징 파장(λ1)의 대부분을 포화성 흡수체 미러(3-120) 쪽으로 투과시키고, 펌프 파장(λp)의 대부분을 다시 광학 파이버를 통해 반사시킬 수 있다. 예를 들어, 제2 이색성 미러(DC2)는 레이징 파장의 약 98% 초과를 투과시키고, 펌프 파장의 약 98% 초과를 반사시킬 수 있다. 제3 이색성 미러(DC3)는 레이저 캐비티 외부에서 펌프 소스와 광학 파이버 사이에 포함될 수 있고, 파이버 레이저(5-100)로부터의 출력 레이저 빔을 지향시키는 데 사용될 수 있다. 제3 이색성 미러는, 일부 구현들에 따르면, 펌프 파장(λp)의 대부분(예컨대, 약 98% 초과)을 투과시키고, 레이징 파장(λ1)의 대부분(예컨대, 약 98% 초과)를 반사시킬 수 있다.
모드 동기 파이버 레이저(5-200)의 다른 실시예가 도 5b에 도시되어 있다. 일부 구현들에서, 광학 커플링 요소들은 광학 파이버(5-120)의 양끝 단부들에 제조 또는 본딩될 수 있다. 예를 들어, 제1 광학 요소(5-210)는 광학 파이버의 제1 단부에 본딩되거나 제1 단부 상에 형성될 수 있다. 제1 광학 요소는 광학 파이버의 단부에 직접 부착되거나 지지 구조체를 사용해 광학 파이버의 단부에 부착되는 볼 렌즈 또는 GRIN(graded refractive index) 렌즈를 포함할 수 있다. 그에 부가하여, 제1 광학 요소(5-210)는 펌프 파장(λp)의 대부분(예컨대, 약 98% 초과)을 투과시키고 레이징 파장(λ1)의 대부분(예컨대, 약 98% 내지 약 85%)을 반사시키는 이색성 코팅을 포함할 수 있다. 그에 따라, 제1 광학 요소(5-210)는 파이버 레이저(5-200)에 대한 출력 커플러를 포함할 수 있다.
제2 광학 요소(5-220)는 레이징 파장(λ1)의 대부분(예컨대, 약 98% 초과)을 투과시키고 펌프 파장(λp)의 대부분(예컨대, 약 98% 초과)을 다시 광학 파이버 내로 반사시키도록 엔지니어링되어 있는, 일부 실시예들에서, 광학 파이버의 단부 상에 형성된 이색성 코팅을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 광학 요소(5-220)는 광학 파이버의 단부에 직접 부착되거나 지지 구조체를 사용해 광학 파이버의 단부에 결합되는 볼 렌즈 또는 GRIN 렌즈를 포함할 수 있다. 예를 들어, GRIN 렌즈는 광학 접착제를 사용해 파이버의 단부에 접착될 수 있고, GRIN 렌즈의 노출된 단부는 레이징 파장(λ1)의 대부분(예컨대, 약 98% 초과)을 투과시키고 펌프 파장(λp)의 대부분(예컨대, 약 98% 초과)을 다시 광학 파이버 내로 반사시키도록 엔지니어링되어 있는 이색성 코팅으로 코팅될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 레이저 다이오드(3-105)로부터의 펌프 방사를 광학 파이버 내로 커플링시키는 데 사용되는 제1 광학 렌즈 시스템(OS1), 및 광학 파이버로부터의 방사를 포화성 흡수체 미러(3-120) 상으로 포커싱하는 데 사용되는 제2 광학 렌즈 시스템(OS2)이 있을 수 있다.
도 5c는 모드 동기 파이버 레이저(5-300)의 또 다른 실시예를 도시하고 있다. 이러한 실시예는 앞서 설명된 파이버 레이저들의 이전의 실시예들에서보다 더 적은 광학 요소들을 포함할 수 있다. 일부 구현들에 따르면, 파이퍼 레이저 캐비티는 광학 파이버(5-120)의 한쪽 단부에 위치된 광학 프리즘(5-310) 및 광학 파이버의 반대쪽 단부에 위치된 포화성 흡수체 미러(3-120)에 의해 정의될 수 있다. 광학 프리즘(5-310)은 제1 이색성 코팅(5-312)으로 커버된 제1 표면을 포함할 수 있다. 제1 이색성 코팅은 펌프 소스 파장(λp)의 대부분(예컨대, 약 98% 초과)을 투과시키고, 레이징 파장(λ1)의 대부분(예컨대, 약 98% 초과)를 반사시킬 수 있다. 광학 프리즘(5-310)의 제2 표면은 펌프 파장(λp)의 대부분(예컨대, 약 98% 초과)을 투과시키고 레이징 파장(λ1)의 대부분(예컨대, 약 85% 내지 약 98%)을 다시 광학 파이버 내로 반사시키도록 구성되어 있는 제2 이색성 코팅(5-314)을 포함할 수 있다. 제2 이색성 코팅(5-314)은 파이버 레이저에 대한 출력 커플러로서 역할할 수 있다. 예를 들어, 제2 이색성 코팅(5-314)은 레이징 파장(λ1)의 대략 2% 내지 대략 15%를 투과시킬 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 광학 파이버(5-120)의 반대쪽 단부에 위치된 출력 커플링 요소(5-220)가 있을 수 있다. 출력 커플링 요소(5-220)는 파이버로부터의 레이징 방사를 포화성 흡수체 미러(3-120)에 커플링시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 파이버 출력 커플링 요소는 광학 파이버의 단부에 접착되는 볼 렌즈 또는 GRIN(graded refractive index) 렌즈를 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 출력 광학 커플링 요소(5-220)는 레이징 방사(λ1)의 대부분을 투과시키고 펌프 방사(λp)의 대부분을 다시 파이버 내로 반사시키도록 엔지니어링되어 있는 이색성 코팅을 포함할 수 있다. 출력 광학 커플링 요소(5-220)는 레이징 방사(λ1)를 포화성 흡수체 미러(3-120)에 그리고 그로부터 커플링할 수 있고, SAM과 접촉하고 있을 수 있거나 그렇지 않을 수 있다.
II. D. 이득 스위칭 레이저들
일부 실시예들에서, 이득 스위칭 레이저들은 분석 기기(1-100)에 대한 펄스 레이저(1-110)로서 이용될 수 있다. 이득 스위칭 레이저들은 전형적으로 모드 동기 레이저들보다 더 긴 펄스들을 갖지만, 더 적은 복잡성을 갖고 더 낮은 비용으로 제조될 수 있다. 샘플들에 대한 형광 수명들이 보다 긴 감쇠율들(예컨대, 약 5 ns 초과)을 가질 때 이득 스위칭 레이저들이 유용할 수 있다.
본 발명자들은 레이저 다이오드들 및 발광 다이오드들로부터 짧은 및 극초단 광학 펄스들을 생성하기 위한 펄서 회로들 및 기법들을 고안하였다. 펄싱 회로들 및 기법들은, 일부 구현들에서, 반도체 레이저들을 이득 스위칭하고 100 MHz(T는 10 나노초 정도로 짧음)까지의 반복 레이트들에서 대략 1 W의 피크 파워들을 갖는 ~ 85 피코초(ps) 펄스들(FWHM)의 트레인을 생성하기 위해 이용되었다. 일부 실시예들에서, 단극성(unipoloar) 또는 양극성(bipolar) 전류 파형이 펄서 회로에 의해 생성되고, 광학 펄스들을 여기시키고 펄스들의 테일(tail)들에서 방출을 억제하는 방식으로, 레이저 다이오드의 이득 매질을 구동하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 단극성 또는 양극성 전류 파형이 펄서 회로에 의해 생성될 수 있고, 짧은 또는 극초단 광학 펄스들을 출력하기 위해 하나 이상의 발광 다이오드들을 구동하는 데 사용될 수 있다.
레이저 다이오드들에서의 이득 스위칭을 설명하기 위해, 도 6aa 내지 도 6ac는 이득 스위칭과 연관된 레이저 동태(laser dynamics)를 예시하기 위해 포함되어 있다. 도 6aa는, 일부 실시예들에 따른, 이득 스위칭 레이저의 이득 매질에 인가된 펌프 파워(pump power)를 나타내는 펌프 파워 곡선(6-110)을 예시하고 있다. 도시된 바와 같이, 펌프 파워는 짧은 지속시간(대략 0.6 마이크로초로서 도시됨) 동안 레이저 캐비티 내의 이득 매질에 인가될 수 있다. 반도체 레이저 다이오드의 경우, 펌프 파워의 인가는 레이저 다이오드의 p-n 접합부 또는 다중 양자 웰(multiple quantum well, MQW)들에 걸쳐 바이어스 전류를 인가하는 것을 포함할 수 있다. 펌프 파워 펄스는 일정하게 이격된(regularly-spaced) 시간 간격들에서, 예를 들어, 펄스 분리 간격 또는 펄스 반복 시간 T에서 반복적으로 인가될 수 있다.
펌프 파워 펄스의 인가 동안, 레이저 캐비티에서의 광학 이득은, 이득이 캐비티에서의 광학 손실들을 초과하기 시작할 때까지, 증가한다. 이 시점 이후에, 레이저는 레이징하기(예컨대, 유도 방출(stimulated emission)의 프로세스에 의해 이득 매질을 통과하는 광자들을 증폭시키기) 시작할 수 있다. 증폭 프로세스는, 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 출력 펄스(6-130)를 생성하기 위해 이득 매질에서의 레이저 광의 급격한 증가 및 여기 상태들의 고갈(depletion)을 가져온다. 일부 실시예들에서, 펌프 파워 펄스(6-110)는, 출력 펄스의 피크가 나타나는 것과 대략 동시에 턴 오프(turn off)되도록, 타이밍 조절된다. 펌프 파워 펄스를 턴 오프시키는 것은 추가의 레이징을 종료(terminate)시키고, 따라서 출력 펄스(6-130)가 소멸(quench)된다. 일부 실시예들에서, 출력 펄스(6-130)는, 도면에 도시된 바와 같이, 펌프 펄스(6-110)보다 더 짧은 지속시간을 가질 수 있다. 예를 들어, 이득 스위칭에 의해 생성된 출력 펄스(6-130)는 펌프 펄스(6-110)의 지속시간의 1/5 미만일 수 있다.
펌프 파워 펄스가 턴 오프되지 않으면, 도 6ab에 도시된 동태가 일어날 수 있다. 이 경우에, 계단 함수(step function)로서 도시된, 펌프 파워 곡선(펌프 전류 밀도로서 도시됨)(6-140)은 반도체 레이저에 인가되는 전류 밀도를 나타낸다. 그래프는 이득 매질이, 레이저 다이오드의 이득 영역에서 캐리어 밀도 N을 생성하는, 펌핑 전류 밀도에 의해 여기된다는 것을 보여준다. 레이징 문턱 전류 밀도(Ith)의 약 2배의 펌프 전류 밀도(I)가 시각 t = 0에서 인가되고, 이어서 온(on)인 채로 있다. 그래프는 레이저의 광학 이득이 캐비티에서의 손실을 초과할 때까지 반도체 이득 영역에 대한 캐리어 밀도 N의 증가를 보여준다. 이 시점 이후에, 제1 펄스(6-161)가 형성(build up)되어 - 이는 캐리어 밀도 및 광학 이득을 캐비티 손실보다 더 작은 값으로 고갈시킴 -, 방출된다. 차후에, 제2 펄스(6-162)가 형성되어 - 이는 캐리어 밀도(N)를 고갈시킴 -, 방출된다. 레이저가 연속파 작동으로 안정화(stabilize)될 때까지(예컨대, 이 예에서, 약 7 나노초 이후) 몇 사이클 동안 캐리어 밀도의 증가(build-up) 및 감소(depletion)가 반복된다. 펄스들의 사이클(펄스(6-161), 펄스(6-162), 및 후속 펄스들)은 레이저의 완화 진동들이라고 지칭된다.
본 발명자들은 극초단 펄스들을 생성하기 위해 레이저를 이득 스위칭할 때 계속되는 완화 진동들의 유해한 효과들을 피하는 것이 과제라는 것을 인식하고 알았다. 예를 들어, 펌프 파워 펄스(6-110)가 충분히 빠르게 종료되지 않으면, 도 6ac에 도시된 바와 같이, (완화 진동으로 인한) 적어도 제2 광학 펄스(6-162)가 레이저 캐비티에 형성(build up)되기 시작할 수 있고, 이득 스위칭 출력 펄스(6-170)에 테일(6-172)을 추가한다. 본 발명자들은 이러한 테일이, 형광 수명들에 기초하여 형광 분자들을 구별하는 것을 목표로 하는 적용분야들과 같은, 일부 적용분야들에서 바람직하지 않을 수 있다는 것을 인식하고 알았다. 여기 펄스의 테일이 충분히 빠르게 감소되지 않으면, 파장 필터링이 이용되지 않는 한, 여기 방사가 검출기를 압도할 수 있다. 대안적으로 또는 그에 부가하여, 여기 펄스 상의 테일은 형광 분자를 계속하여 여기시킬 수 있고 형광 수명의 검출을 복잡하게 할 수 있다.
여기 펄스의 테일이 충분히 빠르게 감소되면, 형광 방출 동안 무시할 정도의 여기 방사가 존재할 수 있다. 이러한 구현들에서, 형광 방출을 검출하고 형광 분자 수명들을 구별하는 데 형광 방출의 검출 동안의 여기 방사의 필터링이 필요하지 않을 수 있다. 일부 경우들에서, 여기 필터링의 제거는 분석 시스템(1-160)을 상당히 단순화시켜 그의 비용을 크게 감소시킬 수 있는 것은 물론 시스템에 대한 보다 컴팩트한 구성을 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 형광 방출 동안 여기 파장을 억제하기 위해 필터가 필요하지 않을 때, 여기 소스 및 형광 검출기가 가까이 근접하여(예컨대, 동일한 회로 보드 또는 집적 디바이스(integrated device) 상에서, 그리고 심지어 서로로부터 수 마이크로미터 이내에) 위치될 수 있다.
본 발명자들은 또한, 일부 경우들에서, 여기 펄스 상의 테일이 허용될 수 있다는 것을 인식하고 알았다. 예를 들어, 분석 시스템(1-160)은 파장 필터를 검출 광학 경로 내에 통합시키는 것을 용이하게 가능하게 하는 광학 구성을 가질 수 있다. 검출기가 생물학적 샘플로부터 정량화가능한 형광을 수신하도록, 파장 필터는 여기 파장들을 제거(reject)하도록 선택될 수 있다. 그 결과, 펄스 광학 소스로부터의 여기 방사가 검출된 형광을 압도하지 않는다.
일부 실시예들에서, 형광 분자의 방출 수명(τ)은, 일부 실시예들에 따르면, 1/e 강도 값에 의해 특징지워지지만, 일부 실시예들에서, 다른 메트릭들(예컨대, 1/e2, 방출 반감기 등)이 사용될 수 있다. 형광 분자를 여기시키는 데 사용되는 여기 펄스가 형광 분자의 수명보다 더 작은 지속시간을 가질 때, 형광 분자의 수명을 결정하는 정확도가 개선된다. 바람직하게는, 여기 펄스는 형광 분자의 방출 수명보다 적어도 3배 더 작은 FWHM 지속시간을 갖는다. 보다 긴 지속시간 또는 상당한 에너지를 갖는 테일(6-172)을 갖는 여기 펄스는 감쇠하는 방출(decaying emission)이 평가되고 있는 시간 동안 형광 분자를 계속하여 여기시키며, 형광 분자 수명의 분석을 복잡하게 할 수 있다. 이러한 경우들에서 형광 수명 결정을 개선시키기 위해, 검출된 형광으로부터 여기 펄스 프로파일을 디컨볼브(deconvolve)시키기 위해 디컨볼루션(deconvolution) 기법들이 사용될 수 있다.
일부 경우들에서, 형광 분자 또는 샘플의 소멸(quenching)을 감소시키기 위해 형광 분자들을 여기시키는 데 극초단 펄스들을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 형광 분자의 장시간 펌핑(extended pumping)이 시간의 경과에 따라 형광 분자를 표백 및/또는 손상시킬 수 있는 반면, (비록 분자에 대한 총 에너지 양은 동일하더라도) 보다 짧은 지속시간들 동안의 보다 높은 강도들이 보다 낮은 강도에서의 장시간 노출만큼 형광 분자에 손상을 입히지는 않을 수 있다는 것이 밝혀졌다. 노출 시간을 감소시키는 것은 형광 분자들에 대한 광 유도 손상(photo-induced damage)을 회피하거나 감소시킬 수 있고, 형광 분자들이 분석 시스템(1-160)에서 사용될 수 있는 시간의 양 또는 측정 횟수를 증가시킬 수 있다.
일부 적용분야들에서, 본 발명자들은 여기 펄스가 펄스의 피크 파워 레벨보다 적어도 약 40 dB 낮은 파워 레벨로 빠르게(예컨대, 펄스의 피크로부터 약 250 ps 내에) 종료되는 것이 바람직하다는 것을 발견하였다. 일부 실시예들은 약 250 ps 내에 보다 적은 양의 파워 감소, 예컨대, 약 20 dB 내지 약 40 dB의 감소를 허용할 수 있다. 일부 실시예들은 약 250 ps 내에 유사하거나 보다 많은 양의 파워 감소, 예컨대, 일부 실시예들에서는 약 40 dB 내지 약 80 dB, 또는 일부 실시예들에서는 약 80 dB 내지 약 120 dB를 요구할 수 있다. 일부 실시예들에서, 이 파워 감소 레벨들은 펌핑 펄스의 피크로부터 약 100 ps 내에 요구될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 펄스 분리 간격(T)(도 1b를 참조)이 또한 펄스 레이저 시스템의 중요한 측면일 수 있다. 예를 들어, 형광 분자들의 방출 수명들을 평가 및/또는 구별하기 위해 펄스 레이저를 사용할 때, 여기 펄스들 사이의 시간은 바람직하게는 방출 수명의 충분히 정확한 결정을 가능하게 하기 위해 검사된 형광 종(fluorescent species)의 임의의 방출 수명보다 더 길다. 예를 들어, 이전의 펄스로부터 여기된 형광 분자 또는 형광 분자들의 앙상블이 형광을 발하기에 알맞은 양의 시간을 갖기 전에 후속 펄스가 도착해서는 안된다. 일부 실시예들에서, 간격(T)은 형광 분자를 여기시키는 여기 펄스와 여기 펄스의 종료 이후 다음 여기 펄스 이전에 형광 분자에 의해 방출된 후속 광자 사이의 시간을 결정하기에 충분히 길 필요가 있다.
여기 펄스들 사이의 간격(T)이 형광 종의 감쇠 속성들을 결정하기에 충분히 길어야만 하지만, 펄스 분리 간격(T)이 많은 측정들이 짧은 기간 내에 이루어질 수 있게 할 정도로 충분히 짧은 것이 또한 바람직하다. 제한이 아닌 예로서, 일부 적용분야들에서 사용되는 형광 분자들의 방출 수명들(1/e 값들)은 약 100 피코초 내지 약 10 나노초의 범위에 있을 수 있다. 따라서, 사용된 형광 분자들에 따라, 약 200 ps 정도로 짧은 펄스 분리 간격이 사용될 수 있는 반면, 보다 긴 수명의 형광 분자들에 대해서는 약 20 나노초 초과의 펄스 분리 간격(T)이 사용될 수 있다. 그에 따라, 형광 수명 분석을 위해 형광을 여기시키는 데 사용되는 여기 펄스들은, 일부 실시예들에 따르면, 약 25 피코초 내지 약 2 나노초의 FWHM 지속시간들을 가질 수 있다.
집적된 시간 영역 이미징 어레이(integrated time-domain imaging array)가 형광을 검출하고 수명 분석 및 시각적 디스플레이를 위한 데이터를 제공하는 형광 수명 이미징과 같은, 일부 적용분야들에서, 펄스 분리 간격(T)이 이미징 시스템의 프레임 레이트보다 더 짧을 필요가 없을 수 있다. 예를 들어, 단일 여기 펄스 이후에 적절한 형광 신호가 있으면, 이미징 프레임을 위한 다수의 여기 펄스들에 걸친 신호 축적이 필요하지 않을 수 있다. 일부 실시예들에서, 펄스 반복 레이트가 약 30 Hz 정도로 느릴 수 있도록, 펄스 광학 소스(1-110)의 펄스 반복 레이트(Rp)가 이미징 시스템의 프레임 레이트(Rf)에 동기화될 수 있다. 다른 실시예들에서, 펄스 반복 레이트가 프레임 레이트보다 상당히 더 높을 수 있고, 이미지에서의 각각의 픽셀에 대한 형광 감쇠 신호들은 다수의 여기 펄스들 이후의 적분된 값들일 수 있다.
이득 스위칭 펄스 레이저(6-200)의 일 예가 도 6ba에 도시되어 있다. 일부 실시예들에 따르면, 펄스 레이저(6-200)는 기판(6-208) 상에 형성된 상용(commercial) 또는 커스텀(custom) 반도체 레이저 다이오드(6-201)를 포함할 수 있다. 레이저 다이오드는 전기 커넥터(6-224)를 포함하는 하우징(6-212) 내에 패키징될 수 있다. 레이저로부터의 출력 빔의 발산을 재정형 및/또는 변경하기 위해 패키지와 함께 포함된 하나 이상의 광학 요소들(6-205)(예컨대, 하나 이상의 렌즈들)이 있을 수 있다. 레이저 다이오드(6-201)는 전류 펄스들의 시퀀스를 연결 케이블(6-226) 및 적어도 하나의 와이어(6-220)를 통해 다이오드(6-201)에 제공할 수 있는 펄서 회로(6-210)에 의해 구동될 수 있다. 펄서 회로(6-210)로부터의 구동 전류는 레이저 다이오드로부터 방출된 광학 펄스들의 트레인(6-222)을 생성할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 레이저 다이오드(6-201)는 제1 전도성 유형(예컨대, p-형)을 갖는 제1 층(6-202) 및 반대 전도성 유형을 갖는 제2 층(6-206)을 포함하는 반도체 접합부(semiconductor junction)를 포함할 수 있다. 제1 층과 제2 층 사이에 하나 이상의 중간 층들(6-204)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 중간 층들은 제1 층 및 제2 층으로부터 주입된 캐리어들이 재결합(recombine)하여 광자들을 생성하는 다중 양자 웰(MQW) 층들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 중간 층들은 전자 및/또는 정공 차단 층들을 포함할 수 있다. 레이저 다이오드는, 일부 구현들에서, 무기 재료들 및/또는 유기 반도체 재료들을 포함할 수 있다. 재료들은 원하는 방출 파장을 획득하도록 선택될 수 있다. 예를 들어 그리고 무기 반도체들에 대해, 약 500 nm 미만의 파장들에서 방출하는 레이저들에 대해서는 III족 질화물 조성물들이 사용될 수 있고, 약 500 nm 초과의 파장들에서 방출하는 레이저들에 대해서는 III족 비화물 또는 III족 인화물 조성물들이 사용될 수 있다. VCSEL(vertical cavity surface emitting laser), 에지 방출 레이저 다이오드(edge-emitting laser diode), 또는 SCOWL(slab-coupled optical waveguide laser) - 이들로 제한되지 않음 - 을 비롯한 임의의 적당한 유형의 레이저 다이오드(6-201)가 사용될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 이득 스위칭 레이저 다이오드 대신에 하나 이상의 펄스 LED(pulsed LED)들이 사용될 수 있다. 펄스 LED들은 TOF(time-of-flight), 3-D 이미징, 및 형광 이미징 적용분야들에 유용할 수 있다. LED는 LD보다 더 낮은 강도를 가질 수 있고, 따라서 다수의 LED들이 사용될 수 있다. LED가 레이징 동작(lasing action)과 연관된 완화 진동들 또는 동태를 겪지 않기 때문에, 그의 출력 펄스들은 보다 긴 지속시간을 갖고 레이저에 대해 얻어지는 것보다 더 넓은 스펙트럼 대역폭을 가질 수 있다. 예를 들어, 출력 펄스들은 약 100 ps 내지 약 2 ns일 수 있고, 스펙트럼 대역폭은 약 20 nm 이상일 수 있다. 일부 구현들에서, LED로부터의 출력 펄스들은 약 100 ps 내지 약 500 ps일 수 있다. 보다 긴 감쇠 시간들을 갖는 형광 분자들의 여기를 위해 보다 긴 여기 펄스들이 용인가능할 수 있다. 그에 부가하여, LED는 비편광(unpolarized) 또는 부분 편광(partially polarized) 출력 빔을 생성할 수 있다. 이하에서 설명되는 펄서 회로들의 실시예들은 펄스 광학 소스들의 일부 구현들에서 하나 이상의 LED들을 구동하는 데 사용될 수 있다.
LED들을 사용하는 것의 하나의 장점은 레이저 다이오드들에 비해 보다 낮은 비용이다. 그에 부가하여, LED들은 이미징 적용분야들에 보다 적합할 수 있는 보다 넓고 전형적으로 비코히런트(incoherent)인 스펙트럼 출력을 제공한다(예컨대, LED는 보다 적은 광학 간섭 아티팩트들을 생성할 수 있음). 레이저 다이오드의 경우, 수집된 이미지들에서의 스페클(speckle)을 회피하기 위한 조치들이 취해지지 않는 한, 코히어런트 방사(coherent radiation)는 이미징 적용분야들에서 스페클을 유입시킬 수 있다. 또한, LED들은 여기 파장들을 자외선(예컨대, 최저 약 240 nm) 내로 확장시킬 수 있고, 생물학적 샘플들에 자가형광(autofluorescence)을 여기시키는 데 사용될 수 있다.
본 발명자들은 일부 종래의 레이저 다이오드 시스템들이 도 6bb에 도시된 바와 같이 모델링될 수 있는 전류 구동기 회로부를 포함한다는 것을 인식하였다. 예를 들어, 전류 구동기(6-210)는 전류 펄스들을 레이저 다이오드에 전달하도록 구성된 펄스 전압 소스(pulsed voltage source)(6-230)를 포함할 수 있다. 레이저 다이오드에의 연결은 전형적으로 케이블(6-226), 어댑터 또는 커넥터(6-224), 및 레이저 다이오드(6-210) 상의 접촉 패드에 본딩된 단일 와이어(6-220)를 통해 이루어진다. 어댑터(6-224)와 레이저 다이오드 사이의 연결은 직렬 인덕턴스(L1) 및 직렬 저항(R1)을 포함할 수 있다. 연결은 또한 콘택트(contact)들 및/또는 다이오드 접합부(diode junction)와 연관된 작은 접합 커패시턴스(junction capacitance)들(도시되지 않음)을 포함할 수 있다.
본 발명자들은 (예컨대, 커넥터(6-224)와 레이저 다이오드(6-201) 사이의) 와이어 본드들의 개수를 증가시키는 것이 레이저 다이오드(6-201)에의 연결의 인덕턴스 및/또는 저항을 감소시킬 수 있다는 것을 인식하고 알았다. 인덕턴스 및/또는 저항의 이러한 감소는 레이저 다이오드의 보다 높은 속도의 전류 변조 및 보다 짧은 출력 펄스들을 가능하게 할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 레이저 다이오드의 속도를 개선시키기 위해 단일 와이어 본드(6-220)가 다수의 병렬 와이어 본드들로 대체될 수 있다. 예를 들어, 와이어 본드들의 개수가 3개 이상으로 증가될 수 있다. 일부 구현들에서, 레이저 다이오드에 최대 50개의 와이어 본드들이 있을 수 있다.
본 발명자들은 상용 레이저 다이오드 상의 와이어 본드들(6-220)의 개수를 증가시키는 것의 효과들을 조사하였다. 고려된 상용 레이저의 일 예는, 미국 캘리포니아주 사이프레스 소재의 Ushio로부터 현재 입수가능한, Oclaro 레이저 다이오드인 모델 HL63133DG였다. 와이어 본드들의 개수를 증가시키는 것의 수치 시뮬레이션들로부터의 결과들이 도 6bc에 예시되어 있다. 시뮬레이션은 상용 디바이스에 대한 단일 본드(곡선 6-250)로부터 3개의 와이어 본드들(곡선 6-252)로 그리고 36개의 와이어 본드들(곡선 6-254)로 와이어 본드들의 개수를 증가시켰다. 고정된 18V 펄스를 위해 레이저 다이오드에 전달되는 평균 구동 전류가 3개의 상이한 경우들에 대해 한 범위의 주파수들에 걸쳐 결정되었다. 결과들은 보다 많은 수의 와이어 본드들이 보다 높은 주파수들에서 보다 많은 전류가 레이저 다이오드에 전달될 수 있게 한다는 것을 나타낸다. 예를 들어, 1 GHz에서, 단지 3개의 와이어 본드들(곡선 6-252)의 사용은 단일 와이어 본드의 경우보다 4배 초과의 전류가 레이저 다이오드에 전달될 수 있게 한다. 짧은 및 극초단 펄스들이 보다 높은 대역폭(짧은 펄스를 형성하기 위한 보다 높은 주파수 성분들)을 필요로 하기 때문에, 다수의 와이어 본드들을 추가하는 것은 보다 높은 주파수 성분들이 단일 와이어 본드보다 더 짧은 펄스로 레이저 다이오드를 구동할 수 있게 한다. 일부 구현들에서, 다수의 와이어 본드들이 레이저 다이오드 상의 단일 접촉 패드 또는 다수의 접촉 패드들과 레이저 다이오드 패키지 상의 어댑터 또는 커넥터(6-224) 사이에 연장될 수 있다. 커넥터는 외부의 표준화된 케이블(예컨대, 50-옴(ohm) BNC 또는 SMA 케이블)에의 연결을 위해 구성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 와이어 본드들의 개수 및 와이어 본드 구성은 레이저 다이오드에 연결된 어댑터 및/또는 케이블의 임피던스와 매칭하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에 따르면, 레이저 다이오드로부터 전류 구동기로의 전력 반사(power reflection)들을 감소시키기 위해 와이어 본드의 임피던스가 커넥터(6-224)의 임피던스와 매칭될 수 있다. 다른 실시예들에서, 와이어 본드들의 임피던스가 의도적으로 다이오드의 입력 임피던스와 미스매칭(mismatch)될 수 있다. 미스매칭은 포지티브 전류 구동 펄스들 사이에 네거티브 펄스를 생성할 수 있다. 레이저 다이오드에 대한 패키징 방법을 선택하는 것(예컨대, 어댑터로부터 레이저 다이오드로의 와이어 본드들의 개수를 선택하는 것)은 보다 높은 고주파들에서 레이저 다이오드에 공급되는 전류 변조를 개선시킬 수 있다. 이것은 레이저 다이오드를 고속 이득 스위칭 신호들에 더 잘 반응하게 할 수 있고, 보다 짧은 광학 펄스들, 펄스 피크 이후의 광학 파워의 보다 빠른 감소, 및/또는 증가된 펄스 반복 레이트들을 가능하게 할 수 있다.
이제 도 6c를 참조하면, 본 발명자들은 양극성 펄스 파형(6-300)을 레이저 다이오드에 인가하는 것이 생성된 광학 펄스들 상의 원하지 않는 방출 테일(emission tail)(6-172)(도 6ac를 참조)을 억제할 수 있다는 것을 추가로 인식하고 알았다. 양극성 펄스는 또한 LED로부터의 광학 펄스를 단축시키는 데 사용될 수 있다. 양극성 펄스는 제1 극성의 제1 펄스(6-310) 및 그에 뒤따르는 반대 극성의 제2 펄스(6-312)를 포함할 수 있다. 제2 펄스(6-312)의 크기는 제1 펄스의 크기와 상이할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 펄스는 제1 펄스(6-310)와 대략 동일하거나 그보다 더 작은 크기를 가질 수 있다. 다른 실시예들에서, 제2 펄스(6-312)는 제1 펄스(6-310)보다 더 큰 크기를 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 제2 펄스의 크기는 제1 펄스의 크기의 약 10% 내지 제1 펄스의 크기의 약 90%일 수 있다. 일부 구현들에서, 제2 펄스의 크기는 제1 펄스의 크기의 약 25% 내지 제1 펄스의 크기의 약 90%일 수 있다. 일부 경우들에서, 제2 펄스의 크기는 제1 펄스의 크기의 약 50% 내지 제1 펄스의 크기의 약 90%일 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 펄스에서의 에너지의 양은 제1 펄스에서의 에너지의 양의 약 25% 내지 제1 펄스에서의 에너지의 양의 약 90%일 수 있다. 일부 구현들에서, 제2 펄스에서의 에너지의 양은 제1 펄스에서의 에너지의 양의 약 50% 내지 제1 펄스에서의 에너지의 양의 약 90%일 수 있다.
제1 구동 펄스는 레이저 다이오드 접합부를 순방향 바이어싱시킴으로써 다이오드의 활성 영역에 캐리어들을 생성할 수 있고, 이 캐리어들은 재결합하여 광학 펄스를 생성할 수 있다. 극성이 반대인 제2 구동 펄스(6-312)는 다이오드 접합부을 역방향 바이어싱시키고 광자 생성을 종료시키기 위해 활성 영역으로부터의 캐리어들의 제거를 가속시킬 수 있다. 제2 전기 펄스(6-312)가 제2 완화 진동 펄스(도 6ab의 펄스(6-162)를 참조)와 대략 동시에 또는 그 직전에(예컨대, 약 200ps 내에) 발생하도록 타이밍 조절될 때, 방출 테일(6-172)이 억제되도록, 그렇지 않았으면 제2 광학 펄스를 생성하게 될 캐리어 농도가 감소된다.
다양한 회로 구성들이 양극성 펄스 파형들을 생성하는 데 사용될 수 있다. 도 6da는 양극성 펄스 파형으로 레이저 다이오드 또는 하나 이상의 LED들을 구동하는 데 사용될 수 있는 회로의 단지 하나의 예를 도시하고 있다. 일부 실시예들에서, 양극성 펄스들을 반도체 레이저 다이오드(6-420) 또는 적어도 하나의 LED에 전달하기 위해, 전송 라인(6-410)(예컨대, 스트립 라인 또는 동축 도체 어셈블리)이 펄서 회로(6-400)에 구성될 수 있다. 전송 라인(6-410)은 U자 형상의 구성으로 형성되고, 제1 도체 상에서 충전 저항기(charging resistor)(Rch)를 통해 DC 전압 소스(VDD)에 의해 바이어싱될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 전송 라인은 레이저 다이오드의 임피던스와 대략 매칭하는 임피던스를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 전송 라인의 임피던스는 대략 50 옴일 수 있다. 일부 구현들에서, 전송 라인의 임피던스는 대략 20 옴 내지 대략 100 옴일 수 있다. 일부 구현들에서, 전송 라인의 임피던스는 대략 1 옴 내지 대략 20 옴일 수 있다.
펄서(6-400)는 전송 선로의 한쪽 단부에 있는 전송 라인의 제2 도체와 기준 전위(예컨대, 도시된 예에서 접지) 사이에 연결된 종단 저항기(terminating resistor)(Zterm)를 추가로 포함할 수 있다. 전송 라인의 제2 도체의 다른 쪽 단부는 레이저 다이오드(6-420)에 연결될 수 있다. 전송 라인의 제1 도체의 단부들은 제1 도체의 단부들을 기준 전위(예컨대, 접지)로 주기적으로 션팅(shunt)하도록 활성화될 수 있는 스위치 M1(예컨대, 전계 효과 트랜지스터 또는 양극성 접합 트랜지스터)에 연결될 수 있다.
일부 경우들에서, 종단 임피던스(Zterm)는 라인 내로의 역반사들을 감소시키기 위해 전송 라인(6-410)의 임피던스와 대략 동일할 수 있다. 대안적으로, 종단 임피던스(Zterm)는 네거티브 펄스를 라인 내로(스위치 M1에 의해 션팅 이후에) 그리고 레이저 다이오드(6-420) 쪽으로 반사시키기 위해 라인의 임피던스보다 더 작을 수 있다. 일부 구현들에서, 종단 임피던스(Zterm)는 반사된 네거티브 펄스의 형상을 제어하도록 선택된 용량성 및/또는 유도성 성분을 포함할 수 있다. 도 6da에 도시된 바와 같은 전송 라인 펄서는 약 30 Hz 내지 약 200 MHz의 범위 내의 반복 레이트를 갖는 양극성 전기 펄스들을 생성하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 도 6ea에 도시된 바와 같이, 전송 라인 펄서에 대한 전송 라인(6-410)은 인쇄 회로 보드(PCB) 상에 형성될 수 있다.
도 6db는, 개별 컴포넌트들을 사용하여 형성될 수 있고 (칩 또는 PCB와 같은) 기판 상에 집적될 수 있는, 광학 반도체 다이오드(6-423)(예컨대, 레이저 다이오드 또는 하나 이상의 LED들)에 연결된 구동기 회로(6-401)의 일 실시예를 도시하고 있다. 일부 실시예들에서, 회로는 레이저 다이오드 또는 LED(6-423)와 동일한 기판 상에 집적될 수 있다. 레이저 구동기 회로(6-401)는 트랜지스터(M1)의 게이트 또는 베이스에 연결된 제어 입력(6-405)을 포함할 수 있다. 트랜지스터는 CMOS FET, 양극성 접합 트랜지스터, 또는 고 전자 이동도 트랜지스터(GaN pHEMT 등)일 수 있지만, 다른 고속, 고전류 핸들링 트랜지스터들이 사용될 수 있다. 트랜지스터는 전류 소스(6-430)와 기준 전위(예컨대, 접지 전위, 그렇지만 다른 기준 전위 값들이 사용될 수 있음) 사이에 연결될 수 있다. 트랜지스터(M1)는, 전류 소스(6-430)와 기준 전위 사이에, 레이저 다이오드(6-423)(또는 하나 이상의 LED들) 및 레이저 다이오드와 직렬로 연결된 저항기(R1)와 병렬로 연결될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 구동기 회로(6-401)는, 레이저 다이오드와 기준 전위 사이에, 저항기(R1)와 병렬로 연결된 커패시터(C1)를 추가로 포함할 수 있다. 트랜지스터(M1)가 설명되어 있지만, 고 전도 상태(high conductive state) 및 저 전도 상태(low conductive state)를 갖는 임의의 적당한 제어가능 스위치가 사용될 수 있다.
작동 중에, 트랜지스터(M1)가 온이거나 도통 상태(conducting state)에 있을 때, 구동기 회로(6-401)는 레이저 다이오드(6-423)를 바이패스하는 전류를 제공할 수 있다. 따라서, 레이저 다이오드로부터의 광학 출력이 없다. 트랜지스터(M1)가 스위치 오프(switch off)될 때, 전류는 트랜지스터에서의 저항이 증가된 경로(increased resistive path)로 인해 레이저 다이오드를 통해 흐를 수 있다. 트랜지스터가 다시 스위치 온(switch on)될 때까지, 전류는 레이저 다이오드를 턴 온(turn on)시킨다. 레이저 다이오드에 전류 펄스들을 제공하기 위해 트랜지스터의 제어 게이트를 온 상태와 오프 상태 간에 변조하는 것에 의해 광 펄스들이 생성될 수 있다. 이 접근법은, 일부 펄싱 기법들에 비해, 레이저를 구동하는 데 필요한 전원(supply)에 대한 전압의 양 및 트랜지스터에 대한 전압을 감소시킬 수 있으며, 이는 이러한 고속 회로들의 구현에 중요한 측면이다.
저항기(R1) 및 병렬 커패시터(C1)의 존재로 인해, 다이오드가 순방향으로 도통(forward conducting)하고 있을 때 커패시터에 전하가 축적(build up)될 것이다. 이것은, 트랜지스터(M1)가 "오프" 상태, 예컨대, 저 도통 상태(low-conducting state) 또는 비-도통 상태(non-conducting state)에 있을 때, 일어날 수 있다. 트랜지스터가 턴 온될 때, 커패시터에 걸쳐 저장된 전압은 레이저 다이오드를 역방향으로 바이어싱(reverse bias)할 것이다. 역방향 바이어스(reverse bias)는 사실상 레이저 다이오드에 걸쳐 네거티브 펄스를 생성하고, 이는 그렇지 않고 네거티브 펄스가 없었다면 발생하게 될 방출 테일(6-172)을 감소시키거나 제거할 수 있다. 저항기(R1)의 값은, 스위치가 차후에 열리기 전에 그리고/또는 후속 광 펄스가 레이저 다이오드에 의해 생성되기 전에, 커패시터 상의 전하의 실질적으로 전부가 방전되도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 시상수 t1 = R1C1은 펄스 반복 간격(T)의 약 1/2 또는 1/3 미만이도록 엔지니어링될 수 있다. 일부 구현들에서, 시상수 t1 = R1C1은 대략 0.2 ns 내지 대략 10 ns일 수 있다.
일부 구현들에서, 트랜지스터(M1)는 레이저 다이오드로부터의 출력 광 펄스의 첫 번째 피크 이후에 도통 상태로 스위칭하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 6ab를 참조하면, 광학 검출 및 논리 회로(optical detection and logic circuit)는 제1 펄스(6-161)의 감쇠하는 강도를 감지하고, 도통 상태로 스위칭하기 위해, 트랜지스터 M1을 트리거할 수 있다. 일부 실시예들에서, 트랜지스터(M1)는 안정된 클록 신호에 기초하여 도통 상태로 스위칭하도록 트리거될 수 있다(예컨대, 동기화 클록 에지를 참조하여 트리거됨). 일부 구현들에서, 트랜지스터(M1)는, 트랜지스터(M1)가 비-도통 상태로 스위칭하는 시각으로부터 측정되는, 미리 결정된 지연 시간에 따라 도통 상태로 스위칭하도록 트리거될 수 있다. 트랜지스터(M1)를 선택된 시각에 도통 상태로 스위칭하는 것은 피크 광 펄스 직후에 레이저 파워를 감소시키고, 레이저 펄스를 단축시키며, 그리고/또는 펄스의 테일 방출을 감소시킬 수 있다.
도 6db에 도시된 구동 회로가 전류 소스(6-430)가 레이저의 애노드측(anode side)에 위치된 것을 보여주고 있지만, 일부 실시예들에서, 전류 소스는, 대안적으로 또는 그에 부가하여, 레이저의 캐소드측(cathode side)에 위치될 수 있다(예컨대, 트랜지스터(M1), 저항기(R1), 및 접지와 같은 기준 전위 사이에 연결됨).
극초단 펄스들을 생성하기 위한 구동 회로부의 다른 실시예들이 가능하다. 예를 들어, 레이저 다이오드 또는 LED에 대한 전류 펄스 구동 회로(6-402)는, 도 6dc에 도시된 바와 같이, 레이저 다이오드의 노드에 연결된 복수의 전류 구동 브랜치(current drive branch)들을 포함할 수 있다. 구동기 회로(6-402)는 개별 또는 집적 컴포넌트들을 사용하여 형성되고 기판(예컨대, ASIC 칩 또는 PCB) 상에 집적될 수 있다. 일부 실시예들에서, 구동기 회로는 하나 이상의 광학 반도체 다이오드들(6-425)(예컨대, 레이저 다이오드 또는 하나 이상의 발광 다이오드들)과 동일한 기판 상에 집적될 수 있다. 도면이 구동기 회로를 레이저 다이오드(6-425)의 애노드에 연결된 것으로서 도시하고 있지만, 일부 실시예들에서, 유사한 구동 회로부가, 대안적으로 또는 그에 부가하여, 레이저 다이오드의 캐소드에 연결될 수 있다. 레이저 다이오드의 캐소드측에 연결된 구동 회로부는 레이저 다이오드의 애노드측에서 사용되는 것들과 반대 유형의 트랜지스터들 및 반대 극성의 전압 소스들을 이용할 수 있다.
일부 구현들에 따르면, N개의 순방향 바이어스 전류 펄스들을 레이저 다이오드(6-425) 또는 LED에 인가하도록 구성된 N개의 회로 브랜치들(예컨대, 회로 브랜치들(6-432, 6-434, 6-436)) 및 M개의 역방향 바이어스 전류 펄스들을 레이저 다이오드에 인가하도록 구성된 M개의 회로 브랜치들(예컨대, 회로 브랜치(6-438))이 있을 수 있다. 도 6dc에서, N=3이고 M=1이지만, 다른 값들이 사용될 수 있다. 각각의 순방향 바이어스 전류 브랜치는 레이저 다이오드에 순방향 바이어스 전류를 전달하도록 구성된 전압 소스(Vi)를 포함할 수 있다. 각각의 역방향 바이어스 전류 브랜치는 레이저 다이오드에 역방향 바이어스 전류를 전달하도록 구성된 전압 소스(Vj)를 포함할 수 있다. 각각의 회로 브랜치는 스위치 또는 트랜지스터(Mi)와 직렬로 연결된 저항기(Ri)를 추가로 포함할 수 있다. 각각의 회로 브랜치는, 한쪽은 트랜지스터(Mi)와 저항기(Ri) 사이의 노드에 연결되고, 다른 쪽은 고정 기준 전위(fixed reference potential)에 연결된, 커패시터(Ci)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 커패시턴스(Ci)는 트랜지스터(Mi)와 연관된 접합 커패시턴스(예컨대, 소스-보디 커패시턴스(source-to-body capacitance))일 수 있으며, 별도의 개별 커패시터가 제공되지 않을 수 있다. 일부 구현들에서, 회로 브랜치들로부터 전달되는 총 전류의 양을 제한하기 위해 적어도 하나의 부가 저항기가 다이오드(6-425)와 직렬로 포함될 수 있다.
작동 중에, 합산되어 레이저 다이오드 접합부에 걸쳐 인가되는 회로 브랜치들 각각으로부터의 전류 펄스들의 시퀀스를 생성하기 위해, 타이밍 조절된 펄스 제어 신호(pulsed control signal)들이 스위치들 또는 트랜지스터들 Mi의 제어 입력들 Si에 인가될 수 있다. 각각의 브랜치 내의 컴포넌트들의 값들(Vi, Vj, Ri, Ci) 및 제어 입력들 Si에 인가되는 제어 펄스들의 타이밍 및 펄스 지속시간은 레이저 다이오드(6-425)에 인가되는 원하는 양극성 전류 펄스 파형을 생성하도록 독립적으로 선택될 수 있다. 단지 하나의 예로서, V1, V2, 및 V3의 값들은 상이한 값들을 갖도록 선택될 수 있다. R1, R2, 및 R3의 값들은 동일할 수 있고, C1, C2, 및 C3의 값들은 동일할 수 있다. 이 예에서, 제어 입력들(Si)에의 펄스 신호(pulsed signal)들을 스태거링(staggering)하는 것은, 유사한 펄스 지속시간들을 갖지만 상이한 펄스 진폭들을 갖는, 순방향 바이어스 회로 브랜치들로부터의 오버랩하는(overlapping) 전류 펄스들의 스태거링된 시퀀스를 생성할 수 있다. 역방향 바이어스 회로 브랜치로부터의 타이밍 조절된 펄스는 순방향 바이어싱 펄스(forward-biasing pulse)를 소멸시키거나 빠르게 턴 오프시킬 수 있는 반대 극성의 전류 펄스를 생성할 수 있고, 레이저 다이오드로부터 테일 방출을 억제할 수 있는 역방향 바이어싱 펄스(reverse-biasing pulse)를 추가로 생성할 수 있다. 역방향 바이어싱 펄스는, 순방향 바이어싱 펄스들 중 하나 이상과 시간적으로 오버랩하도록, 주의하여 타이밍 조절될 수 있다. 그에 따라, 도 6dc에 도시된 회로는 도 6c에 도시된 바와 같은 양극성 전류 펄스들을 합성하는 데 사용될 수 있다.
도 6dd는, 무선 주파수(RF) 컴포넌트들을 사용하여 제조될 수 있는, 펄스 구동기(pulse driver)(6-403)의 다른 실시예를 도시하고 있다. RF 컴포넌트들은, 일부 실시예들에 따르면, 약 50 MHz 내지 약 1 GHz의 주파수들의 신호들을 핸들링하도록 설계될 수 있다. 일부 구현들에서, 펄스 구동기(6-403)는 입력 파형(예컨대, 구형파(square wave) 또는 사인파(sinusoidal wave))을 구동기에 AC 커플링(AC couple)시키는 입력 DC 블록(6-435)을 포함할 수 있다. DC 블록에 뒤이어서 증폭기(6-440)가 있을 수 있고, 이 증폭기(6-440)는 개별적인 회로 경로들(6-440a, 6-440b)을 따라, 각각, 진행하는 비반전 및 반전 출력 파형들을 생성한다. 제1 회로 경로(6-440a)는 하나 이상의 어댑터들(6-442)을 포함할 수 있다. 제2 경로에서의 신호를 제1 경로에서의 신호에 대해 선택적으로 위상 시프트(phase shift)시키기 위해 가변 위상 시프터(variable phase shifter)(6-445)가 제2 회로 경로(6-440b)에 포함될 수 있다.
제1 및 제2 회로 경로들은 RF 논리 게이트(6-450)(예컨대, AND 게이트 또는 다른 논리 게이트)의 비반전 입력들에 연결될 수 있다. 논리 게이트(6-450)의 반전 입력들은, 게이트에서의 의사 전력 반사(spurious power reflection)들을 회피하기 위해, 적당한 임피던스 매칭 터미네이터(impedance-matched terminator)들(6-446)로 종단(terminate)될 수 있다. 논리 게이트(6-450)의 비반전 및 반전 출력들은 2개의 회로 경로들(6-450a, 6-450b)을 따라 결합기(combiner)(6-460)에 연결될 수 있다. 반전 회로 경로(inverted circuit path)(6-450b)는 지연 요소(6-454) 및 감쇠기(6-456) - 이들 중 어느 하나 또는 둘 다가 조절가능할 수 있음 - 를 포함할 수 있다. 지연 요소는 반전 신호(inverted signal)를 비반전 신호(non-inverted signal)에 대해 지연시키는 데 사용될 수 있고, 감쇠기는 반전 신호의 진폭을 조절하는 데 사용될 수 있다.
논리 게이트로부터의 그 결과 얻어진 반전 신호 및 비반전 신호는 이어서 결합기(6-460)에서 합산될 수 있다. 결합기(6-460)로부터의 출력은 레이저 다이오드 또는 하나 이상의 LED들을 구동하기 위한 출력 양극성 펄스들을 제공하는 RF 증폭기(6-470)에 연결될 수 있다. 출력 양극성 펄스들은 도 6de에 도시된 바와 같은 파형을 가질 수 있다.
작동 중에, 입력 구형파 또는 사인파는 구동기 내로 AC 커플링되고 비반전 및 반전 버전들로서 2개의 회로 경로들(6-440a, 6-440b)로 분할될 수 있다. 제1 증폭기(6-440)는, 일부 실시예들에 따르면, 사인파 파형을 구형파로 만드는(square up) 제한 증폭기(limiting amplifier)일 수 있다. 제2 회로 경로(6-440b)에서, 반전 파형을 비반전 파형에 대해 시간적으로 지연시키기 위해, 반전 파형이 조절가능 위상 시프터(6-445)를 사용해 위상 시프트될 수 있다. 제1 증폭기(6-440)로부터의 그 결과 얻어진 파형들은 이어서, 논리 게이트의 비반전 및 반전 출력들에 짧은 RF 펄스들을 생성하기 위해, RF 논리 게이트(6-450)(예컨대, AND 게이트)에 의해 처리될 수 있다. 짧은 RF 펄스들의 지속시간은, 일부 실시예들에 따르면, 위상 시프터(6-445)를 사용하여 조절될 수 있다. 예를 들어, 위상 시프터는 논리 AND 게이트(6-450)에의 입력에서의 비반전 파형 및 반전 파형이 동시에 "온" 상태에 있는 기간 - 이 기간이 출력 펄스들의 길이를 결정할 것임 - 을 조절할 수 있다.
도 6de를 참조하면, 논리 게이트(6-450)로부터의 짧은 반전 펄스들(6-417)은, 비반전 펄스와 결합(combine)되기 전에, 지연 요소(6-454)에 의해 비반전 펄스들(6-415)에 대해 양 δ만큼 지연되고 감쇠기(6-456)에 의해 원하는 진폭으로 감쇠될 수 있다. 일부 실시예들에서, 네거티브 펄스 크기(|Vp-|)는 포지티브 펄스 진폭(Vp+)보다 더 작을 수 있다. 펄스 분리 간격(T)은 펄스 구동기(6-403)에 입력되는 사인파 또는 구형파의 주파수에 의해 결정될 수 있다. 출력 펄스 파형은 DC 오프셋을 포함할 수 있거나 그렇지 않을 수 있다. 출력 파형이 사각형 형상의 파형(square-shaped waveform)을 갖는 것으로 도시되어 있지만, RF 컴포넌트들 및/또는 케이블(cabling)에서의 커패시턴스들 및 인덕턴스들은, 도 6c에 도시된 파형에 보다 가까운, 보다 둥근 파형들을 갖는 출력 펄스들을 생성할 수 있다.
도 6dc 및 도 6db와 관련하여 앞서 언급된 바와 같이, 레이저 다이오드 또는 LED에 전류 또는 전압을 인가하는 것은, 일부 실시예들에서, 다이오드의 캐소드 및 애노드 둘 다에 대해 그러할 수 있다. 분할(split) 또는 차동(differential) 전압 또는 전류 펄스를 다이오드의 캐소드 및 애노드 둘 다에 인가할 수 있는 무선 주파수 펄스 구동기 회로(6-404)가 도 6df에 도시되어 있다. 일부 실시예들에 따르면, 회로의 프런트 엔드(front end)는 도 6dd에 도시된 펄스 구동기 회로(6-403)의 프런트 엔드와 유사할 수 있다. 그렇지만, 펄스 구동기 회로(6-404)에서는, 논리 게이트(6-450)로부터의 비반전 및 반전 출력들이 결합되지 않고 그 대신에 레이저 다이오드의 애노드 및 캐소드에 차동 드라이브(differential drive)로서 인가될 수 있다. 단순화를 위해, 후속하는 네거티브 또는 역방향 바이어싱 펄스를 생성하는 것과 연관된 회로부는 도 6df에 도시되어 있지 않다.
차동 펄스 구동기 회로(6-404)에 의해 생성된 분할 또는 차동 드라이브의 일 예가 도 6dg에 도시되어 있다. 논리 게이트(6-450)로부터의 제1 출력은 진폭 +Vp의 포지티브 펄스(6-416)를 생성할 수 있고, 논리 게이트(6-450)로부터의 제2 반전 출력은 반대 진폭 -Vp의 네거티브 펄스(6-418)를 생성할 수 있다. 펄스 트레인들은, 일부 실시예들에서, 작은 DC 오프셋을 가질 수 있거나 그렇지 않을 수 있다. 포지티브 펄스(6-416) 및 네거티브 펄스(6-418)의 존재는 레이저 다이오드에 걸쳐 유효 진폭 2Vp를 갖는 순방향 바이어싱 펄스를 생성한다. 레이저 다이오드에 걸쳐 바이어스를 분할하고 애노드 및 캐소드에 부분 바이어스(partial bias)를 인가하는 것에 의해, 펄스 구동기(6-404)에 의해 핸들링되는 전압 펄스들의 진폭이 사실상 2배만큼 감소될 수 있다. 그에 따라, 펄스 구동기(6-404)는 보다 높은 주파수에서 작동하고, 그렇지 않았으면 보다 높은 진폭의 펄스들에 대해 달성할 수 있는 것보다 더 짧은 펄스들을 생성할 수 있다. 대안적으로, 펄스 구동기 회로(6-404)는, 레이저 다이오드의 애노드에 바이어싱 펄스(+Vp)를 제공하기만 하는 구동 회로와 비교하여, 레이저 다이오드에 걸쳐 인가되는 구동 펄스의 진폭을 사실상 배가시킬 수 있다. 이러한 실시예들에서, 레이저 다이오드로부터의 파워 출력이 증가될 수 있다.
레이저 다이오드에 인가된 전력 및/또는 구동 속도가 증가될 수 있는 다른 방법이 도 6dh에 도시되어 있다. 일부 실시예들에 따르면, 복수의 펄스 구동기 출력들(6-470)이 레이저 다이오드(6-425) 또는 LED의 애노드에 연결될 수 있다. 이 예에서, 4개의 펄스 구동기들이 레이저 다이오드의 애노드에 연결된다. 차동 펄스 구동기 회로부가 사용되는 일부 실시예들에서, 다수의 구동기들이 레이저 다이오드의 캐소드에도 연결될 수 있다. 각각의 구동기 및 그의 관련 케이블은 임피던스 Z0을 가질 수 있고, 레이저 다이오드(6-425)는 임피던스 ZL을 가질 수 있다. 그들의 병렬 연결로 인해, 구동기들의 출력 임피던스들은 레이저 다이오드에 연결된 구동기들의 개수로 나누어진다. 다이오드 내로 전달되는 전력은 펄스 구동기들의 결합 임피던스(combined impedance)들이 레이저 다이오드(6-425)의 임피던스와 대략 매칭될 때 증가될 수 있거나 그 반대일 수 있다.
도 6di에서의 그래프는 4개의 구동 소스들에 대한 레이저 다이오드(6-425) 내로 커플링된 전력의 효율의 증가를 레이저 다이오드 및 레이저 다이오드 회로의 임피던스의 함수로서 예시하고 있다. 이 예에서, 4개의 펄스 구동기들 각각은 약 50 옴의 라인 임피던스(line impedance)를 가지며 대략 100 mA의 최대 전류로 5 V 진폭의 출력 펄스를 전달하도록 구성된다. 이 플롯(plot)은 레이저 다이오드의 임피던스가 대략 10 옴일 때 레이저 다이오드 내로 커플링되는 전력이 최댓값에 도달한다는 것을 보여준다. 이 값은 4개의 펄스 구동기 출력들(6-470)의 병렬 출력 임피던스와 거의 같다. 그에 따라, 일부 실시예들에 따르면, 레이저 다이오드(6-425) 및 그의 관련 회로부의 임피던스는 레이저 다이오드를 구동하는 데 사용되는 하나 이상의 펄스 구동기들의 결합 임피던스와 대략 매칭하도록 설계될 수 있다.
다른 회로 구동기 구성들이 레이저 다이오드들 또는 발광 다이오드들을 펄싱하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 발광 다이오드 내로의 전류 주입은 P. H. Binh 등의 저서 "A simple sub-nanosecond ultraviolet light pulse generator with high repetition rate and peak power", Rev. Sci. Instr. Vol. 84, 083102 (2013), 또는 T. Araki 등의 저서 "An ultraviolet nanosecond light pulse generator using a light emitting diode for test of photodetectors", Rev. Sci. Instr. Vol. 68, 1365 (1997)에 설명되어 있는 펄서 회로를 사용하여 나노초 이하의 펄스들을 생성하기 위해 펄싱될 수 있다.
펄서 회로의 다른 예가 도 6dj에 도시되어 있다. 일부 실시예들에 따르면, 펄서 회로는, 예를 들어, 시스템 클록으로부터 하나 이상의 클록 신호들을 수신할 수 있는, 펄스 생성기(6-480)를 포함하고, 펄스 생성기로부터의 수신된 전기 펄스들에 응답하여, 전류 펄스들을 레이저 다이오드 또는 발광 다이오드에 주입하는 구동기 회로(6-490)에 전기 펄스들의 트레인을 출력할 수 있다. 그에 따라, 출력 광학 펄스들은 시스템 클록에 동기화될 수 있다. 시스템 클록은 또한 검출 전자장치들(예컨대, 이미징 어레이)을 작동시키는 데 사용될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 펄스 생성기(6-480)는 수동 및 디지털 전자 컴포넌트들의 조합으로 형성될 수 있고, 제1 회로 보드 상에 형성될 수 있다. 일부 경우들에서, 펄스 생성기는 아날로그 회로 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 펄스 생성기의 일부분은 구동기 회로(6-490)와 동일한 보드 상에 형성될 수 있고, 펄스 생성기의 일부분은 구동기 회로로부터 멀리 떨어진 별도의 보드 상에 형성될 수 있다. 구동기 회로(6-490)는 수동, 아날로그, 및 디지털 전자 컴포넌트들로 형성될 수 있고, 펄스 생성기 또는 펄스 생성기의 일부분과 동일하거나 상이한 회로 보드 상에 형성될 수 있다. 광학 소스(레이저 다이오드 또는 발광 다이오드)는 구동기 회로와 함께 회로 기판 상에 포함될 수 있거나, 시스템에 위치되고 고속 케이블(예컨대, SMA 케이블들)에 의해 구동기 회로(6-490)에 연결될 수 있다. 일부 구현들에서, 펄스 생성기(6-480) 및 구동기 회로(6-490)는 이미터-결합 논리 요소(emitter-coupled logic element)들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 펄스 생성기(6-480), 구동기 회로(6-490), 및 광학 반도체 다이오드(6-423)는 동일한 인쇄 회로 보드, 라미네이트(laminate), 또는 집적 회로 상에 집적될 수 있다.
펄스 생성기(6-480)의 일 예가 도 6dk에 도시되어 있다. 일부 구현들에서, 펄스 생성기는 2개의 차동 클록 출력들 - 하나가 다른 것에 대해 지연됨 - 을 생성하는 제1 스테이지를 포함할 수 있다. 제1 스테이지는 클록 입력을 수신하고 팬-아웃(fan-out)(6-481) 및 지연(6-483)을 포함할 수 있다. 팬-아웃은, 클록 신호의 2개의 사본들 및 클록 신호의 2개의 반전 사본들을 생성하도록 배열된, 논리 구동기(logic driver)들 및 논리 인버터(logic inverter)들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 클록이 대칭 듀티 사이클을 가질 수 있지만, 다른 실시예들에서, 비대칭 듀티 사이클들이 사용될 수 있다. 하나의 사본과 하나의 반전 사본은 차동 클록 출력
Figure pct00005
을 형성할 수 있고, 지연 요소(6-483)에 의해 제2 사본과 제2 반전 사본
Figure pct00006
에 대해 지연될 수 있다. 지연 요소는 임의의 적당한 가변 또는 고정 지연 요소를 포함할 수 있다. 지연 요소들의 예들은 RF 지연 라인들 및 논리 게이트 지연들을 포함한다. 일부 구현들에서, 제1 클록 신호 쌍
Figure pct00007
은 제2 클록 신호 쌍
Figure pct00008
에 대해 클록 사이클의 적어도 수분의 1(at least a fraction)만큼 지연된다. 지연은, 부분 사이클(fractional cycle)에 부가하여, 하나 이상의 전체 사이클(full cycle)들을 포함할 수 있다. 각각의 클록 신호 쌍 내에서, 클록들의 상승 및 하강 에지들이 본질적으로 동시에 발생하도록 반전 신호가 그의 대응물에 동기화될 수 있다.
본 발명자들은, 펄스 생성기(6-480)로부터의 전류 구동 펄스의 길이를 조절하고 극초단 전류 구동 펄스의 진폭을 조절하기보다는 고정 진폭을 유지하는 것에 의해, 레이저 다이오드 또는 LED의 극초단 펄스가 보다 신뢰성있게 제어될 수 있다는 것을 발견하였다. 전류 구동 펄스의 길이를 조절하는 것은 펄스당 레이저 다이오드로 전달되는 에너지의 양을 조절한다. 일부 실시예들에서, 고속 회로들은, 일부 구현들에 따르면, 펄스 길이의 고분해능 제어를 달성하는 데 사용될 수 있는, 신호 위상의 고분해능 제어를 (예컨대, 아날로그 또는 디지털 지연 요소(6-483)를 사용해 지연 또는 위상을 조절하는 것에 의해) 가능하게 한다.
일부 경우들에서, 펄스 생성기(6-480)의 제1 스테이지는, 팬 아웃(6-481) 및 지연(6-483) 대신에, 듀얼 출력 클록(dual-output clock)을 포함할 수 있다. 듀얼 출력 클록은 2개의 차동 클록 신호들을 생성하고, 2개의 차동 클록 신호들 간에 조절가능 위상 지연을 제공할 수 있다. 일부 구현들에서, 조절가능 위상 지연은 3 ps 정도로 작은 대응하는 시간 분해능을 가질 수 있다.
지연된 클록 신호들(CK1, CK2) 및 그들의 역(inverse)들이 어떻게 생성되는지에 관계없이, 신호들은 고속 전송 라인들을 통해 고속 논리 게이트(6-485)에게 전송될 수 있다. 보드들 간의 케이블들을 통한 신호 전송의 경우, 케이블링(cabling)으로 인해 클록 펄스들이 열화될 수 있다. 예를 들어, 전송 라인들의 제한된 대역폭은 클록 펄스들을 상이하게 왜곡시키고, 동일하지 않은 타이밍(unequal timing)을 가져올 수 있다. 일부 구현들에서, 전송 왜곡들이 4개의 클록 신호들에 동일하게 영향을 미치도록, 모든 클록 신호들에 대해 동일한 유형의 케이블 또는 전송 라인이 사용될 수 있다. 예를 들어, 4개의 클록 신호들에 대해 신호 왜곡들 및 타이밍 오프셋들이 본질적으로 동일할 때, 수신측 논리 게이트(6-485)에 의해 생성된 결과 구동 펄스는 클록 신호들의 전송으로부터의 신호 왜곡들이 없는 경우와 본질적으로 동일할 것이다. 그에 따라, 구동 펄스 지속시간에 영향을 미치지 않고 수 피트의 거리에 걸친 클록 신호들의 전송이 허용될 수 있다. 이것은 시스템 클록에 동기화되고 미세하게 조절가능한 펄스 지속시간(예컨대, 약 3 ps의 증분들로 조절가능함)을 갖는 극초단 구동 펄스들을 생성하는 데 유용할 수 있다. 클록 신호들이 로컬적으로(예컨대, 구동기 회로(6-490)와 동일한 보드 상에서) 생성되는 경우, 클록 신호들의 전송과 연관된 신호 왜곡들이 크지 않을 수 있으며 전송 라인들이 어느 정도 상이해도 괜찮을 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 클록 신호들이 커패시터들(C1)과 AC 커플링되어, 고속 논리 게이트(6-485)의 데이터 입력들에 제공될 수 있다. 커패시터들(C1)은 약 10 nF 내지 약 1 μF의 커패시턴스를 가질 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 논리 게이트는 이미터-결합 논리(ECL), 2-입력 차동 AND/NAND 게이트를 포함할 수 있다. 논리 게이트(6-485)의 일 예는 미국 로드 아일랜드주 이스트 그리니치 소재의 ON Semiconductor로부터 입수가능한 모델 MC100EP05를 포함한다. 논리 게이트에의 데이터 입력들에서의 AC 커플링 신호(AC-coupled signal)들은 도 6dl에 도시된 신호들과 유사하게 보일 수 있으며, 여기서 수평 점선은 제로 전압 레벨을 나타낸다. 도 6dl에 도시된 것들은 전송 라인들에 의해 유입되는 왜곡들을 포함하지 않는다. 왜곡들은 신호 프로파일들의 형상을 둥글게 만들어 변화시킬 수 있지만, 각각의 클록 신호에 대해 동일한 유형 및 길이의 케이블이 사용될 때 클록 신호들의 상대 위상들에 영향을 미치지 않을 수 있다. 지연 요소(6-483)는 수직 점선들에 의해 표시된 지연 Δt - 이는 3 ps 정도로 작은 증분들로 조절가능할 수 있음 - 를 제공할 수 있다. 일부 구현들에서, 지연 요소(6-483)는 1 ps 내지 10 ps의 값을 갖는 증분들로 조절가능 지연을 제공할 수 있다. 논리 게이트(6-485)는 수신된 클록 신호들을 처리하고 지연 요소(6-483)에 의해 유입된 지연에 대응하는 출력 신호를 출력 포트(Q)에 생성할 수 있다. 작은 지연에 의해, 출력은 짧은 또는 극초단 펄스들의 시퀀스를 포함한다. 고속 논리 게이트(6-485)의 경우, 펄스 지속시간들이, 일부 실시예들에서는 약 50 ps 내지 약 2 ns(FWHM), 일부 실시예들에서는 약 50 ps 내지 약 0.5 ns, 일부 실시예들에서는 약 50 ps 내지 약 200 ps, 그리고 또한 일부 실시예들에서는 약 50 ps 내지 약 100 ps일 수 있다. 포트(Q)로부터의 구동 펄스들은 ECL 논리 게이트(6-485)의 고속 슬루 레이트(slew rate)들로 인해 실질적으로 사각형인 프로파일을 가질 수 있다. 바이어싱 회로(6-487)은 출력 포트(Q) 및 포지티브 이미터-결합 논리에 대해 인가되는 전압 V1에 연결될 수 있다. 펄스 생성기(6-480)의 출력 단자(Pout)로부터 제공되는 출력 펄스들은, 일부 실시예들에 따르면, DC 오프셋을 포함할 수 있다.
일부 구현들에서, 2개 이상의 고속 논리 게이트들(6-485)이 커패시터들(C1)과 바이어스 회로(6-487) 사이에 병렬로 연결될 수 있다. 논리 게이트들은 동일할 수 있고, 펄스 생성기의 출력에서 보다 큰 전류 구동 능력을 제공하기 위해 병렬로 작동할 수 있다. 본 발명자들은 논리 게이트(6-485) 또는 게이트들이 고속 스위칭(즉, 극초단 구동 펄스들을 생성하기 위한 빠른 상승 및 하강 시간들)을 제공할 필요가 있고, 구동 회로(6-490) 내의 고전류 트랜지스터(high current transistor) M1을 구동하기에 충분한 출력 전류를 제공할 필요가 있다는 것을 인식하고 알았다. 일부 구현들에서, 논리 게이트들(6-485)을 병렬로 연결시키는 것은 펄서 회로의 개선된 성능을 제공하고, 100 ps 이하의(sub-100-ps) 광학 펄스들의 생성을 가능하게 한다.
도 6dm은, 레이저 다이오드 또는 LED(6-423)에 연결될 수 있는, 구동기 회로(6-490)의 일 실시예를 도시하고 있다. 구동기 회로는 고속 트랜지스터 M1의 게이트에 연결된, 저항기(R3)와 직렬로 커패시터(C2)를 갖는, AC 커플링 입력(AC-coupled input)을 포함할 수 있다. C2의 커패시턴스는, 일부 실시예들에 따르면, 대략 0.1 μF 내지 대략 10 μF일 수 있고, R3은 대략 10 옴 내지 대략 100 옴의 값을 가질 수 있다. 트랜지스터(M1)는, 일부 실시예들에 따르면, 고전류들(예컨대, 적어도 1 암페어, 그리고 일부 경우들에서, 최대 4 암페어 이상)을 스위칭할 수 있는 HEMT FET(high-electron-mobility field-effect transistor)를 포함할 수 있다. 트랜지스터(M1)는 멀티 기가헤르츠 속도들로 이러한 대전류(large current)들을 스위칭할 수 있는 고속 트랜지스터일 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 트랜지스터(M1)는 30 Hz 내지 대략 200 MHz의 반복 레이트로 약 50 ps 내지 약 2 ns의 전기 펄스 지속시간 동안 1 암페어 초과를 스위칭할 수 있다. 트랜지스터(M1)의 일 예는 미국 캘리포니아주 산호세 소재의 Avago Technologies로부터 입수가능한 모델 ATF-50189-BLK를 포함한다. 바이어싱 및 필터링 회로 요소들(예컨대, 저항기들 R4, R7, 및 C3)은 커패시터(C2)와 트랜지스터(M1)의 게이트 사이에 연결될 수 있다. 트랜지스터(M1)의 드레인은 레이저 다이오드 또는 발광 다이오드(6-423)의 캐소드에 직접 연결될 수 있고, 트랜지스터(M1)의 소스는 기준 전위(예컨대, 접지)에 연결될 수 있다. 다이오드(6-423)의 애노드는 다이오드 전압 소스(VLD)에 연결될 수 있다. 저항기(R6) 및 커패시터(C4)는 다이오드(6-423) 양단에 병렬로 연결될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 저항기(R6)는 대략 50 옴 내지 대략 200 옴의 값을 가질 수 있고, C4는 대략 5 pF 내지 대략 50 pF의 커패시턴스를 가질 수 있다. (대략 1 μF 내지 대략 5 μF의 값을 갖는) 커패시터(C5)가 또한 다이오드 전압 소스(VLD)와 기준 전위(예컨대, 접지) 사이에 다이오드(6-423) 및 트랜지스터(M1)와 병렬로 연결될 수 있다.
일부 실시예들에서, 보호 다이오드(도시되지 않음)가 레이저 다이오드(6-423)의 캐소드 및 애노드에 걸쳐 역방향으로 연결될 수 있다. 보호 다이오드는 레이저 다이오드 접합부를 항복(break down)시킬 수 있는 과도한 역방향 바이어스 전위로부터 레이저 다이오드를 보호할 수 있다.
작동 중에, 펄스 생성기(6-480)로부터의 펄스는 트랜지스터(M1)를 순간적으로 턴 온시켜, 레이저 다이오드 또는 발광 다이오드(6-423)의 활성 영역 내로 전류가 주입될 수 있게 한다. 일부 구현들에서, 많은 양의 순방향 전류(예컨대, 최대 4 암페어)가 트랜지스터(M1)를 통해 잠시 흐른다. 순방향 전류는 캐리어들을 레이저 다이오드 접합부 내로 주입시키고 짧은 또는 극초단 광학 방사 펄스를 생성한다. 트랜지스터(M1)가 턴 오프될 때, 기생 인덕턴스들은 발광 다이오드 또는 레이저 다이오드를 가로지르는 전류의 흐름을 계속하게 하여, 레이저 다이오드와 병렬로 연결된 RC 회로망에 의해 전하가 소산될 수 있을 때까지, 전하를 다이오드의 캐소드측에 축적한다. 캐소드에서의 이 일시적 전하 축적은 역방향 바이어스 펄스를 레이저 다이오드에 제공하고, 활성 영역으로부터의 캐리어들의 제거를 가속시킨다. 이것은 광학 펄스의 종료를 가속시킨다.
본 발명자들은 도 6dm의 실시예에 대해 설명된 광학 펄싱 기법이, 레이저 다이오드를 턴 온시키는 데 요구될 수 있는 보다 높고 보다 짧은 전류 펄스를 제공할 수 있기 때문에, 구형파 펄스들을 차동화하는 것에 기초한 펄싱 기법들보다 우수하다는 것을 발견하였다.
본 발명자들은 다양한 펄스 구동 회로들을 조립(assemble)하였고 레이저 다이오드들을 구동하는 데 그들을 사용하였다. 도 6ea는 조립된 펄서 회로(6-500)의 다른 실시예를 도시하고 있다. 이 실시예는 도 6da에 도시된 바와 같은 펄서(6-400)를 구현한다. 조립된 회로에서, 전송 라인(6-410)은, 도면에 도시된 바와 같이, 인쇄 회로 보드 상에 U자 형상의 구성으로 패터닝된 평행 플레이트 스트립 라인(parallel-plate strip line)으로서 형성된다. U자 형상의 전송 라인의 2개의 단부들을 단락시키기 위해 GaN pHEMT 트랜지스터가 션팅 스위치(shunting switch)(M1)로서 사용되었다. 펄서 회로(6-500)는 최대 100 MHz의 반복 레이트들로 작동될 수 있고 50 옴 부하를 구동하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 펄서 회로는 대략 10 MHz 내지 대략 1 GHz의 반복 레이트들로 작동될 수 있다.
펄서(6-500)로부터의 측정된 파형이 도 6eb에 도시되어 있다. 파형은 대략 19.5 V의 진폭을 갖는 포지티브 펄스 및 그에 뒤따른 네거티브 펄스 - 네거티브 펄스는 포지티브 펄스 이후에 대략 -5 V의 진폭에 도달함 - 를 나타내고 있다. 포지티브 펄스의 지속시간은 대략 1.5 나노초이다. 도 6da를 또다시 참조하면, 펄서(6-500)는 대략 50 옴의 종단 저항기(Zterm) 및 대략 200 옴의 풀업(pull-up) 또는 충전 저항기(Rch)를 갖도록 구성되었다. Zterm의 값은 종단 저항(terminating resistance)으로부터 다시 전송 라인으로의 전력 반사들을 감소시키도록 선택되었다. 전송 라인(6-410)에 인가된 바이어스는 100 V였고, 스위치(M1)는 100 MHz의 반복 레이트로 구동되었다. 0 V 바이어스로부터의 상대 오프셋(relative offset)을 조정하기 위해, 대략 -1.3 V의 DC 바이어스가 바이어스 티(bias tee)를 통해 다이오드에 결합되었다. 스위치(M1)에 대한 구동 펄스는 대략 0 V와 대략 2 V 사이에서 진동하는 구형파 신호였다.
100 ps 이하의 광학 펄스들을 생성하기 위해 상용 레이저 다이오드(Ushio 모델 HL63133DG)를 구동하는 데 상용 테스트 베드 구동기(commercial test-bed driver)가 사용되었다. 광학 펄스 측정들은 도 6ec 및 도 6ed에 도시되어 있다. 도 6ec에 도시된 바와 같이, 감소된 테일 방출을 갖는 펄스들이 100 MHz의 반복 레이트로 생성되었다. 레이저 다이오드로부터의 평균 파워는 약 8.3 밀리와트인 것으로 측정되었다. 도 6ed에 도시된, 펄스 지속시간은 대략 84 피코초인 것으로 측정되었다. 레이저 다이오드로부터의 광학 방출의 강도는 펄스의 피크로부터 대략 250 ps 이후에 대략 24.3 dB만큼 감소된 것으로 밝혀졌다. 레이저 다이오드가 다이오드에의 단일 본드 와이어를 가지고 있었지만, 100 ps 이하의 펄스들이 생성되었다. 보다 짧은 펄스들(예컨대, 약 25 ps 내지 약 75 ps)은 다수의 본드 와이어들을 사용해 또는 펄서 회로에 대한 추가적인 개선들을 사용해 생성될 수 있다.
도 6fa는, 앞서 설명된 이득 스위칭 장치들 및 기법들 중 임의의 것에 따른, 이득 스위칭에 의해 광학 펄스들을 생성하는 데 사용될 수 있는 반도체 레이저(6-600)의 일 예를 도시하고 있다. 레이저 및 펄스 구동 회로부는 대량 생산되고 저비용으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 레이저는 평면 집적 회로 기술(planar integrated circuit technology)을 사용하여 에지 방출 디바이스(edge-emitting device)로서 미세제조(microfabricate)될 수 있다. 이러한 레이저는 슬래브 결합 광학 도파관 레이저(SCOWL)라고 지칭될 수 있다. 도면은 레이저의 엔드-온 입면도(end-on, elevation view)를 도시하고 있다. 레이저는 (예컨대, 광학 스펙트럼의 녹색, 적색 또는 적외선 영역들에서 방사를 방출하기 위해) GaAs/AlGaAs 재료 시스템(material system)으로 형성될 수 있지만, (예컨대, 스펙트럼의 녹색, 청색 또는 자외선 영역들에서 방사를 방출하기 위해) 다른 재료 시스템들(GaN/AlGaN 등)이 일부 구현들에서 사용될 수 있다. 레이저 다이오드들은 InP, AlInGaP, InGaP, 및 InGaN - 이들로 제한되지 않음 - 을 포함하는 다른 반도체 재료 시스템들로 제조될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, SCOWL은 n-형 기판 또는 버퍼 층(6-627)(예컨대, Al을 포함할 수 있는 GaAs 기판 또는 GaAs 층) 상에 형성될 수 있다. 예를 들어, 버퍼 층은 AlxGa1-xAs를 포함할 수 있고, 여기서 x는 대략 0.25 내지 대략 0.30이다. 기판 또는 베이스 층의 굴절률은, 일부 실시예들에 따르면, 약 3.4 내지 3.5인 제1 값 n1을 가질 수 있다. 저농도 도핑된(low-doped) n-형 반도체 재료의 전자 수송 층(6-617)이 기판(6-627) 상에 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 전자 수송 층(6-617)은 AlxGa1-xAs를 포함하도록 - x는 대략 0.20 내지 대략 0.25임 - 그리고 대략 5x1016 cm-3의 n-형 도펀트 농도를 갖도록 에피택셜 성장에 의해 형성될 수 있다. 전자 수송 층의 두께 h는 약 1 마이크로미터 내지 약 2 마이크로미터일 수 있다. 수송 층(6-617)은 n1보다 더 큰 제2 굴절률 값 n2를 가질 수 있다. 다중 양자 웰 영역(6-620)이 이어서 전자 수송 층(6-617) 상에 형성될 수 있다. 다중 양자 웰 영역은 MQW 영역에서의 에너지 밴드 갭들을 변조하는 상이한 도핑 농도들을 갖는 재료들의 교번 층들(예컨대, AlGaAs/GaAs의 교번 층들)을 포함할 수 있다. (대략 20 ㎚ 내지 대략 200 ㎚의 두께들을 가질 수 있는) 양자 웰 영역(6-620) 내의 층들은 에피택시, 원자 층 퇴적, 또는 적당한 기상 퇴적 공정에 의해 퇴적될 수 있다. 다중 양자 웰 영역은 n2보다 더 큰 제3 유효 굴절률 값 n3을 가질 수 있다. p-형 도핑된 재료의 정공 수송 층(6-615)이 양자 웰 영역에 인접하여 형성되고, n2보다 더 작은 굴절률 값 n4를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, SCOWL의 상이한 영역들에 대한 굴절률 값들은, 일부 실시예들에 따르면, 도 6fb에 예시된 바와 같을 수 있다. 일부 실시예들에서, SCOWL은 GaN 반도체 및 그의 합금들 또는 InP 반도체 및 그의 합금들을 포함할 수 있다.
레이저 디바이스의 층들이 퇴적된 후에, 약 0.25 마이크로미터 내지 약 1.5 마이크로미터인 폭 w를 갖는 레이저의 활성 영역을 형성하기 위해 트렌치들(6-607)이 그 층들 내로 에칭될 수 있다. n-콘택트(n-contact)(6-630)는 디바이스의 제1 표면 상에 형성될 수 있고, p-콘택트(6-610)는, 활성 영역에 인접하여, p-형 수송 층(6-615) 상에 형성될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 반도체 층들의 노출된 표면들은 산화물 또는 다른 전기 절연 층으로 패시베이트(passivate)될 수 있다.
활성 영역에 인접한 트렌치들(6-607)과, 굴절률 값들 n1, n2, n3, 및 n4는, 도면에 도시된 바와 같이, 레이저의 광학 모드를, 양자 웰들에 인접하고 디바이스의 중앙 리브(central rib) 아래에 있는, 레이징 영역(6-625)으로 한정시킨다. SCOWL은 그렇지 않았으면 레이징 영역(6-625)에 형성되어 레이징할지도 모르는 고차 횡 모드(higher-order transverse mode)들을 인접 영역들에서의 손실있는 고차 슬래브 모드(lossy higher-order slab mode)들에 커플링시키도록 설계될 수 있다. 제대로 설계될 때, 레이징 영역(6-625)으로부터의 모든 고차 횡 모드들은 레이징 영역에서의 기본 모드(fundamental mode)에 비해 높은 상대 손실을 가지며 레이징하지 않을 것이다. 일부 구현들에서, SCOWL(6-600)의 횡 광학 모드(transverse optical mode)는 단일 횡 모드(single transverse mode)일 수 있다. 광학 모드의 폭은 대략 0.5 마이크로미터 내지 대략 6 마이크로미터일 수 있다. x 방향으로 취해진 모드 프로파일(6-622)은, 일부 실시예들에 따르면, 도 6fb에 도시된 바와 같이 정형될 수 있다. 다른 구현들에서, SCOWL은 분석 기기(1-100)에 제공되는 다중 광학 횡 모드(multiple optical transverse mode)들을 생성할 수 있다. (지면 내로 들어가는 차원을 따른) 활성 영역의 길이는, 일부 실시예들에서, 20 마이크로미터 내지 10 mm일 수 있다. 활성 영역의 보다 긴 길이를 선택하는 것에 의해 SCOWL의 출력 파워가 증가될 수 있다. 일부 실시예들에서, SCOWL은 300 mW 초과의 평균 출력 파워를 전달할 수 있다.
많은 적용분야들에 적당한 저가의 초고속 펄스 레이저를 제조하기 위해 반도체 레이저(예컨대, SCOWL) 및 펄서 회로부가 결합될 수 있지만, 도 6ed에 도시된 턴-오프 레이트(turn-off rate)는 일부 형광 수명 분석들에 적당하지 않을 수 있다. 일부 경우들에서, 보다 빠른 턴-오프가 필요할 수 있다. 예를 들어, 본 발명자들은 형광 수명에 기초한 일부 측정들이 펄스의 테일이 펄스 피크 이후 250 ps 내에 펄스 피크보다 대략 25 dB 내지 약 40 dB 아래의 레벨로 소광될 것을 요구할 수 있다는 것을 발견하였다. 일부 경우들에서, 펄스 파워는 펄스 피크 이후 100 ps 내에 이 범위의 값들로 떨어질 필요가 있을 수 있다. 일부 구현들에서, 펄스 테일은 펄스 피크 이후 250 ps 내에 펄스 피크보다 대략 40 dB 내지 대략 80 dB 아래의 레벨로 떨어질 필요가 있을 수 있다. 일부 구현들에서, 펄스 테일은 펄스 피크 이후 250 ps 내에 펄스 피크보다 대략 80 dB 내지 대략 120 dB 아래의 레벨로 떨어질 필요가 있을 수 있다.
펄스의 방출 테일을 추가로 억제하기 위한 하나의 접근법은 펄스 레이저 또는 고휘도 LED 시스템에 포화성 흡수체를 포함시키는 것이다. 일부 실시예들에 따르면, 반도체 포화성 흡수체(6-665)는, 도 6fc에 도시된 바와 같이, 반도체 레이저(6-600) 또는 고휘도 LED와 동일한 기판 상에 통합될 수 있다. 반도체 레이저는, 일부 실시예들에 따르면, 양자 웰 영역(6-620)을 포함하는 SCOWL 구조체를 포함할 수 있다. SCOWL은, 펄서 회로(6-400) 또는 앞서 설명된 다른 펄싱 회로와 같은, 펄스 소스(pulsed source)(6-670)를 사용해 구동될 수 있다.
SCOWL의 한쪽 단부에 인접하여, 포화성 흡수체(6-665)가 형성될 수 있다. 포화성 흡수체(6-665)는 반도체 레이저로부터의 광자들을 흡수하도록 테일러링된 밴드 갭을 갖는 영역을 포함할 수 있다. 예를 들어, 포화성 흡수체는 레이저의 광 방출의 특성 에너지와 거의 동일한 적어도 하나의 에너지 밴드 갭을 갖는 단일 양자 웰 또는 다중 양자 웰들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 레이저 다이오드 캐비티 내의 영역을 전기적으로 격리시키기 위해, 레이저 다이오드의 영역을 이온 주입하는 것에 의해 포화성 흡수체가 형성될 수 있다. 동일한 레이저 다이오드 구조체에 대해 이득보다는 흡수를 촉진(encourage)하기 위해 네거티브 바이어스(negative bias)가 그 영역에 인가될 수 있다. 레이저(6-600)로부터의 높은 플루엔스(fluence)에서, 포화성 흡수체의 가전자 밴드(valence band)는 캐리어들이 고갈될 수 있고 전도 밴드는 채워질 수 있어, 포화성 흡수체에 의한 추가 흡수를 방해할 수 있다. 그 결과, 포화성 흡수체가 표백되고, 레이저로부터 흡수된 방사의 양이 감소된다. 이러한 방식으로, 레이저 펄스의 피크는 펄스의 테일 또는 윙(wing)들보다 더 작은 강도 감쇠를 갖는 포화성 흡수체를 "펀치 스루(punch through)"할 수 있다. 펄스의 테일이 그러면 펄스의 피크에 대해 더욱 억제될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 고반사체(도시되지 않음)가 디바이스의 한쪽 단부에 형성 또는 위치될 수 있다. 예를 들어, 레이저 방사를 포화성 흡수체를 통해 방향전환시키고 출력 파워를 증가시키기 위해, 고반사체가 포화성 흡수체로부터 가장 멀리 있는, 레이저의 한쪽 단부에 위치될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 디바이스로부터의 추출을 증가시키기 위해, 반사방지 코팅이 포화성 흡수체 및/또는 SCOWL의 단부에 도포될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 포화성 흡수체는 바이어싱 전원(biasing supply)(6-660)을 포함할 수 있다. 각각의 펄스 이후에 캐리어들을 활성 영역 밖으로 스위핑(sweep)하고 포화성 흡수체의 응답을 개선시키기 위해 바이어싱 전원이 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 포화성 회복 시간(saturable recovery time)을 시간 의존적으로 만들기 위해 바이어스가 (예컨대, 펄스 반복 레이트로) 변조될 수 있다. 이 변조는 펄스 특성들을 추가로 개선시킬 수 있다. 예를 들어, 포화성 흡수체의 회복 시간이 충분하면, 포화성 흡수체는 낮은 강도에서의 차등적으로 더 높은 흡수(differentially higher absorption)에 의해 펄스 테일을 억제할 수 있다. 이러한 차등 흡수(differential absorption)가 또한 펄스 길이를 감소시킬 수 있다. 포화성 흡수체의 회복 시간은 포화성 흡수체에 역방향 바이어스를 인가하거나 증가시키는 것에 의해 조절될 수 있다.
II. E. 레이저 출력의 직접 변조
본 발명자들은 레이저의 출력의 직접 변조(direct modulation)에 의해 연속파 레이저로부터 초고속 펄스들을 만드는 것이 또한 가능하다는 것을 인식하고 알았다. 레이저의 출력의 직접 변조는, 일부 실시예들에서, 도 7aa에 도시된 바와 같이, 캐스케이딩된(cascaded) 광학 스위치들의 스위칭 어레이(7-100)를 사용하여 행해질 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 광학 스위치들(7-105)은 광학 파이버들 또는 광학 도파관들(7-102)에 의해 연결될 수 있고, 제어 신호들은 광학 스위치들의 제어 입력들(7-103)에 인가될 수 있다. 일부 구현들에서, 스위칭 어레이(7-100)는, 예컨대, 도파관들 및, 리튬 니오베이트 스위치들과 같은, 전기 광학 스위치(electro-optic switch)들의 집적 어레이(integrated array)로서, 단일 기판 상에 집적될 수 있다.
스위칭 어레이 내의 광학 스위치들(7-105)은 입력 포트(7-101)에서 광학 신호를 수신하고 제1 스위치(S1)에서 제1 출력 포트(P1)와 제2 출력 포트(P2) 사이에서 광학 신호를 스위칭하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학 신호의 스위칭은 광학 스위치(S1)의 제어 입력(7-103)에 구동 신호를 인가하는 것에 의해 구현될 수 있다. 예를 들어, 구동 신호는 스위치의 전기 광학 요소(electro-optical element)에 전계를 인가할 수 있다. 일부 실시예들에서, 단지 하나의 입력 포트(7-101)가 도면에 도시되어 있지만, 광학 스위치(7-105)가 2개의 입력 포트들을 포함할 수 있다.
일부 구현들에서, 광학 스위치(7-105)는, 입력 포트(7-103)에 인가된 제어 입력 신호에 응답하여, 전기 광학적으로(electro-optically) 제어될 수 있는 마하-젠더 간섭계 스위치(Mach-Zehnder interferometric switch)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 마하-젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometer)의 하나의 광학 경로는 제어 신호에 응답하여 전계가 인가되는 한 길이의 리튬 니오베이트를 포함할 수 있다. 인가된 전계는 리튬 니오베이트의 굴절률을 변화시키고 그로써 간섭계의 그 암(arm)에서의 광학 경로 길이를 변화시킬 수 있다. 그에 따라, 인가된 전계의 인가는 제1 포트(P1)와 제2 포트(P2) 사이에서 출력 신호를 변화시키고 그로써 입력 광학 에너지를 2개의 출력 포트들 사이에서 왔다갔다하게 빠르게 스위칭하는 데 사용될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 제어 입력(7-103)에 인가되는 제어 신호는, 예를 들어, 구형파일 수 있지만, 일부 실시예들에서, 사인파 제어 신호들이 사용될 수 있다. 광학 스위치에 구형파를 인가하는 것은 (예컨대, 광이 포트 내로 그리고 포트로부터 멀어지는 쪽으로 보내질 때) 그의 출력 포트들 중 하나로부터 흘러 나오는 출력 파워를 사실상 변조할 수 있다. 대안적으로 말하면 그리고 도 7ab를 참조하면, 출력 포트를 통해 보이는 바와 같은, 스위치의 삽입 손실은, 인가된 제어 신호에 응답하여, 낮은 값(low value)(예컨대, 온 상태(7-131))과 높은 값(high value)(예컨대, 오프 상태(7-132)) 사이에서 변조한다. 어레이(7-100)의 상부 브랜치를 따라 있는 광학 스위치들(S1, S2, S4, S8, S9)에 대한, 출력 포트로부터 보이는 바와 같은 이러한 손실 변조들이 도 7ab에 도시되어 있다. 이 예에서, 스위치들(S4, S8, 및 S9)이 함께 제어되고 스위치들(S1 및 S2)의 변조들과 시차를 두고(staggered in time) 있는 것으로 도시되어 있다.
일부 실시예들에서, 온 상태(7-131)에 있는 광학 스위치는 약 0 dB 내지 약 3 dB의 삽입 손실을 나타낼 수 있다. 일부 구현들에서, 오프 상태(7-132)에 있는 광학 스위치는 삽입 손실을 약 20dB 이상만큼 증가시킬 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 오프 상태(7-132)에 있는 광학 스위치는 약 15 dB 내지 약 25 dB의 손실을 나타낼 수 있다.
스위치들에 대한 삽입 손실들의 변조들은, 도 7ac에 도시된 바와 같이, 스위칭 어레이(7-100)의 포트들로부터의 출력 강도들의 대응하는 변조들을 가져온다. 예를 들어, 제1 스위치(S1)에 구형파를 인가하는 것은, 도 7ac의 상부 트레이스에 도시된 바와 같이, 그의 제1 포트(P1)로부터의 강도 출력을 낮은 값과 높은 값 사이에서 변조시킬 수 있다. 작동 중에, 제1 스위치(S1)의 입력 포트(7-101)에 수광된 강도는 스위칭 동작으로 인해 2개의 출력 포트들(P1 및 P2) 사이에서 출력 펄스들(7-135)로서 교번한다. 일부 구현들에 따르면, 캐스케이딩된 경로를 따라 있는 연속적인 스위치들에 대한 제어 신호들의 타이밍은 선행하는 스위치에 대한 타이밍과 상이할 수 있다. 예를 들어, 도 7ab에 나타낸 바와 같이, 제2 스위치(S2)에 대한 제어 신호의 타이밍은 제1 스위치(S1)에 대한 제어 신호에 대해 시간상 지연될 수 있다. 제2 스위치(S2)는 제1 스위치와 동일한 방식으로 작동할 수 있지만, 그의 스위칭 동작은 제1 스위치(S1)에 대해 시간상 오프셋될 수 있다. 그 결과, 제2 스위치(S2)는 (스위치(S1)의 출력 포트(P1)로부터) 그의 입력에 수광된 파워를 그의 출력 포트들(P3 및 P4) 사이에서 교번시킬 것이다.
제2 스위치(S2)에 대한 (포트(P3)를 통해 보이는 바와 같은) 손실 변조의 타이밍은 도 7ab의 중간 트레이스에 도시되어 있고, 제1 스위치(S1)의 변조들로부터 오프셋된 타이밍을 도시하고 있다. 제2 스위치의 출력 포트(P3)로부터 수광되는 광의 대응하는 강도는 도 7ac의 중간 트레이스에 도시되어 있다. 유사한 방식으로, 광학 경로에서의 제3 스위치(S4)에 인가되는 제어 신호의 타이밍은 도 7ab에서 하부 트레이스에 도시된 바와 같이 시간상 오프셋된다. 그에 따라, 스위칭 어레이(7-100)의 출력 포트(P8)로부터 수광된 광학 펄스는 도 7ac에서 하부 트레이스에 도시된 바와 같이 추가로 단축된다. 도면들에 나타낸 바와 같이, 오프셋된 제어 신호들 및 변조들을 갖는 2개의 스위치들의 캐스케이딩(cascading)은, 짝수 듀티 사이클(even duty cycle)들에서 작동하는 스위치들에 대한 광학 경로 내의 각각의 연속적인 스위치에 대해, 수광된 입력 펄스의 펄스 길이를 대략 1/2만큼 감소시킨다.
도 7ab 및 도 7ac의 다이어그램들에서, 배경 잡음 레벨(7-140)을 보여주기 위해 스위치들의 온-오프 비(on-to-off ratio) 또는 소광 비(extinction ratio)가 인위적으로 감소되었다. 실제로, 광학 스위치들의 소광 비는 도면들에 도시된 것보다 상당히 더 높을 수 있다. 예를 들어, 각각의 광학 스위치는 20 dB 이상의 소광 비를 나타낼 수 있다.
일부 실시예들에서, 스위치(7-105)의 소광 비는 펄스의 원하는 턴-오프 비(turn-off ratio)를 제공하기에 충분히 높지 않을 수 있다. 예를 들어, 펄스의 테일(7-150)에서의 강도는 일부 적용분야들에 대해 너무 높을 수 있다. 본 발명자들은 출력 포트에 감쇠 스위치들(7-120)을 추가하는 것이 출력 포트에서의 테일(7-150)의 강도를 추가로 감소시킬 수 있다는 것을 인식하고 알았다. 감쇠 광학 스위치(7-120)는 업스트림 광학 스위치(upstream optical switch)(7-105)와 함께 일제히(in unison) 스위칭되는 동일한 유형의 광학 스위치(예컨대, 마하-젠더 광학 스위치(Mach-Zender optical switch))를 포함할 수 있다. 감쇠 광학 스위치는, 예를 들어, 빔 블록(beam block)(7-110) 내로 덤핑(dump)되는 출력 포트를 가질 수 있다. 출력 포트에 감쇠 광학 스위치들(7-120)를 추가하는 것에 의해, 업스트림 광학 스위치(예컨대, 스위치(S4))의 소광 비가, 일제히 스위칭되는 광학 스위치들(S4, S8, S9)의 소광 비들의 곱으로서, 증가될 수 있다.
도 7ab 및 도 7ac와 관련하여 설명된 예는 스위치 어레이(7-100) 내의 모든 광학 스위치들에 대해 동일한 주파수로 동작하지만 서로에 대해 시차를 두고 있는 제어 신호 입력들을 이용한다. 일부 실시예들에서, 스위칭 제어 신호의 타이밍은 마스터 발진기(master oscillator), 예컨대, 스위칭 주파수의 배수인 주파수로 작동(run)되는 클록으로부터 트리거 및/또는 동기화될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상이한 주파수들이 각각의 광학 경로를 따라 있는 상이한 광학 스위치들에 인가될 수 있다. 예를 들어, 어레이(7-100)의 광학 경로를 따라 있는 연속적인 스위치들에 대해 제어 신호의 주파수 배가가 구현될 수 있다.
도 7ad의 상부 트레이스에 도시된 바와 같이, 상이한 주파수들에서의 스위칭의 일 예로서, 제1 광학 스위치(S1)는 제1 스위칭 주파수(f1)에서 구동될 수 있다. 광학 경로에 있는 제2 광학 스위치(S2)는 제1 주파수의 배인 주파수(f2)에서 구동될 수 있다. 광학 경로에 있는 제3 스위치(S4)는 제2 광학 스위치(S2)의 주파수의 배인 주파수(f3)에서 구동될 수 있다. 일부 구현들에서, 광학 경로를 따라 있는 모든 광학 스위치들의 구동 신호들은 제1 스위치의 구동 신호에 동기화할 수 있다. 이러한 실시예에 대한 연속적인 출력 포트들(P1, P3, P8)로부터의 대응하는 출력 펄스들은 도 7ae에 도시되어 있다. 다시 말하지만, 각각의 연속적인 스위치에 대해 출력 펄스들이 2배만큼 감소되지만, 이 실시예는 연속적인 스위치들에 대해 보다 높은 클록 주파수들을 요구한다.
광학 스위치들(7-105)을 상이한 주파수들에서 구동하는 것의 하나의 장점은 펄스의 턴-오프가 도 7ab 및 도 7ac와 관련하여 앞서 설명된 방법과 비교하여 증가될 수 있다는 것이다. 예를 들어, 도 7ae를 참조하면, 업스트림 경로에 있는 광학 스위치들(S1, S2, 및 S4)의 결합 턴-오프(combined turn-off)(소광 비들의 곱)에 의해 출력 포트(P8)로부터의 출력 펄스의 테일(7-150)이 억제될 수 있다. 이 효과는, 스위치들(S1, S2, 및 S4) 각각이 출력 포트(P7)로부터의 펄스의 테일에서 오프 상태로 스위칭되는 것을 보여주는, 도 7ad에서의 트레이스들의 손실 변조로부터 알 수 있다. 부가의 감쇠 스위치들(7-120)이, 일부 실시예들에서, 출력(P7)에 추가될 수 있거나 그렇지 않을 수 있다. 상이한 광학 스위치들에 상이한 주파수들을 인가하는 것의 단점은 스위칭 어레이(7-100)에 대해 보다 높은 주파수의 구동 신호들이 필요하게 될 것이라는 점이다. 예를 들어, 마지막 광학 스위치에서 요구되는 주파수는, 일부 실시예들에서, 출력 펄스 지속시간과 비슷할 수 있다.
일부 실시예들에서, 도 7ab, 도 7ac 및 도 7ad, 도 7ae와 관련하여 설명된 기법들의 조합이 이용될 수 있다. 예를 들어, 광학 경로에 있는 제1 세트의 광학 스위치들이 도 7ad에 나타낸 바와 같이 상이한 주파수들에서 구동될 수 있다. 차후에, 동일한 광학 경로에 있는 제2 세트의 광학 스위치들(7-105)이 동일한 구동 주파수로 구동될 수 있으며, 여기서 각각의 구동 신호는, 도 7ab에 나타낸 바와 같이, 선행하는 광학 스위치에 대한 선행하는 구동 신호에 대해 시차를 두고 있다.
III. 바이오 광전자 칩에의 광학 펄스들의 커플링
일부 구현들에 따르면, 펄스 레이저(1-110)는 휴대용 분석 기기(1-100)에 장착될 수 있고, 펄스 레이저의 출력은 기기 내에 위치된 하나 이상의 반응 챔버들에서 생물학적 또는 화학적 샘플들을 여기시키는 데 사용될 수 있다. 기기는 펄스 레이저로부터의 출력 빔을 하나 이상의 반응 챔버로 스티어링도록 배열된, 펄스 레이저와 반응 챔버들 사이의 부가의 광학 컴포넌트들을 가질 수 있다. 앞서 기술된 바와 같이, 기기는 하나 이상의 도파관들 및 광학 펄스들을 하나 이상의 도파관들 내로 커플링시키기 위해 칩 상에 배열된 적어도 하나의 광학 커플러(예컨대, 격자 커플러)를 포함하는 바이오 광전자 칩(1-140)을 수납하도록 구성될 수 있다. 도파관들은, 도 1c에 도시된 바와 같이, 광학 펄스들로부터의 방사를 복수의 반응 챔버들에 전달할 수 있다. 광을 칩 상의 광학 도파관 내로 커플링시키는 것은 칩 상의 광학 커플러에 대한 레이저 빔의 정밀한 정렬을 요구할 수 있다. 일부 경우들에서, 빔 스티어링 모듈은 레이저 빔을 바이오 광전자 칩 상의 광학 커플러에, 자동화된 방식으로, 정렬시키는 데 사용될 수 있다.
빔 스티어링 모듈(1-150)의 일 예가 도 8a에 도시되어 있다. 일부 실시예들에 따르면, 빔 스티어링 모듈은 빔 스티어링 모듈의 액추에이터들 및 광학 컴포넌트들을 지지하도록 구성된 솔리드 섀시(solid chassis)(8-110)를 포함할 수 있다. 섀시는 금속 및/또는 저 열 팽창 복합재(low-thermal-expansion composite)로 형성되거나 조립될 수 있다. 일부 경우들에서, 섀시는 알루미늄으로 머시닝되거나 캐스팅(cast)될 수 있다. 섀시(8-110)는 직선이거나 (도시된 바와 같이) 각져(angled) 있을 수 있고, 펄스 레이저(1-110)가 통합되어 있는 기기의 프레임 또는 섀시(1-102)에 장착될 수 있다.
본 발명자들은 빔 스티어링 모듈의 섀시(8-110)가 그에 부가하여 바이오 광전자 칩(1-140)이 탑재될 수 있는 PCB(1-130)에 대한 지지를 제공할 수 있다는 것을 인식하고 알았다. 예를 들어, 섀시(8-110)는 몇몇 위치들에서 기기의 섀시 또는 프레임(1-102)에 부착될 수 있고, PCB(1-130)의 중앙 영역은 빔 스티어링 모듈과 바이오 광전자 칩(1-140) 사이의 상대 운동(예컨대, 기계적 진동들로 인한 운동)을 감소시키기 위해 빔 스티어링 모듈의 섀시(8-110)에 고정(secure)될 수 있다.
일부 실시예들에서, 빔 스티어링 모듈의 액추에이터들은 빔 스티어링 모듈의 광학 컴포넌트들을 회전시키도록 배열된 스테퍼 모터들을 포함할 수 있다. 빔 스티어링 모듈의 높이를 감소시키기 위해, 액추에이터들은, 도면에 도시된 바와 같이, 그들의 샤프트(shaft)들이 대략 동일한 평면에 놓이도록 장착될 수 있다. 일부 구현들에서, PCB(1-130), 또는 PCB(1-130)에 장착되는 별도의 PCB 상에 일부가 제조되는 (예컨대, 미국 가특허출원 제62/289,019호에 설명된 바와 같은) 스테퍼 모터가 PCB(1-130)에 수직인 축을 중심으로 빔 스티어링 모듈의 광학 컴포넌트를 회전시키는 데 사용될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 빔 스티어링 모듈(1-150)은 제1 광학 플랫(8-131), 포커싱 렌즈(8-133), 제2 광학 플랫(8-135), 및 제3 광학 플랫(8-137)을 포함할 수 있다. 광학 플랫들 및 렌즈는 광학계들로부터의 원하지 않는 프레넬 반사(Fresnel reflection)들을 감소시키기 위해 반사방지 코팅될 수 있다. 일부 실시예들에서, 방향전환 미러(8-134)가 빔 스티어링 모듈 내에 위치될 수 있지만, 일부 경우들에서, 빔 스티어링 모듈을 통과하는 빔 경로가 직선일 수 있고 방향전환 미러가 사용되지 않을 수 있다. 일부 구현들에 따르면, 방향전환 미러(8-134)는, 펄스 레이저(1-110)로부터의 기본 파장을 빔 덤프 및/또는 광검출기 쪽으로 통과시키고 주파수 배가된 파장을 바이오 광전자 칩(1-140) 쪽으로 반사시키도록, 이색성일 수 있다.
제1 광학 플랫(8-131)은 레이저 빔을 x 방향으로 시프트시키기 위해 PCB(1-130)에 평행한 축을 중심으로 제1 액추에이터(8-121)에 의해 회전될 수 있다. 제2 광학 플랫(8-135)은 레이저 빔을 y 방향으로 시프트시키기 위해 PCB(1-130)에 수직인 축을 중심으로 제2 액추에이터(8-122)에 의해 회전될 수 있다. 굴곡 연결부(flexural connection)(도시되지 않음)는 제2 광학 플랫을 회전시키기 위해 제2 액추에이터(8-122)로부터 제2 광학 플랫(8-135) 쪽으로 연장될 수 있다. 제3 광학 플랫(8-137)은 레이저 빔을 x 방향으로 시프트시키기 위해 PCB(1-130)에 평행한 축을 중심으로 제3 액추에이터(8-123)에 의해 회전될 수 있다. 일부 실시예들에서, 렌즈(8-133) 이전에 장착된 제4 광학 플랫 및 레이저 빔을 z 방향으로 시프트시키기 위해 제4 광학 플랫을 PCB(1-130)에 수직인 축을 중심으로 회전시키도록 배열된 액추에이터가 있을 수 있다. 광학 플랫들을 회전시키는 것에 의해, 빔 스티어링 모듈을 통과하는 광학 빔이 측방으로 그리고 수직으로 평행 이동될 수 있고, 칩(1-140)에서의 그의 입사각이 변경될 수 있다.
빔 스티어링 모듈(1-150)에서 광학 빔을 평행 이동시키는 것의 효과는 도 8b로부터 이해될 수 있다. 포커싱 렌즈(8-133) 이후에 위치된 광학계들을 회전시키는 것에 의한 광학 빔의 평행 이동들은 렌즈(8-133)의 초점에 위치될 수 있는 표면(8-240)(예컨대, 바이오 광전자 칩의 표면)에서의 x, y 평행 이동들을 초래한다. 예를 들어, 레이저 빔(8-250)은 포커싱 렌즈(8-133)를 통과하여 바이오 광전자 칩(1-140)에 있는 광학 커플러 상에 포커싱될 수 있다(예컨대, 격자 커플러(1-310) 상에 포커싱됨). 도면에 표시된 y-축에 평행한 축을 중심으로 제2 광학 플랫(8-135)을 회전시키는 것은 포커싱된 빔을 표면(8-240)에서 x-축에 평행한 방향으로 평행 이동시킬 수 있다. x-축에 평행한 축을 중심으로 제3 광학 플랫(8-137)을 회전시키는 것은 포커싱된 빔을 표면(8-240)에서 y-축에 평행한 방향으로 평행 이동시킬 수 있다.
포커싱 렌즈(8-133) 이전에 위치된 광학계들을 회전시키는 것에 의한 광학 빔(8-250)의 평행 이동들은 표면(8-240)에서의 빔의 x-y 위치를 그다지 변화시키지 않으면서 표면(8-240)에서의 빔의 입사각들을 변화시킨다. 예를 들어, y-축에 평행한 축을 중심으로 제1 광학 플랫(8-131)을 회전시키는 것은 포커싱 렌즈(8-133)에서 x-축에 평행한 방향으로 레이저 빔을 변위시킬 수 있다. 포커싱 렌즈에서의 레이저 빔의 이러한 이동은 표면(8-240)에서 x-z 평면에서의 z-축에 대한 레이저 빔의 입사각 θi을 변화시킬 것이다. 일부 실시예들에서, x-축에 평행한 축을 중심으로 제4 광학 플랫(8-132)(도 8a에 도시되지 않음)을 회전시키는 것은 y-z 평면에 있는 방향에서 표면(8-240)에서의 입사각 φi을 변화시킬 수 있다. 표면(8-240)이 렌즈(8-133)의 대략 초점 거리(f)에 위치되기 때문에, 렌즈 이전에서 빔(8-250)을 평행 이동시키는 것에 의한 입사각의 변화들은 표면(8-240)에서의 포커싱된 빔의 x-y 위치에 그다지 영향을 주지 않을 것이다.
일부 실시예들에서, 칩(1-140)의 표면(8-240)이 입사 레이저 빔(8-250)에 평행한 채로 칩(1-140)이 배향될 수 있도록, 빔을 -x 방향으로 편향시키기 위해 바이오 광전자 칩(1-140)의 표면(8-240)과 빔 스티어링 모듈(1-150) 사이에 위치된 방향전환 미러가 있을 수 있다(도 8b에 도시되지 않음). 이것은 칩(1-140)이, 도 8a에 도시된 바와 같이, 아래에 있는 PCB(1-130)에 평행하게 장착될 수 있게 할 것이다. 일부 경우들에서, 방향전환 미러가, 반사 재료로 코팅된, 실리콘 웨이퍼의 작은 부분(예컨대, 5 mm2 미만)으로 저가로 형성될 수 있고, 바이오 광전자 칩(1-140)을 포함하는 패키지 내에 장착될 수 있다.
도 1c 및 도 8a를 또다시 참조하면, 바이오 광전자 칩의 표면에 있는 격자 커플러(1-310) 상에서의 레이저 빔의 x-y 위치는 포커싱 렌즈(8-133) 이후에 위치된 광학 플랫들(8-135 및 8-137)을 회전시키기 위해 액추에이터들(8-122 및 8-123)을 작동시키는 것에 의해 조절될 수 있다. 스타 커플러 또는 MMI 커플러가 광학 입력을 복수의 도파관들에 분배하는 데 사용될 때, 격자 커플러(1-310) 상에서의 입력 빔의 x-y 위치는, 광이 스타 커플러 또는 MMI 커플러에 연결된 모든 도파관들에 대략 똑같게 커플링할 때까지, 조절될 수 있다. 차후에, 제1 광학 플랫(8-131)을 회전시키기 위해 액추에이터(8-121)를 조작하는 것에 의해, x-z 평면에서의 빔의 입사각 θi가 조절될 수 있다. 이 조절은 도파관(1-312)에 커플링되는 에너지의 양을 증가시킬 수 있다.
처음에, y-z 평면(격자 커플러(2-310)의 격자 치부(grating teeth)에 평행하게 뻗어 있는 평면)에서의 빔의 입사각 φi의 변화들이 도파관(1-312) 내로의 커플링 효율에 그다지 영향을 미치지 않을 것으로 예상되었다. 그렇지만, 본 발명자들은 놀랍게도 이 입사각의 변화들이 커플링 효율에 θi의 변화들만큼 큰 영향을 미칠 수 있다는 것을 발견하였다. 예상보다 더 큰 감도는 격자 커플러와, 도파관(1-312) 내로의 커플링 효율을 증가시키기 위해 추가되는, 아래에 있는 반사 층(도 1c에 도시되지 않음) 사이의 광학 간섭 효과들로부터 얻어지는 것으로 생각된다. 일부 실시예들에 따르면, 빔 스티어링 모듈은, 격자 커플러에서의 빔의 입사각 φi의 변화들에 영향을 주도록 배열된, 포커싱 렌즈(8-133) 이전에 위치된 제4 광학 플랫(8-132)을 포함할 수 있다.
빔 스티어링 모듈(1-150)의 유리한 측면은 θi 및 φi에 대한 입사각 조절들이 표면(8-240)에서의 포커싱된 빔의 위치에 대한 x, y 조절들에 실질적으로 독립적으로 행해질 수 있다는 것이다. 예를 들어, 격자 커플러(1-310)를 통해 하나 이상의 도파관들(1-312) 내로 커플링되는 입사 레이저 빔(8-250)으로부터의 광학 에너지가 빔 위치를 최적화하는 정렬 절차 동안 하나 이상의 도파관들의 반대쪽 단부에 있는 하나 이상의 포토다이오드들(1-324)을 사용해 모니링될 수 있다. 차후에, 빔 입사각이 격자 커플러 상에서의 빔의 위치를 그다지 변화시키지 않으면서 최적화될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 자동화된 정렬 절차는 펄스 레이저(1-110)로부터의 레이저 빔을 바이오 광전자 칩(1-140) 상의 커플러(1-310)에 정렬시키는 데 사용될 수 있다. 정렬 절차는, 도 8c에 도시된 바와 같이, 격자 커플러(1-310)가 있는지 나선형 탐색(spiral search)을 실행하는 것을 포함할 수 있다. 나선형 탐색은 포커싱된 빔(8-250)을 칩의 표면 상에서 x 방향 및 y 방향으로 평행 이동시키기 위해 제2 광학 플랫(8-135) 및 제3 광학 플랫(8-137)을 회전시키는 것에 의해 실행될 수 있다. 예를 들어, 칩(1-140)이 기기(1-100) 내로 로딩(load)되고 펄스 레이저가 턴 온된 후에, 레이저 빔이 도 8c에서 "A"라고 마킹된 위치에서 칩 표면에 부딪칠 수 있다. 이 위치에서, 쿼드 검출기(1-320)에 의해 어떤 신호도 검출되지 않을 수 있다. 쿼드 검출기로부터의 신호들이 모니터링되면서, 나선형 탐색 경로(8-310)가 실행될 수 있다. 위치 "B"에서, 쿼드 검출기는 그의 검출기들로부터의 빔의 x, y 위치 신호들을 등록(register)하기 시작할 수 있다. 제어 회로부는 이어서 쿼드 검출기의 중앙에 대한 빔의 위치를 결정하고, 나선형 경로의 실행을 취소하며, 빔을 쿼드 검출기(1-320)의 중앙인 지점 "C"로 스티어링하기 위해 액추에이터들(8-122 및 8-123)을 작동시킬 수 있다. 격자 커플러(1-310)는 쿼드 검출기에 걸쳐 대략 중앙에 위치될 수 있다. 차후에, 도파관(1-312) 또는 도파관들 내로 커플링되는 광학 에너지의 양을 증가시키기 위해 미세한 위치 및 입사각 조절들이 행해질 수 있다. 일부 실시예들에서, 다수의 광학 도파관들 내로 커플링되는 파워들의 균일성을 증가시키기 위해 격자 커플러에서 레이저 빔에 대해 미세한 조절들이 행해질 수 있도록, 다수의 도파관들(1-312)의 단부들에 있는 다수의 집적된 포토다이오드들(1-324)로부터의 광학 파워들이 모니터링된다.
쿼드 검출기(1-320)를 탐색하고 포커싱된 빔(8-250)을 격자 커플러(1-310)에 정렬시키기 위해 다른 방법들 및 장치들이 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 레이저 빔이 검출될 수 있는 범위를 확장하기 위해 쿼드 검출기(1-320)의 감도가 개선될 수 있다. 예를 들어, 레이저 파워가 고파워(예컨대, 완전 온(fully on))에 있는 경우의 쿼드 검출기로부터의 신호들이 레이저 파워가 저 설정치(low setting)(예컨대, 오프(off))에 있는 경우의 쿼드 검출기로부터의 신호들과 비교될 수 있다. 그에 부가하여, 레이저 빔이 쿼드 검출기로부터 상당한 거리에 위치될 수 있을 때, 쿼드 검출기의 위치 검출 감도를 개선시키기 위해 신호들이 보다 긴 기간들에 걸쳐 적분될 수 있다.
일부 실시예들에서, 광 산란 요소들(도 8c에 도시되지 않음)이 칩(1-140) 상에서 쿼드 검출기(1-320) 주위에 제조될 수 있다. 포커싱된 빔이 오정렬되어 쿼드 검출기로부터 멀리 떨어진 주변 위치에 있을 때, 산란 요소들은 포커싱된 빔으로부터의 광을 쿼드 검출기(1-320) 쪽으로 산란시킬 수 있다. 검출된 산란 광은 그러면 빔의 위치를 나타낼 수 있다.
일부 구현들에서, 예상된 포커싱된 빔 크기와 폭이 유사한, 좁은 선형 산란 요소 또는 라인 검출기가 쿼드 검출기의 중앙을 통과하게(또는 쿼드 검출기에 대해 임의의 적당한 배향으로) 배치되고, 쿼드 검출기의 대향 에지들을 상당히 넘어서(예컨대, 초기 빔 오프셋 오차의 합당한 기대치보다 더 큰 거리까지) 연장될 수 있다. 이 요소 또는 검출기의 배향이 설계에 의해 알려져 있기 때문에, 포커싱된 빔(8-250)은, 빔이 요소 또는 검출기에 부딪치고, 쿼드 검출기(1-320) 쪽으로의 산란에 의해 또는 라인 검출기에 의해 직접, 긍정적으로 검출될 때까지, 먼저 요소에 수직인 방향으로 스캐닝될 수 있다. 이어서, 쿼드 검출기(1-320)를 발견하기 위해 빔이 다른 방향으로 스캐닝될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 레이저 빔이 처음에 칩(1-140)의 표면(8-240)에서 확장(expand)될 수 있다(예컨대, 액추에이터를 사용해 또는 다른 수단을 사용하여 렌즈(8-133)를 이동시키는 것에 의해 빔을 디포커싱(defocusing)함). 쿼드 검출기(1-320)를 탐색할 때 임의의 스캐닝 프로세스가 빔 위치들 간에 보다 큰 스텝(step)들(예컨대, 나선형 스캔 시에 방사상 루프(radial loop)들 간의 보다 큰 오프셋들)을 사용할 수 있도록, 칩 상에서의 빔의 풋프린트(footprint)가 그러면 크게(예컨대, 10배 이상) 증가될 수 있다. 이 탐색 방법 및 전술한 대안의 탐색 방법들은 포커싱된 빔(8-250)을 격자 커플러(1-310)에 정렬시키는 것과 연관된 탐색 시간을 감소시킬 수 있다.
정렬 이후에, 입사 레이저 빔은 정렬된 위치에 능동적으로 유지될 수 있다. 예를 들어, 빔을 대략적으로 고정된 위치에 유지하기 위해, 쿼드 검출기(1-320)에 대한 초기 정렬 이후에 결정된 빔의 x, y 위치가 쿼드 검출기로부터의 피드백 및 액추에이터들(8-122 및 8-123)의 활성화를 사용하여 능동적으로 유지된다. 일부 실시예들에서, 도파관 내로 커플링되는 파워를 최적화하기 위해, 표면에서의 광학 빔의 입사각들이 초기 정렬 이후에 조절되지 않을 수 있다. 그에 부가하여, 도파관 내로 커플링되는 파워의 양이 측정들에 걸쳐 대략 일정한 레벨로 유지될 수 있다.
도파관들의 양끝 단부들로부터의 포토다이오드(1-324) 신호들을 모니터링하고 그 신호를 펄스 레이저 시스템(1-110)(도 2aa를 참조)의 반파장판(2-160)의 배향을 제어하는 액추에이터(2-162)를 작동시키는 제어기에 피딩(feeding)하는 것에 의해, 도파관들에 전달되는 파워가 대략 일정한 레벨들에 유지될 수 있다. 반파장판(2-160)의 회전은 주파수 배가 결정체(2-170)에 들어가는 광학 펄스들의 편광을 변화시키고, 따라서 반응 챔버들에서 형광단들을 여기시키는 데 사용되는 보다 짧은 파장으로의 변환 효율을 변화시킨다.
일부 실시예들에 따른, 빔 정렬 및 파워 안정화를 위한 예시적인 회로부가 도 8d에 도시되어 있다. 쿼드 검출기(1-320)는 4개의 포토다이오드들로 표현되고, 도파관 포토다이오드(1-324)는 제5 포토다이오드로서 표현되어 있다. 일부 구현들에서, 단일 격자 커플러로부터의 광학 파워가 커플링되는 많은 복수의 도파관들이 있을 수 있다. 그에 따라, 제어 회로부(8-430)에 연결된 신호 출력들을 갖는 많은 복수의 도파관 포토다이오드들(1-324)이 도파관의 단부에 있을 수 있다. 증폭 회로부(8-410)는 다이오드들의 광전도(photoconduction)에 의해 생성된 전압들을 검출하도록 배열될 수 있다. 증폭 회로부(8-410)는, 일부 실시예들에 따르면, 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 CMOS 전자장치들(예컨대, FET들, 샘플링 회로들, 아날로그-디지털 변환기들)을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 아날로그 신호들은 증폭 회로부로부터 제어 회로부(8-430)에 제공될 수 있다.
일부 실시예들에서, 제어 회로부는 하기의 요소들: 아날로그 및 디지털 회로부, ASIC, FPGA, DSP, 마이크로컨트롤러, 및 마이크로프로세서 중 하나 또는 그 조합을 포함할 수 있다. 제어 회로부(8-430)는 각각의 도파관에서의 광학 파워의 레벨을 결정하기 위해 하나 이상의 도파관 포토다이오드들로부터의 수신된 신호들을 처리하도록 구성될 수 있다. 제어 회로부(8-430)는 쿼드 검출기에 대한 광학 빔의 x, y 위치를 결정하기 위해 쿼드 검출기(1-320)로부터의 수신된 신호들을 처리하도록 추가로 구성될 수 있다. 일부 구현들에서, 제어 회로부(8-430)는 각각의 도파관 내로 커플링되는 파워를 검출하고, 파워가 도파관들에서 균등화(equalize)되거나 도파관들에 걸쳐 최고의 균일성을 갖도록, 레이저 빔을 이동시키기 위해 액츄에이터들에 제어 신호를 제공하도록 구성된다.
x 방향에서의 레이저 빔의 위치는, 예를 들어, 하기의 알고리즘을 실행하도록 적합화된 제어 회로부(8-430)에 의해 결정될 수 있으며:
Sx = [(VQ2 + VQ3) - (VQ1 + VQ4)]/VT
여기서 Sx는 x 방향에 대응하는 정규화된 신호 레벨이고, VQn은 쿼드 검출기의 제n 포토다이오드로부터 수신되는 신호 레벨이며, VT는 4개의 포토다이오드들 전부로부터의 신호를 합산하는 것에 의해 수신되는 총 신호 레벨이다. 그에 부가하여, y 방향에서의 레이저 빔의 위치는, 예를 들어, 하기의 알고리즘을 사용하여 결정될 수 있다:
Sy = [(VQ3 + VQ4) - (VQ1 + VQ2)]/VT.
칩(1-140) 상의 모든 도파관들 내로 커플링되는 평균 파워는 칩 상의 도파관들 각각에서의 파워를 검출하도록 배열된 포토다이오드들(1-324) 전부로부터의 신호를 합산하는 것에 의해 결정될 수 있다.
x 및 y에서의 검출된 빔 위치에 응답하여 그리고 바이오 광전자 칩(1-140)의 하나 이상의 도파관들에서 검출된 파워 레벨들에 응답하여 제어 회로부(8-430)에 의해 제어 신호들이 생성될 수 있다. 제어 신호들은 통신 링크들(SM1, SM2, SM3)을 통해 빔 스티어링 모듈(1-150)의 액추에이터들에 그리고 통신 링크(WP)를 통해 반파장판(2-160)의 회전을 제어하는 펄스 레이저 시스템(1-110)의 액추에이터(1-162)에 디지털 신호들로서 제공될 수 있다.
펄스 레이저(1-110) 및 기기(1-100)의 작동을 추가로 예시하기 위해, 펄스 레이저 빔을 바이오 광전자 칩(1-140) 상의 광학 커플러(예컨대, 격자 커플러)에 정렬시키고 정렬을 유지하기 위한 예시적인 방법(8-500)이 도 8e에 예시되어 있다. 일부 실시예들에 따르면, 기기(1-100) 내의 제어 회로부(8-430)는 기기에 바이오 광전자 칩을 로딩하는 것을 검출하도록(단계(8-505)) 구성될 수 있다. 새로운 칩이 로딩될 때, 그의 광학 커플러가 펄스 레이저로부터의 레이저 빔에 정렬되지 않을 수 있다. 로딩의 검출에 응답하여, 제어 회로부(8-430)는, 예를 들어, 도 8c에 도시된 바와 같이, 바이오 광전자 칩의 표면에 걸쳐 펄스 레이저 빔의 나선형 스캐닝(또는 앞서 설명된 임의의 다른 적당한 방법)을 실행(단계(8-510))하기 위해 빔 스티어링 모듈(1-150)을 작동시킬 수 있다. 제어 회로부는 빔을 나선형 경로(8-310) 또는 임의의 다른 적당한 경로를 따라 이동시키기 위해 빔 스티어링 모듈(1-150)의 액추에이터들(8-122, 8-123)을 작동시킬 수 있다. 펄스 레이저 빔이 칩의 표면에 걸쳐 스캐닝되는 동안, 레이저 빔의 위치가 검출되는지 여부를 결정하기 위해 제어 회로부(8-430)에 의해 쿼드 검출기(1-320)로부터의 신호들이 모니터링(단계(8-515))될 수 있다.
쿼드 검출기로부터의 신호들이 펄스 레이저 빔의 위치가 검출되지 않았다는 것을 나타내면(단계(8-520)), 제어 회로부는 바이오 광전자 칩의 표면에 걸쳐 레이저 빔을 계속하여 스캐닝(단계(8-510))할 수 있다. 대안적으로, 빔의 위치가 검출되었으면, 나선형 스캔이 중단될 수 있고, 쿼드 검출기(1-320) 상에서 펄스 레이저 빔을 대략적으로 센터링(center)하기 위해(단계(8-525)) 빔 스티어링 모듈의 액츄에이터들이 구동될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 쿼드 검출기 상에서 레이저 빔을 센터링하는 것이 빔을 격자 커플러에 대략적으로 정렬시키도록, 격자 커플러(1-310)가 쿼드 검출기 상에서 대략적으로 센터링될 수 있다. 펄스 레이저 빔이 격자 커플러의 대략적인 위치에 있는 경우, 제어 회로부는 격자 커플러의 바로 근방에서 x-y 스캔(x-y scan)을 실행(단계(8-530))하기 위해 빔 스티어링 모듈(1-150)의 액추에이터들(8-122, 8-123)을 구동할 수 있다. 예를 들어, 빔 스티어링 모듈은 제1 최적 커플링 값을 발견하기 위해 x 방향으로 순차 선형 스캔(sequential linear scan)을 실행하고 이어서 제2 최적 커플링 값을 발견하기 위해 y 방향으로 선형 스캔을 실행할 수 있다. 레이저 빔이 스캐닝되는 동안, 쿼드 검출기(1-320) 및 하나 이상의 도파관 포토다이오드들(1-324)로부터의 출력 신호들이 모니터링될 수 있다(단계(8-535)).
펄스 레이저 빔이 격자 커플러의 근방에서 스캐닝될 때, 하나 이상의 도파관 포토다이오드들(1-324)로부터 검출된 파워가 증가 및 감소할 수 있다. 일부 실시예들에서, (하나 이상의 도파관 포토다이오드들(1-324)에 의해 검출된) 도파관들 내로 커플링된 총 파워의 최댓값이 (쿼드 검출기(1-320)에 의해 결정되는 바와 같은) 펄스 레이저 빔의 제1 위치(x1, y1)에 대응할 수 있다. 일부 경우들에서, 격자 커플러에 연결된 복수의 도파관들에서 검출된 파워 레벨들이 거의 동일한(예컨대, ± 20% 내에 또는 심지어 ± 10% 내에 있는) 펄스 레이저 빔의 제2 위치(x2, y2)가 있을 수 있다. 제2 위치에서, 도파관들 내로 커플링된 총 파워는 제1 위치에서 도파관들 내로 커플링된 양보다 더 작을 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 제어 회로부(8-430)는 도파관들에 걸쳐 미리 결정된 균일성(예컨대, ± 15%) 내에서 도파관들 내로 커플링된 최고 총 파워가 달성될 때까지 펄스 레이저 빔을 이동시키도록 적합화되어 있을 수 있다. 대응하는 위치는, 제1 위치(x1, y1) 및 제2 위치(x2, y2)와 상이할 수 있는, 제1 최적화된 위치(x3, y3)일 수 있다. 일부 구현들에서, 도파관들에 걸친 보다 큰 파워 변동들이 허용될 수 있다(예컨대, 결과 데이터로부터 정규화됨). 이러한 구현들에서, 제1 최적화된 위치(x3, y3)는 도파관들 내로의 총 파워가 최대로 되는 위치일 수 있다.
제어 회로부(8-430)가 제1 최적화된 위치(x3, y3)가 발견되지 않았다고 결정하면(단계(8-540)), 제어 회로부는 격자 커플러(1-310)의 근방에서 펄스 레이저 빔의 x-y 스캔을 실행(단계(8-530))하기 위해 빔 스티어링 모듈의 액추에이터들을 계속하여 작동시킬 수 있다. 제1 최적화된 커플링 위치가 발견되면, 제어 회로부(8-430)는, 레이저 빔을 쿼드 검출기(1-320)에 의해 감지되는 고정된 위치에 유지하기 위해, 액추에이터들(8-122 및 8-123)을 작동시키는 것에 의해 레이저 빔의 위치를 유지(8-545)할 수 있다. 제어 회로부는 이어서, 바이오 광전자 칩 상의 광학 커플러에서의 입사 빔 각도들을 스캐닝(단계(8-550))하기 위해, 액추에이터(8-121) 및 임의로 빔 스티어링 모듈의 부가의 액추에이터를 작동(actuate)시킬 수 있다. 입사 빔 각도들이 스캐닝되고 있을 때, 하나 이상의 도파관들에서의 도파관 포토다이오드들(1-324)로부터의 신호 레벨들이 모니터링될 수 있다(단계(8-555)). 제어 회로부(8-430)가 제2 최적화된 커플링 배향이 발견되었다고 결정(단계(8-560))할 때까지 입사 빔 각도들이 스캐닝될 수 있다. 제2 최적화된 커플링 배향은 바이오 광전자 칩(1-140) 상의 하나 이상의 도파관들 내로 커플링된 최대량의 파워를 제공하거나, 도파관들에 걸쳐 미리 결정된 파워 균일성으로 도파관들 내로 커플링된 최대 파워를 제공하는 빔 입사각들에 대응할 수 있다.
제2 최적화된 커플링 배향이 식별되지 않으면(단계(8-560)), 제어 회로부는 입사 빔 각도들의 스캔(단계(8-550))을 계속할 수 있다. 제2 최적화된 커플링 배향이 식별되면, 제어 회로부(8-430)는 펄스 레이저 빔의 x-y 위치는 물론 그의 입사각들을 유지(단계(8-565))할 수 있다. 펄스 레이저 빔의 위치 및 입사각들이 유지된 상태에서, 바이오 광전자 칩(1-140) 상에서의 측정이 시작될 수 있다.
일부 실시예들에서, 수십 분 이상 지속될 수 있는, 측정 동안 쿼드 검출기(1-320)에 대해 펄스 레이저 빔의 위치가 유지될 수 있다. 예를 들어, (쿼드 검출기(1-320)를 사용해) 광학 커플러에서의 빔의 위치를 감지하고 (예를 들어, 시스템에서의 드리프트 또는 진동들을 보상하기 위해 액추에이터들(8-122 및 8-123)을 작동시키는 것에 의해) 펄스 레이저 빔을 감지된 위치에 유지하기 위해 능동 피드백(active feedback)이 이용될 수 있다.
측정이 시작될 때, 반응 챔버들에서의 광학 파워 레벨들이 또한 유지될 수 있다(단계(8-570)). 일부 실시예들에 따르면, 광학 파워 레벨을 유지하는 것은 하나 이상의 도파관들의 단부에 위치된 하나 이상의 도파관 포토다이오드들(1-324)을 사용해 도파관 파워 레벨들을 모니터링하는 것, 및 펄스 레이저 시스템(1-110)의 액추에이터(2-162)를 작동시키는 것에 의해 광학 파워의 변화들을 보상하는 것을 포함할 수 있다. 액추에이터의 작동은 반파장판(2-160)을 회전시킬 것이고, 이는 주파수 배가 결정체(2-170)에서의 광학 편광을 회전시키며 주파수 배가된 파장에 대한 변환 효율을 변화시킨다. 이러한 방식으로, 그렇지 않았으면 반응 챔버들에서 일어나게 될 파워 변동들이 상당히 감소될 수 있다.
일부 실시예들에서, 제어 회로부(8-430)는 측정의 종료 시에 바이오 광전자 칩(1-140)으로부터 측정 종료 신호를 수신할 수 있다. 제어 회로부가 측정 종료 신호를 검출하지 않으면(단계(8-575)), 빔 배향 및 파워 레벨들이 유지될 수 있다. 제어 회로부가 측정 종료 신호를 검출하면(단계(8-575)), 프로세스는 종료될 수 있다. 일부 실시예들에서, 프로세스를 종료시키는 것은 펄스 레이저(1-110) 및 빔 스티어링 모듈의 액추에이터들의 전원을 끄는 것을 포함할 수 있다.
IV. 클록 생성 및 시스템 동기화
도 1a를 또다시 참조하면, 짧은 또는 극초단 펄스들을 생성하는 데 사용되는 방법 및 장치에 관계없이, 시스템(1-100)은 분석 시스템(1-160)의 적어도 일부 전자적 동작들(예컨대, 데이터 취득 및 신호 처리)을 광학 소스(1-110)로부터의 광학 펄스들(1-122)의 반복 레이트와 동기화시키도록 구성된 회로부를 포함할 수 있다. 펄스 반복 레이트를 분석 시스템(1-160) 상의 전자장치들에 동기화시키는 적어도 두 가지 방식들이 있다. 제1 기법에 따르면, 펄스 광학 소스 및 기기 전자장치들에서의 펄스들의 생성 둘 다를 트리거하기 위한 타이밍 소스로서 마스터 클록이 사용될 수 있다. 제2 기법에서, 타이밍 신호가 펄스 광학 소스로부터 도출되고 기기 전자장치들을 트리거하는 데 사용될 수 있다.
도 9a는 클록(9-110)이 동기화 주파수(fsync)의 타이밍 신호를 펄스 광학 소스(1-110)(예컨대, 이득 스위칭 펄스 레이저 또는 LED) 및, 각각의 여기 펄스(1-120)와 생물학적, 화학적, 또는 다른 물리적 물질 간의 상호작용들로 인해 생기는 신호들을 검출 및 처리하도록 구성될 수 있는, 분석 시스템(1-160) 둘 다에 제공하는 시스템을 도시하고 있다. 단지 하나의 예로서, 각각의 여기 펄스는 생물학적 샘플의 속성을 분석하는 데 사용되는 생물학적 샘플의 하나 이상의 형광 분자들을 여기시킬 수 있다(예컨대, DNA 시퀀싱, 암성(cancerous) 또는 비-암성(non-cancerous), 바이러스 또는 박테리아 감염, 혈당 레벨을 위한 뉴클레오티드 혼입). 예를 들어, 비-암성 세포들은 제1 값(τ1)의 특성 형광 수명(characteristic fluorescent lifetime)을 나타낼 수 있는 반면, 암성 세포들은 제1 수명 값과 상이하고 그와 구별될 수 있는 제2 값(τ2)의 수명을 나타낼 수 있다. 다른 예로서, 혈액 샘플로부터 검출된 형광 수명은 혈당 레벨에 의존하는 (다른 안정된 마커(marker)에 대한) 수명 값 및/또는 강도 값을 가질 수 있다. 각각의 펄스 또는 몇 개의 펄스들의 시퀀스 이후에, 분석 시스템(1-160)은 샘플의 속성을 결정하기 위해 형광 신호들을 검출 및 처리할 수 있다. 일부 실시예들에서, 분석 시스템은, 이미징된 구역 내의 영역들의 하나 이상의 속성들을 나타내는 구역의 2차원 또는 3차원 맵을 포함하는, 여기 펄스들에 의해 프로빙된 구역의 이미지를 생성할 수 있다.
행해지는 분석의 유형에 관계없이, 분석 시스템(1-160) 상의 검출 및 처리 전자장치들은 각각의 광학 여기 펄스의 도달과 주의하여 동기화될 필요가 있을 수 있다. 예를 들어, 형광 수명을 평가할 때, 방출 이벤트들의 타이밍이 올바르게 기록될 수 있도록, 샘플의 여기 시간을 정확하게 아는 것이 유익하다.
도 9a에 도시된 동기화 구성(synchronizing arrangement)은 광학 펄스들이 능동 방법들(예컨대, 외부 제어)에 의해 생성되는 시스템들에 적당할 수 있다. 능동 펄스 시스템들은 이득 스위칭 레이저들 및 펄스 LED들을 포함할 수 있지만, 이들로 제한되지 않는다. 이러한 시스템들에서, 클록(9-110)은 펄스 광학 소스(1-110)에서의 펄스 생성(예컨대, 이득 스위칭 또는 LED 접합부 내로의 전류 주입)을 트리거하는 데 사용되는 디지털 클록 신호를 제공할 수 있다. 기기 상에서의 전자적 동작들이 기기에서의 펄스 도달 시간(pulse-arrival time)들과 동기화될 수 있도록, 동일한 클록이 또한 동일한 또는 동기화된 디지털 신호를 분석 시스템(1-160)에 제공한다.
클록(9-110)은 임의의 적당한 클로킹 디바이스(clocking device)일 수 있다. 일부 실시예들에서, 클록은 수정 발진기(crystal oscillator) 또는 MEMS 기반 발진기(MEMS-based oscillator)를 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 클록은 트랜지스터 링 발진기(transistor ring oscillator)를 포함할 수 있다.
클록(9-110)에 의해 제공되는 클록 신호의 주파수(fsync)가 펄스 반복 레이트(R)와 동일한 주파수일 필요는 없다. 펄스 반복 레이트는 R = 1/T에 의해 주어질 수 있고, 여기서 T는 펄스 분리 간격이다. 도 9a에서, 광학 펄스들(1-120)는 거리 D만큼 공간적으로 분리된 것으로 도시되어 있다. 이 분리 거리는 관계식 T = D/c에 따라 분석 시스템(1-160)에의 펄스들의 도달 사이의 시간(T)에 대응하고, 여기서 c는 광의 속도이다. 실제로, 펄스들 사이의 시간(T)은 포토다이오드와 오실로스코프를 사용해 결정될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, T= fsync/N이고, 여기서 N은 1보다 크거나 같은 정수이다. 일부 구현들에서, T= Nfsync이고, 여기서 N은 1보다 크거나 같은 정수이다.
도 9b는 타이머(9-220)가 동기화 신호를 분석 시스템(1-160)에 제공하는 시스템을 도시하고 있다. 일부 실시예들에서, 타이머(9-220)는 펄스 광학 소스(1-110)로부터 동기화 신호를 도출할 수 있고, 도출된 신호는 동기화 신호를 분석 시스템(1-160)에 제공하는 데 사용된다.
일부 실시예들에 따르면, 타이머(9-220)는 펄스 소스(1-110)로부터의 광학 펄스들을 검출하는 포토다이오드로부터 아날로그 또는 디지털화된 신호를 수신할 수 있다. 타이머(9-220)는 수신된 아날로그 또는 디지털화된 신호로부터 동기화 신호를 형성하거나 트리거하기 위해 임의의 적당한 방법을 사용할 수 있다. 예를 들어, 타이머는, 검출된 광학 펄스들로부터 디지털 펄스들의 트레인을 형성하기 위해, 슈미트 트리거(Schmitt trigger) 또는 비교기를 사용할 수 있다. 일부 구현들에서, 타이머(9-220)는 안정된 클록 신호를 검출된 광학 펄스들로부터 생성된 디지털 펄스들의 트레인에 동기화시키기 위해 지연 동기 루프(delay-locked loop) 또는 위상 동기 루프를 추가로 사용할 수 있다. 기기 상의 전자장치들을 광학 펄스들과 동기화시키기 위해, 디지탈 펄스들의 트레인 또는 동기된 안정된 클록 신호가 분석 시스템(1-160)에 제공될 수 있다.
본 발명자들은 펄스 레이저(1-110)(예컨대, 여기 광학 펄스들을 반응 챔버들(1-330)에 전달함), 신호 취득 전자장치들(예컨대, 시간-비닝 광검출기들(1-322)의 동작)), 및 바이오 광전자 칩(1-140)으로부터의 데이터 판독의 동작 조율이 기술적 과제들을 제기한다는 것을 인식하고 알았다. 예를 들어, 반응 챔버들에서 수집된 시간-비닝된 신호들이 형광 감쇠 특성들의 정확한 표현들이기 위해, 각각의 여기 광학 펄스가 반응 챔버들에 도달한 후에 시간-비닝 광검출기(1-322) 각각이 정밀한 타이밍으로 트리거되어야만 한다. 그에 부가하여, 데이터 오버런(data overrun) 및 누락된 데이터(missed data)를 회피하기 위해, 데이터가 반응 챔버들에서의 데이터 취득과 대략적으로 동기하여 바이오 광전자 칩(1-140)으로부터 판독되어야만 한다. 누락된 데이터는, 일부 경우들에서, 유해할 수 있다 - 예컨대, 유전자 서열(gene sequence)의 오인을 유발함 -. 본 발명자들은 수동 모드 동기 레이저들의 자연발생적인 동작 특성들 - 예컨대, 펄스 진폭의 변동들, 펄스간 간격(pulse-to-pulse interval)(T)의 변동들, 및 간헐적인 펄스 드롭-아웃(drop-out)들이 일어나는 경향이 있음 - 에 의해 시스템 타이밍이 더욱 복잡하게 된다는 것을 인식하고 알았다.
본 발명자들은 클록 신호를 생성하고 휴대용 기기(1-100) 내의 데이터 취득 전자장치들을 구동하는 데 사용될 수 있는 클록 생성 회로부를 고안 및 개발하였다. 클록 생성 회로부(9-300)의 일 예가 도 9c에 도시되어 있다. 일부 실시예들에 따르면, 클록 생성 회로부는 펄스 검출, 자동 이득 제어를 갖는 신호 증폭, 클록 디지털화, 및 클록 위상 동기(clock phase locking)의 스테이지들을 포함할 수 있다.
펄스 검출 스테이지는, 일부 실시예들에 따르면, 역방향 바이어싱되고 바이어싱 전위와 기준 전위(예컨대, 접지 전위) 사이에 연결된 고속 포토다이오드(9-310)를 포함할 수 있다. 포토다이오드에 대한 역방향 바이어스는 임의의 적당한 값일 수 있고, 고정값 저항기들을 사용하여 고정될 수 있거나 조절가능할 수 있다. 일부 경우들에서, 포토다이오드(9-310)의 캐소드와 기준 전위 사이에 커패시터(C)가 연결될 수 있다. 포토다이오드의 애노드로부터의 신호가 증폭 스테이지에 제공될 수 있다. 일부 실시예들에서, 펄스 검출 스테이지는 약 100 마이크로와트 내지 약 25 밀리와트의 평균 파워 레벨을 갖는 광학 펄스들을 검출하도록 구성될 수 있다. 클록 생성 회로부(9-300)의 펄스 검출 스테이지는 펄스 레이저(1-110) 상에 또는 그 근방에 장착될 수 있고, 레이저로부터의 광학 펄스들을 검출하도록 배열될 수 있다.
아날로그 이득 증폭기들로부터의 펄스 출력 레벨들이 미리 결정된 범위 내에 설정될 수 있도록, 증폭 스테이지는 가변 이득 조절들 또는 조절가능 감쇠를 포함할 수 있는 하나 이상의 아날로그 증폭기들(9-320)을 포함할 수 있다. 클록 생성 회로부(9-300)의 증폭 스테이지는 자동 이득 제어 증폭기(9-340)를 추가로 포함할 수 있다. 일부 경우들에서, 아날로그 필터링 회로부(9-330)는 (예컨대, 고주파(예컨대, 약 500 MHz 초과) 및/또는 저주파(예컨대, 약 100 Hz 미만) 잡음을 제거하기 위해) 아날로그 증폭기들(9-320)의 출력에 연결될 수 있다. 하나 이상의 아날로그 이득 증폭기들(9-320)로부터의 필터링된 또는 필터링되지 않은 출력은, 일부 실시예들에 따르면, 자동 이득 제어 증폭기(9-340)에 제공될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 하나 이상의 아날로그 증폭기들로부터의 최종적인 출력 신호는 양의 방향으로 진행(positive-going)할 수 있다. 본 발명자들은 후속하는 자동 이득 제어(AGC) 증폭기가 네거티브 전압보다는 포지티브 전압 쪽으로 입력 펄싱(input pulse)할 때 보다 신뢰성있게 동작한다는 것을 인식하고 알았다. 자동 이득 제어 증폭기는 수신된 전자 펄스 트레인의 진폭 변동들을 보상하기 위해 그의 내부 이득을 변화시킬 수 있다. 자동 이득 제어 증폭기(9-340)로부터의 출력 펄스 트레인은, 도면에 도시된 바와 같이, 대략적으로 일정한 진폭을 가질 수 있는 반면, 자동 이득 제어 증폭기(9-340)로의 입력은 펄스간 진폭 변동들을 가질 수 있다. 예시적인 자동 이득 제어 증폭기는 미국 매사추세츠주 노우드 소재의 Analog Devices, Inc.로부터 입수가능한 모델 AD8368이다.
클록 디지털화 스테이지에서, 자동 이득 제어 증폭기로부터의 출력은, 일부 구현들에 따르면, 디지털 펄스 트레인을 생성하기 위해 비교기(9-350)에 제공될 수 있다. 예를 들어, AGC로부터의 펄스 트레인은 비교기(9-350)의 제1 입력에 제공될 수 있고, (일부 실시예들에서 사용자 설정가능할 수 있는) 기준 전위가 비교기의 제2 입력에 연결될 수 있다. 기준 전위는 각각의 생성된 디지털 펄스의 상승 에지에 대한 트리거 포인트(trigger point)를 설정(establish)할 수 있다.
알 수 있는 바와 같이, 광학 펄스 진폭의 변동들은 AGC 증폭기(9-340) 이전에서 전자 펄스들의 진폭 변동들을 가져올 것이다. AGC 증폭기가 없는 경우, 이 진폭 변동들은 비교기(9-350)로부터의 디지털화된 펄스 트레인 내의 펄스들의 상승 에지들에서 타이밍 지터(timing jitter)를 가져올 것이다. AGC 증폭기를 사용해 펄스 진폭들을 레벨링(leveling)하는 것에 의해, 비교기 이후의 펄스 지터(pulse jitter)가 상당히 감소된다. 예를 들어, 타이밍 지터는 AGC 증폭기를 사용해 약 50 피코초 미만으로 감소될 수 있다. 일부 구현들에서, 비교기로부터의 출력이 디지털화된 펄스 트레인의 듀티 사이클을 대략 50%로 변경하도록 구성된 논리 회로부(9-370)에 제공될 수 있다.
클록 생성 회로부(9-300)의 위상 동기 스테이지는 기기 동작들을 타이밍 조절하고 동기화시키기 위한 하나 이상의 안정된 출력 클록 신호들을 생성하는 데 사용되는 위상 동기 루프(PLL) 회로(9-380)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 클록 디지털화 스테이지로부터의 출력은 PLL 회로(9-380)의 제1 입력(예컨대, 피드백 입력)에 제공될 수 있고, 전자 또는 전기기계 발진기(9-360)로부터의 신호는 PLL의 제2 입력(예컨대, 기준 입력)에 제공될 수 있다. 전자 또는 전기기계 발진기는, 일부 경우들에서, 기계적 섭동(mechanical perturbation)들에 대해 그리고 온도 변동들에 대해 매우 안정적일 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 전자 또는 전기기계 발진기(9-360)로부터의 안정된 클록 신호의 위상이, 덜 안정적일 수 있는, 모드 동기 레이저로부터 도출된 디지털화된 클록 신호의 위상에, PLL에 의해, 동기된다. 이러한 방식으로, 전자 또는 전기기계 발진기(9-360)는 펄스 레이저(1-110)의 단기 불안정성(예컨대, 펄스 지터, 펄스 드롭아웃들)을 라이드 스루(ride through)하고 또한 광학 펄스 트레인에 대략적으로 동기화될 수 있다. 위상 동기 루프 회로(9-380)는 전자 또는 전기기계 발진기(9-360)로부터의 위상 동기된 신호로부터 도출되는 하나 이상의 안정된 출력 클록 신호들을 생성하도록 구성될 수 있다. PLL을 구현하는 데 사용될 수 있는 예시적인 회로는, 미국 텍사스주 오스틴 소재의 Silicon Laboratories Inc.로부터 입수가능한 IC 칩 Si5338이다.
일부 실시예들에 따르면, PLL 회로(9-380)로부터 출력된 하나 이상의 클록 신호들은, 칩 상의 데이터 취득 전자장치들을 타이밍 조절하기 위해, 바이오 광전자 칩(1-140)에 제공된다. 일부 경우들에서, PLL 회로(9-380)는 그의 클록 출력들에 대한 위상 조절 회로부(9-382, 9-384)를 포함할 수 있거나, 별도의 위상 조절 회로들이 위상 동기 루프의 클록 출력들에 연결될 수 있다. 일부 구현들에서, 바이오 광전자 칩(1-140)은, 펄스 레이저(1-110)로부터의 광학 여기 펄스들의 도달을 나타내는, 칩 상의 하나 이상의 광검출기들로부터의 펄스 도달 신호(1-142)를 제공할 수 있다. 펄스 도달 신호는 평가되고 바이오 광전자 칩(1-140)에 제공되는 클록 신호들의 위상 또는 위상들을 설정하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 바이오 광전자 칩(1-140) 상에서의 데이터 취득을 구동하기 위해 제공되는 클록 신호의 트리거 에지(예컨대, 시간-비닝 광검출기(1-322)에 의한 신호 취득의 타이밍)가 반응 챔버들에서의 광학 여기 펄스의 도달로부터 미리 결정된 시간 후에 일어나게 조절되도록, 칩에 제공되는 클록 신호(들)의 위상을 자동으로 조절하기 위해 펄스 도달 신호가 위상 동기 루프 회로(9-380)에 다시 제공되어 처리될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, PLL 회로(9-380)로부터의 클록 신호가 또한 기기(1-100)에 포함된 하나 이상의 FPGA(field-programmable gate array)들(9-390)에 제공될 수 있다. FPGA들은 바이오 광전자 칩(1-140)으로부터의 데이터 판독을 구동하는 것, 데이터 처리, 데이터 전송, 데이터 저장 등과 같은, 기기 상에서의 다양한 기능들을 위해 사용될 수 있다.
본 발명자들은 AGC 증폭기(9-340)의 루프 대역폭과 위상 동기 루프(9-390)의 루프 대역폭 사이의 상호작용(interplay)이 있을 수 있다는 것을 인식하고 알았다. 예를 들어, 위상 동기 루프의 루프 대역폭이 너무 높으면, PLL은 디지털화된 펄스 트레인에 AGC 증폭기 및 비교기에 의해 유입된 지터에 반응할 수 있고, 광학 펄스 타이밍을 정확하게 추적하지 못할 수 있다. 다른 한편으로, AGC 및 PLL 루프 대역폭들 중 어느 하나 또는 둘 다가 너무 낮으면, PLL로부터 출력된 결과 클록 신호들이 광학 펄스 타이밍을 정확하게 추적하지 못할 것이다. 본 발명자들은 PLL(9-390)의 루프 대역폭과 연관된 적분 시상수(integration time constant)가 모드 동기 레이저(1-110)로부터의 광학 펄스 트레인의 약 30개의 펄스들 내지 약 80개의 펄스들이어야 한다는 것을 발견하였다. 그에 부가하여, AGC 증폭기(9-340)의 루프 대역폭과 연관된 적분 시상수는 PLL에 대한 적분 시상수를 약 20% 초과만큼 초과해서는 안된다.
일부 구현들에서, 증폭 스테이지로부터의 하나 이상의 신호들이 기기(1-100)에서 부가의 목적들을 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 아날로그 신호(9-332)가 AGC 증폭기(9-340) 이전에서 분할되어 펄스 레이저(1-110)에서의 모드 동기의 품질을 모니터링하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 펄스 레이저에 의한 Q-스위칭의 개시를 나타내는 특성들을 검출하기 위해, 아날로그 신호(9-332)가 주파수 및/또는 시간 영역에서 전자적으로 분석될 수 있다. 특성들(및 Q-스위칭의 개시)이 검출되면, 시스템은 Q-스위칭을 회피하기 위해 모드 동기 레이저 내의 광학계들(예컨대, 캐비티 정렬 광학계들)을 자동으로 조절할 수 있거나, 시스템은 오류를 표시하고 그리고/또는 펄스 레이저를 정지시킬 수 있다.
일부 실시예들에서, AGC 증폭기는 출력 펄스들의 진폭들을 레벨링하는 데 필요한 실시간 이득 조절들을 나타내는 출력 신호(9-342)(아날로그 또는 디지털)를 제공할 수 있다. 본 발명자들은 이 출력 신호(9-342)가 펄스 레이저의 모드 동기 품질을 평가하는 데 사용될 수 있다는 것을 인식하고 알았다. 예를 들어, 그의 스펙트럼이 Q-스위칭의 개시를 검출하기 위해 분석될 수 있다.
클록 생성 및 동기화가 자동 이득 제어 증폭기 및 위상 동기 루프를 사용하여 설명되었지만, 보다 많은 양의 클록 지터(예컨대, 최대 약 300 ps)가 허용될 수 있는 다른 실시예들에서, 대안의 장치가 사용될 수 있다. 일부 구현들에서, 상승 에지 트리거 신호(rising edge trigger signal)를 제공하기 위해, 펄스 증폭 스테이지 내의 증폭기가 포화되도록 구동(driven into saturation)될 수 있다. 클록에 대한 트리거 포인트는 상승 에지 상의 어떤 값으로 설정될 수 있다. 증폭기가 포화되기 때문에, 펄스 진폭의 변동들이 포화되지 않는 증폭기(non-saturated amplifier)에 대해서보다 트리거 타이밍에 영향을 덜 미친다. 상승 에지는, FPGA(field-programmable gate array)들로 구현된 것들과 같은, 플립플롭 클로킹 회로(flip-flop clocking circuit)를 토글시키는 데 사용될 수 있다. 포화된 증폭기로부터의 하강 에지가 다시 0으로 복귀하는 것은, 증폭기의 출력이 포화로부터 해제되는 때에 따라, 상당히 더 많은 타이밍 변동성을 가질 수 있다. 그렇지만, 하강 에지는 플립플롭 클로킹 회로에 의해 검출되지 않으며 클로킹에 영향을 미치지 않는다.
많은 FPGA들은 안정된 발진기를 플립플롭으로부터의 레이저 생성 클로킹 신호(laser-generated clocking signal)에 동기시키기 위해 PLL 대신에 사용될 수 있는 디지털 지연 동기 루프(DLL)들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 수신측 플립플롭은 광학 펄스 트레인으로부터 클로킹 레이트(clocking rate)를 2로 나누며, 이는 50% 듀티 사이클 클록 신호를 펄스 반복 레이트의 1/2로 DLL에 제공할 수 있다. DLL은 광학 펄스 트레인과 동기화될 주파수 배가된 클록을 생성하도록 구성될 수 있다. 부가의 동기화된, 보다 높은 주파수의 클록들이 또한 DLL 및 FPGA에 의해 생성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 도 9d에 도시된 바와 같이, 2개 이상의 상이한 파장들의 광학 펄스들을 분석 시스템(1-160)에 공급하기 위해 2개 이상의 펄스 광학 소스들(1-110a, 1-110b)이 필요할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 광학 소스들의 펄스 반복 레이트들과 분석 시스템(1-160) 상에서의 전자적 동작들을 동기화시키는 것이 필요할 수 있다. 일부 구현들에서, 2개의 펄스 광학 소스들이 펄스들을 생성하기 위해 능동 방법들(예컨대, 이득 스위칭)을 사용하는 경우, 도 9a와 관련하여 앞서 설명된 기법들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 클록(9-110)은 펄스 광학 소스들(1-110a, 1-110b) 둘 다에 대한 구동 회로들에 그리고 분석 시스템(1-160)에 동기화 주파수(fsync)의 클록 또는 동기화 신호를 공급할 수 있다. 하나의 광학 펄스 소스(1-110b)가 수동 방법들을 사용하여 펄스들을 생성하면, 도 9b와 관련하여 설명된 기법들은 수동 펄스 소스로부터 동기화 신호를 도출하는 데 사용될 수 있다. 동기화 신호는 이어서 능동 펄스 소스(1-110a)에 의한 펄스 생성을 동기화시키기 위해 능동 펄스 소스(1-110a)에 그리고 기기 전자장치들 및 동작들을 동기화시키기 위해 기기(1-160)에 제공될 수 있다.
펄스들이 각각의 광학 소스에서 능동적으로 생성될 때, 안정되고 동기화된 펄스 생성을 위한 피드백 제어 시스템을 사용하여 레이저 캐비티 길이를 동적으로 조절하는 것이 필요할 수 있거나 그렇지 않을 수 있다. 펄스들이 레이저의 이득 매질의 이득 스위칭에 의해 생성되면, 레이저 캐비티 길이 조절이 필요하지 않을 수 있다. 펄스들이 능동 모드 동기 기법들에 의해 생성되면, 안정된 광학 펄스 트레인을 생성하기 위해 동적 레이저 캐비티 길이 조절이 필요할 수 있다. 레이저 캐비티 길이 조절들이 행해질 수 있는 몇 가지 전기기계 기법들이 있다. 예를 들어, 캐비티 미러(캐비티 단부 미러 또는 방향전환 미러 쌍 등)가 피드백 신호에 따라 제어되는 압전 트랜스듀서를 사용하여 배치될 수 있다. 레이저 캐비티에 의해 생성된 펄스 반복 레이트와 외부에서 생성된 다른 펄스 반복 레이트 또는 클록 신호 간의 차이로부터 피드백 신호가 도출될 수 있다. 일부 경우들에서, 피드백 신호에 따라 압전 재료를 사용하여 파이버 레이저 길이가 연신(stretch)될 수 있다. 일부 구현들에서, 캐비티 미러는 피드백 신호에 따라 제어되는 마이크로전기기계 기반 미러(microelectromechanical-based mirror)일 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 2개의 광학 펄스 소스들(1-110a, 1-110b) 둘 다는 수동적으로(예컨대, 수동 모드 동기에 의해) 광학 펄스들을 생성할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 레이저간 펄스 및 전자적 동기화를 위해, 도 9c와 관련하여 설명된 바와 같이, 펄스 광학 소스들 중 하나로부터 동기화 신호가 도출될 수 있다. 제2 광학 펄스 소스로부터의 펄스들을 제1 광학 소스로부터의 펄스들에 동기화시키기 위해 부가의 대책들이 필요할 수 있다. 예를 들어, 타이밍 신호가 또한 제2 광학 펄스 소스로부터 도출되고, 제2 광학 펄스 소스의 캐비티 길이를 제어하기 위해 전기기계 피드백 회로에 대해 사용될 수 있다. 제2 광학 펄스 소스의 캐비티 길이를 제어하는 것에 의해, 제2 광학 펄스 소스로부터 도출된 타이밍 신호는 제1 광학 펄스 소스로부터 도출된 클록 신호에 (예컨대, 위상 동기 루프를 통해) 주파수 및 위상 동기될 수 있다. 이러한 방식으로, 제2 광학 펄스 소스로부터의 펄스 트레인은 제1 광학 펄스 소스의 펄스 트레인에 동기화될 수 있고, 기기 동작들 및 전자장치들이 또한 제1 광학 펄스 소스에 동기화될 수 있다.
일부 구현들에서, 도 9ea 및 도 9eb에 도시된 바와 같이, 2개의 펄스 광학 소스들로부터의 펄스들을 시간상 인터리빙하는 것이 유익할 수 있다. 펄스들이 인터리빙될 때, 제1 소스(1-110a)로부터 펄스(9-120a)는 제1 시각(t1)에서 제1 특성 파장(λ1)을 사용해 분석 시스템(1-160)에서 하나 이상의 샘플들을 여기시킬 수 있다. 제1 펄스와 하나 이상의 샘플들 간의 상호작용을 나타내는 데이터가 이어서 기기에 의해 수집될 수 있다. 나중의 시각(t2)에서, 제2 소스(1-110b)로부터 펄스(9-120b)는 제2 특성 파장(λ2)을 사용해 분석 시스템(1-160)에서 하나 이상의 샘플들을 여기시킬 수 있다. 제2 펄스와 하나 이상의 샘플들 간의 상호작용을 나타내는 데이터가 이어서 기기에 의해 수집될 수 있다. 펄스들을 인터리빙하는 것에 의해, 하나의 파장에서의 펄스-샘플간 상호작용들의 효과들이 제2 파장에서의 펄스-샘플간 상호작용들의 효과들과 섞이지 않을 수 있다. 게다가, 2개 이상의 형광 마커(fluorescent marker)들과 연관된 특성들이 검출될 수 있다.
도 9ea에 도시된 바와 같이, 펄스들이 타이밍 및 동기화 회로부에서 인터리빙될 수 있다. 도 9d와 관련하여 설명된 방법들은 2개의 펄스 광학 소스들(1-110a, 1-110b)로부터의 펄스 트레인들을 동기화시키는 데 그리고 분석 시스템(1-160) 상의 전자장치들 및 동작들을 펄스들의 도달과 동기화시키는 데 사용될 수 있다. 펄스들을 인터리빙하기 위해, 하나의 펄스 광학 소스의 펄스들이 다른 펄스 광학 소스로부터의 펄스들과 위상 동기되거나 위상이 어긋나게(out of phase) 트리거될 수 있다. 예를 들어, 제1 펄스 광학 소스(1-110a)의 펄스들이 제2 펄스 광학 소스(1-110b)로부터의 펄스들과 (위상 동기 루프 또는 지연 동기 루프를 사용하여) 위상 동기될 수 있거나 180도 위상이 어긋나게 트리거될 수 있지만, 일부 실시예들에서, 다른 위상 또는 각도 관계들이 사용될 수 있다. 일부 구현들에서, 펄스 광학 소스들 중 하나에 제공되는 트리거 신호에 타이밍 지연이 부가될 수 있다. 타이밍 지연은 트리거 에지를 펄스 분리 간격(T)의 대략 1/2만큼 지연시킬 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 주파수 배가된 동기화 신호가 타이머(9-220)에 의해 생성되고, 기기 전자장치들 및 동작들을 펄스 광학 소스들로부터의 인터리빙된 펄스들의 도달과 동기화시키기 위해 기기(9-160)에 제공될 수 있다.
본 발명자들은 2개 이상의 상이한 특성 파장들의 광학 펄스 트레인들이 생성되고 동기화될 수 있는 추가의 방법들 및 기법들을 고안했다. 도 9fa는 원하는 특성 파장들(λ1/2 및 λ3)의 2개의 동기화된 펄스 트레인들(9-120c, 9-120d)을 생성하기 위해 비선형 광학 재료를 이용하는 2-레이저 시스템(9-600)을 도시하고 있다. 일부 실시예들에 따르면, 제1 레이저(1-110a)는 제1 특성 파장(λ1)의 제1 광학 펄스 트레인(9-120a)을 생성할 수 있다. 예를 들어, 제1 레이저는 1064 nm의 펄스들을 생성하는 수동 모드 동기 레이저(예컨대, Nd:YVO4 또는 Nd:GdVO4 레이저)일 수 있다. 제1 레이저(1-110a)는 도 3ca 또는 도 5a 내지 도 5c와 관련하여 설명된 임의의 레이저 캐비티 시스템을 포함할 수 있다. 제1 광학 펄스 트레인(9-120a)은 제1 레이저의 펄스 트레인의 파장의 1/2(예컨대, λ1/2 = 532 nm)의 제3 광학 펄스 트레인(9-120c)을 생성하기 위해 제1 비선형 광학 요소(9-610)(예컨대, KTP 또는 BBO 결정체)에서의 제2 고조파 생성(SHG)에 의해 주파수 배가될 수 있다. 기본 파장(λ1)의 감쇠된 펄스 트레인이 제1 비선형 광학 요소(9-610)로부터 나오도록, 제2 고조파 생성이 펄스 에너지 전부를 제2 고조파 주파수로 변환하지는 않을 것이다.
그에 부가하여, 제2 수동 모드 동기 레이저(1-110b)는 제2 특성 파장(λ2)의 제2 광학 펄스 트레인(9-120b)을 생성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 레이저는 또한 동일한 유형의 이득 매질에 의해 지원되는 제2 레이징 천이(lasing transition)인 제2 파장(예컨대, 1342 nm)의 펄스들을 생성하는 수동 모드 동기 레이저(예컨대, Nd:YVO4 또는 Nd:GdVO4 레이저)를 포함할 수 있지만, 다른 실시예들에서, 다른 레이징 재료들이 사용될 수 있다. 제1 레이저(1-110a)로부터의 펄스들을 제2 이색성 미러(DC2) 쪽으로 지향시키기 위해 제1 이색성 미러(DC1)가 사용될 수 있으며, 제2 이색성 미러(DC2)에서는 2개의 레이저들로부터의 펄스 트레인들이 결합되어 제2 비선형 광학 요소(9-620)(예컨대, KTP 또는 BBO 결정체) 쪽으로 지향될 것이다. 제2 비선형 요소에서, 펄스들이 함께 도달하기만 한다면, 2개의 펄스 트레인들로부터의 광학 필드들이 상호작용하여, 합-주파수 생성(SFG)이라고 알려진 프로세스에 의해 제3 파장(λ3)을 생성한다. 이 프로세스에서, 결과 파장은 하기의 관계식에 의해 주어진다.
Figure pct00009
위의 예에 따르면, 제3 파장(λ3)은 약 593.5 nm로 생성될 수 있다. 그 결과, 2-레이저 시스템은 532 nm의 제3 펄스 트레인(9-120c) 및 593.5 nm의 제4 펄스 트레인(9-120d)을 생성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제4 펄스 트레인은 기본 파장들(λ1 및 λ2)의 펄스들을 포함할 수 있지만, 이 방사가, 예를 들어, 적외선 필터를 사용하여 펄스 트레인으로부터 필터링 제거될 수 있다.
일부 구현들에서, 제4 특성 파장(λ4)의 제5 펄스 트레인(도시되지 않음)이 생성될 수 있다. 예를 들어, 제2 레이저(1-110b)로부터의 그의 기본 파장(λ2)의 방사는 제2 비선형 광학 요소(9-620)로부터 나올 수 있고 제3 비선형 광학 요소(도시되지 않음)에서 주파수 배가될 수 있다. 위의 예에 따르면, 제4 특성 파장은 약 670 nm일 것이다. 그에 부가하여, 이 펄스들은 제3 및 제4 펄스 트레인들 내의 다른 광학 펄스들과 시간상 동기화될 것이다.
앞서 살펴본 바와 같이, 2개의 레이저들(1-110a, 1-110b)로부터의 펄스들은 제2 비선형 광학 요소(9-620)에 동시에 도달하고 그 요소에서 가능한 한 공간적으로 오버랩되어야만 한다. 그에 따라, 2개의 레이저들이 동기화되어야만 한다. 예를 들어, 도 9d와 관련하여 설명된 바와 같이, 2개의 레이저들과 기기 전자장치들 간의 동기화는 타이밍 및 전기기계 제어 회로(9-220)를 사용하여 행해질 수 있다. 제어 회로(9-220)는, 일부 실시예들에서, 하나의 레이저의 캐비티 길이를 제어하는 데 사용되는 피드백 신호를 생성하기 위해 2개의 레이저들로부터의 펄스 반복 레이트들을 비교할 수 있다. 캐비티 길이는, 압전 트랜스듀서와 같은, 전기기계 액추에이터를 통해 제어될 수 있다. 제어 회로(9-220)는 또한 펄스들과 물질 간의 상호작용들을 분석하는 기기(1-160)의 전자적 동작들을 동기화시키는 데 사용되는 클로킹 신호를 생성하거나 그에 위상 동기할 수 있다.
도 9fa의 레이징 시스템, 또는 본원에 설명된 다른 레이징 시스템들 또는 레이징 시스템들의 조합들에 의해 생성된 다수의 특성 파장들의 동기화된 펄스들이 바이오분석 시스템에 대한 형광단들을 여기시키는 데 바람직할 수 있다. 일부 구현들에서, 관련 출원들에 설명된 방법들에 따르면, 여기된 형광단들로부터 검출된 광학 방출을 나타내는 신호들이 형광단의 유형을 구별하기 위해 처리될 수 있다. 일부 경우들에서, 검출된 신호들의 분석은 형광단들의 수명들 및/또는 스펙트럼 특성에 기초하여 형광단들을 구별할 수 있다. 일부 실시예들에서, 구별될 상이한 형광단들이 상이한 흡수 밴드(absorption band)들을 가질 수 있기 때문에, 수명에 기초하여 형광단들을 구별하는 것은 샘플에 다수의 여기 파장들을 사용하는 것에 유리하다. 다수의 파장들의 여기 펄스들은 각각의 형광단이, 샘플에 존재할 때, 여기될 것임을 확실하게 해줄 수 있다.
일부 경우들에서, 다수의 여기 파장들이 이용가능할 때, 여기 소스가 형광단을 여기시키는지 여부에 기초하여 형광단들이 구별될 수 있다. 단지 하나의 예로서, 유전자 또는 유전자 단편(gene fragment) 내로의 뉴클레오티드 혼입을 검출하기 위해 단일 분자 유전자 시퀀싱 장치(single-molecule gene-sequencing apparatus)에서 4개의 형광단들이 사용될 수 있다. 4개의 형광단들은, 그들의 흡수 밴드들에서의 오버랩을 감소시키도록, 선택될 수 있다. 2개 이상의 펄스 레이저 소스들로부터의, 흡수 밴드들과 매칭되는, 4개의 여기 파장들이 형광단들을 여기시키는 데 사용될 수 있다. 펄스들이 각각의 특성 파장에 대해 상이한 시간 간격들 내에 샘플에 도달하도록, 펄스들이 시간상 인터리빙될 수 있다. 여기 파장과 매칭되는 흡수 밴드를 갖는 형광단이 존재하면, 매칭하는 여기 파장의 펄스와 연관된 시간 간격 동안 형광단이 방출할 것이다. 그에 따라, 샘플로부터 검출된 신호들의 타이밍 또는 위상은 존재하는 형광단의 유형을 식별해줄 수 있다.
일부 실시예들에서, 형광단 판별 방법들의 조합이 사용될 수 있다. 예를 들어, 동일한 샘플 분석에서, 일부 형광단들은 수명에 기초하여 구별될 수 있고 일부는 여기 파장-흡수 밴드 매칭에 기초하여 구별될 수 있다. 다수의 여기 파장들은, 도 9fa와 관련하여 설명된 바와 같이, 단일 레이저 시스템에 의해, 또는 레이저 시스템들(예컨대, 이득 스위칭 반도체 레이저 및 수동 모드 동기 레이저)의 조합에 의해 생성될 수 있다.
2-레이저 시스템(9-602)의 다른 실시예가 도 9fb에 도시되어 있다. 이 시스템에서, 합-주파수 생성이 제2 고조파 생성 이전에 수행된다. 예를 들어, 제1 레이저(1-110a) 및 제2 레이저(1-110b)로부터의 출력 펄스 트레인들(9-120a, 9-120b)이 이색성 미러(DC1)에서 결합되어, SFG가 일어나는 제1 비선형 광학 요소 쪽으로 지향된다. 출력 펄스 트레인은 이어서 적어도 제1 파장을 SHG가 일어나는 제2 비선형 광학 요소 쪽으로 지향시키기 위해 (삼색성 스플리터(TC1) 또는 이색성 스플리터를 사용하여) 분할될 수 있다. 그에 따라, λ1/2의 제3 펄스 트레인(9-120c) 및 λ3의 제4 펄스 트레인(9-120d)이 생성될 수 있다. 2개의 펄스 트레인들의 동기화는 타이밍 및 전기기계 피드백 제어 회로(9-220)를 사용하여 행해질 수 있다.
V. 구성들
알 수 있는 바와 같이, 펄스 레이저(1-110) 및 분석 기기(1-100) 및 작동 방법들의 많은 상이한 구성들 및 실시예들이 있을 수 있다. 일부 구성들 및 실시예들이 이하에서 주어지지만, 본 발명은 열거된 구성들 및 실시예들로 제한되지 않는다.
(1) 모드 동기 레이저(mode-locked laser)로서, 350 mm 이하의 최대 에지 길이를 갖는 베이스 플레이트(base plate), 베이스 플레이트 상에 장착된 이득 매질(gain medium), 레이저 캐비티(laser cavity)의 제1 단부에 위치된, 베이스 플레이트 상에 장착된 제1 단부 미러(end mirror), 및 베이스 플레이트 상에 장착되고 레이저 캐비티에 대한 제2 단부 미러를 형성하는 포화성 흡수체 미러(saturable-absorber mirror)를 포함하고, 모드 동기 레이저는 50 MHz 내지 200 MHz의 반복 레이트로 수동 모드 동기(passive mode locking)에 의해 광학 펄스들을 생성하도록 구성되는, 모드 동기 레이저.
(2) 구성 (1)의 모드 동기 레이저로서, 모드 동기 레이저로부터 여기 펄스들을 수신하도록 배열된 바이오 광전자 칩(bio-optoelectronic chip) - 바이오 광전자 칩은 표적 핵산(target nucleic acid)에 상보적인 성장 가닥(growing strand) 내로의 뉴클레오티드(nucleotide)들 또는 뉴클레오티드 유사체(nucleotide analog)들의 순차적 혼입을 지원함 -, 단일 특성 파장의 여기 펄스들을 바이오 광전자 칩 쪽으로 지향시키도록 배열된 빔 스티어링 광학계(beam-steering optics)들, 및 단일 특성 파장의 여기 펄스들에 의해 유도된 형광 방출을 나타내는 신호들을 수신하고, 성장 가닥 내로 혼입된 4개의 상이한 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들의 상동성(identity)을 결정하기 위해, 수신된 신호들을 처리하도록 구성된 신호 프로세서 - 수신된 신호들은 성장 가닥 내로의 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들의 순차적 혼입에 대응함 - 를 추가로 포함하는, 모드 동기 레이저.
(3) 구성 (1) 또는 구성 (2)의 모드 동기 레이저로서, 모드 동기 레이저가 작동 중인 동안 레이저 캐비티 내에서의 레이저 빔의 조절에서 단지 2 자유도(only two degrees of freedom) - 이 단지 2 자유도는 모드 동기 레이저가 작동 중인 동안 레이저 빔을 조절하기 위해 레이저 캐비티 내의 광학 마운트에 의해 제공됨 - 를 제공하도록 배열되는 레이저 캐비티 내의 조절가능 미러 마운트(adjustable mirror mount)를 추가로 포함하는, 모드 동기 레이저.
(4) 구성 (1) 내지 구성 (3) 중 어느 한 구성의 모드 동기 레이저로서, 베이스 플레이트 상에 장착되고 캐비티내 광학 축(intracavity optical axis)을 따라 이득 매질과 포화성 흡수체 미러 사이에 위치된 제1 포커싱 광학계(focusing optic), 및 베이스 플레이트 상에 장착되고 캐비티내 광학 축을 따라 제1 포커싱 광학계와 포화성 흡수체 미러 사이에 위치된 제2 포커싱 광학계를 추가로 포함하고, 캐비티내 광학 축을 따른 제1 포커싱 광학계의 위치에 대한 조절은 캐비티내 광학 축을 따른 제2 포커싱 광학계의 위치에 대한 동일한 양의 조절보다 더 많이 포화성 흡수체 미러 상의 캐비티내 레이저 빔(intracavity laser beam)의 초점 스폿 크기(focal spot size)를 변경하는, 모드 동기 레이저.
(5) 구성 (1) 내지 구성 (4) 중 어느 한 구성의 모드 동기 레이저로서, 이득 매질의 적어도 2개의 측면들에 결합되고, 캐비티내 레이저 빔을 스티어링(steer)하는 이득 매질에 걸친 비대칭 열 그레이디언트(asymmetric thermal gradient)를 생성하도록 구성된 온도 제어 요소들을 추가로 포함하는 모드 동기 레이저.
(6) 구성 (1) 내지 구성 (5) 중 어느 한 구성의 모드 동기 레이저로서, 베이스 플레이트 상에 장착되고 캐비티내 광학 축을 따라 이득 매질과 포화성 흡수체 미러 사이에 위치된 제1 포커싱 광학계, 베이스 플레이트 상에 장착되고 캐비티내 광학 축을 따라 제1 포커싱 광학계와 포화성 흡수체 미러 사이에 위치된 제2 포커싱 광학계, 및 제1 포커싱 광학계와 포화성 흡수체 미러 사이에 장착된 캐비티내 빔 스티어링 모듈(intracavity beam-steering module)을 추가로 포함하는, 모드 동기 레이저.
(7) 구성 (6)의 모드 동기 레이저로서, 모드 동기 레이저의 평균 파워(average power)를 검출하도록 배열된 광검출기, 및 광검출기 및 캐비티내 빔 스티어링 모듈과 통신하는 제어 회로부를 추가로 포함하고, 제어 회로부는 광검출기에 의해 검출된 신호 레벨에 기초하여 캐비티내 레이저 빔을 포화성 흡수체 미러 상에 재정렬(realign)시키기 위한 신호들을 제공하도록 구성되는, 모드 동기 레이저.
(8) 구성 (6)의 모드 동기 레이저로서, 펄스 레이저의 Q-스위칭(Q-switching)과 연관된 하나 이상의 특성들을 검출하도록 배열된 광검출기 및 신호 프로세서, 및 신호 프로세서 및 캐비티내 빔 스티어링 모듈과 통신하는 제어 회로부를 추가로 포함하고, 제어 회로부는 Q-스위칭과 연관된 하나 이상의 특성들을 검출한 것에 응답하여 캐비티내 레이저 빔을 포화성 흡수체 미러 상에 재정렬시키기 위한 신호들을 제공하도록 구성되는, 모드 동기 레이저.
(9) 구성 (1) 내지 구성 (8) 중 어느 한 구성의 모드 동기 레이저로서, 이득 매질과 포화성 흡수체 미러 사이에 위치된, 레이저 캐비티의 길이를 연장시키는 복수의 미러들, 및 베이스 플레이트에 형성되고 이득 매질과 복수의 미러들 사이에 위치되는 마운팅 피처(mounting feature) - 마운팅 피처는 레이저 캐비티를 단축시키는 단부 미러 또는 단부 미러를 보유하기 위한 금구(fixture)를 수납하도록 구성됨 - 를 추가로 포함하는, 모드 동기 레이저.
(10) 구성 (1) 내지 구성 (9) 중 어느 한 구성의 모드 동기 레이저로서, 캐비티내 광학 축의 방향으로 뻗어 있고 모드 동기 레이저의 하나 이상의 광학 컴포넌트들을 수납하도록 구성된, 베이스 플레이트에 형성된 적어도 하나의 트렌치(trench)를 추가로 포함하는, 모드 동기 레이저.
(11) 구성 (10)의 모드 동기 레이저로서, 베이스 플레이트 내에 형성되는 집적된 광학 마운트(integrated optical mount)를 추가로 포함하며, 집적된 광학 마운트는 적어도 하나의 트렌치의 대향 측면들과 접하고(abut) 캐비티내 광학 축에 본질적으로 수직으로 배향된 2개의 코플래너 표면(coplanar surface)들, 및 적어도 하나의 트렌치의 대향 측면들 상에 형성되고 2개의 코플래너 표면들 쪽으로 경사져 있는 2개의 경사진 표면들을 포함하는, 모드 동기 레이저.
(12) 구성 (1) 내지 구성 (11) 중 어느 한 구성의 모드 동기 레이저로서, 모드 동기 레이저로부터의 광학 펄스들을 검출하도록 배열된 광검출기, 및 안정된 발진기(stable oscillator)로부터의 전자 클록 신호를 모드 동기 레이저에 의해 생성된 광학 펄스들에 동기화시키도록 구성된 클록 생성 회로를 추가로 포함하는, 모드 동기 레이저.
(13) 구성 (1) 내지 구성 (12) 중 어느 한 구성의 모드 동기 레이저로서, 제1 단부 미러는 대략 10% 내지 대략 25%의 투과율을 갖는 출력 커플러를 포함하는, 모드 동기 레이저.
(14) 구성 (1) 내지 구성 (13) 중 어느 한 구성의 모드 동기 레이저로서, 광학 펄스들의 FWHM(full-width half-maximum) 지속시간은 약 5 ps 내지 약 30 ps인, 모드 동기 레이저.
(15) 구성 (1) 내지 구성 (14) 중 어느 한 구성의 모드 동기 레이저로서, 광학 펄스들의 테일 강도(tail intensity)는 광학 펄스들의 피크 강도(peak intensity)로부터 250 ps 이후에 광학 펄스들의 피크 강도보다 20 dB 낮게 유지되는, 모드 동기 레이저.
(16) 구성 (1) 내지 구성 (15) 중 어느 한 구성의 모드 동기 레이저로서, 레이저로부터의 출력 펄스들을 제1 레이징 파장(lasing wavelength)으로부터 레이징 파장의 1/2을 갖는 펄스들로 변환하는, 베이스 플레이트 상에 장착된 주파수 배가 컴포넌트(frequency-doubling component)를 추가로 포함하는, 모드 동기 레이저.
(17) 구성 (1) 내지 구성 (15) 중 어느 한 구성의 모드 동기 레이저로서, 베이스 플레이트 상에 장착되고 모드 동기 레이저로부터의 출력을 수신하도록 배열된 주파수 배가 컴포넌트, 및 주파수 배가 컴포넌트로부터 바이오 광전자 칩에 전달되는 주파수 배가된 파장에서의 파워의 양을 나타내는 신호를 수신하고, 수신된 신호의 레벨에 기초하여 주파수 배가된 파장에서의 파워의 양을 변경하기 위한 신호를 제공하도록 구성된 피드백 회로를 추가로 포함하는, 모드 동기 레이저.
(18) 구성 (16) 또는 구성 (17)의 모드 동기 레이저로서, 주파수 배가 컴포넌트에 전달되는 모드 동기 레이저로부터의 출력의 편광을 변경하도록 배열된 편광 회전자(polarization rotator), 및 편광 회전자의 배향을 제어하는, 피드백 회로에 연결된 액추에이터를 추가로 포함하는, 모드 동기 레이저.
(19) 구성 (1) 내지 구성 (18) 중 어느 한 구성의 모드 동기 레이저로서, 열 절연 패스너(thermally-insulating fastener)들을 사용해 베이스 플레이트에 장착된 다이오드 펌프 소스 모듈(diode pump source module)을 추가로 포함하는, 모드 동기 레이저.
(20) 구성 (19)의 모드 동기 레이저로서, 다이오드 펌프 소스 모듈은 베이스 플레이트 내의 구멍을 통해 장착되고, 레이저 캐비티의 반대쪽에 있는 베이스 플레이트의 측면 상에 위치되는, 모드 동기 레이저.
(21) DNA를 시퀀싱(sequencing)하는 방법으로서, 단일 특성 파장의 펄스 여기 에너지를 생성하는 단계; 펄스 여기 에너지를 바이오 광전자 칩 쪽으로 지향시키는 단계 - 바이오 광전자 칩은 표적 핵산에 상보적인 성장 가닥 내로의 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들의 순차적 혼입을 지원함 -; 단일 특성 파장의 펄스 여기 에너지에 의해 유도된 형광 방출을 나타내는 신호들을 수신하는 단계 - 신호들은 성장 가닥 내로의 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들의 순차적 혼입에 대응함 -; 및 성장 가닥 내로 혼입된 4개의 상이한 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들의 상동성을 결정하기 위해 수신된 신호들을 처리하는 단계를 포함하는, 방법.
(22) 구성 (21)의 방법으로서, 펄스 여기 에너지를 생성하는 단계는 단일 특성 파장에서 작동하는 모드 동기 레이저를 사용해 광학 펄스들을 생성하는 단계를 포함하는, 방법.
(23) 구성 (21)의 방법으로서, 펄스 여기 에너지를 생성하는 단계는 단일 특성 파장에서 작동하는 이득 스위칭 레이저(gain-switched laser)를 사용해 광학 펄스들을 생성하는 단계를 포함하는, 방법.
(24) 구성 (21) 내지 구성 (23) 중 어느 한 구성의 방법으로서, 수신된 신호들을 처리하는 단계는 4개의 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들 중 적어도 2개의 상이한 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들을 식별하기 위해 적어도 2개의 상이한 형광 방출 감쇠 값(fluorescent emission decay value)들 간에 구별하는 단계를 포함하는, 방법.
(25) 구성 (21) 내지 구성 (24) 중 어느 한 구성의 방법으로서, 펄스 여기 에너지에 동기화되는 전자 트리거 신호를 생성하는 단계; 및 바이오 광전자 칩 상에서의 형광 방출을 나타내는 신호들의 수집을 타이밍 조절하기 위해 전자 트리거 신호를 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
(26) 구성 (25)의 방법으로서, 펄스 여기 에너지가 온 상태에 뒤따르는 오프 상태에 있을 때 일어날 형광 방출을 나타내는 신호들의 수집을 타이밍 조절하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
(27) 구성 (21) 내지 구성 (26) 중 어느 한 구성의 방법으로서, 펄스 여기 에너지를 지향시키는 단계는 펄스 여기 에너지를 바이오 광전자 칩 상의 도파관(waveguide) 내로 커플링시키는 단계를 포함하는, 방법.
(28) 구성 (27)의 방법으로서, 커플링시키는 단계는 도파관에 연결된 입력 포트에 대한 펄스 여기 에너지의 빔의 정렬도(degree of alignment)를 나타내는 제1 피드백 신호를 바이오 광전자 칩으로부터 수신하는 단계; 및 제1 피드백 신호에 기초하여 빔을 스티어링하는 단계를 포함하는, 방법.
(29) 구성 (27) 또는 구성 (28)의 방법으로서, 커플링시키는 단계는 표적 핵산에 전달되는 파워의 양을 나타내는 제2 피드백 신호를 바이오 광전자 칩으로부터 수신하는 단계; 및 제2 피드백 신호에 기초하여 펄스 여기 에너지 내의 에너지의 양을 조절하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
(30) 바이오분석 기기(bioanalytic instrument)로서, 단일 특성 파장의 광학 여기 펄스들을 생성하도록 구성된 펄스 레이저 시스템(pulsed laser system), 바이오 광전자 칩을 수납하고 바이오 광전자 칩과의 전기적 연결들 및 광학 커플링을 이루게 하는 리셉터클(receptacle) - 바이오 광전자 칩은 표적 핵산에 상보적인 성장 가닥 내로의 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들의 순차적 혼입을 지원함 -, 여기 펄스들을 리셉터클 쪽으로 지향시키도록 배열된 빔 스티어링 광학계들, 및 단일 특성 파장의 여기 펄스들에 의해 유도된 형광 방출을 나타내는 신호들을 수신하고, 성장 가닥 내로 혼입된 4개의 상이한 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들의 상동성을 결정하기 위해, 수신된 신호들을 처리하도록 구성된 신호 프로세서 - 수신된 신호들은 성장 가닥 내로의 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들의 순차적 혼입에 대응함 - 를 포함하는, 바이오분석 기기.
(31) 구성 (30)의 바이오분석 기기로서, 펄스 레이저 시스템은 모드 동기 레이저를 포함하는, 바이오분석 기기.
(32) 구성 (31)의 바이오분석 기기로서, 모드 동기 레이저는 베이스 플레이트, 베이스 플레이트 상에 장착된 이득 매질, 레이저 캐비티의 제1 단부에 위치된, 베이스 플레이트 상에 장착된 제1 단부 미러, 및 베이스 플레이트 상에 장착되고 레이저 캐비티에 대한 제2 단부 미러를 형성하는 포화성 흡수체 미러를 포함하는, 바이오분석 기기.
(33) 구성 (31) 또는 구성 (32)의 바이오분석 기기로서, 모드 동기 레이저는 파이버 레이저를 포함하는, 바이오분석 기기.
(34) 구성 (31) 또는 구성 (32)의 바이오분석 기기로서, 모드 동기 레이저는 모드 동기 레이저 다이오드(mode-locked laser diode)를 포함하는, 바이오분석 기기.
(35) 구성 (31) 또는 구성 (32)의 바이오분석 기기로서, 모드 동기 레이저는 캐비티내 주파수 배가 요소를 갖는 다이오드 펌핑 레이저(diode-pumped laser)를 포함하는, 바이오분석 기기.
(36) 구성 (30)의 바이오분석 기기로서, 펄스 레이저 시스템은 이득 스위칭 레이저를 포함하는, 바이오분석 기기.
(37) 구성 (36)의 바이오분석 기기로서, 이득 스위칭 레이저는 레이저 다이오드를 포함하는, 바이오분석 기기.
(38) 구성 (36)의 바이오분석 기기로서, 이득 스위칭 레이저는 레이저 다이오드, 및 양극성 전류 펄스(bipolar current pulse)를 레이저 다이오드에 제공하도록 구성된 전류 구동 회로(current driving circuit) - 양극성 전류 펄스는 제1 진폭 및 제1 극성을 갖는 제1 펄스 및 그에 뒤따르는 제1 진폭보다 더 작은 제2 진폭을 갖는 반대 극성의 제2 펄스를 포함함 - 를 포함하는, 바이오분석 기기.
(39) 구성 (38)의 바이오분석 기기로서, 구동 회로는 레이저 다이오드의 단자에 결합된 트랜지스터를 포함하고, 구동 회로는 단극성 펄스(unipolar pulse)를 수신하고 단극성 펄스를 수신한 것에 응답하여 양극성 전기 펄스를 반도체 다이오드에 인가하도록 구성되는, 바이오분석 기기.
(40) 구성 (30)의 바이오분석 기기로서, 펄스 레이저 시스템은 연속파 레이저 및 연속파 레이저로부터의 출력을 변조하는 상호연결된 광학 스위치들의 어레이를 포함하는, 바이오분석 기기.
(41) 구성 (30) 내지 구성 (40) 중 어느 한 구성의 바이오분석 기기로서, 여기 펄스들이 바이오 광전자 칩에서 본질적으로 오프인 상태(essentially off state)에 있을 때 일어날 형광 방출을 나타내는 신호들의 수집을 제어하는 동기화 회로부를 추가로 포함하는, 바이오분석 기기.
(42) 구성 (41)의 바이오분석 기기로서, 동기화 회로부는 전자 또는 전기기계 발진기로부터의 제1 클록 신호를 여기 펄스들의 검출로부터 생성된 제2 클록 신호에 동기화시키고, 바이오분석 기기에 의한 데이터 취득을 타이밍 조절하기 위해 동기화된 제1 클록 신호를 제공하도록 구성된 클록 생성 회로를 포함하는, 바이오분석 기기.
(43) 구성 (42)의 바이오분석 기기로서, 클록 생성 회로는 광학 펄스들로부터 생성된 전자 펄스들의 진폭들을 레벨링(level)하기 위한 자동 이득 제어 증폭부(automatic gain control amplification)를 포함하는, 바이오분석 기기.
(44) 구성 (42)의 바이오분석 기기로서, 클록 생성 회로는 광학 펄스들로부터 생성된 전자 펄스들의 진폭들을 레벨링하기 위한 포화 증폭부(saturated amplification)를 포함하는, 바이오분석 기기.
(45) 바이오분석 기기로서, 단일 특성 파장의 펄스 여기 에너지를 생성하도록 구성된 레이저, 및 전자 또는 전기기계 발진기로부터의 제1 클록 신호를 레이저로부터의 광학 펄스들의 검출로부터 생성된 제2 클록 신호에 동기화시키고, 바이오분석 기기에 의한 데이터 취득을 타이밍 조절하기 위해 동기화된 제1 클록 신호를 제공하도록 구성된 클록 생성 회로를 포함하는, 바이오분석 기기.
(46) 구성 (45)의 바이오분석 기기로서, 클록 생성 회로는 광학 펄스들로부터 생성된 전자 펄스들의 진폭들을 레벨링하기 위한 자동 이득 제어 증폭부를 포함하는, 바이오분석 기기.
(47) 구성 (45)의 바이오분석 기기로서, 클록 생성 회로는 광학 펄스들로부터 생성된 전자 펄스들의 진폭들을 레벨링하기 위한 포화 증폭부를 포함하는, 바이오분석 기기.
(48) 구성 (45) 내지 구성 (47) 중 어느 한 구성의 바이오분석 기기로서, 클록 발생 회로는 제1 클록 신호의 위상을 제2 클록 신호에 동기(lock)시키는 위상 동기 루프(phase-locked loop)를 포함하는, 바이오분석 기기.
(49) 구성 (45) 내지 구성 (47) 중 어느 한 구성의 바이오분석 기기로서, 클록 발생 회로는 제1 클록 신호의 위상을 제2 클록 신호에 동기시키는 지연 동기 루프(delay-locked loop)를 포함하는, 바이오분석 기기.
(50) 시스템으로서, 펄스 레이저, 연속파 레이저, 제1 비선형 광학 요소, 및 제2 비선형 광학 요소를 포함하고, 시스템은 제1 비선형 광학 요소로부터 생성된 제1 특성 파장의 제1 펄스 트레인(pulse train) 및 제2 비선형 광학 요소로부터 제2 특성 파장의 제2 펄스 트레인을 생성하도록 구성되는, 시스템.
(51) 구성 (50)의 시스템으로서, 제2 비선형 광학 요소는 연속파 레이저의 레이저 캐비티 내에 있는, 시스템.
(52) 구성 (50) 또는 구성 (51)의 시스템으로서, 제2 펄스 트레인은 제1 펄스 트레인에 동기화되는, 시스템.
(53) 구성 (50) 내지 구성 (52) 중 어느 한 구성의 시스템으로서, 제2 펄스 트레인은 제2 비선형 광학 요소에서 합-주파수 생성(sum-frequency generation)에 의해 생성되는, 시스템.
(54) 구성 (50) 내지 구성 (53) 중 어느 한 구성의 시스템으로서, 제1 및 제2 특성 파장들은 500 nm 내지 700 nm인, 시스템.
(55) 구성 (50) 내지 구성 (54) 중 어느 한 구성의 시스템으로서, 샘플을 보유하도록 구성된 바이오분석 기기, 및 제1 펄스 트레인 및 제2 펄스 트레인으로부터의 방사를 샘플 상으로 지향시키도록 배열된 빔 스티어링 광학계들을 추가로 포함하는, 시스템.
(56) 구성 (55)의 시스템으로서, 바이오분석 기기는 샘플로부터의 방출을 검출하고 형광 수명들에 기초하여 2개 이상의 형광단(fluorophore)들을 구별하도록 구성되는, 시스템.
(57) 동기화된 광학 펄스들을 제공하는 방법으로서, 제1 특성 파장에서 펄스 레이저를 작동시키는 단계; 제2 특성 파장에서 연속파 레이저를 작동시키는 단계; 펄스 레이저로부터의 제1 펄스 트레인을 연속파 레이저의 레이저 캐비티 내로 커플링시키는 단계; 및 연속파 레이저의 레이저 캐비티에서 제3 특성 파장의 제2 펄스 트레인을 생성하는 단계를 포함하는, 방법.
(58) 구성 (57)의 방법으로서, 제2 펄스 트레인을 생성하는 단계는 합-주파수 생성을 포함하는, 방법.
(59) 구성 (57) 또는 구성 (58)의 방법으로서, 제4 특성 파장의 제3 펄스 트레인을 생성하기 위해 펄스 레이저로부터의 펄스 트레인을 주파수 배가(frequency doubling)시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
(60) 구성 (59)의 방법으로서, 제2 펄스 트레인 및 제3 펄스 트레인을 바이오분석 기기에 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
(61) 구성 (60)의 방법으로서, 제2 및 제3 펄스 트레인들의 펄스들을 사용해 바이오분석 기기에 있는 샘플 내의 적어도 2개의 형광단들을 여기시키는 단계; 및 형광 수명들에 기초하여 적어도 2개의 형광단들을 구별하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
(62) 시스템으로서, 제1 펄스 레이저, 제2 펄스 레이저, 제1 비선형 광학 요소, 및 제2 비선형 광학 요소를 포함하고, 시스템은 제1 비선형 광학 요소로부터 생성된 제1 특성 파장의 제1 펄스 트레인 및 제2 비선형 광학 요소로부터 합-주파수 생성에 의해 제2 특성 파장의 제2 펄스 트레인을 생성하도록 구성되는, 시스템.
(63) 구성 (62)의 시스템으로서, 제2 펄스 트레인은 제1 펄스 트레인에 동기화되는, 시스템.
(64) 구성 (62) 또는 구성 (63)의 시스템으로서, 샘플을 보유하고 제1 펄스 트레인 및 제2 펄스 트레인으로부터의 방사를 샘플 상으로 지향시키도록 구성된 바이오분석 기기를 추가로 포함하는, 시스템.
(65) 구성 (64)의 시스템으로서, 바이오분석 기기는 샘플로부터의 방출을 검출하고 형광 수명들에 기초하여 2개 이상의 형광단들을 구별하도록 구성되는, 시스템.
(66) 구성 (62) 내지 구성 (65) 중 어느 한 구성의 시스템으로서, 제3 비선형 광학 요소를 추가로 포함하고, 시스템은 제3 비선형 광학 요소로부터 생성된 제3 특성 파장의 제3 펄스 트레인을 생성하도록 구성되는, 시스템.
(67) 구성 (66)의 시스템으로서, 제3 펄스 트레인은 제1 및 제2 펄스 트레인들에 동기화되는, 시스템.
(68) 구성 (62) 내지 구성 (67) 중 어느 한 구성의 시스템으로서, 제1, 제2, 및 제3 특성 파장들은 500 nm 내지 700 nm인, 시스템.
(69) 동기화된 광학 펄스들을 제공하는 방법으로서, 제1 특성 파장에서 제1 펄스 레이저를 작동시키는 단계; 제2 특성 파장에서 제2 펄스 레이저를 작동시키는 단계; 제1 펄스 레이저를 제2 펄스 레이저에 동기화시키는 단계; 제3 특성 파장의 제1 펄스 트레인을 생성하기 위해 제1 펄스 레이저로부터의 펄스들을 주파수 배가시키는 단계; 제1 펄스 레이저 및 제2 펄스 레이저로부터의 펄스들을 비선형 광학 요소 내로 커플링시키는 단계; 및 합-주파수 생성에 의해, 제4 특성 파장의 제2 펄스 트레인을 생성하는 단계를 포함하는, 방법.
(70) 구성 (69)의 방법으로서, 제1 펄스 트레인 및 제2 펄스 트레인을 바이오분석 기기에 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
(71) 구성 (70)의 방법으로서, 제1 및 제2 펄스 트레인들의 펄스들을 사용해 바이오분석 기기에 있는 샘플 내의 적어도 2개의 형광단들을 여기시키는 단계; 및 형광 수명들에 기초하여 적어도 2개의 형광단들을 구별하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
(72) 구성 (69) 내지 구성 (71) 중 어느 한 구성의 방법으로서, 제5 특성 파장의 제3 펄스 트레인을 생성하기 위해 제2 펄스 레이저로부터의 펄스들을 주파수 배가시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
(73) 구성 (72)의 방법으로서, 제3, 제4, 및 제5 특성 파장들은 500 nm 내지 700 nm인, 방법.
(74) 시스템으로서, 제1 펄스 레이저, 및 캐비티내 포화성 흡수체 미러(intracavity saturable absorber mirror)를 포함하는 제2 펄스 레이저를 포함하고, 시스템은 제1 펄스 레이저로부터의 펄스들을 제2 펄스 레이저의 포화성 흡수체 미러 상으로 지향시키도록 구성되는, 시스템.
(75) 구성 (74)의 시스템으로서, 제2 펄스 레이저는 수동적으로 모드 동기되는, 시스템.
(76) 구성 (74) 또는 구성 (75)의 시스템으로서, 제1 비선형 광학 요소, 및 제2 비선형 광학 요소를 추가로 포함하고, 시스템은 제1 비선형 광학 요소로부터 생성된 제1 특성 파장의 제1 펄스 트레인 및 제2 비선형 광학 요소로부터 제2 특성 파장의 제2 펄스 트레인을 생성하도록 구성되는, 시스템.
(77) 구성 (74) 내지 구성 (76) 중 어느 한 구성의 시스템으로서, 샘플을 보유하고 제1 펄스 트레인 및 제2 펄스 트레인으로부터의 방사를 샘플 상으로 지향시키도록 구성된 바이오분석 기기를 추가로 포함하는, 시스템.
(78) 구성 (77)의 시스템으로서, 바이오분석 기기는 샘플로부터의 방출을 검출하고 형광 수명들에 기초하여 2개 이상의 형광단들을 구별하도록 구성되는, 시스템.
(79) 2개의 레이저들을 모드 동기시키는 방법으로서, 제1 특성 파장에서 제1 펄스 레이저를 작동시키는 단계; 및 제1 펄스 레이저로부터의 펄스 트레인을 제2 펄스 레이저의 레이저 캐비티 내의 포화성 흡수체 미러 상으로 커플링시키는 단계를 포함하는, 방법.
(80) 구성 (79)의 방법으로서, 제2 특성 파장에서 제2 펄스 레이저를 수동적으로 모드 동기시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
(81) 구성 (80) 또는 구성 (81)의 방법으로서, 제3 특성 파장의 제1 펄스 트레인을 생성하기 위해 제1 펄스 레이저로부터의 펄스들을 주파수 배가시키는 단계; 및 제4 특성 파장의 제2 펄스 트레인을 생성하기 위해 제2 펄스 레이저로부터의 펄스들을 주파수 배가시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
(82) 구성 (81)의 방법으로서, 제1 및 제2 펄스 트레인들의 펄스들을 사용해 바이오분석 기기에 있는 샘플 내의 적어도 2개의 형광단들을 여기시키는 단계; 및 형광 수명들에 기초하여 적어도 2개의 형광단들을 구별하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
(83) 펄스 레이저 시스템으로서, 제1 특성 파장을 갖는 펄스들을 제1 반복 레이트로 생성하도록 구성된, 제1 레이저 캐비티를 갖는 제1 모드 동기 레이저, 연속파 방사(continuous-wave radiation)를 생성하도록 구성된, 제2 레이저 캐비티를 갖는 제2 레이저, 제2 레이저 캐비티 내의 비선형 광학 요소, 및 제1 모드 동기 레이저로부터의 출력을 비선형 광학 요소 내로 지향시키는 광학 요소들을 포함하는, 펄스 레이저 시스템.
(84) 구성 (83)의 펄스 레이저 시스템으로서, 샘플을 보유하고 제2 레이저로부터의 제2 특성 파장의 출력을 샘플 상으로 지향시키도록 구성된 바이오분석 기기를 추가로 포함하는, 펄스 레이저 시스템.
(85) 구성 (84)의 펄스 레이저 시스템으로서, 제2 특성 파장은 500 nm 내지 700 nm인, 펄스 레이저 시스템.
(86) 구성 (84) 또는 구성 (85)의 펄스 레이저 시스템으로서, 바이오분석 기기는 샘플로부터의 방출을 검출하고 형광 수명들에 기초하여 2개 이상의 형광단들을 구별하도록 구성되는, 펄스 레이저 시스템.
(87) 구성 (83) 내지 구성 (86) 중 어느 한 구성의 펄스 레이저 시스템으로서, 제1 모드 동기 레이저 및 제2 레이저가 장착되는 베이스 구조체, 및 제1 레이저 캐비티의 광학 경로 길이를 베이스 구조체의 임의의 횡방향 치수보다 더 큰 길이로 연장시키는, 제1 모드 동기 레이저 내에 위치된 광학 지연 요소를 추가로 포함하는, 펄스 레이저 시스템.
(88) 구성 (87)의 펄스 레이저 시스템으로서, 광학 지연 요소는 광학 지연 요소를 통한 단일 패스(single pass) 상에서 2개의 미러들 사이에서 캐비티내 레이저 빔을 2회 초과 반사시키도록 구성된 2개의 미러들을 포함하는, 펄스 레이저 시스템.
(89) 구성 (87)의 펄스 레이저 시스템으로서, 광학 지연 요소는, 캐비티내 레이저 빔이 광학 지연 요소를 통한 단일 패스 상에서 2회 초과 반사되는, 솔리드 광학 재료 블록(solid block of optical material)을 포함하는, 펄스 레이저 시스템.
(90) 구성 (87)의 펄스 레이저 시스템으로서, 광학 지연 요소는 한 길이의 광학 파이버(optical fiber)를 포함하는, 펄스 레이저 시스템.
(91) 구성 (83) 내지 구성 (86) 중 어느 한 구성의 펄스 레이저 시스템으로서, 제1 모드 동기 레이저 및 제2 레이저가 장착되는 베이스 구조체, 및 베이스 구조체에서의 플랫폼 상에 장착되고 제1 모드 동기 레이저 내의 이득 매질을 여기시키도록 배열된 다이오드 펌프 소스(diode pump source)를 추가로 포함하고, 다이오드 펌프 소스는 대략 450 nm 내지 대략 1100 nm의 펌프 방사(pump radiation)를 제공하는, 펄스 레이저 시스템.
(92) 구성 (91)의 펄스 레이저 시스템으로서, 플랫폼은 베이스 구조체를 관통하여 연장되는 하나 이상의 트렌치들에 의해 베이스 구조체로부터 부분적으로 분리된 베이스 구조체의 구역을 포함하는, 펄스 레이저 시스템.
(93) 구성 (91)의 펄스 레이저 시스템으로서, 플랫폼을 베이스 구조체에 연결시키는 굴곡 부재(flexural member)들을 추가로 포함하는, 펄스 레이저 시스템.
(94) 구성 (83) 내지 구성 (90) 중 어느 한 구성의 펄스 레이저 시스템으로서, 제1 레이저 캐비티의 캐비티내 레이저 빔을 반사시키도록 구성된 포화성 흡수체 미러, 및 레이저 캐비티의 단부에 위치된 출력 커플러를 추가로 포함하는, 펄스 레이저 시스템.
(95) 구성 (83) 내지 구성 (94) 중 어느 한 구성의 펄스 레이저 시스템으로서, 베이스 구조체 내에 장착된 파장 변환 요소 - 파장 변환 요소는 제1 모드 동기 레이저로부터의 레이징 파장을 주파수 배가된 출력 파장으로 변환시킴 - 를 추가로 포함하는, 펄스 레이저 시스템.
(96) 구성 (95)의 펄스 레이저 시스템으로서, 출력 파장은 약 500 nm 내지 약 700 nm이고, 출력 펄스 지속시간은 대략 100 피코초 미만인, 펄스 레이저 시스템.
(97) 구성 (95)의 펄스 레이저 시스템으로서, 베이스 구조체는 레이저 캐비티가 배치되어 있는 캐비티를 포함하고, 베이스 구조체의 에지 치수는 약 200 mm 이하이며 높이 치수는 약 60 mm 이하인, 펄스 레이저 시스템.
(98) 구성 (83) 내지 구성 (97) 중 어느 한 구성의 펄스 레이저 시스템으로서, 제1 모드 동기 레이저는 대략 1064 nm에서 레이징(lase)하도록 구성되고, 제2 레이저는 대략 1342 nm에서 레이징하도록 구성되는, 펄스 레이저 시스템.
(99) 구성 (98)의 펄스 레이저 시스템으로서, 비선형 광학 요소는 합-주파수 생성에 의해 대략 594 nm의 파장의 펄스들을 생성하기 위해 제2 레이저 캐비티 내에 정렬되는, 펄스 레이저 시스템.
(100) 다수의 특성 파장들의 광학 펄스들을 생성하는 방법으로서, 제1 레이저 캐비티를 갖는 제1 모드 동기 레이저에서 제1 특성 파장들의 광학 펄스들을 생성하는 단계; 연속파 모드에서 제2 특성 파장들에서 제2 레이저 캐비티를 갖는 제2 레이저를 작동시키는 단계; 제1 모드 동기 레이저로부터의 펄스들을 제2 레이저 캐비티 내의 비선형 광학 요소 내로 주입시키는 단계; 및 비선형 광학 요소에서 제3 특성 파장들의 광학 펄스들을, 합-주파수 생성에 의해, 생성하는 단계를 포함하는, 방법.
(101) 구성 (100)의 방법으로서, 제1 모드 동기 레이저 및 제2 레이저 둘 다에서 동일한 이득 매질이 사용되는, 방법.
(102) 구성 (101)의 방법으로서, 각각의 레이저 내의 이득 매질을 다이오드 펌핑(diode-pumping)하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
(103) 구성 (101) 또는 구성 (102)의 방법으로서, 이득 매질은 Nd:YVO4인, 방법.
(104) 구성 (100) 내지 구성 (103) 중 어느 한 구성의 방법으로서, 제2 레이저로부터의 광학 펄스들을 샘플을 보유하고 광학 펄스들을 샘플 상으로 지향시키도록 구성된 바이오분석 기기에 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
(105) 구성 (100) 내지 구성 (104) 중 어느 한 구성의 방법으로서, 제3 특성 파장은 500 nm 내지 700 nm인, 방법.
(106) 구성 (104) 또는 구성 (105)의 방법으로서, 바이오분석 기기로, 샘플로부터의 방출을 검출하는 단계; 및 형광 수명들에 기초하여 2개 이상의 형광단들을 구별하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
(107) 구성 (104) 내지 구성 (106) 중 어느 한 구성의 방법으로서, 제1 모드 동기 레이저로부터의 광학 펄스들로부터 클록 신호를 도출하고 클록 신호를 바이오분석 기기에 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
(108) 구성 (100) 내지 구성 (107) 중 어느 한 구성의 방법으로서, 제1 모드 동기 레이저에서 광학 펄스들을 생성하는 단계는 제1 모드 동기 레이저를 수동적으로 모드 동기시키는 단계를 포함하는, 방법.
(109) 구성 (100) 내지 구성 (108) 중 어느 한 구성의 방법으로서, 제1 특성 파장은 대략 1064 nm이고, 제2 특성 파장은 대략 1342 nm이며, 제3 특성 파장은 대략 594 nm인, 방법.
(110) 구성 (100) 내지 구성 (109) 중 어느 한 구성의 방법으로서, 제1 모드 동기 레이저로부터의 광학 펄스들을 주파수 배가시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
(111) 펄스 레이저로서, 베이스 구조체, 베이스 구조체 내에 장착된 다이오드 펌프 소스, 및 이득 매질을 포함하고 광학 펄스들을 생성하도록 구성된 베이스 구조체 내의 레이저 캐비티 - 다이오드 펌프 소스 및 이득 매질 각각은 베이스 구조체로부터 부분적으로 열적으로 그리고 기계적으로 격리된 플랫폼 상에 장착됨 - 를 포함하는, 펄스 레이저.
(112) 구성 (111)의 펄스 레이저로서, 레이저 캐비티의 광학 경로 길이를 베이스 구조체의 횡방향 치수보다 더 큰 길이로 연장시키는, 펄스 레이저 캐비티 내에 위치된 광학 지연 요소를 추가로 포함하는, 펄스 레이저.
(113) 구성 (112)의 펄스 레이저로서, 광학 지연 요소는 2개의 미러들 사이에서 캐비티내 레이저 빔을 여러 번 반사시키도록 구성된 2개의 미러들을 포함하는, 펄스 레이저.
(114) 구성 (112)의 펄스 레이저로서, 광학 지연 요소는, 캐비티내 레이저 빔이 여러 번 반사되는, 솔리드 광학 재료 블록을 포함하는, 펄스 레이저.
(115) 구성 (112)의 펄스 레이저로서, 광학 지연 요소는 한 길이의 광학 파이버를 포함하는, 펄스 레이저.
(116) 구성 (111) 내지 구성 (115) 중 어느 한 구성의 펄스 레이저로서, 다이오드 펌프 소스는 대략 450 nm 내지 대략 1100 nm의 펌프 방사를 제공하는, 펄스 레이저.
(117) 구성 (111) 내지 구성 (116) 중 어느 한 구성의 펄스 레이저로서, 다이오드 펌프 소스로부터의 빔을 재정형(reshape)하도록 배열된 한 쌍의 교차 원통형 렌즈(crossed cylindrical lens)들을 추가로 포함하는, 펄스 레이저.
(118) 구성 (111) 내지 구성 (117) 중 어느 한 구성의 펄스 레이저로서, 캐비티내 레이저 빔을 반사시키도록 구성된, 베이스 구조체 내의 포화성 흡수체 미러, 및 레이저 캐비티의 단부에 위치된 출력 커플러를 추가로 포함하는, 펄스 레이저.
(119) 구성 (111) 내지 구성 (118) 중 어느 한 구성의 펄스 레이저로서, 베이스 구조체 내에 장착된 파장 변환 요소 - 파장 변환 요소는 이득 매질로부터의 레이징 파장을 출력 파장으로 변환시킴 - 를 추가로 포함하는, 펄스 레이저.
(120) 구성 (119)의 펄스 레이저로서, 출력 파장은 약 500 nm 내지 약 700 nm이고, 출력 펄스 지속시간은 대략 10 피코초 미만인, 펄스 레이저.
(121) 구성 (111) 내지 구성 (120) 중 어느 한 구성의 펄스 레이저로서, 샘플을 보유하고 펄스 레이저로부터의 출력 파장의 출력을 샘플 상으로 지향시키도록 구성된 바이오분석 기기를 추가로 포함하는, 펄스 레이저.
(122) 구성 (121)의 펄스 레이저로서, 바이오분석 기기는 샘플로부터의 방출을 검출하고 형광 수명들에 기초하여 2개 이상의 형광단들을 구별하도록 구성되는, 펄스 레이저.
(123) 구성 (119) 내지 구성 (122) 중 어느 한 구성의 펄스 레이저로서, 베이스 구조체는 레이저 캐비티가 배치되어 있는 캐비티를 포함하고, 베이스 구조체의 에지 치수는 약 200 mm 이하이며 높이 치수는 약 60 mm 이하인, 펄스 레이저.
(124) 구성 (111) 내지 구성 (123) 중 어느 한 구성의 펄스 레이저로서, 플랫폼은 베이스 구조체를 관통하여 연장되는 하나 이상의 트렌치들에 의해 베이스 구조체로부터 부분적으로 분리된 베이스 구조체의 구역을 포함하는, 펄스 레이저.
(125) 구성 (124)의 펄스 레이저로서, 플랫폼을 베이스 구조체에 연결시키는 굴곡 부재들을 추가로 포함하는, 펄스 레이저.
(126) 구성 (111) 내지 구성 (124) 중 어느 한 구성의 펄스 레이저로서, 베이스 구조체는 알루미늄을 포함하는, 펄스 레이저.
(127) 구성 (111) 내지 구성 (126) 중 어느 한 구성의 펄스 레이저로서, 펄스 레이저 캐비티는 2개의 파장들에서 레이징하는 것을 지원하는 이득 매질을 포함하고, 포화성 흡수체 미러는 2개의 파장들에서 포화성 흡수(saturable absorption)를 제공하는, 펄스 레이저.
(128) 구성 (127)의 펄스 레이저로서, 제1 레이징 파장은 대략 1064 ㎚이고, 제2 레이징 파장은 대략 1342 ㎚인, 펄스 레이저.
(129) 구성 (127) 또는 구성 (128)의 펄스 레이저로서, 포화성 흡수체 미러는 반사체(reflector), 반사체로부터 제1 거리만큼 이격되고 제1 에너지 밴드 갭을 갖는 제1 다중 양자 웰 구조체(multiple quantum well structure), 및 제1 거리보다 더 큰 제2 거리만큼 반사체로부터 이격되고 제2 에너지 밴드 갭을 갖는 제2 다중 양자 웰 구조체를 포함하는, 펄스 레이저.
(130) 구성 (129)의 펄스 레이저로서, 제2 에너지 밴드 갭은 제1 에너지 밴드 갭보다 더 큰, 펄스 레이저.
(131) 구성 (1) 내지 구성 (20) 중 어느 한 구성의 모드 동기 레이저로서, 이득 매질에서의 최소 빔 웨이스트(minimum beam waist) 대 포화성 흡수체 미러 상에서의 포커싱된 빔 웨이스트(focused beam waist)의 비는 4:1 내지 1:2인, 모드 동기 레이저.
(132) 구성 (1) 내지 구성 (20) 및 구성 (131) 중 어느 한 구성의 모드 동기 레이저로서, 이득 매질에서의 빔 반경은 20 마이크로미터 내지 200 마이크로미터인, 모드 동기 레이저.
VI. 결론
펄스 레이저의 몇몇 실시예들의 몇몇 양태들을 설명하였으며, 다양한 변경들, 수정들, 및 개선들이 본 기술분야의 통상의 기술자에게 용이하게 안출될 것임을 잘 알 것이다. 이러한 변경들, 수정들, 및 개선들은 본 개시내용의 일부인 것으로 의도되고, 본 발명의 사상 및 범주 내에 있는 것으로 의도된다. 본 교시내용들이 다양한 실시예들 및 예들과 관련하여 설명되었지만, 본 교시내용들이 이러한 실시예들 또는 예들로 제한되는 것으로 의도되어 있지 않다. 이와 반대로, 본 기술분야의 통상의 기술자가 잘 알 것인 바와 같이, 본 교시내용들은 다양한 대안들, 수정들, 및 균등물들을 포함한다.
예를 들어, 실시예들이 앞서 설명된 것보다 더 많은 또는 더 적은 광학 컴포넌트들을 레이저 캐비티에 포함하도록 수정될 수 있다. 더욱이, 일부 레이저 캐비티들이 광학 경로에 더 많거나 더 적은 방향전환들 또는 폴딩들을 갖기 때문에, 레이저 캐비티 구성들이 도시된 것과 상이할 수 있다.
다양한 발명 실시예들이 설명되고 예시되었지만, 본 기술분야의 통상의 기술자는 기능을 수행하고 그리고/또는 결과들 및/또는 설명된 장점들 중 하나 이상의 장점들을 달성하기 위한 다양한 다른 수단들 및/또는 구조들을 용이하게 구상할 것이고, 이러한 변형들 및/또는 수정들 각각은 설명된 발명 실시예들의 범주 내에 있는 것으로 간주된다. 보다 일반적으로, 본 기술분야의 통상의 기술자라면 설명된 모든 파라미터들, 치수들, 재료들, 및 구성들이 예들인 것으로 의도되어 있다는 것과, 실제 파라미터들, 치수들, 재료들, 및/또는 구성들이 발명 교시내용들이 사용되는 특정 적용분야 또는 적용분야들에 의존할 것임을 잘 알 것이다. 본 기술분야의 통상의 기술자는, 일상적인 실험만을 사용하여, 설명된 특정 발명 실시예들에 대한 많은 균등물들을 인식하거나 확인할 수 있을 것이다. 따라서, 전술한 실시예들이 단지 예로서 제시되어 있다는 것과, 첨부된 청구항들 및 그의 균등물들의 범주 내에서, 발명 실시예들이 구체적으로 설명되고 청구된 것과 다른 방식으로 실시될 수 있다는 것을 잘 알 것이다. 본 개시내용의 발명 실시예들은 설명된 각각의 개별적인 특징, 시스템, 시스템 업그레이드, 및/또는 방법에 관한 것일 수 있다. 그에 부가하여, 이러한 특징들, 시스템들, 시스템 업그레이드들, 및/또는 방법들이 상호 모순되지 않는 경우, 2개 이상의 이러한 특징들, 시스템들, 및/또는 방법들의 임의의 조합이 본 개시내용의 발명 범주 내에 포함된다.
게다가, 본 발명의 몇몇 장점들이 나타내어져 있을 수 있지만, 본 발명의 모든 실시예가 설명된 장점 모두를 포함하는 것은 아님을 이해해야 한다. 일부 실시예들은 유리하다고 설명된 어떤 특징들도 구현하지 않을 수 있다. 그에 따라, 전술한 설명 및 도면들은 단지 예일 뿐이다.
특허들, 특허 출원들, 기사들, 서적들, 논문들, 및 웹 페이지들을 포함하지만 이들로 제한되지 않는, 본 출원에 인용된 모든 문헌 및 유사한 자료는, 이러한 문헌 및 유사한 자료의 포맷에 관계없이, 참조에 의해 그 전체가 명백히 원용된다. 원용된 문헌 및 유사한 자료들 중 하나 이상이, 정의된 용어들, 용어 사용법, 설명된 기법들 등을 포함하지만 이들로 제한되지 않는, 본 출원과 상이하거나 모순되는 경우에, 이 출원이 우선한다.
사용된 섹션 제목들은 편성을 위한 것에 불과하고, 어떤 식으로든 설명된 발명 요지를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
또한, 설명된 기술은 방법 - 그의 적어도 하나의 예가 제공되었음 - 으로서 구현될 수 있다. 방법의 일부로서 수행되는 단계들은 임의의 적당한 방식으로 순서 지정될 수 있다. 그에 따라, 단계들이 예시된 것과 상이한 순서로 수행되는 실시예들이 구성될 수 있으며, 이 실시예들은 일부 단계들을, 예시적인 실시예들에서 순차적인 단계들로서 도시되어 있지만, 동시에 수행하는 것을 포함할 수 있다.
모든 정의들은, 정의되고 사용되는 바와 같이, 사전 정의(dictionary definition)들, 참조에 의해 원용된 문헌들에서의 정의들, 및/또는 정의된 용어들의 통상적인 의미들보다 우선하는 것으로 이해되어야 한다.
수치 값들 및 범위들이, 명세서 및 청구범위에서, 대략적인 또는 정확한 값들 또는 범위들로서 설명될 수 있다. 예를 들어, 일부 경우들에서, "약", "대략", 및 "실질적으로"라는 용어들이 값에 대한 언급에서 사용될 수 있다. 이러한 언급들은 언급된 값은 물론 값의 합당한 ± 변동들을 포함하는 것으로 의도되어 있다. 예를 들어, "약 10 내지 약 20"이라는 문구는 일부 실시예들에서 "정확히 10 내지 정확히 20"은 물론, 일부 실시예들에서 "10 ± δ1 내지 20 ± δ2"를 의미하는 것으로 의도되어 있다. 값에 대한 변동량(δ1, δ2)은 일부 실시예들에서 값의 5% 미만, 일부 실시예들에서 값의 10% 미만, 그리고 게다가 일부 실시예들에서 값의 20% 미만일 수 있다. 값들의 큰 범위, 예컨대, 100배 이상을 비롯한 범위가 주어지는 실시예들에서, 값에 대한 변동량(δ1, δ2)은 50% 정도로 높을 수 있다. 예를 들어, 작동가능 범위가 2 내지 200으로 확장되면 "대략 80"은 40 내지 120의 값들을 포함할 수 있고, 범위는 1 내지 300 정도로 클 수 있다. 정확한 값들이 의도되어 있을 때, "정확히"라는 용어가 사용된다 - 예컨대, "정확히 2 내지 정확히 200" -.
"인접한"이라는 용어는 2개의 요소들이 서로 가까운 근접 범위 내에(예컨대, 2개의 요소들 중 큰 쪽의 횡방향 또는 수직 치수의 약 1/5 미만의 거리 내에) 배열된 것을 지칭할 수 있다. 일부 경우들에서, 인접한 요소들 사이에 개재 구조체들 또는 층들이 있을 수 있다. 일부 경우들에서, 인접한 요소들은 어떤 개재 구조체들 또는 요소들도 없이 서로 바로 인접해 있을 수 있다.
명세서 및 청구범위에서 사용되는 관형사 "한" 및 "어떤"은, 명확히 달리 표시되지 않는 한, "적어도 하나"를 의미하는 것으로 이해되어야만 한다.
"및/또는"이라는 문구는, 명세서 및 청구범위에서 사용되는 바와 같이, 그와 같이 등위 접속된 요소들, 즉 일부 경우들에서 결합적으로(conjunctively) 존재하고 다른 경우들에서 택일적으로(disjunctively) 존재하는 요소들 중 "어느 하나 또는 둘 다"를 의미하는 것으로 이해되어야한다. "및/또는"을 사용해 열거된 다수의 요소들은 동일한 방식으로, 즉 그렇게 등위 접속된 요소들 중 "하나 이상"으로 해석되어야만 한다. "및/또는"절에 의해 구체적으로 식별되는 요소들 이외에 다른 요소들이, 구체적으로 식별된 그 요소들에 관련이 있는지 여부와 상관없이, 임의로 존재할 수 있다. 따라서, 비제한적인 예로서, "A 및/또는 B"에 대한 언급은, "포함하는(comprising)"과 같은 개방형 표현(open-ended language)과 함께 사용될 때, 일 실시예에서, A만(임의로 B 이외의 요소들을 포함함); 다른 실시예에서, B만(임의로 A 이외의 요소들을 포함함); 또 다른 실시예에서, A 및 B 둘 다(임의로 다른 원소들을 포함함); 기타를 지칭할 수 있다.
명세서에서 그리고 청구범위에서 사용되는 바와 같이, "또는"은 이상에서 정의된 바와 같은 "및/또는"과 동일한 의미를 갖는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 목록에서 항목들을 분리할 때, "또는" 또는 "및/또는"은 포함적(inclusive)인 것으로 해석되어야 하며, 즉 다수의 요소들 또는 요소들의 목록 중 적어도 하나의 요소를 포함하는 것은 물론, 하나 초과의 요소, 그리고 임의로 부가의 열거되지 않은 항목들을 포함하는 것으로 해석되어야 한다. "~ 중 오직 하나(only one of)" 또는 "~ 중 정확히 하나(exactly one of)" 또는, 청구범위에서 사용될 때, "~로 이루어진(consisting of)"과 같은, 명확히 달리 표시되는 용어들만이 다수의 요소들 또는 요소들의 목록 중 정확히 하나의 요소를 포함하는 것을 지칭할 것이다. 일반적으로, "또는"이라는 용어는, 사용되는 바와 같이, "어느 하나", "~중 하나", "~중 오직 하나", 또는 " ~ 중 정확히 하나"와 같은, 배타성의 용어들이 선행될 때 배타적 양자택일(exclusive alternative)(즉, 둘 다가 아니라 한쪽 또는 다른 쪽)을 나타내는 것으로만 해석된다. "본질적으로 ~로 이루어진(consisting essentially of)"은, 청구범위에서 사용될 때, 특허법 분야에서 사용되는 것과 같이 그의 통상적인 의미를 갖는다.
명세서 및 청구범위에서 사용되는 바와 같이, 하나 이상의 요소들의 목록에 대한 언급에서 "적어도 하나"라는 문구는 요소들의 목록 내의 요소들 중 임의의 하나 이상의 요소들 중에서 선택된 적어도 하나의 요소를 의미하는 것으로 이해되어야 하지만, 요소들의 목록 내에 구체적으로 열거된 각기의 요소 중 적어도 하나를 꼭 포함하는 것은 아니며 요소들의 목록 내의 요소들의 임의의 조합들을 배제하지 않는다. 이 정의는 또한 "적어도 하나"라는 문구가 언급하는 요소들의 목록 내에서 구체적으로 식별되는 요소들 이외에 요소들이, 구체적으로 식별된 그 요소들에 관련이 있는지 여부에 관계없이, 임의로 존재할 수 있는 것을 허용한다. 따라서, 비제한적인 예로서, "A 및 B 중 적어도 하나"(또는 등가적으로, "A 또는 B 중 적어도 하나" 또는 등가적으로 "A 및/또는 B 중 적어도 하나")는, 일 실시예에서, B가 존재하지 않는 경우(그리고 임의로 B 이외의 요소들을 포함함), 적어도 하나의 A - 임의로 하나 초과의 A를 포함함 - 를 지칭할 수 있고; 다른 실시예에서, A가 존재하지 않는 경우(그리고 임의로 A 이외의 요소들을 포함함), 적어도 하나의 B - 임의로 하나 초과의 B를 포함함 - 를 지칭할 수 있으며; 또 다른 실시예에서, 적어도 하나의 A - 임의로 하나 초과의 A를 포함함 -, 및 적어도 하나의 B - 임의로 하나 초과의 B를 포함함 - (그리고 임의로 다른 요소들을 포함함)를 지칭할 수 있고; 기타일 수 있다.
청구범위에서는 물론 이상의 명세서에서, "포함하는(comprising)", "포함하는(including)", "담고 있는(carrying)", "갖는(having)", "함유하는(containing)", "수반하는(involving)", "보유하는(holding)", "~로 구성되는(composed of)" 등과 같은 모든 이행적 어구(transitional phrase)들은 개방형(open-ended)인 것으로, 즉 "~를 포함하지만 이에 한정되지는 않는"을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 이행적 어구들 "~로 이루어진(consisting of)" 및 "본질적으로 ~로 이루어진consisting essentially of)"만이, 각각, 폐쇄형(closed) 또는 반폐쇄형(semi-closed) 이행적 어구들이다.
청구범위는, 그 취지로 언급되지 않는 한, 설명된 순서 또는 요소들로 제한되는 것으로 읽혀져서는 안된다. 첨부된 청구항들의 사상 및 범주를 벗어남이 없이 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 형태 및 상세의 다양한 변경들이 행해질 수 있다는 것을 잘 알 것이다. 하기의 청구항들 및 그 균등물들의 사상 및 범주 내에 있는 모든 실시예들이 청구된다.

Claims (130)

  1. 모드 동기 레이저(mode-locked laser)로서,
    350 mm 이하의 최대 에지 길이를 갖는 베이스 플레이트(base plate);
    상기 베이스 플레이트 상에 장착된 이득 매질(gain medium);
    레이저 캐비티(laser cavity)의 제1 단부에 위치된, 상기 베이스 플레이트 상에 장착된 제1 단부 미러(end mirror); 및
    상기 베이스 플레이트 상에 장착되고 상기 레이저 캐비티에 대한 제2 단부 미러를 형성하는 포화성 흡수체 미러(saturable-absorber mirror)를 포함하고, 상기 모드 동기 레이저는 50 MHz 내지 200 MHz의 반복 레이트로 수동 모드 동기(passive mode locking)에 의해 광학 펄스들을 생성하도록 구성되는, 모드 동기 레이저.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 모드 동기 레이저로부터 여기 펄스들을 수신하도록 배열된 바이오 광전자 칩(bio-optoelectronic chip) - 상기 바이오 광전자 칩은 표적 핵산(target nucleic acid)에 상보적인 성장 가닥(growing strand) 내로의 뉴클레오티드(nucleotide)들 또는 뉴클레오티드 유사체(nucleotide analog)들의 순차적 혼입을 지원함 -;
    단일 특성 파장의 상기 여기 펄스들을 상기 바이오 광전자 칩 쪽으로 지향시키도록 배열된 빔 스티어링 광학계(beam-steering optics)들; 및
    상기 단일 특성 파장의 상기 여기 펄스들에 의해 유도된 형광 방출을 나타내는 신호들을 수신하고, 상기 성장 가닥 내로 혼입된 4개의 상이한 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들의 상동성(identity)을 결정하기 위해, 상기 수신된 신호들을 처리하도록 구성된 신호 프로세서 - 상기 수신된 신호들은 상기 성장 가닥 내로의 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들의 상기 순차적 혼입에 대응함 - 를 추가로 포함하는, 모드 동기 레이저.
  3. 제1항에 있어서, 상기 모드 동기 레이저가 작동 중인 동안 상기 레이저 캐비티 내에서의 레이저 빔의 조절에서 단지 2 자유도(only two degrees of freedom) - 이 단지 2 자유도는 상기 모드 동기 레이저가 작동 중인 동안 상기 레이저 빔을 조절하기 위해 상기 레이저 캐비티 내의 광학 마운트에 의해 제공됨 - 를 제공하도록 배열되는 상기 레이저 캐비티 내의 조절가능 미러 마운트(adjustable mirror mount)를 추가로 포함하는, 모드 동기 레이저.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 플레이트 상에 장착되고 캐비티내 광학 축(intracavity optical axis)을 따라 상기 이득 매질과 상기 포화성 흡수체 미러 사이에 위치된 제1 포커싱 광학계(focusing optic);
    상기 베이스 플레이트 상에 장착되고 상기 캐비티내 광학 축을 따라 상기 제1 포커싱 광학계와 상기 포화성 흡수체 미러 사이에 위치된 제2 포커싱 광학계를 추가로 포함하고, 상기 캐비티내 광학 축을 따른 상기 제1 포커싱 광학계의 위치에 대한 조절은 상기 캐비티내 광학 축을 따른 상기 제2 포커싱 광학계의 위치에 대한 동일한 양의 조절보다 더 많이 상기 포화성 흡수체 미러 상의 캐비티내 레이저 빔(intracavity laser beam)의 초점 스폿 크기(focal spot size)를 변경하는, 모드 동기 레이저.
  5. 제1항에 있어서, 상기 이득 매질의 적어도 2개의 측면들에 결합되고, 캐비티내 레이저 빔을 스티어링(steer)하는 상기 이득 매질에 걸친 비대칭 열 그레이디언트(asymmetric thermal gradient)를 생성하도록 구성된 온도 제어 요소들을 추가로 포함하는 모드 동기 레이저.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 베이스 플레이트 상에 장착되고 캐비티내 광학 축을 따라 상기 이득 매질과 상기 포화성 흡수체 미러 사이에 위치된 제1 포커싱 광학계;
    상기 베이스 플레이트 상에 장착되고 상기 캐비티내 광학 축을 따라 상기 제1 포커싱 광학계와 상기 포화성 흡수체 미러 사이에 위치된 제2 포커싱 광학계; 및
    상기 제1 포커싱 광학계와 상기 포화성 흡수체 미러 사이에 장착된 캐비티내 빔 스티어링 모듈(intracavity beam-steering module)을 추가로 포함하는, 모드 동기 레이저.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 모드 동기 레이저의 평균 파워(average power)를 검출하도록 배열된 광검출기; 및
    상기 광검출기 및 상기 캐비티내 빔 스티어링 모듈과 통신하는 제어 회로부를 추가로 포함하고, 상기 제어 회로부는 상기 광검출기에 의해 검출된 신호 레벨에 기초하여 캐비티내 레이저 빔을 상기 포화성 흡수체 미러 상에 재정렬(realign)시키기 위한 신호들을 제공하도록 구성되는, 모드 동기 레이저.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 펄스 레이저의 Q-스위칭(Q-switching)과 연관된 하나 이상의 특성들을 검출하도록 배열된 광검출기 및 신호 프로세서; 및
    상기 신호 프로세서 및 상기 캐비티내 빔 스티어링 모듈과 통신하는 제어 회로부를 추가로 포함하고, 상기 제어 회로부는 Q-스위칭과 연관된 상기 하나 이상의 특성들을 검출한 것에 응답하여 캐비티내 레이저 빔을 상기 포화성 흡수체 미러 상에 재정렬시키기 위한 신호들을 제공하도록 구성되는, 모드 동기 레이저.
  9. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이득 매질과 상기 포화성 흡수체 미러 사이에 위치된, 상기 레이저 캐비티의 길이를 연장시키는 복수의 미러들; 및
    상기 베이스 플레이트에 형성되고 상기 이득 매질과 상기 복수의 미러들 사이에 위치되는 마운팅 피처(mounting feature) - 상기 마운팅 피처는 상기 레이저 캐비티를 단축시키는 단부 미러 또는 단부 미러를 보유하기 위한 금구(fixture)를 수납하도록 구성됨 - 를 추가로 포함하는, 모드 동기 레이저.
  10. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐비티내 광학 축의 방향으로 뻗어 있고 상기 모드 동기 레이저의 하나 이상의 광학 컴포넌트들을 수납하도록 구성된, 상기 베이스 플레이트에 형성된 적어도 하나의 트렌치(trench)를 추가로 포함하는, 모드 동기 레이저.
  11. 제10항에 있어서, 상기 베이스 플레이트 내에 형성되는 집적된 광학 마운트(integrated optical mount)를 추가로 포함하며, 상기 집적된 광학 마운트는:
    상기 적어도 하나의 트렌치의 대향 측면들과 접하고(abut) 상기 캐비티내 광학 축에 본질적으로 수직으로 배향된 2개의 코플래너 표면(coplanar surface)들, 및
    상기 적어도 하나의 트렌치의 상기 대향 측면들 상에 형성되고 상기 2개의 코플래너 표면들 쪽으로 경사져 있는 2개의 경사진 표면들을 포함하는, 모드 동기 레이저.
  12. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모드 동기 레이저로부터의 광학 펄스들을 검출하도록 배열된 광검출기; 및
    안정된 발진기(stable oscillator)로부터의 전자 클록 신호를 상기 모드 동기 레이저에 의해 생성된 광학 펄스들에 동기화시키도록 구성된 클록 생성 회로를 추가로 포함하는, 모드 동기 레이저.
  13. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 단부 미러는 대략 10% 내지 대략 25%의 투과율을 갖는 출력 커플러를 포함하는, 모드 동기 레이저.
  14. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 펄스들의 FWHM(full-width half-maximum) 지속시간은 약 5 ps 내지 약 30 ps인, 모드 동기 레이저.
  15. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 펄스들의 테일 강도(tail intensity)는 상기 광학 펄스들의 피크 강도(peak intensity)로부터 250 ps 이후에 상기 광학 펄스들의 피크 강도보다 20 dB 낮게 유지되는, 모드 동기 레이저.
  16. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저로부터의 출력 펄스들을 제1 레이징 파장(lasing wavelength)으로부터 상기 레이징 파장의 1/2을 갖는 펄스들로 변환하는, 상기 베이스 플레이트 상에 장착된 주파수 배가 컴포넌트(frequency-doubling component)를 추가로 포함하는, 모드 동기 레이저.
  17. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 베이스 플레이트 상에 장착되고 상기 모드 동기 레이저로부터의 출력을 수신하도록 배열된 주파수 배가 컴포넌트; 및
    상기 주파수 배가 컴포넌트로부터 바이오 광전자 칩에 전달되는 주파수 배가된 파장에서의 파워의 양을 나타내는 신호를 수신하고, 상기 수신된 신호의 레벨에 기초하여 주파수 배가된 파장에서의 상기 파워의 양을 변경하기 위한 신호를 제공하도록 구성된 피드백 회로를 추가로 포함하는, 모드 동기 레이저.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 주파수 배가 컴포넌트에 전달되는 상기 모드 동기 레이저로부터의 상기 출력의 편광을 변경하도록 배열된 편광 회전자(polarization rotator); 및
    상기 편광 회전자의 배향을 제어하는, 상기 피드백 회로에 연결된 액추에이터를 추가로 포함하는, 모드 동기 레이저.
  19. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 열 절연 패스너(thermally-insulating fastener)들을 사용해 상기 베이스 플레이트에 장착된 다이오드 펌프 소스 모듈(diode pump source module)을 추가로 포함하는, 모드 동기 레이저.
  20. 제19항에 있어서, 상기 다이오드 펌프 소스 모듈은 상기 베이스 플레이트 내의 구멍을 통해 장착되고, 상기 레이저 캐비티의 반대쪽에 있는 상기 베이스 플레이트의 측면 상에 위치되는, 모드 동기 레이저.
  21. DNA를 시퀀싱(sequencing)하는 방법으로서,
    단일 특성 파장의 펄스 여기 에너지를 생성하는 단계;
    상기 펄스 여기 에너지를 바이오 광전자 칩 쪽으로 지향시키는 단계 - 상기 바이오 광전자 칩은 표적 핵산에 상보적인 성장 가닥 내로의 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들의 순차적 혼입을 지원함 -;
    상기 단일 특성 파장의 상기 펄스 여기 에너지에 의해 유도된 형광 방출을 나타내는 신호들을 수신하는 단계 - 상기 신호들은 상기 성장 가닥 내로의 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들의 순차적 혼입에 대응함 -; 및
    상기 성장 가닥 내로 혼입된 4개의 상이한 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들의 상동성을 결정하기 위해 상기 수신된 신호들을 처리하는 단계를 포함하는, 방법.
  22. 제21항에 있어서, 펄스 여기 에너지를 생성하는 단계는 단일 특성 파장에서 작동하는 모드 동기 레이저를 사용해 광학 펄스들을 생성하는 단계를 포함하는, 방법.
  23. 제21항에 있어서, 펄스 여기 에너지를 생성하는 단계는 단일 특성 파장에서 작동하는 이득 스위칭 레이저(gain-switched laser)를 사용해 광학 펄스들을 생성하는 단계를 포함하는, 방법.
  24. 제21항에 있어서, 상기 수신된 신호들을 처리하는 단계는 상기 4개의 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들 중 적어도 2개의 상이한 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들을 식별하기 위해 적어도 2개의 상이한 형광 방출 감쇠 값들 간에 구별하는 단계를 포함하는, 방법.
  25. 제21항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 펄스 여기 에너지에 동기화되는 전자 트리거 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 바이오 광전자 칩 상에서의 형광 방출을 나타내는 상기 신호들의 수집을 타이밍 조절하기 위해 상기 전자 트리거 신호를 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  26. 제25항에 있어서, 상기 펄스 여기 에너지가 온 상태에 뒤따르는 오프 상태에 있을 때 일어날 형광 방출을 나타내는 상기 신호들의 수집을 타이밍 조절하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  27. 제21항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 펄스 여기 에너지를 지향시키는 단계는 상기 펄스 여기 에너지를 상기 바이오 광전자 칩 상의 도파관 내로 커플링시키는 단계를 포함하는, 방법.
  28. 제27항에 있어서, 상기 커플링시키는 단계는:
    상기 도파관에 연결된 입력 포트에 대한 상기 펄스 여기 에너지의 빔의 정렬도를 나타내는 제1 피드백 신호를 상기 바이오 광전자 칩으로부터 수신하는 단계; 및
    상기 제1 피드백 신호에 기초하여 상기 빔을 스티어링하는 단계를 포함하는, 방법.
  29. 제27항에 있어서, 상기 커플링시키는 단계는:
    상기 표적 핵산에 전달되는 파워의 양을 나타내는 제2 피드백 신호를 상기 바이오 광전자 칩으로부터 수신하는 단계; 및
    상기 제2 피드백 신호에 기초하여 상기 펄스 여기 에너지 내의 에너지의 양을 조절하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  30. 바이오분석 기기(bioanalytic instrument)로서,
    단일 특성 파장의 광학 여기 펄스들을 생성하도록 구성된 펄스 레이저 시스템(pulsed laser system);
    바이오 광전자 칩을 수납하고 상기 바이오 광전자 칩과의 전기적 연결들 및 광학 커플링을 이루게 하는 리셉터클(receptacle) - 상기 바이오 광전자 칩은 표적 핵산에 상보적인 성장 가닥 내로의 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들의 순차적 혼입을 지원함 -;
    상기 여기 펄스들을 상기 리셉터클 쪽으로 지향시키도록 배열된 빔 스티어링 광학계들; 및
    상기 단일 특성 파장의 상기 여기 펄스들에 의해 유도된 형광 방출을 나타내는 신호들을 수신하고, 상기 성장 가닥 내로 혼입된 4개의 상이한 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들의 상동성을 결정하기 위해, 상기 수신된 신호들을 처리하도록 구성된 신호 프로세서 - 상기 수신된 신호들은 상기 성장 가닥 내로의 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들의 순차적 혼입에 대응함 - 를 포함하는, 바이오분석 기기.
  31. 제30항에 있어서, 상기 펄스 레이저 시스템은 모드 동기 레이저를 포함하는, 바이오분석 기기.
  32. 제31항에 있어서, 상기 모드 동기 레이저는:
    베이스 플레이트;
    상기 베이스 플레이트 상에 장착된 이득 매질;
    레이저 캐비티의 제1 단부에 위치된, 상기 베이스 플레이트 상에 장착된 제1 단부 미러; 및
    상기 베이스 플레이트 상에 장착되고 상기 레이저 캐비티에 대한 제2 단부 미러를 형성하는 포화성 흡수체 미러를 포함하는, 바이오분석 기기.
  33. 제31항에 있어서, 상기 모드 동기 레이저는 파이버 레이저를 포함하는, 바이오분석 기기.
  34. 제31항에 있어서, 상기 모드 동기 레이저는 모드 동기 레이저 다이오드(mode-locked laser diode)를 포함하는, 바이오분석 기기.
  35. 제31항에 있어서, 상기 모드 동기 레이저는 캐비티내 주파수 배가 요소를 갖는 다이오드 펌핑 레이저(diode-pumped laser)를 포함하는, 바이오분석 기기.
  36. 제30항에 있어서, 상기 펄스 레이저 시스템은 이득 스위칭 레이저를 포함하는, 바이오분석 기기.
  37. 제36항에 있어서, 상기 이득 스위칭 레이저는 레이저 다이오드를 포함하는, 바이오분석 기기.
  38. 제36항에 있어서, 상기 이득 스위칭 레이저는:
    레이저 다이오드; 및
    양극성 전류 펄스(bipolar current pulse)를 상기 레이저 다이오드에 제공하도록 구성된 전류 구동 회로(current driving circuit) - 상기 양극성 전류 펄스는 제1 진폭 및 제1 극성을 갖는 제1 펄스 및 그에 뒤따르는 상기 제1 진폭보다 더 작은 제2 진폭을 갖는 반대 극성의 제2 펄스를 포함함 - 를 포함하는, 바이오분석 기기.
  39. 제38항에 있어서, 상기 구동 회로는 상기 레이저 다이오드의 단자에 결합된 트랜지스터를 포함하고, 상기 구동 회로는 단극성 펄스(unipolar pulse)를 수신하고 상기 단극성 펄스를 수신한 것에 응답하여 양극성 전기 펄스를 상기 반도체 다이오드에 인가하도록 구성되는, 바이오분석 기기.
  40. 제30항에 있어서, 상기 펄스 레이저 시스템은 연속파 레이저 및 상기 연속파 레이저로부터의 출력을 변조하는 상호연결된 광학 스위치들의 어레이를 포함하는, 바이오분석 기기.
  41. 제30항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 여기 펄스들이 상기 바이오 광전자 칩에서 본질적으로 오프인 상태(essentially off state)에 있을 때 일어날 형광 방출을 나타내는 상기 신호들의 수집을 제어하는 동기화 회로부를 추가로 포함하는, 바이오분석 기기.
  42. 제41항에 있어서, 상기 동기화 회로부는 전자 또는 전기기계 발진기로부터의 제1 클록 신호를 상기 여기 펄스들의 검출로부터 생성된 제2 클록 신호에 동기화시키고, 상기 바이오분석 기기에 의한 데이터 취득을 타이밍 조절하기 위해 상기 동기화된 제1 클록 신호를 제공하도록 구성된 클록 생성 회로를 포함하는, 바이오분석 기기.
  43. 제42항에 있어서, 상기 클록 생성 회로는 상기 광학 펄스들로부터 생성된 전자 펄스들의 진폭들을 레벨링(level)하기 위한 자동 이득 제어 증폭부(automatic gain control amplification)를 포함하는, 바이오분석 기기.
  44. 제42항에 있어서, 상기 클록 생성 회로는 상기 광학 펄스들로부터 생성된 전자 펄스들의 진폭들을 레벨링하기 위한 포화 증폭부(saturated amplification)를 포함하는, 바이오분석 기기.
  45. 바이오분석 기기로서,
    단일 특성 파장의 펄스 여기 에너지를 생성하도록 구성된 레이저; 및
    전자 또는 전기기계 발진기로부터의 제1 클록 신호를 상기 레이저로부터의 광학 펄스들의 검출로부터 생성된 제2 클록 신호에 동기화시키고, 상기 바이오분석 기기에 의한 데이터 취득을 타이밍 조절하기 위해 상기 동기화된 제1 클록 신호를 제공하도록 구성된 클록 생성 회로를 포함하는, 바이오분석 기기.
  46. 제45항에 있어서, 상기 클록 생성 회로는 상기 광학 펄스들로부터 생성된 전자 펄스들의 진폭들을 레벨링하기 위한 자동 이득 제어 증폭부를 포함하는, 바이오분석 기기.
  47. 제45항에 있어서, 상기 클록 생성 회로는 상기 광학 펄스들로부터 생성된 전자 펄스들의 진폭들을 레벨링하기 위한 포화 증폭부를 포함하는, 바이오분석 기기.
  48. 제45항에 있어서, 상기 클록 발생 회로는 상기 제1 클록 신호의 위상을 상기 제2 클록 신호에 동기(lock)시키는 위상 동기 루프(phase-locked loop)를 포함하는, 바이오분석 기기.
  49. 제45항에 있어서, 상기 클록 발생 회로는 상기 제1 클록 신호의 위상을 상기 제2 클록 신호에 동기시키는 지연 동기 루프(delay-locked loop)를 포함하는, 바이오분석 기기.
  50. 시스템으로서,
    펄스 레이저;
    연속파 레이저;
    제1 비선형 광학 요소; 및
    제2 비선형 광학 요소를 포함하고, 상기 시스템은 상기 제1 비선형 광학 요소로부터 생성된 제1 특성 파장의 제1 펄스 트레인(pulse train) 및 상기 제2 비선형 광학 요소로부터 제2 특성 파장의 제2 펄스 트레인을 생성하도록 구성되는, 시스템.
  51. 제50항에 있어서, 상기 제2 비선형 광학 요소는 상기 연속파 레이저의 레이저 캐비티 내에 있는, 시스템.
  52. 제50항에 있어서, 상기 제2 펄스 트레인은 상기 제1 펄스 트레인에 동기화되는, 시스템.
  53. 제50항에 있어서, 상기 제2 펄스 트레인은 상기 제2 비선형 광학 요소에서 합-주파수 생성(sum-frequency generation)에 의해 생성되는, 시스템.
  54. 제50항에 있어서, 상기 제1 및 제2 특성 파장들은 500 nm 내지 700 nm인, 시스템.
  55. 제50항 내지 제54항 중 어느 한 항에 있어서,
    샘플을 보유하도록 구성된 바이오분석 기기; 및
    상기 제1 펄스 트레인 및 상기 제2 펄스 트레인으로부터의 방사를 상기 샘플 상으로 지향시키도록 배열된 빔 스티어링 광학계들을 추가로 포함하는, 시스템.
  56. 제55항에 있어서, 상기 바이오분석 기기는 상기 샘플로부터의 방출을 검출하고 형광 수명들에 기초하여 2개 이상의 형광단(fluorophore)들을 구별하도록 구성되는, 시스템.
  57. 동기화된 광학 펄스들을 제공하는 방법으로서,
    제1 특성 파장에서 펄스 레이저를 작동시키는 단계;
    제2 특성 파장에서 연속파 레이저를 작동시키는 단계;
    상기 펄스 레이저로부터의 제1 펄스 트레인을 상기 연속파 레이저의 레이저 캐비티 내로 커플링시키는 단계; 및
    상기 연속파 레이저의 상기 레이저 캐비티에서 제3 특성 파장의 제2 펄스 트레인을 생성하는 단계를 포함하는, 방법.
  58. 제57항에 있어서, 상기 제2 펄스 트레인을 생성하는 단계는 합-주파수 생성을 포함하는, 방법.
  59. 제57항 또는 제58항에 있어서, 제4 특성 파장의 제3 펄스 트레인을 생성하기 위해 상기 펄스 레이저로부터의 펄스 트레인을 주파수 배가(frequency doubling)시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  60. 제59항에 있어서, 상기 제2 펄스 트레인 및 상기 제3 펄스 트레인을 바이오분석 기기에 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  61. 제60항에 있어서,
    상기 제2 및 제3 펄스 트레인들의 펄스들을 사용해 상기 바이오분석 기기에 있는 샘플 내의 적어도 2개의 형광단들을 여기시키는 단계; 및
    형광 수명들에 기초하여 상기 적어도 2개의 형광단들을 구별하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  62. 시스템으로서,
    제1 펄스 레이저;
    제2 펄스 레이저;
    제1 비선형 광학 요소; 및
    제2 비선형 광학 요소를 포함하고, 상기 시스템은 상기 제1 비선형 광학 요소로부터 생성된 제1 특성 파장의 제1 펄스 트레인 및 상기 제2 비선형 광학 요소로부터 합-주파수 생성에 의해 제2 특성 파장의 제2 펄스 트레인을 생성하도록 구성되는, 시스템.
  63. 제62항에 있어서, 상기 제2 펄스 트레인은 상기 제1 펄스 트레인에 동기화되는, 시스템.
  64. 제62항 또는 제63항에 있어서, 샘플을 보유하고 상기 제1 펄스 트레인 및 상기 제2 펄스 트레인으로부터의 방사를 상기 샘플 상으로 지향시키도록 구성된 바이오분석 기기를 추가로 포함하는, 시스템.
  65. 제64항에 있어서, 상기 바이오분석 기기는 상기 샘플로부터의 방출을 검출하고 형광 수명들에 기초하여 2개 이상의 형광단들을 구별하도록 구성되는, 시스템.
  66. 제62항 또는 제63항에 있어서, 제3 비선형 광학 요소를 추가로 포함하고, 상기 시스템은 상기 제3 비선형 광학 요소로부터 생성된 제3 특성 파장의 제3 펄스 트레인을 생성하도록 구성되는, 시스템.
  67. 제66항에 있어서, 상기 제3 펄스 트레인은 상기 제1 및 제2 펄스 트레인들에 동기화되는, 시스템.
  68. 제66항에 있어서, 상기 제1, 제2, 및 제3 특성 파장들은 500 nm 내지 700 nm인, 시스템.
  69. 동기화된 광학 펄스들을 제공하는 방법으로서,
    제1 특성 파장에서 제1 펄스 레이저를 작동시키는 단계;
    제2 특성 파장에서 제2 펄스 레이저를 작동시키는 단계;
    상기 제1 펄스 레이저를 상기 제2 펄스 레이저에 동기화시키는 단계;
    제3 특성 파장의 제1 펄스 트레인을 생성하기 위해 상기 제1 펄스 레이저로부터의 펄스들을 주파수 배가시키는 단계;
    상기 제1 펄스 레이저 및 상기 제2 펄스 레이저로부터의 펄스들을 비선형 광학 요소 내로 커플링시키는 단계; 및
    합-주파수 생성에 의해, 제4 특성 파장의 제2 펄스 트레인을 생성하는 단계를 포함하는, 방법.
  70. 제69항에 있어서, 상기 제1 펄스 트레인 및 상기 제2 펄스 트레인을 바이오분석 기기에 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  71. 제70항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 펄스 트레인들의 펄스들을 사용해 상기 바이오분석 기기에 있는 샘플 내의 적어도 2개의 형광단들을 여기시키는 단계; 및
    형광 수명들에 기초하여 상기 적어도 2개의 형광단들을 구별하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  72. 제69항에 있어서, 제5 특성 파장의 제3 펄스 트레인을 생성하기 위해 상기 제2 펄스 레이저로부터의 펄스들을 주파수 배가시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  73. 제72항에 있어서, 상기 제3, 제4, 및 제5 특성 파장들은 500 nm 내지 700 nm인, 방법.
  74. 시스템으로서,
    제1 펄스 레이저; 및
    캐비티내 포화성 흡수체 미러(intracavity saturable absorber mirror)를 포함하는 제2 펄스 레이저를 포함하고, 상기 시스템은 상기 제1 펄스 레이저로부터의 펄스들을 상기 제2 펄스 레이저의 상기 포화성 흡수체 미러 상으로 지향시키도록 구성되는, 시스템.
  75. 제74항에 있어서, 상기 제2 펄스 레이저는 수동적으로 모드 동기되는, 시스템.
  76. 제74항에 있어서,
    제1 비선형 광학 요소; 및
    제2 비선형 광학 요소를 추가로 포함하고, 상기 시스템은 상기 제1 비선형 광학 요소로부터 생성된 제1 특성 파장의 제1 펄스 트레인 및 상기 제2 비선형 광학 요소로부터 제2 특성 파장의 제2 펄스 트레인을 생성하도록 구성되는, 시스템.
  77. 제74항 또는 제75항에 있어서, 샘플을 보유하고 상기 제1 펄스 트레인 및 상기 제2 펄스 트레인으로부터의 방사를 상기 샘플 상으로 지향시키도록 구성된 바이오분석 기기를 추가로 포함하는, 시스템.
  78. 제77항에 있어서, 상기 바이오분석 기기는 상기 샘플로부터의 방출을 검출하고 형광 수명들에 기초하여 2개 이상의 형광단들을 구별하도록 구성되는, 시스템.
  79. 2개의 레이저들을 모드 동기시키는 방법으로서,
    제1 특성 파장에서 제1 펄스 레이저를 작동시키는 단계; 및
    상기 제1 펄스 레이저로부터의 펄스 트레인을 제2 펄스 레이저의 레이저 캐비티 내의 포화성 흡수체 미러 상으로 커플링시키는 단계를 포함하는, 방법.
  80. 제79항에 있어서, 제2 특성 파장에서 상기 제2 펄스 레이저를 수동적으로 모드 동기시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  81. 제80항에 있어서,
    제3 특성 파장의 제1 펄스 트레인을 생성하기 위해 상기 제1 펄스 레이저로부터의 펄스들을 주파수 배가시키는 단계; 및
    제4 특성 파장의 제2 펄스 트레인을 생성하기 위해 상기 제2 펄스 레이저로부터의 펄스들을 주파수 배가시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  82. 제81항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 펄스 트레인들의 펄스들을 사용해 바이오분석 기기에 있는 샘플 내의 적어도 2개의 형광단들을 여기시키는 단계; 및
    형광 수명들에 기초하여 상기 적어도 2개의 형광단들을 구별하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  83. 펄스 레이저 시스템으로서,
    제1 특성 파장을 갖는 펄스들을 제1 반복 레이트로 생성하도록 구성된, 제1 레이저 캐비티를 갖는 제1 모드 동기 레이저;
    연속파 방사(continuous-wave radiation)를 생성하도록 구성된, 제2 레이저 캐비티를 갖는 제2 레이저;
    상기 제2 레이저 캐비티 내의 비선형 광학 요소; 및
    상기 제1 모드 동기 레이저로부터의 출력을 상기 비선형 광학 요소 내로 지향시키는 광학 요소들을 포함하는, 펄스 레이저 시스템.
  84. 제83항에 있어서, 샘플을 보유하고 상기 제2 레이저로부터의 제2 특성 파장의 출력을 상기 샘플 상으로 지향시키도록 구성된 바이오분석 기기를 추가로 포함하는, 펄스 레이저 시스템.
  85. 제84항에 있어서, 상기 제2 특성 파장은 500 nm 내지 700 nm인, 펄스 레이저 시스템.
  86. 제84항 또는 제85항에 있어서, 상기 바이오분석 기기는 상기 샘플로부터의 방출을 검출하고 형광 수명들에 기초하여 2개 이상의 형광단들을 구별하도록 구성되는, 펄스 레이저 시스템.
  87. 제83항 또는 제84항에 있어서,
    상기 제1 모드 동기 레이저 및 상기 제2 레이저가 장착되는 베이스 구조체; 및
    상기 제1 레이저 캐비티의 광학 경로 길이를 상기 베이스 구조체의 임의의 횡방향 치수보다 더 큰 길이로 연장시키는, 상기 제1 모드 동기 레이저 내에 위치된 광학 지연 요소를 추가로 포함하는, 펄스 레이저 시스템.
  88. 제87항에 있어서, 상기 광학 지연 요소는 상기 광학 지연 요소를 통한 단일 패스(single pass) 상에서 2개의 미러들 사이에서 캐비티내 레이저 빔을 2회 초과 반사시키도록 구성된 상기 2개의 미러들을 포함하는, 펄스 레이저 시스템.
  89. 제87항에 있어서, 상기 광학 지연 요소는, 캐비티내 레이저 빔이 상기 광학 지연 요소를 통한 단일 패스 상에서 2회 초과 반사되는, 솔리드 광학 재료 블록(solid block of optical material)을 포함하는, 펄스 레이저 시스템.
  90. 제87항에 있어서, 상기 광학 지연 요소는 일정 길이의 광학 파이버를 포함하는, 펄스 레이저 시스템.
  91. 제83항 또는 제84항에 있어서,
    상기 제1 모드 동기 레이저 및 상기 제2 레이저가 장착되는 베이스 구조체; 및
    상기 베이스 구조체에서의 플랫폼 상에 장착되고 상기 제1 모드 동기 레이저 내의 이득 매질을 여기시키도록 배열된 다이오드 펌프 소스(diode pump source)를 추가로 포함하고, 상기 다이오드 펌프 소스는 대략 450 nm 내지 대략 1100 nm의 펌프 방사(pump radiation)를 제공하는, 펄스 레이저 시스템.
  92. 제91항에 있어서, 상기 플랫폼은 상기 베이스 구조체를 관통하여 연장되는 하나 이상의 트렌치들에 의해 상기 베이스 구조체로부터 부분적으로 분리된 상기 베이스 구조체의 구역을 포함하는, 펄스 레이저 시스템.
  93. 제91항에 있어서, 상기 플랫폼을 상기 베이스 구조체에 연결시키는 굴곡 부재(flexural member)들을 추가로 포함하는, 펄스 레이저 시스템.
  94. 제83항 또는 제84항에 있어서,
    상기 제1 레이저 캐비티의 캐비티내 레이저 빔을 반사시키도록 구성된 포화성 흡수체 미러; 및
    상기 레이저 캐비티의 단부에 위치된 출력 커플러를 추가로 포함하는, 펄스 레이저 시스템.
  95. 제94항에 있어서, 상기 베이스 구조체 내에 장착된 파장 변환 요소 - 상기 파장 변환 요소는 상기 제1 모드 동기 레이저로부터의 레이징 파장을 주파수 배가된 출력 파장으로 변환시킴 - 를 추가로 포함하는, 펄스 레이저 시스템.
  96. 제95항에 있어서, 상기 출력 파장은 약 500 nm 내지 약 700 nm이고, 출력 펄스 지속시간은 대략 100 피코초 미만인, 펄스 레이저 시스템.
  97. 제95항에 있어서, 상기 베이스 구조체는 상기 레이저 캐비티가 배치되어 있는 캐비티를 포함하고, 상기 베이스 구조체의 에지 치수는 약 200 mm 이하이며 높이 치수는 약 60 mm 이하인, 펄스 레이저 시스템.
  98. 제83항 또는 제84항에 있어서, 상기 제1 모드 동기 레이저는 대략 1064 nm에서 레이징(lase)하도록 구성되고, 상기 제2 레이저는 대략 1342 nm에서 레이징하도록 구성되는, 펄스 레이저 시스템.
  99. 제98항에 있어서, 상기 비선형 광학 요소는 합-주파수 생성에 의해 대략 594 nm의 파장의 펄스들을 생성하기 위해 상기 제2 레이저 캐비티 내에 정렬되는, 펄스 레이저 시스템.
  100. 다수의 특성 파장들의 광학 펄스들을 생성하는 방법으로서,
    제1 레이저 캐비티를 갖는 제1 모드 동기 레이저에서 제1 특성 파장들의 광학 펄스들을 생성하는 단계;
    연속파 모드에서 제2 특성 파장들에서 제2 레이저 캐비티를 갖는 제2 레이저를 작동시키는 단계;
    상기 제1 모드 동기 레이저로부터의 펄스들을 상기 제2 레이저 캐비티 내의 비선형 광학 요소 내로 주입시키는 단계; 및
    상기 비선형 광학 요소에서 제3 특성 파장들의 광학 펄스들을, 합-주파수 생성에 의해, 생성하는 단계를 포함하는, 방법.
  101. 제100항에 있어서, 상기 제1 모드 동기 레이저 및 상기 제2 레이저 둘 다에서 동일한 이득 매질이 사용되는, 방법.
  102. 제101항에 있어서, 각각의 레이저 내의 상기 이득 매질을 다이오드 펌핑(diode-pumping)하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  103. 제101항에 있어서, 상기 이득 매질은 Nd:YVO4인, 방법.
  104. 제100항 내지 제103항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 레이저로부터의 광학 펄스들을 샘플을 보유하고 상기 광학 펄스들을 상기 샘플 상으로 지향시키도록 구성된 바이오분석 기기에 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  105. 제104항에 있어서, 상기 제3 특성 파장은 500 nm 내지 700 nm인, 방법.
  106. 제104항에 있어서,
    상기 바이오분석 기기로, 상기 샘플로부터의 방출을 검출하는 단계; 및
    형광 수명들에 기초하여 2개 이상의 형광단들을 구별하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  107. 제104항에 있어서, 상기 제1 모드 동기 레이저로부터의 상기 광학 펄스들로부터 클록 신호를 도출하고 상기 클록 신호를 상기 바이오분석 기기에 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  108. 제100항 내지 제103항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 모드 동기 레이저에서 광학 펄스들을 생성하는 단계는 상기 제1 모드 동기 레이저를 수동적으로 모드 동기시키는 단계를 포함하는, 방법.
  109. 제100항 내지 제103항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 특성 파장은 대략 1064 nm이고, 상기 제2 특성 파장은 대략 1342 nm이며, 상기 제3 특성 파장은 대략 594 nm인, 방법.
  110. 제100항 내지 제103항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 모드 동기 레이저로부터의 광학 펄스들을 주파수 배가시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  111. 펄스 레이저로서,
    베이스 구조체;
    상기 베이스 구조체 내에 장착된 다이오드 펌프 소스; 및
    이득 매질을 포함하고 광학 펄스들을 생성하도록 구성된 상기 베이스 구조체 내의 레이저 캐비티 - 상기 다이오드 펌프 소스 및 상기 이득 매질 각각은 상기 베이스 구조체로부터 부분적으로 열적으로 그리고 기계적으로 격리된 플랫폼 상에 장착됨 - 를 포함하는, 펄스 레이저.
  112. 제111항에 있어서, 상기 레이저 캐비티의 광학 경로 길이를 상기 베이스 구조체의 횡방향 치수보다 더 큰 길이로 연장시키는, 상기 펄스 레이저 캐비티 내에 위치된 광학 지연 요소를 추가로 포함하는, 펄스 레이저.
  113. 제112항에 있어서, 상기 광학 지연 요소는 상기 2개의 미러들 사이에서 캐비티내 레이저 빔을 여러 번 반사시키도록 구성된 2개의 미러들을 포함하는, 펄스 레이저.
  114. 제112항에 있어서, 상기 광학 지연 요소는, 캐비티내 레이저 빔이 여러 번 반사되는, 솔리드 광학 재료 블록을 포함하는, 펄스 레이저.
  115. 제112항에 있어서, 상기 광학 지연 요소는 일정 길이의 광학 파이버를 포함하는, 펄스 레이저.
  116. 제111항 또는 제112항에 있어서, 상기 다이오드 펌프 소스는 대략 450 nm 내지 대략 1100 nm의 펌프 방사를 제공하는, 펄스 레이저.
  117. 제111항 또는 제112항에 있어서, 상기 다이오드 펌프 소스로부터의 빔을 재정형(reshape)하도록 배열된 한 쌍의 교차 원통형 렌즈(crossed cylindrical lens)들을 추가로 포함하는, 펄스 레이저.
  118. 제111항 또는 제112항에 있어서,
    캐비티내 레이저 빔을 반사시키도록 구성된, 상기 베이스 구조체 내의 포화성 흡수체 미러; 및
    상기 레이저 캐비티의 단부에 위치된 출력 커플러를 추가로 포함하는, 펄스 레이저.
  119. 제118항에 있어서, 상기 베이스 구조체 내에 장착된 파장 변환 요소 - 상기 파장 변환 요소는 상기 이득 매질로부터의 레이징 파장을 출력 파장으로 변환시킴 - 를 추가로 포함하는, 펄스 레이저.
  120. 제119항에 있어서, 상기 출력 파장은 약 500 nm 내지 약 700 nm이고, 출력 펄스 지속시간은 대략 10 피코초 미만인, 펄스 레이저.
  121. 제119항에 있어서, 샘플을 보유하고 상기 펄스 레이저로부터의 상기 출력 파장의 출력을 상기 샘플 상으로 지향시키도록 구성된 바이오분석 기기를 추가로 포함하는, 펄스 레이저.
  122. 제121항에 있어서, 상기 바이오분석 기기는 상기 샘플로부터의 방출을 검출하고 형광 수명들에 기초하여 2개 이상의 형광단들을 구별하도록 구성되는, 펄스 레이저.
  123. 제119항에 있어서, 상기 베이스 구조체는 상기 레이저 캐비티가 배치되어 있는 캐비티를 포함하고, 상기 베이스 구조체의 에지 치수는 약 200 mm 이하이며 높이 치수는 약 60 mm 이하인, 펄스 레이저.
  124. 제111항 또는 제112항에 있어서, 상기 플랫폼은 상기 베이스 구조체를 관통하여 연장되는 하나 이상의 트렌치들에 의해 상기 베이스 구조체로부터 부분적으로 분리된 상기 베이스 구조체의 구역을 포함하는, 펄스 레이저.
  125. 제124항에 있어서, 상기 플랫폼을 상기 베이스 구조체에 연결시키는 굴곡 부재들을 추가로 포함하는, 펄스 레이저.
  126. 제124항에 있어서, 상기 베이스 구조체는 알루미늄을 포함하는, 펄스 레이저.
  127. 제111항 또는 제112항에 있어서, 상기 펄스 레이저 캐비티는 2개의 파장들에서 레이징하는 것을 지원하는 이득 매질을 포함하고, 상기 포화성 흡수체 미러는 상기 2개의 파장들에서 포화성 흡수(saturable absorption)를 제공하는, 펄스 레이저.
  128. 제127항에 있어서, 제1 레이징 파장은 대략 1064 ㎚이고, 제2 레이징 파장은 대략 1342 ㎚인, 펄스 레이저.
  129. 제127항에 있어서, 상기 포화성 흡수체 미러는:
    반사체(reflector);
    상기 반사체로부터 제1 거리만큼 이격되고 제1 에너지 밴드 갭을 갖는 제1 다중 양자 웰 구조체(multiple quantum well structure); 및
    상기 제1 거리보다 더 큰 제2 거리만큼 상기 반사체로부터 이격되고 제2 에너지 밴드 갭을 갖는 제2 다중 양자 웰 구조체를 포함하는, 펄스 레이저.
  130. 제129항에 있어서, 상기 제2 에너지 밴드 갭은 상기 제1 에너지 밴드 갭보다 더 큰, 펄스 레이저.
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