KR20190094227A - 콤팩트한 모드 동기 레이저 모듈 - Google Patents

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KR20190094227A
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조나단 엠. 로스버그
제이슨 더블유. 시클러
로렌스 씨. 웨스트
파이살 알. 아마드
폴 이. 글렌
잭 제웰
존 글렌
호세 카마라
제레미 크리스토퍼 조단
토드 레아릭
파시드 가세미
조나단 씨. 슐츠
키스 지. 파이프
벤자민 시프리아니
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Abstract

극초단 광학 펄스들을 생성하기 위한 장치들 및 방법들이 설명된다. 고파워, 고체, 수동 모드 동기 레이저가 휴대용 기기 내에 통합될 수 있는 콤팩트한 모듈로 제조될 수 있다. 모드 동기 레이저는 대규모 병렬 데이터 취득에 적당한 200 MHz 내지 50 MHz의 반복 레이트로 50ps 미만의 광학 펄스들을 생성할 수 있다. 광학 펄스들은 휴대용 기기의 데이터 취득 및 신호 프로세싱 전자장치들을 동기화시키기 위한 기준 클록 신호를 생성하는 데 사용될 수 있다.

Description

콤팩트한 모드 동기 레이저 모듈
관련 출원들의 상호 참조
이 출원은, 그 전체가 참고로 포함되는, 2016년 12월 16일자로 출원된 발명의 명칭이 "Compact Mode-Locked Laser Module"인 미국 가출원 제62/435,688호에 대한 우선권을 주장한다.
기술분야
본 출원은 100 피코초 이하의(sub-100-picosecond) 광학 펄스들을 생성하기 위한 콤팩트한 장치들 및 방법들에 관한 것이다. 이 장치는 분석, 의료, 제조, 또는 통신 목적들을 위해 광학 펄스들을 사용하는 계측장비(instrumentation)에 통합될 수 있다.
극초단 광학 펄스들(즉, 약 100 피코초 미만의 광학 펄스들)은 다양한 연구 개발 분야들은 물론 상업적 적용분야들에서 유용하다. 예를 들어, 극초단 광학 펄스들은 시간 도메인 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 광학 통신 시스템들, 의료 적용분야들, 및 광전자 디바이스들의 테스트를 포함한 상업적 적용분야들에 또한 유용할 수 있다.
종래의 모드 동기 레이저들(mode-locked lasers)은 극초단 광학 펄스들을 생성하기 위해 개발되어 왔고, 각종의 그러한 레이저들이 현재 상업적으로 이용가능하다. 예를 들어, 일부 고체 레이저들(solid-state lasers) 및 파이버 레이저들(fiber lasers)은 200 펨토초보다 많이 낮은 지속시간들을 갖는 펄스들을 전달하기 위해 개발되었다. 그렇지만, 일부 적용분야들에서, 이러한 펄스 지속시간들은 필요한 것보다 더 짧을 수 있으며, 특정한 적용분야들에 대해 이러한 레이징 시스템들(lasing systems)의 비용은 엄청나게 높을 수 있다. 부가적으로, 이러한 레이징 시스템들은 상당한(sizeable) 풋프린트(예컨대, 1 ft2 이상 정도) 및 상당한 중량을 가지는 독립형 시스템들일 수 있으며, 상당한 체적(예컨대, 0.5 ft3 이상)을 점유할 수 있다. 그러한 레이징 시스템들은 용이하게 휴대가능하거나 다른 휴대용 시스템들에 모듈로서 통합되지 않는다.
본 명세서에 설명된 기술은 극초단 광학 펄스들을 생성하기 위한 장치들 및 방법들에 관한 것이다. 100 피코초 이하의 펄스들을 50 MHz 정도로 낮은 펄스 반복 레이트들(pulse-repetition rates)로 생성할 수 있는 콤팩트한 저가의 레이저 모듈로서 구현될 수 있는 모드 동기 레이저 시스템이 설명된다. 레이저로부터의 광학 펄스들은 모듈에 포함된 회로부를 사용하여 전자적으로 검출될 수 있고, 결과적인 신호는 다른 전자 시스템들을 펄스들의 스트림과 동기화시키는 데(예컨대, 레이저 모듈이 통합된 기기의 데이터 취득 전자장치들을 동기화시키는 데) 사용될 수 있는 전자 클록 신호를 생성하도록 프로세싱될 수 있다. 본 발명자들은 콤팩트한 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, 그러한 계측장비가 용이하게 휴대가능하고 극초단 펄스 레이저를 요구하는 종래의 계측장비에 대한 경우보다 상당히 더 낮은 비용으로 생산될 수 있게 해줄 수 있다는 것을 인식하고 이해하였다. 높은 휴대성은 그러한 기기들이 연구, 개발, 임상적 사용(clinical use), 현장 배치(field deployment), 및 상업적 적용분야들에 보다 유용하게 되도록 할 수 있다. 예시적인 적용분야에서, 콤팩트한 레이저 모듈은 휴대용 유전자 시퀀싱 기기에 통합될 수 있고, 광학 펄스들은 단일 분자 시퀀싱 이벤트들이 검출되는 반응 챔버들로 전달될 수 있다.
일부 실시예들은 베이스 섀시(base chassis); 베이스 섀시 상에 조립된 레이저 캐비티를 갖는 모드 동기 레이저; 및 모드 동기 레이저가 광학 펄스들을 생성할 때 4 디옵터 내지 15 디옵터의 열 렌징 값(thermal lensing value)을 나타내는 레이저 캐비티에 위치된 이득 매질(gain medium)을 포함하는 모드 동기 레이저 모듈(mode-locked laser module)에 관한 것이다.
일부 실시예들은 베이스 섀시; 베이스 섀시 상에 조립된 레이저 캐비티를 갖는 모드 동기 레이저; 레이저 캐비티의 제1 단부에서 제1 마운트 상에 장착된 출력 커플러 - 제1 마운트는 출력 커플러에 입사하는 캐비티내 빔(intracavity beam)의 광학 축에 대해 출력 커플러의 각도 조절을 제공하지 않음 -; 레이저 캐비티의 제2 단부에서 제2 마운트 상에 장착된 포화성 흡수체 미러(saturable absorber mirror) - 제2 마운트는 포화성 흡수체 미러에 입사하는 캐비티내 빔의 광학 축에 대해 포화성 흡수체 미러의 각도 조절을 제공하지 않음 -; 및 모드 동기 레이저와 출력 커플러 사이에 위치된 이득 매질을 포함하는 모드 동기 레이저 모듈에 관한 것이다.
일부 실시예들은 베이스 섀시; 베이스 섀시 상에 장착된 출력 커플러 및 제1 포커싱 광학계; 베이스 섀시 상에 장착된 포화성 흡수체 미러 및 제2 포커싱 광학계 - 출력 커플러 및 포화성 흡수체 미러는 모드 동기 레이저에 대한 레이저 캐비티의 단부 미러들을 포함함 -; 레이저 캐비티 내의 캐비티내 빔의 광학 축을 따라 위치된 이득 매질; 및 출력 커플러와 포화성 흡수체 미러 사이에 위치된 2개의 반사체를 포함하는 캐비티 길이 연장 영역 - 2개의 반사체는 캐비티내 빔을 2회 초과 폴딩(fold)시킴 - 을 포함하는 모드 동기 레이저 모듈에 관한 것이다.
일부 실시예들은 베이스 섀시; 50 MHz 내지 200 MHz의 펄스 반복 레이트로 작동하도록 구성된 제1 레이저 캐비티를 갖는 모드 동기 레이저 - 모드 동기 레이저는 베이스 섀시 상에 조립됨 -; 제1 레이저 캐비티의 제1 단부에 위치된 제1 레이저 캐비티의 제1 단부 미러; 제1 레이저 캐비티의 제2 단부에 위치된 제1 레이저 캐비티의 제2 단부 미러; 및 제1 레이저 캐비티 내에 위치된 이득 매질 - 이득 매질은 제1 레이저 캐비티에 대한 작동 파워로 펌핑될 때 열 렌징을 나타내도록 구성되고, 열 렌징은 제1 레이저 캐비티의 길이의 1/2보다 작고 제1 단부 미러 및 제1 레이저 캐비티에서 베이스 섀시 상에 설치된 제3 단부 미러를 포함하는 제1 레이저 캐비티 내에 형성된 제2 레이저 캐비티에서의 레이징을 지원함 - 을 포함하는 모드 동기 레이저 모듈에 관한 것이다.
일부 실시예들은 모드 동기 레이저를 작동시키는 방법에 관한 것이며, 이 방법은, 레이저 캐비티의 이득 매질이 8 디옵터 내지 12 디옵터의 디옵터 값 범위를 갖는 열 렌징을 나타내도록, 광학 펌프 빔을 사용하여 이득 매질을 펌핑하는 단계; 캐비티내 빔을 레이저 캐비티의 제1 단부에 있는 출력 커플러 및 레이저 캐비티의 제2 단부에 있는 포화성 흡수체 미러로부터 반사시키는 단계; 및 디옵터 값 범위에 걸쳐 안정된 광학 펄스들의 출력을 생성하는 단계를 포함한다.
본 교시내용의 전술한 및 다른 양태들, 구현들, 단계들(acts), 기능들, 특징들, 및 실시예들은 첨부 도면들과 함께 하기의 설명으로부터 보다 완전히 이해될 수 있다.
통상의 기술자는 본 명세서에 설명된 도면들이 예시 목적들만을 위한 것임을 이해할 것이다. 일부 경우들에서, 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위해 본 발명의 다양한 양태들이 과장되거나 확대되어 도시될 수 있음이 이해되어야 한다. 도면들에서, 비슷한 참조 문자들은 일반적으로 다양한 도면들 전반에 걸쳐 비슷한 특징들, 기능적으로 유사한 및/또는 구조적으로 유사한 요소들을 지칭한다. 도면들이 반드시 축척대로 되어 있는 것은 아니며, 그 대신에 교시내용의 원리들을 설명하는 것에 중점을 두고 있다. 도면들이 결코 본 교시내용의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
도 1aa는 일부 실시예들에 따른, 콤팩트한 모드 동기 레이저 모듈을 포함하는 분석 기기의 블록 다이어그램 묘사이다.
도 1ab는 일부 실시예들에 따른, 분석 기기 내에 통합된 콤팩트한 모드 동기 레이저를 묘사하고 있다.
도 1b는 일부 실시예들에 따른, 광학 펄스들의 트레인을 묘사하고 있다.
도 1c는 일부 실시예들에 따른, 각각의 챔버에 대한 하나 이상의 도파관들 및 대응하는 검출기들을 통해 펄스 레이저에 의해 광학적으로 여기될 수 있는 병렬 반응 챔버들(parallel reaction chambers)의 일 예를 묘사하고 있다.
도 1d는 일부 실시예들에 따른, 도파관으로부터의 반응 챔버의 광학 여기를 예시하고 있다.
도 1e는 일부 실시예들에 따른, 집적된 반응 챔버, 광학 도파관, 및 시간-비닝 광검출기(time-binning photodetector)의 추가 상세들을 묘사하고 있다.
도 1f는 일부 실시예들에 따른, 반응 챔버 내에서 일어날 수 있는 생물학적 반응의 일 예를 묘사하고 있다.
도 1g는 상이한 감쇠 특성들을 갖는 2개의 상이한 형광단에 대한 방출 확률 곡선들을 묘사하고 있다.
도 1h는 일부 실시예들에 따른, 형광 방출의 시간-비닝 검출을 묘사하고 있다.
도 1i는 일부 실시예들에 따른, 시간-비닝 광검출기를 묘사하고 있다.
도 1ja는 일부 실시예들에 따른, 펄스 여기(pulsed excitation) 및 샘플로부터의 형광 방출의 시간-비닝 검출(time-binned detection)을 묘사하고 있다.
도 1jb는 일부 실시예들에 따른, 샘플의 반복된 펄스 여기(repeated pulsed excitation) 이후의 다양한 시간 빈들(time bins)에서의 누적된 형광 광자 카운트들의 히스토그램을 묘사하고 있다.
도 1ka 내지 도 1kd는 일부 실시예들에 따른, 4개의 뉴클레오티드(T, A, C, G) 또는 뉴클레오티드 유사체에 대응할 수 있는 상이한 히스토그램들을 묘사하고 있다.
도 2a는 일부 실시예들에 따른, 콤팩트한 모드 동기 레이저 모듈을 묘사하고 있다.
도 3aa는 일부 실시예들에 따른, 콤팩트한 모드 동기 레이저에서 사용될 수 있는 이득 매질 또는 다른 고파워(high-power) 광학 컴포넌트를 위한 마운트를 예시하고 있다.
도 3ab는 일부 실시예들에 따른, 콤팩트한 모드 동기 레이저에서 사용될 수 있는 이득 매질 또는 다른 고파워 광학 컴포넌트를 위한 마운트를 예시하고 있다.
도 3ba는 일부 실시예들에 따른, 집적된 광학 마운트(integrated optical mount)를 묘사하고 있다.
도 3bb는 일부 실시예들에 따른, 집적된 광학 마운트에 장착된 광학계를 묘사하고 있다.
도 3c는 일부 구현들에 따른, 포화성 흡수체 미러 및 마운트를 묘사하고 있다.
도 3d는 일부 실시예들에 따른, 집적된 광학 마운트를 묘사하고 있다.
도 3ea 내지 도 3ed는 일부 구현들에 따른, 레이저 캐비티의 일부로서 통합될 수 있는 광학 경로 길이 익스텐더들(optical-path-length extenders)의 다양한 실시예들을 묘사하고 있다.
도 3fa는 일부 실시예들에 따른, 콤팩트한 모드 동기 레이저에서 사용될 수 있는 이득 매질 또는 다른 고파워 광학 시스템을 장착하기 위한 플랫폼을, 평면도로, 묘사하고 있다.
도 3fb 및 도 3fc는 일부 실시예들에 따른, 도 3fa에 예시된 플랫폼의 입면도들을 묘사하고 있다.
도 4a는 일부 실시예들에 따른, 다이오드 레이저 펌프 모듈을 묘사하고 있다.
도 4ba는 예시적인 조정가능한 운동학적 장착(kinematic mounting) 어셈블리의 입면도를 묘사하고 있다.
도 4bb는 예시적인 조정가능한 운동학적 장착 어셈블리의 평면도를 묘사하고 있다.
도 5a는 일부 실시예들에 따른, 기기 전자장치들을 광학 펄스들의 타이밍을 동기화시키기 위한 시스템을 묘사하고 있다.
도 5b는 일부 실시예들에 따른, 펄스 광학 소스(pulsed optical source)를 통합하고 있는 분석 기기를 위한 클록 생성 회로부를 묘사하고 있다.
도 5c는 일부 실시예들에 따른, 시스템 회로부를 묘사하고 있다.
본 발명의 특징들 및 장점들은, 도면들과 관련하여 취해질 때, 아래에 기재되는 상세한 설명으로부터 보다 명백해질 것이다. 도면들을 참조하여 실시예들을 설명할 때, 방향 참조들("위(above)", "아래(below)", "상부(top)", "하부(bottom)", "좌측(left)", "우측(right)", "수평(horizontal)", "수직(vertical)" 등)이 사용될 수 있다. 그러한 참조들은 도면들을 보통의 배향에서 보는 독자를 돕기 위한 수단으로서만 의도되어 있다. 이러한 방향 참조들은 구체화된 디바이스의 피처들(features)의 선호된 또는 유일한 배향을 설명하는 것으로 의도되지 않는다. 디바이스가 다른 배향들을 사용하여 구체화될 수 있다.
I. 서론
본 발명자들은 적어도 500 mW의 평균 출력 파워들을 제공할 수 있는 종래의 극초단 펄스 레이저들이 전형적으로 크고, 고가이며, 많은 모바일 적용분야들에 적당하지 않다는 것을 인식하고 이해하였다. 그러한 레이저들은 이미징, 거리측정, 또는 테이블탑(table-top) 바이오분석 적용분야들에 대해 적합화될 수 있는 휴대용 계측장비에 통합하기에는 전형적으로 너무 크고 무겁다. 그에 따라, 본 발명자들은 선택된 파장들의 그리고 3.5 와트(W) 정도로 높은 평균 광학 파워들의 100 피코초 이하 펄스들을 제공할 수 있는 콤팩트한 극초단 펄스 레이징 시스템들을 안출하였다. 레이징 시스템은, 대규모 병렬 데이터 취득에 아주 적합한, 약 50 MHz 내지 약 200 MHz의 광학 펄스들의 반복 레이트를 제공하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 모드 동기 레이저 모듈 및 그의 광학계들에 의해 점유되는 면적은 약 40 mm 이하의 두께를 갖는 A4 용지의 크기 정도일 수 있다. 모듈에 의해 점유되는 체적은 최대 0.07 ft3일 수 있으며, 이는 그 만큼의 광학 파워를 전달할 수 없는 종래의 극초단 펄스 레이저들에 의해 점유되는 체적의 거의 10배의 감소이다. 레이저가 콤팩트한 슬래브 폼 팩터(compact slab form factor)를 갖기 때문에, 이는 교체가능한 모듈, 예컨대, 개인 컴퓨터 상의 보드들을 추가하거나 교환할 수 있을 때 교체해 넣거나(swap in) 교체해 내기(swap out) 위한 모듈로서 기기에 용이하게 통합될 수 있다.
"광학"이라는 용어는 자외선, 가시광, 근적외선, 및 단파장 적외선 스펙트럼 대역들을 지칭할 수 있다.
바이오분석 기술들의 분야에서, 그러한 콤팩트한 모드 동기 레이저 모듈은, 예를 들어, 칩 상에 집적된 복수의 반응 챔버들에 광학 여기 에너지를 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 시간 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, 모드 동기 레이저 모듈로부터의 광학 펄스에 의한 여기 이후에, 샘플들 또는 샘플들과 상호작용하는 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.
그러한 다수의 반응 챔버들을 포함하고 다수의 상이한 형광단들을 사용하는 휴대용 기기를 제조하는 것은 몇 가지 기술적 과제들을 해결하는 것을 요구한다. 펄스 레이징 시스템은 작고 경량이어야만 하며, 모든 반응 챔버들 내의 형광단들을 여기시키기에 충분한 광학 파워(예컨대, 적당한 여기 파장에서 약 300 mW 초과)를 제공해야만 한다. 펄스 레이징 시스템은 또한, 수십 분 또는 수십 시간 동안 지속될 수 있는, 분석 또는 시퀀싱 런(assay or sequencing run)의 지속시간에 걸쳐 안정된 극초단 광학 펄스들의 스트림을 생성하도록 요구받을 수 있다. 부가적으로, 모드 동기 레이저를 사용해 상이한 형광단들(예컨대, DNA 시퀀싱을 위한 상이한 방출 특성들을 갖는 4개의 형광단)을 여기시키고, 유용한 정보를 획득하기 위해 각각의 형광단이 다른 형광단들과 구별될 수 있도록 각각의 반응 챔버에서 형광단들로부터 적절한 때에 상이한 방출 특성들을 검출하는 어떤 방법이 있어야만 한다. 게다가, 칩 상에 집적된 광학 회로들을 수반하는 적용분야들의 경우, 칩에서의 수광 광학계와 매칭하도록 레이저 모듈로부터의 출력 빔을 적합화하고 오랜 시간 기간들에 걸쳐 칩에 대한 안정되고 효율적인 커플링을 유지하기 위한 어떤 방법이 있어야만 한다.
본 실시예들에 따른 콤팩트한 모드 동기 레이저는 휴대용 기기들에 상호교환가능한 모듈로서 통합될 수 있다. 모듈의 폼 팩터는 슬래브의 가장 긴 에지에서 350 mm 이하이고 40 mm 이하의 두께를 가지며 0.1 입방 피트 이하의 체적을 점유하는 슬래브 형상이다. 실시예들에서, 가장 긴 에지 치수는 300 mm 내지 350 mm의 값일 수 있고, 가장 큰 두께는 30 mm 내지 40 mm의 값일 수 있다. 모듈의 중량은 2 킬로그램 이하일 수 있고, 모듈에 의해 소비되는 작동 파워는 20 와트 이하일 수 있다. 실시예들에서, 최대 중량은 1 킬로그램 내지 20 킬로그램의 값일 수 있고, 최대 작동 파워는 10 와트 내지 20 와트의 값일 수 있다. 레이저는 대략 532 nm의 여기 파장에서 100 mW와 1.5 W 사이에서 제어될 수 있는 평균 출력 파워들로 40 피코초 이하의 펄스들의 안정된 트레인을 생성할 수 있다. 선택된 출력 파워에서의 모드 동기 작동은 몇 시간 동안 안정적일 수 있다. 모듈은 레이저에 의해 생성된 광학 펄스들 및 광학 파워 레벨들을 감지하기 위한 회로부를 또한 포함한다. 광학 펄스들을 감지하는 것으로부터 도출된 신호는 기기 전자장치들(예컨대, 데이터 취득 사이클들)를 레이저에 의해 생성된 광학 펄스들의 타이밍과 동기화시키는 데 사용될 수 있는 전자 클록 신호를 생성하는 데 사용될 수 있다.
II. 예시적인 바이오분석 적용분야
설명으로서, 콤팩트한 모드 동기 레이저 모듈이 칩 상의 복수의 반응 챔버들에서 형광단들을 여기시키는 데 사용되는 바이오분석 적용분야가 설명된다. 예시적인 적용분야는 레이저 모듈에 대한 보다 까다로운 요구사항들 중 일부를 강조하는 것으로 의도되고, 레이저 모듈을 바이오분석 적용분야들로만 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 이 모듈은 통신, 이미징, 광자 칩(photonic chip) 또는 전자 칩 프로빙 및 진단, 제조(절단, 절제(ablating)), 및 의학적 치료 및 진단과 같은 다른 기술들에 사용될 수 있다.
개략적으로 말하면, 도 1aa에 묘사된 바와 같이, 휴대용 분석 기기(1-100)는 기기 내에 교체가능 모듈로서 장착되거나 기기에 다른 방식으로 커플링되는 하나 이상의 모드 동기 레이저 모듈(1-108)을 포함할 수 있다. 휴대용 분석 기기(1-100)는 광학 시스템(1-115) 및 분석 시스템(1-160)을 포함할 수 있다. 광학 시스템(1-115)은 (예를 들어, 렌즈, 미러, 광학 필터, 감쇠기, 빔 스티어링 컴포넌트, 빔 셰이핑 컴포넌트 각각 중 어느 것도 포함하지 않거나 그 중 하나 이상을 포함할 수 있는) 광학 컴포넌트들의 어떤 조합을 포함할 수 있고, 모드 동기 레이저 모듈(1-108)로부터 분석 시스템(1-160)으로의 출력 광학 펄스들(1-122)을 조작하고 그리고/또는 전달하도록 구성될 수 있다. 분석 시스템은 광학 펄스들을 분석되어야 하는 적어도 하나의 샘플로 지향시키고, 적어도 하나의 샘플로부터 하나 이상의 광학 신호(예컨대, 형광, 후방산란 방사(backscattered radiation))을 수신하며, 수신된 광학 신호들을 나타내는 하나 이상의 전기 신호를 생성하도록 배열된 복수의 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 분석 시스템(1-160)은 하나 이상의 광검출기 및 광검출기들로부터의 전기 신호들을 프로세싱하도록 구성된 신호 프로세싱 전자장치들(예컨대, 하나 이상의 마이크로컨트롤러, 하나 이상의 필드 프로그래머블 게이트 어레이, 하나 이상의 마이크로프로세서, 하나 이상의 디지털 신호 프로세서, 로직 게이트들 등)을 포함할 수 있다. 분석 시스템(1-160)은 하나 이상의 데이터 통신 링크를 통해 데이터를 외부 디바이스들에게 전송하고 그로부터 수신하도록 구성된 데이터 전송 하드웨어를 또한 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 분석 시스템(1-160)은, 분석될 하나 이상의 샘플을 보유하는, 바이오 광전자 칩(1-140)을 수납하도록 구성될 수 있다.
비록 광학 펄스들(1-122)이 단일 횡 광학 모드(single transverse optical mode)를 갖는 것으로 도면에 묘사되어 있지만, 일부 실시예들에서, 모드 동기 레이저 모듈(1-108)로부터의 광학 출력은 다중 모드(multimodal)(예컨대, 고차 횡 모드(higher-order transverse mode)를 가짐)일 수 있다. 그러한 실시예들에서, 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 광학 시스템(1-115)에 의해 또는 분석 시스템(1-160)에 커플링될 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 접속되는 개별적인 도파관 또는 도파관들의 어레이 내의 도파관들에 커플링될 수 있다. 모드 동기 레이저가 다중 모드 상태(multimode state)에서 작동할 수 있게 해주는 것은 모드 동기 레이저로부터의 보다 높은 출력 파워들을 가능하게 해줄 수 있다.
도 1ab는 콤팩트한 모드 동기 레이저 모듈(1-108)을 포함하는 휴대용 분석 기기(1-100)의 추가의 상세 예를 묘사하고 있다. 일부 구현들에서, 이 모듈은 기기의 기기 섀시 또는 프레임(1-102)에 장착될 수 있고, 기기의 외부 케이싱 내부에 위치될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 모드 동기 레이저 모듈(1-108)은 모드 동기 레이저(1-110) 및 모드 동기 레이저를 작동시키고 모드 동기 레이저로부터의 출력 빔을 조작하는 데 사용될 수 있는 부가의 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 모드 동기 레이저(1-110)는 레이저의 종 주파수 모드들(longitudinal frequency modes)의 위상 동기(phase locking)를 유도(induce)하는, 레이저 캐비티 내에 있는 또는 레이저 캐비티에 커플링된, 요소(예컨대, 포화성 흡수체, 음향 광학 변조기(acoustooptic modulator), Kerr 렌즈(Kerr lens))를 포함할 수 있다. 레이저 캐비티는 부분적으로 캐비티 단부 미러들(1-111, 1-119)에 의해 정의될 수 있다. 일부 구현들에서, 모드 동기 레이저(1-110)는, 예컨대, 포화성 흡수체에 의해, 수동적으로 모드 동기될(passively mode locked) 수 있다. 주파수 모드들의 그러한 동기(locking)는 레이저의 펄스 작동을 결과하고(예컨대, 캐비티내 펄스(intracavity pulse)(1-120)가 캐비티 단부 미러들 사이에서 왔다갔다 바운싱함), 부분 투과성(partially transmitting)인 하나의 단부 미러(1-111)로부터 출력 광학 펄스들(1-122)의 스트림을 생성한다.
일부 경우들에서, 분석 기기(1-100)는 분리가능한 패키징된 바이오 광전자 칩(1-140)을 수납하도록 구성될 수 있다. 이 칩은 복수의 반응 챔버들, 광학 여기 에너지를 반응 챔버들에 전달하도록 배열되는 집적된 광학 컴포넌트들, 및 반응 챔버들로부터의 형광 방출을 검출하도록 배열되는 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 모드 동기 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 접속부(socket connection)를 통해) 장착될 수 있다. 예를 들어, PCB(1-130)는 전력(electrical power), 하나 이상의 클록 신호, 및 제어 신호들을 바이오 광전자 칩(1-140)에 제공하도록 구성된 회로부, 및 반응 챔버들로부터 검출된 형광 방출을 나타내는 신호들을 수신하도록 배열된 신호 프로세싱 회로부를 포함할 수 있다. 바이오 광전자 칩으로부터 반환된 데이터는 부분적으로 또는 전체적으로 기기에 의해 프로세싱될 수 있지만, 일부 구현들에서, 데이터가 네트워크 연결을 통해 하나 이상의 원격 데이터 프로세서에게 전송될 수 있다. PCB(1-130)는 광학 커플링에 관련한 칩으로부터의 피드백 신호들 및 바이오 광전자 칩(1-140)의 도파관들 내로 커플링된 광학 펄스들(1-122)의 파워 레벨들을 수신하도록 구성된 회로부를 또한 포함할 수 있다. 피드백 신호들은 광학 펄스들(1-122)의 출력 빔의 하나 이상의 파라미터를 제어하기 위해 레이저 모듈(1-108) 및 광학 시스템(1-115) 중 하나 또는 둘 다에 제공될 수 있다. 일부 경우들에서, PCB(1-130)는 모드 동기 레이저 및 레이저 모듈 내의 회로부를 작동시키기 위해 레이저 모듈(1-108)에 전력을 제공하거나 라우팅할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 모드 동기 레이저(1-110)는 이득 매질(1-105)(일부 실시예들에서, 고체 재료(solid-state material)일 수 있음), 출력 커플러(1-111), 및 레이저 캐비티 단부 미러(1-119)를 포함할 수 있다. 모드 동기 레이저의 광학 캐비티는 출력 커플러(1-111) 및 단부 미러(1-119)에 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 셰이핑, 파장 선택, 및/또는 펄스 형성(pulse forming)을 위한 부가의 광학 요소들(도 1ab에 도시되지 않음)이 레이저 캐비티 내에 있을 수 있다. 일부 경우들에서, 단부 미러(1-119)는, 종 캐비티 모드들(longitudinal cavity modes)의 수동 모드 동기를 유도하고 레이저(1-110)의 펄스 작동(pulsed operation)을 가져오는, 포화성 흡수체 미러(saturable-absorber mirror)(SAM)를 포함한다. 레이저 모듈(1-108)은 이득 매질을 여기시키기 위한 펌프 소스(예컨대, 도 1ab에 도시되지 않은, 레이저 다이오드)를 추가로 포함할 수 있다.
레이저(1-110)가 모드 동기될 때, 캐비티내 펄스(1-120)는 단부 미러(1-119)와 출력 커플러(1-111) 사이에서 순환할 수 있고, 캐비티내 펄스의 일 부분은 출력 커플러(1-111)를 통해 출력 펄스(1-122)로서 투과될 수 있다. 그에 따라, 캐비티내 펄스(1-120)가 레이저 캐비티 내에서 출력 커플러(1-111)와 단부 미러(1-119) 사이를 왔다갔다 바운싱하기 때문에, 출력 펄스들(1-122)의 트레인이, 도 1b의 그래프에 묘사된 바와 같이, 출력 커플러에서 검출될 수 있다.
도 1b는 출력 펄스들(1-122)의 시간 강도(temporal intensity) 프로파일들을 묘사하고 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, 반치 전폭(full-width-half-maximum)(FWHM) 값에 의해 특징지워질 수 있다. 모드 동기 레이저의 일부 실시예들에 따르면, 극초단 광학 펄스들은 100 피코초(ps) 미만의 FWHM 값들을 가질 수 있다. 일부 경우들에서, FWHM 값들은 대략 5 ps 내지 대략 30 ps일 수 있다.
출력 펄스들(1-122)은 규칙적인 간격들(T)만큼 분리될 수 있다. 예를 들어, 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(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. 실시예들에서, 펄스 분리 간격은 레이저 캐비티에서의 왕복 이동 시간에 대응하고, 따라서 3 미터의 캐비티 길이(6 미터의 왕복 거리)는 대략 20 ns의 펄스 분리 간격(T)을 제공한다.
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 감쇠율들(fluorescent decay rates) 또는 특성 수명들에 의해 구별될 수 있음을 인식하고 이해하였다. 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 최대 약 2 ns의 감쇠율들을 갖는 형광단들에 그리고 약 60,000 내지 8,000,000개의 반응 챔버들로부터의 데이터를 핸들링하는 데 적당하다는 것을 인식하고 이해하였다.
일부 구현들에 따르면, 빔 스티어링 모듈(1-150)은 모드 동기 레이저 모듈(1-108)로부터의 출력 펄스들을 수신할 수 있고, 바이오 광전자 칩(1-140)의 광학 커플러 상으로의 광학 펄스들의 적어도 위치 및 입사각들을 조절하도록 구성될 수 있다. 일부 경우들에서, 부가적으로 또는 대안적으로 바이오 광전자 칩(1-140) 상의 광학 커플러에서 빔 형상 및/또는 빔 회전을 변경하기 위해 모드 동기 레이저 모듈로부터의 출력 펄스들이 빔 스티어링 모듈에 의해 조작될 수 있다. 일부 구현들에서, 빔 스티어링 모듈(1-150)은 광학 커플러 상으로의 출력 펄스들의 빔의 포커싱 및/또는 편광 조절들을 추가로 제공할 수 있다. 빔 스티어링 모듈의 일 예는, 본 명세서에 참고로 포함되는, 2016년 5월 20일자로 출원된, 발명의 명칭이 "Pulsed Laser and Bioanalytic System"인 미국 특허 출원 제15/161,088호에 설명되어 있다. 빔 스티어링 모듈의 다른 예는, 본 명세서에 참고로 포함되는, 2016년 12월 16일자로 출원되고, 발명의 명칭이 "Compact Beam Shaping and Steering Assembly"인 별개의 미국 특허 출원 제 62/435,679호에 설명되어 있다.
도 1c를 참조하면, 모드 동기 레이저 모듈로부터의 출력 펄스들(1-122)은 바이오 광전자 칩 상의 하나 이상의 광학 도파관(1-312) 내로 커플링될 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학 펄스들이 격자 커플러(grating coupler)(1-310)를 통해 하나 이상의 도파관에 커플링될 수 있지만, 일부 실시예들에서 바이오 광전자 칩 상의 하나 이상의 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 도파관(1-312) 및 반응 챔버(1-330)는 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 테이퍼링된 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 포함한, 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 테이퍼링된 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.
도파관들, 반응 챔버들, 및 시간-비닝 광검출기들의 복수의 행들이 바이오 광전자 칩(1-140) 상에 있을 수 있다. 예를 들어, 일부 구현들에서, 각각이 512개의 반응 챔버를 갖는, 128개의 행, 따라서 총 65,536개의 반응 챔버가 있을 수 있다. 다른 구현들은 보다 적거나 보다 많은 반응 챔버들을 포함할 수 있고, 다른 레이아웃 구성들을 포함할 수 있다. 모드 동기 레이저(1-110)로부터의 광학 파워는 하나 이상의 스타 커플러(star coupler) 또는 다중 모드 간섭 커플러(multi-mode interference coupler)를 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 묘사되어 있다. 이 예에서, 표적 핵산에 상보적인 성장 가닥(growing strand) 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 유래된(derived) 핵산의 일 부분)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 묘사된 바와 같이, 라벨링된 뉴클레오티드 또는 뉴클레오티드 유사체(1-610)가 상보적 핵산의 성장 가닥 내에 혼입될 때, 하나 이상의 부착된 형광단(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 뉴클레오티드 또는 뉴클레오티드 유사체(1-610)에 부착될 수 있다. 혼입 이벤트는 최대 약 100 ms의 시간 기간 동안 지속될 수 있다. 이 시간 동안, 모드 동기 레이저로부터의 펄스들에 의한 형광단(들)의 여기로 인해 생기는 형광 방출의 펄스들이 시간-비닝 광검출기(1-322)를 사용해 검출될 수 있다. 일부 실시예들에서, 신호 핸들링(예컨대, 증폭, 판독, 라우팅 등)을 위해 각각의 픽셀에 하나 이상의 부가의 집적된 디바이스(1-323)가 있을 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 각각의 픽셀은 형광 방출을 통과시키고 여기 펄스로부터의 방사의 투과를 감소시키는 단일 또는 다층 광학 필터(1-530)를 포함할 수 있다. 일부 구현들은 광학 필터(1-530)를 사용하지 않을 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 분자로부터의 형광 방출을 나타낼 수 있는, 2개의 상이한 형광 방출 확률 곡선(A 및 B)을 플로팅(plot)한 것이다. 곡선 A(파선)를 참조하여, 짧은 또는 극초단 광학 펄스에 의해 여기된 후에, 제1 분자로부터의 형광 방출의 확률(pA(t))은, 묘사된 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 묘사된 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 이해하였다. 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 필터들, 각각의 파장에 대한 전용 검출기들, 상이한 파장들의 전용 펄스 광학 소스들, 및/또는 회절 광학계들과 같은) 파장 판별 광학계들(wavelength-discriminating optics)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 파장들에서 작동하는 다수의 소스들이 아니라, 단일 펄스 광학 소스를 사용하는 분석 시스템은 작동시키고 유지 보수하기가 덜 복잡하고, 보다 콤팩트하며, 보다 낮은 비용으로 제조될 수 있다.
비록 형광 수명 분석에 기초한 분석 시스템들이 특정한 이점들을 가질 수 있지만, 분석 시스템에 의해 획득되는 정보의 양 및/또는 검출 정확도는 부가의 검출 기술들을 참작함으로써 증가될 수 있다. 예를 들어, 일부 분석 시스템들(1-160)은 부가적으로 형광 파장 및/또는 형광 강도에 기초하여 샘플의 하나 이상의 속성을 구별하도록 구성될 수 있다.
도 1g를 또다시 참조하여, 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 캐리어들(photo-generated carriers)이 시간-비닝 광검출기의 빈들(bins)에 축적되는 판독 이벤트들(read-out events) 사이의 간격이다. 방출 이벤트들의 시간-비닝에 의해 형광 수명을 결정하는 개념은 도 1h에 그래픽으로 소개되어 있다. t1 직전인 시간 te에서, 형광 분자 또는 동일한 타입(예컨대, 도 1g의 곡선 B에 대응하는 타입)의 형광 분자들의 앙상블(ensemble)이 짧은 또는 극초단 광학 펄스에 의해 여기된다. 분자들의 큰 앙상블의 경우, 방출 강도는, 도 1h에 묘사된 바와 같이, 곡선 B와 유사한 시간 프로파일을 가질 수 있다.
그렇지만, 단일 분자 또는 적은 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 시간과 관련하여 시간 분해(temporally resolve)되는 이산 시간 빈들(discrete time bins)(도 1h에 3개가 나타내어져 있음) 내에, 축적할 수 있다. 많은 수의 방출 이벤트들이 합산될 때, 시간 빈들에 축적된 캐리어들은 도 1h에 도시된 감쇠하는 강도 곡선과 비슷할 수 있으며, 비닝된 신호들(binned signals)은 상이한 형광 분자들 또는 형광 분자가 위치되는 상이한 환경들을 구별하는 데 사용될 수 있다.
시간-비닝 광검출기(1-322)의 예들은, 본 명세서에 참고로 포함되는, 2015년 8월 7일자로 출원된, 발명의 명칭이 "Integrated Device for Temporal Binning of Received Photons"인 미국 특허 출원 제14/821,656호에 설명되어 있다. 설명 목적들을 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 채널들(carrier-transport channels)(1-907)에 의해 복수의 캐리어 저장 빈들에 연결될 수 있다. 3개의 캐리어 저장 빈만이 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, 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 또한 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 시간 t1에서, 3개의 형광 광자는 광자 흡수/캐리어 생생 영역(1-902)의 공핍 영역에 3개의 캐리어 전자를 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 시간 t5에서, 다른 형광 광자가 광자 흡수/캐리어 생성 영역(1-902)에 수광되고 부가의 캐리어를 생성할 수 있다. 이 때, 처음 3개의 캐리어는 제2 저장 빈(1-908b)에 인접한 캐리어 이동 영역(1-906) 내의 위치로 이동하였다. 나중의 시간 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 캐리어는 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 보다 긴 감쇠 시간들을 갖는 실시예들에서) 보다 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 묘사된 바와 같이, 많은 수의 여기 펄스들 이후에 빈들에 대한 신호들이 축적될 것이다. 펄스 간격 시간(T)만큼 분리된 시간들 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 묘사된 바와 같이, 여기 이벤트 이후에 형광단으로부터 평균 하나의 광자만이 방출될 수 있다. 시간 te1에서의 제1 여기 이벤트 이후에, 시간 tf1에서 방출된 광자가 제1 시간 간격 내에서 발생할 수 있고, 따라서 결과적인 전자 신호(electron signal)가 제1 전자 저장 빈에 축적된다(빈 1에 기여함). 시간 te2에서의 후속 여기 이벤트에서, 시간 tf2에서 방출된 광자가 제2 시간 간격 내에서 발생할 수 있고, 따라서 결과적인 전자 신호는 빈 2에 기여한다.
많은 수의 여기 이벤트들 및 신호 축적들 이후에, 반응 챔버에 대한 다중 값 신호(예컨대, 2개 이상의 값의 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 묘사된 바와 같이, 히스토그램으로서 플로팅될 수 있거나, 또는 N-차원 공간에서의 벡터 또는 위치로서 기록될 수 있다. 4개의 뉴클레오티드 또는 뉴클레오티드 유사체에 링크된 4개의 상이한 형광단의 다중 값 신호들에 대한 교정 값들(예컨대, 교정 히스토그램들)을 취득하기 위해 교정 런들(calibration runs)이 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 묘사된 것처럼 보일 수 있다. 측정된 다중 값 신호(도 1jb의 히스토그램에 대응함)와 교정 다중 값 신호들의 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 부가적으로 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 뉴클레오티드들이 식별될 수 있도록, 상이한 수의 동일 타입의 형광단들이 상이한 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들에 링크될 수 있다. 예를 들어, 2개의 형광단이 제1 뉴클레오티드(예컨대, "C") 또는 뉴클레오티드 유사체에 링크될 수 있고, 4개 이상의 형광단이 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 해준다는 것을 인식하고 이해하였다. 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 이해하였다. 이러한 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 이해하였다. 이 범위 내의 예시적인 형광단은 메사추세츠주 월섬 소재의 Thermo Fisher Scientific Inc.로부터 입수가능한 Alexa Fluor 647이다. 본 발명자들은, 약 560 nm 내지 약 900 nm의 파장들을 방출하는 형광단들을 여기시키기 위해, 보다 짧은 파장들(예컨대, 약 500 nm 내지 약 650 nm)의 여기 에너지가 요구될 수 있다는 것을 또한 인식하고 이해하였다. 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.
비록 단일 특성 파장을 방출하는 여기 소스를 사용하여 DNA를 시퀀싱하는 것의 가능성이 광학 시스템의 일부를 단순화할 수 있지만, 이는, 앞서 살펴본 바와 같이, 여기 소스에 기술적으로 까다로운 요구들을 둘 수 있다. 예를 들어, 본 발명자들은, 여기 에너지가 차후에 검출된 형광 신호를 압도하거나 방해하지 않도록, 앞서 설명된 검출 스킴들에 대해 여기 소스로부터의 광학 펄스들이 신속하게 소광(extinguish)되어야만 한다는 것을 인식하고 이해하였다. 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 그러한 고속 턴-오프(rapid turn-off) 특성들을 제공할 수 있다는 것을 인식하고 이해하였다. 그렇지만, 모드 동기 레이저들은 오랜 시간 기간 동안 안정된 모드 동기 상태로 작동하기 어려울 수 있다. 또한, 데이터 수집 목적들을 위해 펄스 반복 레이트가 100 MHz보다 낮을 필요가 있을 수 있기 때문에, 모드 동기 레이저 캐비티의 길이가 매우 길어질 수 있다. 그러한 긴 길이들은 휴대용 데스크톱 기기에 통합될 수 있는 콤팩트한 광학 소스와 정반대이다. 부가적으로, 수천 또는 심지어 수백만 개의 반응 챔버에 대해 병렬로 형광이 집적된 포토다이오드들을 사용하여 검출가능하도록, 모드 동기 레이저는 660 nm 미만의 파장들에서 형광단들의 여기를 위해 펄스당 적절한 에너지(또는 높은 평균 파워들)를 제공해야만 한다. 본 발명자들은, 예를 들어, 바이오 광전자 칩(1-140)의 광학 커플러 및 도파관들에의 효율적인 커플링이 달성될 수 있도록, 모드 동기 레이저의 빔 품질이 높아야만 한다(예컨대, M2 값이 1.5 미만임)는 것을 추가로 인식하고 이해하였다. 현재, 휴대용 데스크톱 기기에 통합될 수 있고 오랜 시간 기간들 동안 안정적으로 유지될 수 있는 콤팩트한 모듈(예컨대, 0.1 ft3 미만의 체적을 점유함)에서 펄스들을 250 mW 내지 1 W의 평균 파워들로, 500 nm 내지 650 nm의 파장들로, 50 MHz 내지 200 MHz의 반복 레이트들로 제공하는 상업적 모드 동기 레이징 시스템이 없다.
III. 콤팩트한 모드 동기 레이저 모듈
본 발명자들은 평균 파워, 콤팩트성(compactness), 빔 품질, 펄스 반복 레이트, 여기 파장, 및 광학 펄스들의 턴-오프 속도의 면에서 앞서 설명된 성능 규격들을 달성하는 (예컨대, 도 1aa 및 도 1ab에 개략적으로 묘사된 바와 같은) 콤팩트한 모드 동기 레이저 모듈(1-108)을 고안하고 제작하였다. 개략적으로 말하면 그리고 도 2a를 참조하면, 일부 실시예들에 따른, 콤팩트한 모드 동기 레이저 모듈(1-108)의 주요 컴포넌트들은 (레이저 캐비티의 제1 단부 미러로서 기능할 수 있는 출력 커플러(1-111)와 레이저 캐비티의 제2 단부 미러로서 기능할 수 있는 포화성 흡수체 미러(SAM)(1-119) 사이에 광학 요소들을 포함하는) 레이저 캐비티, 모드 동기 레이저(1-110)의 컴포넌트들의 일부 또는 전부가 장착되는 형성된 베이스 섀시(2-105), 모드 동기 레이저의 동작을 안정화시킬 수 있는 적어도 하나의 캐비티내 광학 요소(2-128), 레이저로부터의 출력을 보다 짧은 파장으로 변환하는 데 참여할 수 있는 주파수 배가 요소들(frequency-doubling elements)(2-170, 2-164, 2-160), 및 레이저의 동작 파라미터들을 모니터링하고 레이저에 의해 생성된 광학 펄스들에 동기화되는 전자 클록 신호를 생성하는 전기 컴포넌트들(2-190, 2-154, 2-182, 2-116)을 포함할 수 있다. 펌프 모듈(2-140)은 베이스 섀시(2-105)에 장착되고 모드 동기 레이저의 이득 매질(1-105)를 여기시키는 데 사용될 수 있다.
베이스 섀시 및 레이저 캐비티
콤팩트한 모드 동기 레이저 모듈(1-108)의 베이스 섀시(2-105)는, 일부 실시예들에 따르면, 길이(L)가 약 20 cm 내지 약 30 cm이고, 높이(H)가 약 10 cm 내지 약 20 cm일 수 있으며, 약 10 mm 내지 약 30 mm의 두께를 갖는다. 일부 경우들에서, 치수들 중 하나 이상이 최대 20% 더 클 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 콤팩트한 모드 동기 레이저 모듈(1-108)에 의해 점유되는 체적은 약 30 cm x 18 cm x 3 cm 또는 대략 0.07 ft3일 수 있다. 일부 구현들에 따르면, 모드 동기 레이저 모듈(1-108)의 전체 형상 또는 폼 팩터는 높이(H)보다 더 긴 길이(L) 및 길이 또는 높이 중 어느 하나보다 훨씬 더 작은 두께를 갖는 슬래브로서, 0.1 입방 피트 미만의 체적을 점유하거나 대략 2 킬로그램의 중량을 갖는다. 일부 경우들에서, 모듈(1-108)의 중량은 1 킬로그램 내지 2 킬로그램이다.
일부 실시예들에서, 베이스 섀시(2-105)는 알루미늄, 티타늄, 알루미늄의 합금, 또는 티타늄의 합금으로 형성될 수 있다. 다른 실시예들에서는 다른 재료들이 사용될 수 있다. 일부 구현들에서, 베이스 섀시(2-105)는 베이스 섀시 내로 머시닝되거나 (예컨대, 캐스팅(casting) 또는 조립에 의해) 다른 방식으로 형성되는 복수의 캐비티들(2-102)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 12.5 mm 직경의 광학 컴포넌트들(또는 보다 작음)은 모드 동기 레이저(1-110)를 구성하는 데 사용될 수 있고, 외부 환경 인자들 및 오염 물질들로부터 캐비티들 내의 컴포넌트들을 보호하기 위해 캐비티들(2-102) 위에 커버(도시되지 않음)가 배치될 수 있도록, 베이스 섀시(2-105)의 캐비티들(2-102) 내로 부분적으로 또는 전체적으로 리세스될 수 있다. 일부 실시예들에서, 커버는 캐비티들 중 하나 이상을 기밀 밀봉(hermitically seal)하도록 캐비티들(2-102) 위에 배치될 수 있다.
캐비티들(2-102) 사이에는, 베이스 섀시(2-105)에 형성된 리브들(ribs)(2-107)이 있을 수 있다. 리브들 중 일부에는, 캐비티내 레이저 빔이 리브들을 통해 인접한 캐비티들로 통과할 수 있게 해주는 구멍들 또는 개구부들(보이지 않음)이 있을 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 베이스 섀시(2-105)의 에지에 대해 한 각도로 연장되는 하나 이상의 대각선 리브(2-107)가 있을 수 있다. 예를 들어, 대각선 리브(2-107)는 베이스 섀시(2-105)를 가로질러 코너-대-코너(corner-to-corner) 방향으로 연장될 수 있다. 본 발명자들은 그러한 대각선 리브(2-107)가 대각선 리브들을 갖지 않는 것에 비해 베이스 섀시(2-105)의 비틀림 강성(torsional stiffness)을 3배 증가시킬 수 있음을 발견하였다. 증가된 비틀림 강성은 레이저 동작의 불안정성을 방지하고 베이스 섀시(2-105)에 작용하는 교란 힘들(perturbing forces)에 대한 모듈의 저항을 개선시키는 데 도움을 줄 수 있다. 일부 경우들에서, 레이저 모듈(1-108)에 대한 하나 이상의 커버(도시되지 않음)가 리브들에 부착될 수 있도록, 리브들의 적어도 부분들이 캐비티의 바닥으로부터 베이스 섀시(2-105)의 상부면까지 연장될 수 있다. 이와 관련하여, 베이스 섀시(2-105)에 실링되거나 지지 피스(예컨대, 금속 프레임)를 사용하여 베이스 섀시(2-105)와 맞닿게 보유될 수 있는 경성 금속 커버(예컨대, 대략 1 mm 초과의 두께를 갖는 금속), 경성 폴리머 커버(예컨대, 대략 2 mm 초과의 두께를 갖는 폴리머), 또는 가요성 재료(금속 또는 폴리머)를 포함하지만, 이들로 제한되지 않는 임의의 적당한 커버가 사용될 수 있다. 일부 경우들에서, 커버 재료는 금속 프레임(대략 1.5 mm 두께)을 사용하여 베이스 섀시와 맞닿게 보유되는 Tyvek®(대략 0.25 mm 두께)을 포함한다.
일부 구현들에서, 하나 이상의 장착 피처(2-103)는 하나 이상의 리브(2-107)에 위치될 수 있다. 장착 피처들(2-103)은 콤팩트한 레이저 모듈(1-108)을 기기 또는 다른 플랫폼에 장착하는 데 사용될 수 있다. 일부 경우들에서, 각각의 레이저 모듈(1-108) 또는 동일한 레이저 모듈이 거의 동일한 위치 및 정렬(예컨대, ± 100 마이크로미터 이내)로 재현가능하게 장착되도록, 장착 피처들은 운동학적 장착을 제공한다. 장착 피처들(2-103)은 태핑된(tapped) 또는 클리어(clear)인 구멍들을 포함할 수 있다. 구멍들은 카운터싱크되거나(countersunk) 카운터보어될(counterbored) 수 있다. 운동학적 장착의 경우, 하부면들(도 2a에 도시되지 않음)이 제1 장착 피처에 대한 원추형 접촉면 또는 링 콘택트, 제2 장착 피처에 대한 쐐기형 접촉면 또는 2점 접촉면, 및 제3 장착 피처에 대한 평탄면 또는 단일점 콘택트를 포함하는 3개의 장착 피처(2-103)가 있을 수 있다. 대안적으로, 장착 피처들(2-103)에 있는 2개의 카운터싱크된 구멍들은 베이스 섀시(2-105)를 수납 지지 구조체에 정렬시키는 데 사용될 수 있다.
레이저 모듈(1-108)의 모드 동기 레이저(1-110)는 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 레이트 또는 펄스 분리 간격(T)을 달성하도록 레이저의 광학 축(1-125)을 폴딩시키고 레이저 캐비티의 길이를 연장시키기 위해 레이저 캐비티 내에 다수의 미러들(2-116, 2-117, 2-120, 2-121, 2-122, 2-123, 2-124, 2-125)이 있을 수 있다. 캐비티내 레이저 빔의 크기 및/또는 형상을 변화시키기 위해 레이저 캐비티 내에 빔 셰이핑 광학계들(beam-shaping optics)(예컨대, 렌즈들 및/또는 곡면 미러들(curved mirrors))이 또한 있을 수 있다.
1064 nm의 레이징 파장에서 작동하는 모드 동기 레이저에 대한 예시적인 광학 컴포넌트들이 이제 설명될 것이다. 본 발명의 실시예들이 설명된 광학 컴포넌트들로만 제한되지 않음이 인식될 것이다. 일부 구현들에서 보다 적은 또는 보다 많은 광학 컴포넌트들이 사용될 수 있고(예컨대, 펄스 반복 레이트를 변경하기 위해 미러들을 추가하거나 제거함), 상이한 파장들에서 레이징하는 레이저들에 대해 컴포넌트들 상의 광학 코팅들이 상이할 수 있다.
이득 매질(1-105)은 열을 베이스 섀시(2-105) 내로 소산시키는 열 전도성 마운트(예컨대, 알루미늄 또는 구리 블록 또는 다른 열 전도성 재료)에 장착된 네오디뮴-도핑된 재료를 포함할 수 있다. 본 발명자들은 모드 동기 레이저가 높은 평균 파워들(예컨대, 300 mW 초과)에서 작동할 때 이득 매질(1-105)에서의 열 렌징 효과들이 발생한다는 것을 인식하였다. 일부 경우들에서, 그러한 열 렌징은 레이저의 작동을 불안정화시킬 수 있다. 이득 매질로부터 열 전도성 마운트로의 열 전달을 개선시키기 위해, 이득 매질(1-105)이 인듐 포일(foil) 또는 열 전도성 마운트로의 열 전달을 개선시키는 임의의 다른 적절한 재료로 랩핑될(wrapped) 수 있다. 일부 경우들에서, 은 에폭시 또는 임의의 다른 적당한 열전도성 접착제가 이득 결정체(gain crystal)를 열 마운트(thermal mount)에 고정시키는 데 사용될 수 있다. 일부 경우들에서, 이득 매질(1-105) 및 열 전도성 마운트는, 열을 베이스 섀시(2-105) 내로 싱크(sink)시킬 수 있는, TEC(thermo-electric cooler) 상에 장착될 수 있다. TEC 또는 액체 냉각과 같은 다른 능동 냉각 기술들은 이득 매질(1-105)의 능동 온도 제어를 제공하고 열 렌징 효과들을 감소시킬 수 있다.
놀랍게도, 본 발명자들은 분석 모델링이 불안정한 공진기를 나타내는 레이저 캐비티 구성이 실험실에서 안정적으로 레이징할 수 있다는 것을 발견하였다. 레이징을 설명하기 위해, 이 모델은 이득 매질에서의 약 1 디옵터 초과의 양의 열 렌징을 포함하도록 변경되어야만 하였다. 일부 실시예들에 따르면, 많은 양의 열 렌징이 허용될 수 있는 레이저 캐비티 구성이 획득될 수 있다. 그 결과, 이득 매질의 능동 냉각이 모드 동기 레이저 모듈(1-110)로부터 제거될 수 있다. 실시예들에서, 이득 매질(1-105)은 이득 매질(1-105)로부터 베이스 섀시(2-105)로 수동적으로 열을 전도시키기 위해 베이스 섀시와 접촉하는 열 전도성 마운트에 배치될 수 있다.
이득 매질(1-105)의 능동 냉각의 제거는 레이저의 비용 및 복잡성을 감소시킬 수 있다. 본 발명자들은 최대 10 와트의 광학 펌핑 파워들이 이득 매질을 펌핑하는 데 사용될 때에도, 이득 매질의 능동 온도 제어가 본 실시예들의 모드 동기 레이저(1-110)에 사용될 필요가 없음을 관찰하였다. 놀랍게도, 모드 동기 레이저(1-110)는 이 펌프 파워 범위에 걸쳐 안정적으로 모드 동기된 채로 유지되지만, 연관된 열 렌징 효과들(포지티브 렌징(positive lensing))이 펌프 파워 범위에 걸쳐 0 내지 대략 15 디옵터의 이득 매질의 열 유도 초점 거리(thermally-induced focal length)를 변경시킬 수 있다. 열 렌징이 15 디옵터를 초과하는 경우, 레이저 캐비티가 모드 동기 작동 또는 연속파 작동을 지원하지 않을 수 있는 불안정한 공진기가 될 수 있다. 이득 매질에서 그러한 큰 열 렌징 범위에 걸친 모드 동기의 안정성은 모드 동기 레이저(1-110)에 대한 광학 컴포넌트들의 선택 및 배열에 부분적으로 기인한다. 일 실시예에 따르면, 모드 동기 작동의 안정성 및 개선된 성능은 어떤 양의 열 렌징이 이득 매질에서 발생하게 하는 것에 결정적으로(critically) 의존한다. 실시예들에서, 열 렌징의 양이 1 디옵터 내지 15 디옵터의 포지티브 렌징 효과인 경우 모드 동기 레이저(1-110)의 안정된 모드 동기 작동이 획득될 수 있다. 열 렌징이 이 범위에 걸쳐 변화할 수 있더라도, 안정된 모드 동기를 유지하기 위해 레이저 캐비티에 대해 기계적 조정들이 행해질 필요가 없다. 이득 매질(1-105)에서의 열 렌징의 양이 8 디옵터 내지 12 디옵터의 포지티브 열 렌징일 때 모드 동기 레이저의 개선된 성능이 획득될 수 있다. 연속파 작동의 경우, 0 디옵터 내지 적어도 15 디옵터의 포지티브 열 렌징이 있을 수 있다. (예컨대, 헬륨 네온 레이저 또는 레이저 다이오드로부터의) 연속파 레이저 프로브 빔을 이득 매질(1-105)을 통해 (예컨대, 어떤 각도로) 통과시키고 "펌프-빔-온(pump-beam-on)" 상태와 "펌프-빔-오프(pump-beam-off)" 상태 간에 이득 매질로부터 어떤 거리에서의 프로브 빔의 상대 변위를 측정함으로써 열 렌징의 양(대략 4 디옵터 초과)이 측정될 수 있다. 펌프-빔-온 상태는 레이저 다이오드 펌프 빔이 온이고 레이저(1-110)의 모드 동기 레이징을 위해 이득 매질(1-105)을 여기시킬 때이다. 4 디옵터 미만의 값들은 정확하게 측정하기 어려울 수 있는데, 그 이유는 상대 변위가 작아지기 때문이다.
이득 매질(1-105)에서의 광학 펌프 빔의 흡수는 이득 매질에서의 열 렌징을 야기할 수 있다. 실시예들에서, 이득 매질에서의 열 렌징의 양은 이득 매질(1-105)에 인가되는 광학 펌프 빔에서의 파워의 양을 변경함으로써(예컨대, 펌프 모듈(2-140)로부터의 파워의 양을 변경함으로써) 변경될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 이득 매질(1-105)을 여기시키는 데 사용되는 광학 펌프 빔의 광학 파장을 튜닝함으로써 이득 매질에서의 열 렌징의 양이 변경될 수 있다. 광학 펌프 빔의 파장의 튜닝은, 예를 들어, 펌프 모듈(2-140) 내의 레이저 다이오드의 온도를 튜닝함으로써 수행될 수 있다. 펌프 빔의 파장을 튜닝하는 것은 이득 매질(1-105)에서의 광학 펌프 빔의 흡수의 양을 변경할 수 있다.
일부 구현들에서, 이득 매질(1-105)은 1064 nm에서의 레이징을 제공할 수 있는, 네오디뮴 바나데이트(예컨대, Nd3+:YVO4)를 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, Nd:YAG, Nd:YLF, 및 Cr:포스테라이트와 같은, 그러나 이로 제한되지 않는 다른 고체 결정체들(solid state crystals)이 사용될 수 있다. 일부 구현들에서, 캐비티 내의 광학 컴포넌트들이 이 파장에서의 레이징을 위해 설계되고 코팅되기만 한다면, 대안적으로 또는 부가적으로 네오디뮴 바나데이트 이득 매질(1-105)이 1342 nm에서의 레이징을 제공하는 데 사용될 수 있다. 일부 경우들에서, 이득 매질은 3 mm 내지 11 mm의 길이를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 이득 매질의 길이는 5 mm 내지 9 mm일 수 있다. 일부 경우들에서, 네오디뮴 도펀트 레벨(원자 %)은 0.10% 내지 1%일 수 있다. 일부 구현들에서, 도펀트 레벨은 0.10% 내지 0.50%일 수 있다. 일부 구현들에서, 도펀트 레벨은 0.24% 내지 0.30%일 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 결정체 길이는 대략 7 mm일 수 있고 도펀트 레벨은 대략 0.27%일 수 있다. 본 발명자들은 대략 7 mm의 길이들에 대해 0.3%보다 상당히 더 높은 도핑 레벨들(원자 %)이 보다 높은 작동 파워들에서의 레이저의 작동을 불안정화시킬 수 있고(예컨대, 고차 공간 모드들에서의 레이징을 유도하거나, 모드 동기를 불안정화시키거나 종료시킴), 이는 바람직하지 않게도 캐비티내 컴포넌트들을 재조정할 것을 요구할 수 있다는 점을 발견하였다. 예를 들어, 1% 도핑의 경우, 특정한 펌프 파워 레벨 초과에서 모드 동기가 종료되었고, 모드 동기를 회복하기 위해 캐비티내 광학 요소들이 재조정되어야만 했다. 이득 매질(1-105)의 횡방향 치수 또는 치수들은 임의의 적당한 값(예컨대, 1 mm 내지 4 mm)일 수 있다. 이득 매질은 원통형 로드(rod), 직사각형 바(bar), 또는 임의의 다른 형상의 형태일 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 이득 매질(1-105)의 단부 패싯들은 (네오디뮴 바나데이트에 대해 약 1,064 nm일 수 있는) 레이징 파장(λl)을 위해 그리고 (네오디뮴 바나데이트에 대해 약 808 nm일 수 있는) 펌프 파장(λp)을 위해 반사방지 코팅될 수 있다. 일부 실시예들에서, 단부 패싯이 레이저 캐비티의 단부 미러로서 작용하고 별개의 출력 커플러(1-111)가 사용될 필요가 없도록, 이득 매질의 하나의 단부 패싯이 출력 커플러 코팅으로 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. 예를 들어, 이득 매질에 대한 열 전도성 마운트는 이득 매질(1-105)이 배치되는 리세스를 포함할 수 있다. 리세스는 이득 매질을 열 전도성 마운트에 정렬시킬 수 있다. 이득 매질을 레이저 캐비티의 광학 축(1-125)에 대해 어떤 각도로 정렬시키기 위해 열 전도성 마운트는 이어서 베이스 섀시(2-105) 상의 피처들(예컨대, 머시닝된 표면들, 핀들, 스크루 구멍들 중 임의의 것 또는 조합)에 정합(register)될 수 있다. 일부 구현들에 따르면, 이득 매질(1-105)은, 레이징을 위해 의도되는 선호된 편광과 정렬되도록, 자신의 마운트에서 절단되고 배향될 수 있다. 예를 들어, 이득 매질(1-105)은 도 2a에서의 Y 축에 평행한 선형 편광으로 레이징하도록 배향될 수 있다.
일부 실시예들에 따른, 이득 매질에 대한 열 전도성 마운트(3-100)의 일 예가 도 3aa에 묘사되어 있다. 묘사된 마운트(3-100)는 정사각형 단면을 갖는 이득 매질을 위해 설계되어 있지만, 마운트(3-100)는 직사각형, 원, 타원, 또는 다각형과 같은 다른 단면들을 위해 설계될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 이득 매질에 대한 열 전도성 마운트(3-100)는 클램핑 배열(clamping arrangement)로 서로 조인(join)되도록 구성된 제1 부분(3-120)과 제2 부분(3-122)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 부분(3-120)과 제2 부분(3-122)은 스크루들(도시되지 않음)에 대한 관통 구멍들(3-140)을 포함할 수 있으며, 이 관통 구멍들은 2개의 부분들이 베이스 섀시(2-105)에 패스닝되고(fastened) 그와 열 접촉하게 배치될 수 있게 해준다. 관통 구멍들(3-140)에 배치된 스크루들은 마운트(3-100)를 베이스 섀시(2-105)에 정렬시키고 이득 매질(1-105)을 클램핑할 수 있다. 제1 부분(3-120) 및 제2 부분(3-122)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 이득 매질(1-105)과 열 접촉하게 배치되도록 배열되는 내부 면들(interior faces)(3-115)을 가질 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, (예컨대, 이득 매질(1-105)이 장착 구조체(3-100)에 장착될 때) 이득 매질(1-105)의 코너들이 위치될 수 있는 마운트의 영역들에 위치된 트렌치들 또는 개구부들(3-130)이 있을 수 있다. 트렌치들 또는 개구부들은 이득 매질(1-105)의 코너 위치 양쪽에 약 0.5 mm 내지 약 3 mm 연장될 수 있다. 본 발명자들은 이득 매질(1-105)에 대한 마운트(3-100)에서의 코너들에 있는 개구부들이 그렇지 않았으면 이득 매질(1-105)을 균열시키고 그리고/또는 레이저의 광학 모드 프로파일에 악영향을 미칠 수 있는 열적 및 기계적 응력을 완화시킬 수 있다는 것을 발견하였다.
이득 매질(1-105)에 대한 열 전도성 마운트(3-101)의 다른 예가 도 3ab에 묘사되어 있다. 마운트(3-101)는 제1 부분(3-121) 및 제2 부분(2-123)을 포함할 수 있다. 제1 부분(3-121)은 제1 부분에 머시닝된 리세스(3-131)를 포함할 수 있는데, 리세스(3-131)는 이득 매질(1-105)(도시되지 않음)에 비해 약간 오버사이즈이다(oversized). 일부 구현들에서, 이득 매질(예컨대, 네오디뮴-바나데이트 결정체)은 열 전도성 접착제 또는 겔을 사용하여 리세스(3-131) 내로 리세스의 내측 표면들(3-116)에 접착될 수 있다. 오버사이즈의 리세스(3-131)는 이득 매질(1-105)에 작용할 마운트(3-101)로부터의 기계적 응력들을 피할 수 있는 얇은 층(예컨대, 400 마이크로미터 두께)의 접착제 또는 겔을 수납할 수 있다. 이득 매질은 레이저 캐비티(1-110)에서 고정될 때 제2 부분(3-123)의 표면에 또한 부착될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 부분(3-123)은 베이스 섀시(2-105)(예컨대, 베이스 섀시(2-105)에 머시닝된 플랫폼 또는 다른 지지 구조체)에 형성될 수 있다. 제1 부분(3-121)은, 예를 들어, 스크루들을 사용하여 제2 부분(3-123)에 연결될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 콤팩트한 모드 동기 레이저에 대한 출력 커플러(1-111)는 10-5(스크래치(scratch) 및 디그(dig))의 표면 품질 및 최대 λ/10의 파면 오차(wavefront error)를 갖는 고품질 레이저 광학계일 수 있다. 출력 커플러(1-111)의 하나의 표면은 레이징 파장(λl)에 대해 약 75% 내지 약 95%의 값을 갖는 반사율을 제공하고 이득 매질(1-105)을 여기시키는 데 사용되는 펌프 파장(λp)의 투과를 (최소 반사율로) 가능하게 해주기 위해 다층 유전체로 코팅될 수 있다. 일부 실시예들에서, 레이징 파장이 약 1064 nm일 수 있고 펌프 파장이 약 808 nm일 수 있지만, 다른 실시예들에서 다른 파장들이 사용될 수 있다. 일부 구현들에서, 레이징 파장에서의 출력 커플러의 반사율은 82% 내지 88%이다. 본 발명자들은 이 반사율 범위 내의 출력 커플러가 레이저의 안정된 동작으로 원하는 양의 출력 파워를 제공하고 레이저의 동작 범위에 걸쳐 포화성 흡수체 미러(1-119) 상에 적절한 양의 플루엔스(fluence)를 제공한다는 것을 발견하였다.
(레이저 출력을 향하는) 출력 커플러(1-111)의 제2 표면은 펌프 파장 및 레이징 파장 둘 다에 대해 반사방지 코팅으로 코팅될 수 있고, 출력 커플러의 반사 표면에 대해 어떤 각도(예컨대, 약 1도 내지 약 4도)로 배향될 수 있다. 본 발명자들은 출력 커플러(1-111)의 출력 (투과) 표면으로부터의 레이징 파장의 적은 양의 반사가 모드 동기 레이저로부터의 펄스들을 상당히 그리고 불리하게 확장(broaden)시킬 수 있다는 것을 발견하였다. 일부 실시예들에 따르면, 펌프 파장 λp를 무시할 정도의 반사로 투과시키기 위해, 출력 커플러 상의 코팅들은 이색성(dichroic)이다.
일부 실시예들에 따르면, 출력 커플러(1-111)는 2개의 직교 축에 관해(예컨대, 도 2a에서의 Y 축 및 X 축에 관해) 광학 축(1-125)에 대한 각도 조절을 제공하는 2-축 조절가능 마운트에 장착될 수 있다. 일부 실시예들에서, 출력 커플러(1-111)는 베이스 섀시(2-105)에 통합될 수 있는 비조절가능 마운트 상에 장착될 수 있다. 비조절가능 마운트는 콤팩트한 레이저의 비용 및 복잡성을 감소시킨다. 또 다른 실시예들에서, 출력 커플러(1-111)는 투명 기판 및 하나 이상의 광학 코팅을 포함하는 별개의 광학 컴포넌트 대신에 이득 매질(1-105)의 단부면(end-face) 상에 다층 광학 코팅으로서 형성될 수 있다.
출력 커플러 또는 다른 광학 컴포넌트에 대한 집적된 비조절가능 마운트의 일 예가 도 3ba 및 도 3bb에 묘사되어 있다. 집적된 마운트는 광학 컴포넌트를 레이저의 광학 축(1-125)에 자기-정렬시킬 수 있다. 도 3ba에 도시된 바와 같은 집적된 광학 마운트(3-210)는 모드 동기 레이저(1-110)의 베이스 섀시(2-105)에 머시닝되거나 다른 방식으로 형성된 축방향 트렌치(3-220)를 포함할 수 있다. 축방향 트렌치(3-220)는 모드 동기 레이저 캐비티의 광학 축에 평행한 방향으로 연장될 수 있다. 집적된 광학 마운트(3-210)는 축방향 트렌치(3-220)에 대략 횡방향으로 형성되는 코플래너 표면들(coplanar surfaces)(3-230)을 추가로 포함할 수 있다. 코플래너 표면들은 축방향 트렌치(3-220)에 대략 직교인 방향으로 짧은 트렌치를 머시닝 또는 밀링(milling)하는 것에 의해 형성될 수 있다. 일부 경우들에서, 장착된 광학계로부터의 역반사들(back reflections)이 레이저 캐비티의 광학 축으로부터 변위(displace)되도록, 코플래너 표면들(3-230)이 작은 각도로 배향될 수 있다. 축방향 트렌치(3-220)의 베이스에, 경사진 표면들(3-240)이 있을 수 있다(도 3ba에서는 하나만이 보인다). 경사진 표면들(3-240)은 축방향 트렌치의 베이스 근방에 머시닝, 밀링, 또는 다른 방식으로 형성될 수 있고, 축방향 트렌치(3-220)의 대향 측면들 상에 위치될 수 있다. 경사진 표면들(3-240)은 코플래너 표면들(3-230)을 향한 방향으로 기울어져 있고, 그 위에 장착된 광학계에 대한 지지를 제공할 수 있다.
모드 동기 레이저에 대한 광학 컴포넌트(광학계)(3-250)는, 예를 들어, 도 3bb에 묘사된 바와 같이, 집적된 광학 마운트(3-210)에 의해 지지될 수 있다. 광학계(3-250)는, 예를 들어, 캐비티 미러, 레이저 캐비티 내의 렌즈, 또는 이득 매질(1-105)을 포함할 수 있다. 일부 경우들에서, 광학계(3-250)는, 도면에 묘사된 바와 같이, 집적된 광학 마운트(3-210)에 그 자체로 장착될 수 있다. 다른 실시예들에서, 광학계는 집적된 광학 마운트(3-210)에 배치될 수 있는 지지 금구(supporting fixture)(예컨대, 환형 플레이트, 조절가능 마운트) 내에 장착될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 광학 컴포넌트(3-250), 또는 지지 금구는 집적된 광학 마운트(3-210)의 코플래너 표면들(3-230)에 정합되고 그와 맞닿아 있는 평탄면을 포함할 수 있다. 광학계 또는 금구는 컴플라이언트 유지 디바이스(compliant retaining device)(예컨대, 베이스 섀시에 패스닝될 수 있는 바, 가요성 플라스틱 바 또는 암(arm) 등 상에 장착된 O-링(O-ring))에 의해 집적된 마운트에 유지될 수 있다. 컴플라이언트 유지 디바이스는 광학계(3-250) 또는 지지 금구의 상부 에지(top edge)와 접촉할 수 있고, 경사진 표면들(3-240) 및 코플래너 표면들(3-230)을 향한 방향들로 광학계 또는 금구에 힘을 가할 수 있다. 광학계(3-250) 또는 지지 금구의 하부 에지(lower edge)는 경사진 표면들(3-240) 상의 지점들과 접촉할 수 있다. 경사진 표면들(3-240)은 또한 코플래너 표면들(3-230)을 향해 부분적으로 지향되는 성분을 갖는 힘을 광학계 또는 금구에 제공할 수 있다. 경사진 표면들(3-240)에 있는 접촉 지점들 및 코플래너 표면들(3-230)을 향해 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 마운트(3-210)가 모드 동기 레이저(1-110)의 베이스 섀시에 형성될 수 있다. 일부 경우들에서, 축방향 트렌치(3-220)는, 도 3ba에 묘사된 바와 같이, 몇 개의 집적된 광학 마운트들을 관통하여 연장될 수 있다. 집적된 광학 마운트의 유리한 특징들 중에는 모드 동기 레이저의 광학 축의 하강(lowering)이 있다. 이것은 그렇지 않았으면 베이스 섀시의 표면으로부터 연장되는 광학 마운트들 내로 커플링되고 그 광학 마운트들에 의해 증폭될 수 있을지도 모르는 기계 진동들(mechanical vibrations)의 효과들을 감소시킬 수 있고, 그렇지 않았으면 베이스 섀시의 표면으로부터 연장되는 광학 마운트들의 움직임에 의해 증폭될 수 있을지도 모르는 열 팽창(예컨대, 베이스 섀시(2-105)의 약간의 뒤틀림(warping))의 효과들을 감소시킬 수 있다.
도 2a를 또다시 참조하면, 본 발명자들은 출력 커플러(1-111)와 이득 매질(1-105) 사이의 거리를 변화시키는 것이 모드 동기 펄스 시간 프로파일(펄스 지속시간이라고도 지칭됨)의 FWHM 값을 변화시킬 수 있다는 것을 발견하였다. 출력 커플러(1-111)와 이득 매질(1-105) 사이의 거리가 0 mm와 10 mm 사이에서 변화되는 것에 의해 레이저의 모드 동기가 달성될 수 있고, 펄스 지속시간은 상이한 펄스 지속시간들을 획득하기 위해 상이한 거리들을 선택함으로써 이 거리 범위에 걸쳐 대략 9 피코초와 대략 38 피코초 사이에서 변화될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 출력 커플러(1-111)와 이득 매질(1-105) 사이의 거리는 4 mm 내지 8 mm로 설정된다.
본 발명자들은 출력 커플러(1-111)에서의 레이저의 캐비티내 빔 웨이스트(intracavity beam waist)가 100 마이크로미터 내지 180 마이크로미터일 때 평균 레이징 파워 범위에 걸친 안정되고 효율적인 동작이 달성된다는 것을 또한 발견하였다. 출력 커플러(1-111)에서의 빔 웨이스트의 값은, 곡면 미러(2-117)와 같은, 캐비티내 광학계에 의해, 출력 커플러와 곡면 미러 사이의 거리에 의해, 그리고 이득 매질(1-105)에서의 펌프 빔 웨이스트에 의해 부분적으로 결정된다. 일부 실시예들에 따르면, 이득 매질에서의 레이징 파장의 빔 웨이스트는 이득 매질(1-105)에서의 펌프 빔 웨이스트보다 상당히 더 작을 수 있다. 예를 들어, 이득 매질에서의 레이징 파장에 대한 빔 웨이스트는 이득 매질에서 100 마이크로미터 내지 150 마이크로미터일 수 있고, 펌프 빔에 대한 가장 작은 웨이스트는 180 마이크로미터 내지 250 마이크로미터일 수 있으며, 여기서 펌프 빔은 그의 광학 축을 중심으로 완전 대칭(fully symmetric)일 수 있다. 출력 커플러(1-111)에서의 그리고 이득 매질(1-105)에서의 빔 웨이스트의 값은 제2 곡면 미러(2-127)의 초점 거리 및 제2 곡면 미러(2-127)와 포화성 흡수체 미러(1-119) 사이의 거리에 의해 또한 영향을 받을 수 있다. 레이저 다이오드 펌프 빔보다 모드 동기 레이저(1-110)의 레이징 빔에 대해 더 작은 빔 웨이스트를 가지는 것은 모드 동기 레이저 작동의 안정성을 개선시킬 수 있다(예컨대, 레이저가 이득 매질(1-105)에서의 레이저 빔 및 레이저 다이오드 펌프 빔의 상대 운동으로 인한 파워 및 모드 동기 변동들에 덜 취약하게 만들 수 있다). 용어 "빔 웨이스트"는 레이저 빔 강도가 빔의 양측에서 피크 값으로부터 1/e2 값으로 떨어지는 공간 범위(spatial extent)를 지칭하는 데 사용된다. 원형 빔은 단일 빔 웨이스트에 의해 특징지워질 수 있다. 타원형 빔은 2개의 빔 웨이스트: 빔의 단축에 대한 빔 웨이스트 및 빔의 장축에 대한 빔 웨이스트에 의해 특징지워질 수 있다.
레이저 캐비티의 대향 단부에는, 포화성 흡수체 미러(SAM)(1-119)가 장착된다. 도 3c를 참조하면, SAM은 비선형 광학 흡수를 나타내는 다층 반도체 구조체(3-312)(예컨대, 다중 양자 웰) 및 기판(3-305) 상에 형성된 고반사체(high reflector)(3-330)를 포함할 수 있다. 비선형 광학 흡수는 레이저에서의 수동 모드 동기를 유도할 수 있다. 예를 들어, SAM은 낮은 광학 강도들에서는 보다 높은 흡수를 나타낼 수 있고, 높은 광학 강도들에서는 표백(bleach)되거나 거의 흡수를 나타내지 않고 보다 적은 손실을 나타낼 수 있다. 반도체 구조체가 고반사체(3-330)에 입사하여 그로부터 반사되는 광학 필드(optical field)에 의해 생성된 광학 정재파(optical standing wave)의 대략 피크 강도에 위치되도록, 반도체 구조체(3-312)가 SAM에서 고반사체(3-330)로부터 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, 광학 펄스들의 높은 강도들이 레이저의 보다 낮은 강도, 연속파 작동보다 캐비티에서 더 적은 손실을 경험하기 때문에, 레이저는 펄스 작동 모드에서 우선적으로 작동한다(수동 모드 동기된다).
일부 구현들에서, SAM의 표면이 광학 축(1-125)(도면에서의 Z 축)에 대해 횡방향인 방향으로 이동될 수 있도록, SAM(1-119)이 회전 및/또는 횡방향 위치결정 마운트(rotating and/or transverse-positioning mount) 상에 장착될 수 있다. SAM이 손상되면, 캐비티내 빔이 SAM의 손상되지 않은 영역 상으로 포커싱되도록, SAM이 이동되고 그리고/또는 회전될 수 있다. 일부 경우들에서, SAM(1-119)은, 예컨대, 레이저 캐비티의 정렬을 돕기 위해, 각도 조절을 제공하는 마운트 상에 장착될 수 있다.
다른 실시예들에서, SAM은 비조절가능 마운트(2-119) 상에 장착될 수 있다. 비조절가능 마운트는 SAM으로부터 베이스 섀시(2-105)(도면에 도시되지 않음)로 열을 소산시키는 알루미늄 또는 구리와 같은 열 전도체를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, SAM 마운트(2-119)는 열 전도성 접착제를 사용하여 SAM에 접착되는 알루미늄 또는 구리 또는 임의의 적당한 열 전도성 재료의 플레이트를 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, SAM은, SAM 마운트(2-119)로서 사용되는, 인쇄 회로 보드의 단편 상의 구리 포일에 부착될 수 있다. SAM 마운트는 SAM 마운트가 레이저의 광학 축(1-125)에 대략 정렬될 수 있게 해주는 하나 이상의 스크루를 사용하여 베이스 섀시에서의 머시닝된 표면 또는 베이스 섀시에 부착된 금구의 표면에 부착될 수 있다. 예를 들어, SAM 마운트는 베이스 섀시에 고정될 때 X 방향 및 Y 방향으로 손으로 대략적으로(crudely) 위치결정될 수 있지만, SAM에 입사하는 모드 동기 레이저의 캐비티내 빔의 광학 축에 대한 SAM의 표면의 (예컨대, 2 자유도에서의) 미세 각도 조절을 다른 방식으로 제공하지 않는다. 레이저 캐비티 내의 다른 광학 컴포넌트들은 SAM 상에서의 입사각 및 광학 축의 위치를 조절하는 데 사용할 수 있다. SAM(1-119)을 고정된 마운트 상에 장착함으로써, 다축(multi-axis)/다각도(multi-angle) 조절 마운트와 연관된 비용 및 복잡성이 제거될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, SAM은 갈륨 비화물 반도체 조성물로 형성될 수 있다. SAM은 보다 큰 기판 또는 웨이퍼로부터 절단될 수 있고, SAM의 면에 걸친 최대 치수가 1 mm 내지 3 mm인 형상의 정사각형일 수 있다. SAM의 흡수의 이완 시간(relaxation time)은 10 ps 내지 30 ps일 수 있다. SAM의 비-포화 흡수는 2% 내지 6%일 수 있다. SAM의 변조 깊이(modulation depth)는 SAM의 비-포화 흡수의 60% 내지 74%일 수 있다. 일부 구현들에서, 이완 시간은 대략 25 ps이고 비-포화 흡수는 대략 4%이다. 그러한 SAM(1-119)은 12 ps 내지 20 ps의 펄스 지속시간들을 갖는 모드 동기 레이징을 지원할 수 있다. 일부 실시예들에서, SAM의 포화 플루엔스는 약 70 마이크로줄/cm2(μJ/cm2)일 수 있다.
본 발명자들은 캐비티내 레이저 빔으로부터 SAM 상의 광학 플루엔스가 갈륨 비화물 SAM의 장기 동작을 위해 2.5 밀리줄/cm2 (mJ/cm2) 미만으로 유지되어야 함을 인식하고 이해하였다. 5 mJ/cm2 이상의 값들에서, SAM이 손상될 수 있다. 일부 구현들에서, SAM 상의 플루엔스는 SAM의 포화 플루엔스의 약 10배 미만으로 유지될 수 있다. SAM 상의 플루엔스는 (예컨대, 레이저 캐비티에 위치된 곡면 미러(2-127)를 사용하여) SAM에서의 빔 웨이스트를 제어하는 것에 의해 그리고 출력 커플러(1-111)의 반사율의 선택을 사용하여 캐비티내 파워를 제어하는 것에 의해 제어될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 출력 커플러 반사율이 82% 내지 88%일 때 SAM에서의 빔 웨이스트는 80 마이크로미터 내지 120 마이크로미터이다.
출력 커플러(1-111)와 SAM(1-119) 사이에는, 레이저 캐비티의 광학 축을 여러 번 폴딩할 수 있는 복수의 미러들이 있을 수 있다. 이러한 미러들(예컨대, 도 2a를 참조하는 미러들(2-115, 2-120, 2-121, 2-122, 2-123, 2-124, 2-125)) 중 일부는 평탄면들을 가질 수 있고 비조절가능 마운트들에 장착될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 미러들 중 2개(2-117, 2-127)는 곡면 표면들을 가질 수 있고 포커싱 반사체를 포함할 수 있다. 일부 경우들에서, (예컨대, 캐비티내 빔이 미러(2-117) 또는 미러(2-127)의 위치에서 폴딩되지 않으면) 미러들(2-117, 2-127)에 대한 포커싱 반사체들 대신에 다른 타입의 포커싱 광학계(예컨대, 렌즈 또는 복합 렌즈)가 사용될 수 있다. 레이저의 광학 축을 폴딩하는 데 사용되는 평면 및 곡면 미러들의 경우, 미러의 반사율은 미러가 사용될 입사각에서 레이징 파장에 대해 매우 높을 수 있다. 예를 들어, 그러한 미러에 대한 반사율은 일부 경우들에서 99% 초과일 수 있지만, 일부 경우들에서 99.5% 훨씬 초과일 수 있다. 폴딩 미러들 중 하나 이상의 표면 품질은 적어도 10-5(스크래치 및 디그)일 수 있으며 파면 오차는 최대 λ/10일 수 있다. 일부 경우들에서, 폴딩 미러들 중 하나 이상의 표면 품질은 적어도 40-20(스크래치 및 디그)일 수 있으며 파면 오차는 최대 λ/10일 수 있다. 스크래치-디그 표면 품질에 대한 보다 높은 값은 폴딩 미러들의 비용을 상당히 감소시킬 수 있다.
일부 구현들에서, 미러들 중 적어도 하나(예컨대, 미러(2-124))는 이득 매질(1-105)로부터 SAM(1-119)으로의 단일 통과(single transit)에 대해 캐비티내 빔을 여러 번 폴딩할 수 있다. 도 2a에 도시된 예시적인 구성에 대해, 이득 매질(1-105)로부터 SAM(1-119)으로 진행하는 광학 펄스(1-120)에 대한 바운스 시퀀스(bounce sequence)는 미러들(2-115, 2-117, 2-120, 2-121, 2-122, 2-123, 2-124, 2-125, 2-124, 2-127, 2-124)로부터 그리고 이어서 SAM(1-119)으로의 반사들의 시퀀스이다. 이 시퀀스에서, 캐비티내 미러들 중 하나(2-124)는 다수의 반사들을 위해 사용되며, 빔이 레이저 캐비티의 하나의 단부로부터 다른 단부로 진행함에 따라 적어도 두 번의 반사를 위해 이 미러 상에서 입사각이 부호가 반전된다. 예를 들어, 도 2a를 참조하면, 빔이 출력 커플러(1-111)로부터 SAM(1-119)으로 진행함에 따라, 제1 입사각은 +Z 방향으로 있고 미러(2-124) 상에서의 제2 입사각은 -Z 방향으로 있다. SAM(1-119)으로부터 반사한 후에, 펄스는 이어서 역방향 바운스 시퀀스(reverse bounce sequence)로 이득 매질로 되돌아갈 것이다. 콤팩트한 레이저 모듈 내에서의 광학 축의 다수의 폴딩들을 가지는 것에 의해, 200 MHz 미만 및 50 MHz 정도로 낮은 펄스 반복 레이트를 획득하기 위해 캐비티 길이가 연장될 수 있다. 펄스 반복 레이트는 캐비티 내의 미러들 사이의 바운싱들의 횟수 및 미러들 사이의 거리에 의해 부분적으로 결정되는 레이저 캐비티의 길이에 의존할 것이다. 일부 실시예들에 따르면, 미러들을 재배치하고 제1 곡면 미러(2-117)와 제2 곡면 미러(2-127) 사이의 캐비티 내에 미러들을 추가하거나 제거하여 출력 커플러(1-110)와 포화성 흡수체 미러(1-119) 사이의 광학 경로 길이를 증가시키거나 감소시키는 것에 의해 펄스 반복 레이트가 변경될 수 있다. 캐비티내 빔이 제1 곡면 미러(2-117)와 제2 곡면 미러(2-127) 사이에서 대략 콜리메이트되기 때문에, 이 영역에서 빔이 콜리메이트되지 않은 경우보다 펄스 반복 레이트에 대한 변경들이 더 용이하게 이루어질 수 있다. 일부 구현들에서, 상이한 펄스 반복 레이트들을 획득하도록 미러들을 재배치하기 위해 추가의 집적된 광학 마운트들이 베이스 섀시에 형성될 수 있다.
앞서 살펴본 바와 같이, 본 발명자들은 200 ㎒ 미만 및 50 ㎒ 정도로 낮은 펄스 반복 레이트들이 바이오 광전자 칩 상의 샘플들의 대규모 병렬 분석에 바람직하다는 것을 인식하고 이해하였다. 그렇지만, 다수의 미러들을 사용하는 것 - 일부 미러들은 여러 번 사용됨 - 은 수 시간의 기간들에 걸쳐 안정된 모드 동기 레이징을 유지하기 위해 서로에 대해 매우 높은 정도의 안정성의 미러들을 요구한다. 강화 리브들(strengthening ribs)을 포함하는 베이스 섀시(2-105)에서의 지지 표면들에 대한 미러들의 집적된 장착은 미러들의 요구된 안정성 및 안정된 모드 동기 작동을 달성할 수 있다.
폴딩 미러에 대한 비조절가능 마운트의 일 예가 도 3d에 도시되어 있다. 일부 실시예들에 따르면, 마운트는 베이스 섀시(2-105) 내로 머시닝되거나 다른 방식으로 형성될 수 있다. 마운트는 이격된 2개의 경사진 표면(3-424)에 인접하여 위치된 지지 및 정렬 벽(3-410)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 경사진 표면들은 2개의 돌출부(3-420)상에 형성될 수 있다. 일부 구현들에서, 단일 경사진 표면이 있을 수 있다. 경사진 표면 또는 표면들은, 도면에 예시된 바와 같이, 정렬 벽(3-410)을 향해 경사질 수 있다. 벽에 인접한 하나 이상의 나사형 구멍(threaded holes)(3-430)이 있을 수 있다. 광학 컴포넌트(예컨대, 평면 미러(flat mirror) 또는 곡면 미러)는, 배면이 정렬 벽(3-410)과 맞닿아 있는, 경사진 표면 또는 표면들(3-424) 상에 배치될 수 있다. 유연한(pliable) 또는 가요성 컴포넌트를 갖는 클램핑 컴포넌트(도시되지 않음)는 정렬 벽과 맞닿게 광학 컴포넌트를 유지하기 위해 나사형 구멍(3-430) 또는 구멍들을 통해 고정될 수 있다.
정렬 벽(3-410)과 맞닿게 보유된 광학 컴포넌트가 레이저 캐비티를 통해 레이저 빔의 계획된 광학 축에 대해 원하는 각도들로 대략 정렬되도록, 정렬 벽(3-410)이 선택된 배향으로 베이스 섀시(2-105)에 머시닝될 수 있다. 본 발명자들은 정렬 벽들(3-410)이 베이스 섀시에 평행한 평면 내에 있는 각도들을 위해(예컨대, 도 2a에서의 XZ 평면에서의 레이저 빔의 입사각 및 반사각을 정의하는 각도들을 위해) 머시닝에 의해 높은 정도의 각도 정확도로 형성될 수 있음을 인식하고 이해하였다. 그렇지만, 베이스 섀시에 평행한 평면으로부터 레이저 빔을 편향시키는 각도들에 대해 정렬 벽들(3-410)을 형성하는 머시닝 정확도가 상당히 더 작다. 그에 따라, 이득 매질(1-105)과 SAM(1-119) 사이의 미러 마운트들 중 하나는 베이스 섀시에 평행한 평면으로부터의 레이저 빔의 편향을 야기하는 제조 오차들을 수용하기 위해 각도 조절(1 자유도)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 단일 자유도를 갖는 미러 마운트는 이득 매질과 SAM 사이의 거리의 1/4과 3/4 사이에 위치된다.
일부 구현들에서, 하나의 폴딩 미러(2-115)는 캐비티 내에서의 방사 편광을 제어하고 펌프-빔 방사(도 2a에서 두꺼운 파선으로서 표시됨)의 모니터링을 가능하게 해주도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 99% 초과의, 또는, 일부 경우들에서, 심지어 99.5% 초과의 고반사율을 갖는 s 편광(Y 방향으로, 베이스 섀시의 평면을 벗어난 편광)을 반사하기 위해, 그리고 p 편광에서의 레이징이 방지되도록, 직교 p 편광에 대해 보다 낮은 반사율을 갖기 위해 폴딩 미러(2-115)가 코팅될 수 있다. 일부 경우들에서, 폴딩 미러(2-115)는 p 편광의 20% 초과를 투과시키고 s 편광을 고반사율로 반사시키는 편광 빔 스플리터일 수 있다. 폴딩 미러(2-115)는 부가적으로 펌프 빔 방사의 대부분 또는 거의 전부를 미러 후방에 위치된 광검출기(2-116)로 투과시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 폴딩 미러는 펌프 빔 방사의 투과를 가능하게 해주기 위해 이색성 코팅을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 이색성 코팅이 사용될 수 없고, 레이징 파장을 위한 코팅은 검출을 위해 폴딩 미러(2-115)를 통한 펌프 빔 방사의 적절한 투과를 가능하게 해줄 수 있다. 광검출기(2-116)로부터의 출력은 신호 프로세싱 및/또는 외부 신호 프로세서로의 전송을 위해 PCB(2-190)에 제공될 수 있다.
일부 실시예들에서, 2개의 곡면 미러(2-117, 2-127)는 이득 매질(1-105) 및 SAM(1-119) 내에서 원하는 빔 웨이스트 크기들을 획득하기 위해 레이저 캐비티 내에 설계되고 위치될 수 있다. 제1 곡면 미러(2-117)는 이득 매질(1-105) 근방의 레이저 캐비티의 제1 부분에 위치될 수 있다. 제2 곡면 미러(2-127)는 SAM(1-119) 근방의 레이저 캐비티의 제2 부분에 위치될 수 있다. 적어도 곡면 미러들 사이에, 레이저의 광학 축을 폴딩시키고 캐비티 길이 연장 영역에서 레이저 캐비티 길이를 연장시키는 복수의 폴딩 미러들이 있을 수 있다. 캐비티 길이 연장 영역에서 캐비티의 길이를 연장시키기 위해 캐비티내 레이저 빔을 여러 번 폴딩시키는 미러(2-124)가 곡면 미러(2-127)와 SAM(1-119) 사이에 부가적으로 있을 수 있다. 예를 들어, 곡면 미러(2-127)와 미러(2-124)는, 도 2a에 나타낸 바와 같이, 이러한 2개의 반사체로부터의 즉각적으로 연속적인 바운스들에서 캐비티내 빔을 세 번 폴딩시킬 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 제1 곡면 미러(2-117)는 구면 반사체이고 240 mm 내지 260 mm의 초점 거리 f1을 가질 수 있다. 이 반사체의 초점 거리에 대한 허용오차는 초점 거리의 ±1%일 수 있다. 본 발명자들은 초점 거리가 대략 250 mm인 제1 곡면 미러(2-117)가 출력 커플러(1-111)로부터 230 mm와 310 mm 사이에 배치될 수 있고 상이한 특성들을 갖는 안정된 모드 동기 작동이 획득될 수 있다는 것을 발견하였다. 일부 실시예들에 따르면, 제1 곡면 미러는 콤팩트한 레이저 모듈의 큰 작동 파워 범위에 걸쳐 안정된 모드 동기 작동을 획득하기 위해 출력 커플러로부터 280 mm와 300 mm 사이에 위치될 수 있다. 이 구성에서, 이득 매질(1-105)은 출력 커플러로부터 4 mm와 8 mm 사이에 위치될 수 있다. 제1 곡면 미러(2-117)의 초점 거리와 이득 매질(1-105) 및 출력 커플러(1-111)에 대한 그의 위치, 그리고 제2 곡면 미러(2-127)의 초점 거리와 SAM(1-119)에 대한 그의 위치는 이득 매질에서의 캐비티내 빔의 빔 웨이스트를 결정할 수 있다.
다른 실시예들에서 제1 곡면 미러(2-117)의 초점 거리는 다른 값들을 가질 수 있다. 예를 들어, 보다 짧은 초점 거리 f1 < 230 mm는 보다 낮은 전력들로 작동하는 보다 콤팩트한 모드 동기 레이저에 사용될 수 있다. 실시예들에서, 출력 커플러(1-111)는 초점 거리 f1(예컨대, 0.7f1 < d1 < 1.3f1)의 30% 이내의 값들의 범위에 있는 제1 곡면 미러(2-117)로부터의 거리 d1에 배치될 수 있다. 일부 경우들에서, 0.9f1 < d1 < 1.3f1이다.
일부 구현들에서, 제1 곡면 미러(2-117)는 레이저의 광학 축에 대한 미러의 배향 각도들(평면내 및 평면외 각도들)을 조절하기 위한 2 자유도만을 제공하는 조절가능 마운트에 장착될 수 있다. 안정성, 빔 품질, 출력 파워, 및/또는 펄스 특성들을 위해 레이저의 작동이 튜닝될 수 있도록, 조절가능 마운트는 조작자로 하여금 레이저가 레이징하는 동안 광학 컴포넌트의 위치(X, Y, Z 중 하나 이상) 및/또는 배향(입사 캐비티내 빔의 광학 축에 대한 피치(pitch) 및/또는 요(yaw))을 미세하게 조절할 수 있게 해줄 수 있다. 미세 튜닝은, 예를 들어, 미러 마운트들 상의 마이크로미터들(micrometers) 및/또는 미세 나사형 스크루 조절부들(finely-threaded screw adjustments)에 의해 달성될 수 있다.
레이저가 레이징하는 동안 레이저 캐비티를 실시간으로 정렬하기 위한 유일한 조절들로서 제1 곡면 미러(2-117)에 2 자유도만을 제공하고 폴딩 미러(예컨대, 미러(2-123))에 1 자유도만을 제공하는 것은 콤팩트한 모드 동기 레이저 모듈의 비용 및 복잡성을 감소시킬 수 있다. 다른 경우들에서, 제1 곡면 미러(2-117)에 대한 미러 마운트는, 예를 들어, 미러의 위치를 조절하기 위한 부가의 자유도를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 펌프 빔을 정렬하거나 재정렬하고 모드 동기 레이저로부터의 출력 파워를 증가시키기 위해 곡면 미러(2-117)를 조절한 후에 펌프 모듈(2-140)에 대한 조절들이 이루어질 수 있다.
제2 곡면 미러(2-127)는 구면 반사체이고 240 mm 내지 260 mm의 초점 거리 f2를 가질 수 있다. 이 반사체의 초점 거리에 대한 허용오차는 초점 거리의 ±1%일 수 있다. 본 발명자들은 초점 거리가 대략 250 mm인 제2 곡면 미러(2-127)가 SAM(1-119)으로부터 260 mm와 290 mm 사이에 배치될 수 있고 상이한 특성들을 갖는 안정된 모드 동기 작동이 획득될 수 있다는 것을 발견하였다. 일부 실시예들에 따르면, 제2 곡면 미러는 콤팩트한 레이저 모듈의 큰 작동 파워 범위에 걸쳐 안정된 모드 동기 작동을 획득하기 위해 SAM(1-119)으로부터 270 mm와 285 mm 사이에 위치될 수 있다. 제2 곡면 미러(2-127)의 초점 거리 및 SAM(1-119)에 대한 그의 위치는 SAM(1-119)에서의 캐비티내 빔의 빔 웨이스트를 결정하고 이득 결정체에서의 빔 웨이스트에 또한 영향을 미칠 수 있다.
다른 실시예들에서 제2 곡면 미러(2-127)의 초점 거리는 다른 값들을 가질 수 있다. 예를 들어, 보다 짧은 초점 거리 f2 < 240 mm는 보다 낮은 전력들로 작동하는 보다 콤팩트한 모드 동기 레이저에 사용될 수 있다. 실시예들에서, SAM(1-119)은 초점 거리 f2(예컨대, 0.8f2 < d2 < 1.2f2)의 20% 이내의 값들의 범위에 있는 제2 곡면 미러(2-127)로부터의 거리 d2에 배치될 수 있다. 일부 경우들에서, f2 < d2 < 1.2f2이다.
제2 곡면 미러(2-127)는, 예를 들어, 레이저 모듈의 비용 및 복잡성을 감소시키기 위해, 도 3d와 관련하여 앞서 설명된 바와 같이, 비조절가능 마운트에 장착될 수 있다. 앞서 설명된 바와 같이, (제1 곡면 미러(2-117) 및 폴딩 미러(2-123)를 제외하고) 레이저 캐비티 내의 반사 컴포넌트들 전부는 자기 정렬, 비조절가능 마운트 마운트들에 장착될 수 있다. 게다가, 제1 곡면 미러(2-117)는 각도 조절을 위한 2 자유도만을 가질 수 있고, 폴딩 미러(2-123)는 각도 조절을 위한 1 자유도만을 가질 수 있다. 본 발명자들은, 일부 실시예들에 따라, 모드 동기 레이저 캐비티가 이러한 3가지 조절만을 사용하여 긴 시간 기간들 동안 안정된 작동을 위해 정렬될 수 있다는 것을 발견하였다. 예를 들어, 빔을 수광하기 위해 고정된 위치에 장착되는 제1 곡면 미러(2-117)는 이득 매질(1-105)로부터 SAM(1-119)으로 빔을 스티어링하는 데 사용될 수 있다. 폴딩 미러(2-123) 상에서 단일 정도의 각도 조절을 조절함으로써 (도 2a에서의 ± Y 방향에서의) 임의의 평면외 편차들이 수용될 수 있다. SAM(1-119)이 빔을 동일한 경로를 따라 다시 반사시키기 위해 수직 입사로 캐비티내 빔을 수광하지 않는 경우, SAM 상에서의 입사각은 제2 곡면 미러(2-127) 상에서 캐비티내 빔을 평행이동시킴으로써 조절될 수 있다. SAM(1-119)이 제2 곡면 미러의 거의 초점에 있기 때문에, 이 미러 상에서의 빔의 평행이동은 SAM에서의 입사각을 변경한다. 캐비티내 빔은 제1 곡면 미러(2-117)에 대해 각도 조절을 행함으로써 제2 곡면 미러의 표면을 가로질러 평행이동될 수 있다. 캐비티내 빔이 SAM(1-119)으로부터 그 자체가 역반사될(reflected back) 때까지 제1 곡면 미러에 대해 조절이 행해질 수 있다.
본 발명자들은 SAM 상에서의 캐비티내 레이저 빔의 스폿 크기가 제2 곡면 미러(2-127)와 SAM(1-119) 사이의 거리의 변화들보다 제1 곡면 미러(2-117)와 레이저의 출력 커플러(1-111) 사이의 거리의 변화들에 더 민감할 수 있다는 것을 발견하였다. 이 결과는 제1 곡면 미러(2-117)와 제2 곡면 미러(2-127) 사이의 연장된 캐비티 길이에 관련되어 있다. 이 연장된 캐비티 길이는 레이저 캐비티의 길이의 절반 초과일 수 있으며, 그 전체에 걸쳐 캐비티내 레이저 빔은 대략 콜리메이트될 수 있다. 곡면 미러(2-117)와 출력 커플러(1-111) 사이의 거리의 변화들은 연장된 캐비티에서의 콜리메이션(collimation)에 영향을 줄 수 있으며, 이는 제2 곡면 미러(2-127)에서의 빔 크기의 변화들을 증폭시킬 수 있다. 이 증폭은 차례로 제2 곡면 미러(2-127)와 SAM(1-119) 사이의 거리의 변화들보다 더 강하게 SAM(1-119)에서의 스폿 크기에 영향을 준다. 그에 따라, 제1 곡면 미러(2-117)의 위치는 SAM(1-119) 상에서의 플루엔스를 조절하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 증폭 효과는 제2 곡면 미러(2-127)의 초점 거리를 증가시킴으로써 감소될 수 있다.
이득 매질(1-105)에서의 빔 웨이스트가 100 마이크로미터 내지 150 마이크로미터이고, SAM(1-119)에서의 빔 웨이스트가 80 마이크로미터 내지 120 마이크로미터이도록, 레이저 캐비티가 앞서 설명된 바와 같이 정렬되고 구성될 때, 본 발명자들은 레이저 캐비티가 이득 매질(1-105)에서의 열 렌징 효과들의 0 디옵터로부터 15 디옵터까지의 변화를 거치는 광학 공진기들(레이저 기술 분야의 통상의 기술자에게 알려진 조건)에 대한 그리고 ± 1%의 2개의 곡면 미러(2-117, 2-127)의 초점 거리 오차들에 대한 "안정성 기준"을 충족시킨다는 것을 발견하였다. 높은 광학 파워들에서, 이득 매질(1-105)은 펌프 방사로부터 상당한 열을 취득할 수 있고, 가열된 이득 매질은 매질의 온도에 의존하는 포커싱 파워(focusing power)(디옵터)를 가지는 (열 렌징이라고도 지칭되는) 광학 렌즈를 생성할 수 있다. 광학 펌핑된 고파워 레이저들의 경우, 이러한 열 렌징으로 인한 변화들은 레이저를 불안정화시키고 초기의 안정된 동작점으로부터 50%만큼의 펌프 파워의 증가들에 대해 레이징을 소광시킬 수 있다. 본 발명자들은 콤팩트한 모드 동기 레이저 모듈(1-108)이 초기의 안정된 동작점으로부터 펌프 파워의 300%의 증가인, 2 와트로부터 8 와트로의 펌프 파워의 변동들에 대해 안정된 모드 동기 동작을 유지한다는 것을 관찰하였다. 레이저 캐비티의 안정성 범위는 놀라울 정도로 크고, 콤팩트한 모드 동기 레이저가 넓은 캐비티내 및 출력 파워 범위에 걸쳐 작동될 수 있게 해준다. 예를 들어, FWHM 펄스 지속시간이 12 피코초 내지 18 피코초로 유지되면서, 레이저로부터의 평균 출력 파워가 이 펌프 파워 범위에 걸쳐 350 밀리와트와 3.5 와트 사이에서 변할 수 있다. 이 출력은, 예를 들어, 100 밀리와트 내지 1.5 와트의 평균 파워 레벨들을 갖는, 532 nm의 파장으로 동일한 지속시간의 펄스들을 생성하도록 주파수 배가될(frequency doubled) 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 모드 동기 레이저의 작동을 안정화시키고 그리고/또는 모드 동기 레이저의 빔 품질을 개선시키는 데 도움을 주기 위해 레이저 캐비티 내에 장착된 광학 컴포넌트들이 있을 수 있다. 예를 들어, 공간 모드 필터(2-118)는 레이저 캐비티에 위치되고 고차 공간 모드들에서의 레이징을 방지하도록 구성될 수 있다. 모드 필터(2-118)는 임의의 적당한 형상(예컨대, 원형, 타원형, 초승달 형상, 정사각형, 직사각형, 다각형 등)의 애퍼처를 포함할 수 있다. 애퍼처는 비조절가능 마운트에 장착될 수 있거나, 캐비티내 빔의 광학 축에 횡방향인 방향들로 이동될 수 있도록 장착될 수 있다. 애퍼처의 크기는 일부 경우들에서 조절가능할 수 있다(예컨대, 조리개(iris)). 다양한 실시예들에서, 애퍼처는 레이징 동작을 레이저 캐비티의 최저 차수 횡 공간 모드(lowest-order transverse spatial mode)로 제한하며, 이는 모드 동기의 안정성을 개선시킬 수 있다.
동적 안정화 및 정렬을 위해 일부 실시예들에서 빔 스티어링 컴포넌트들이 레이저 모듈(1-108)에 포함될 수 있다. 예를 들어, 캐비티내 빔에 대해 어떤 각도로 회전될 수 있는 하나 이상의 반사방지 코팅된 레이저 윈도 또는 광학 플랫(optical flat)(2-128)은 SAM(1-119) 상에서 캐비티내 빔을 평행이동시키고 그리고/또는 캐비티내 빔의 입사각을 변화시키기 위해 액추에이터(2-162)에 의해 자동으로 작동될 수 있다. 액추에이터와 레이저 윈도 사이의 기계적 연결부(mechanical linkage)(2-164) 및 레이저 윈도(2-128)에 대한 자동화된 피치 또는 요 조절을 가능하게 해주는 레이저 윈도에 대한 피치 또는 요 마운트가 있을 수 있다. 액추에이터(2-162)는 스테퍼 모터, 압전 트랜스듀서, 용량성 트랜스듀서, 또는 임의의 다른 적당한 액추에이터를 포함할 수 있다.
캐비티내 레이저 윈도의 회전은 회전 방향으로 레이저 윈도로부터의 출사 빔을 측방으로 시프트시킬 것이다. 측방 시프트의 양은 레이저 윈도의 2개의 계면에 스넬의 법칙을 적용하여 결정될 수 있다. 레이저 윈도가 제2 곡면 미러(2-127)와 SAM(1-119) 사이에 위치되면, 레이저 윈도의 회전은 주로 SAM 상에서 캐비티내 빔을 평행이동시킬 것이다. 그러한 레이저 윈도의 회전은 SAM을 가로질러 캐비티내 빔을 이동시킴으로써 SAM의 수명을 연장시키는 데 사용될 수 있다. 스캐닝 이동(scanning motion)은 SAM의 피로를 감소시킬 수 있거나, SAM이 손상된 경우, 빔이 손상된 스폿으로부터 떨어져 이동될 수 있다. 레이저 윈도(2-128)가 도 2a에 묘사된 바와 같이 제2 곡면 미러(2-127) 이전에 위치되면, 레이저 윈도의 회전은 주로 SAM 상에서의 캐비티내 빔의 입사각을 변화시킬 것이다. 그러한 레이저 윈도의 회전은 안정된 모드 동기 작동을 획득하고 그리고/또는 유지하기 위해 레이저 캐비티를 동적으로 정렬시키거나 재정렬시키는 데 사용될 수 있다.
레이저 성능을 나타내고 캐비티내 빔 스티어링 컴포넌트들을 자동으로 조절하는 데 사용될 수 있는 신호들은 (펌프 모듈에 장착되는 광검출기(2-116) 또는 펌프 광검출기(도시되지 않음)로 검출되는) 펌프 파워, (레이징 파장에 민감할 수 있는, 레이저 출력 광검출기(2-154)로 검출되는) 레이저 파워 및/또는 펄스 특성들, 및 (배가된 출력 광검출기(doubled-output photodetector)(2-182)로 검출되는) 제2 고조파 파워 중 임의의 것 또는 조합을 포함할 수 있다. 신호 또는 신호들은 하나 이상의 액추에이터(2-162)를 작동시키기 위해 피드백 제어 신호들의 프로세싱 및 생성을 위한 PCB(2-190) 상의 회로부에 제공될 수 있다. 일부 실시예들에서, 레이저 출력 광검출기(2-154) 및 배가된 출력 광검출기(2-182) 중 하나 또는 둘 다는 PCB(2-190) 상에 장착될 수 있고 모드 동기 레이저 모듈(1-108)의 측면에 위치된 구멍 및/또는 윈도(도시되지 않음)를 통해 방사를 수광할 수 있다. 일부 구현들에서, 캐비티내 빔 스티어링 컴포넌트의 회전은 하나 이상의 피드백 신호에 기초하여 캐비티 정렬을 미세하게 튜닝하고 그리고/또는 SAM(1-119) 상에서의 캐비티내 빔의 위치를 변경하도록 자동화될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 캐비티 정렬은 부가적으로 또는 대안적으로 이득 매질(1-105)에서의 비대칭 열 그레이디언트들(asymmetric thermal gradients)을 유도함으로써 획득될 수 있다. 비대칭 열 그레이디언트들은 열 렌징에 영향을 미치고 캐비티내 레이저 빔이 이득 매질(1-105)을 통과할 때 캐비티내 레이저 빔에 작은 각편향들(angular deflections)을 야기하는 방식으로 이득 매질(1-105) 내에서의 굴절률을 변경할 수 있다. 일부 구현들에서, 하나 이상의 온도 제어 디바이스(예컨대, 저항 가열 요소들(resistive heating elements), TEC 쿨러들, 또는 이들의 조합)가 이득 매질의 하나 이상의 측면에 커플링될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 이득 매질(1-105)은 이득 매질의 2개 내지 4개의 면(face)(4개의 종방향 에지)에 열적으로 커플링된 2개 내지 4개의 독립적으로 작동가능한 온도 제어 디바이스(도 2a에 도시되지 않음)를 가질 수 있다. 열적 커플링은 온도 제어 디바이스와 이득 매질(1-105)의 면 사이에 위치된 열 에폭시 또는 인듐 포일을 포함할 수 있다. 온도 제어 디바이스는 온도 제어 디바이스의 대향 측면 상의 (레이저 블록(laser block)과 같은) 히트 싱크에 대한 열적 커플링을 또한 포함할 수 있다. 일부 경우들에서, 온도 제어 디바이스들 중 하나 이상의 작동은 광학 축(2-111)에 횡방향인 빔 편향을 제공할 수 있다. 온도 제어 디바이스들에서 온도들을 선택적으로 변화시키는 것에 의해, 캐비티내 레이저 빔이 스티어링되고 재정렬될 수 있다. 일부 경우들에서, 하나 이상의 캐비티내 레이저 윈도(2-128)는, 예를 들어, SAM 상에서 캐비티내 빔을 재배치하고 그리고/또는 레이저의 안정된 모드 동기 작동을 유지하기 위해, 이득 매질에서의 열 빔 스티어링과 협력하여 조절될 수 있다.
본 발명자들은 모드 동기 레이저의 평균 파워 및/또는 스펙트럼 특성들이 안정된 모드 동기 작동의 결정적 요인일 수 있다는 것을 인식하고 이해하였다. 예를 들어, 모드 동기 작동 동안의 레이저의 평균 파워가 특정한 값 아래로 떨어지면, SAM(1-119)에서의 비선형 광학 흡수가 모드 동기를 지원하는 데 충분하지 않을 수 있다. 레이저는 그러면 Q-스위칭하고 SAM(1-119)을 손상시킬 수 있다. 일부 경우들에서, 레이저의 평균 출력 파워의 급격한 변동들은 레이저가 모드 동기에 부가하여 Q-스위칭하고 있다는 것을 나타낼 수 있고, 이는 SAM(1-119)을 손상시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 레이저(1-110)에 의해 생성된 광학 파워 및/또는 레이저의 출력 펄스 또는 모드 동기 특성들을 감지하기 위해 적어도 하나의 센서(2-154)(예컨대, 포토다이오드)가 포함되고 배열될 수 있다. 예를 들어, 제1 센서(2-154)로부터의 신호는, 레이저(1-110)의 모드 동기 펄스 트레인에서의 불안정성들 및/또는 Q-스위칭의 개시를 나타낼 수 있는, 모드 동기 주파수 근방에서의 측파대들(sidebands)을 검출하기 위해 스펙트럼 분석될 수 있다. 제2 센서(도시되지 않음)는 레이저(1-110)에 의해 생성된 평균 광학 파워를 검출할 수 있다. 감지된 평균 레이저 파워가 미리 설정된 레벨 아래로 드리프트하면 그리고/또는 측파대들 또는 파워 변동들이 제1 센서(2-154)에 의해 검출되면, 자동화된 캐비티 정렬 루틴이 파워를 복구하기 위해 실행될 수 있고 그리고/또는 레이저가 정비(servicing)를 위해 정지(shut off)될 수 있다. 일부 경우들에서, 모드 동기 펄스 트레인에서의 불안정성들을 나타내는 측파대들은 고차 공간 캐비티 모드들의 레이징으로 인한 것이다. 그러한 불안정성들은, 예를 들어, 자동으로 또는 수동으로 캐비티내 공간 모드 필터(2-118)를 조절함으로써 정정될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 레이징 파장에 민감한 하나 이상의 센서(2-154)가 PCB(2-190) 상에 장착될 수 있다.
일부 경우들에서, 레이저 거동을 분석하기 위해 부가의 신호들이 프로세싱될 수 있다. 예를 들어, 펌프 파워는 레이저로부터의 평균 파워 레벨과 함께 펌프 파워 센서(2-116)(포토다이오드 또는 다른 적당한 광검출기일 수 있음)를 사용하여 평가될 수 있다. 일부 실시예들에서, 주파수 배가된 파워(frequency-doubled power)의 양은 부가적으로 또는 대안적으로 센서(2-182)(포토다이오드 또는 다른 적당한 광검출기일 수 있음)를 사용하여 모니터링될 수 있다. 예를 들어, 평균 레이저 파워가 거의 일정하게 유지되는 동안의 평균 주파수 배가된 파워의 감소는 모드 동기 펄스 길이의 변화들, 또는 주파수 배가 광학 컴포넌트들에서의 문제점을 나타낼 수 있다.
작동 중에, 이득 매질로서 Nd3+:YVO4를 이용하고 앞서 설명된 바와 같이 배열된 모드 동기 레이저(1-110)는 대략 15 ps의 FWHM 값을 갖는 1064 nm의 펄스들을 생성할 수 있다. 펄스는 펄스의 피크로부터 100 ps 내에 대략 80 dB만큼 소광된다. 펄스 반복 레이트는 대략 67 MHz이고, 기본 파장에서의 모드 동기 레이저의 평균 파워는 350 mW로부터 3.5 W까지 변화될 수 있다. 주파수 배가된 파장(아래에서 추가로 설명됨)으로의 변환 효율은 일부 경우들에서 30% 정도로 높을 수 있으며, 따라서 532 nm의 펄스들이 100 mW와 1.5 W 사이의 평균 출력 파워들로 생성될 수 있다. 일부 경우들에서, 변환 효율이 35% 정도로 높을 수 있다. 레이저를 작동시키는 데 요구되는 AC 전력(AC power)은 약 20 와트 미만이다. 레이저는 콤팩트하고, 0.1 ft3 미만의 체적을 차지하며, 중량이 2 킬로그램 약간 미만이고, DNA를 시퀀싱하기 위한 테이블탑 기기(table-top instrument)와 같은, 휴대용 분석 기기 내에 모듈로서 쉽게 통합될 수 있다.
레이저 캐비티에 대한 대안의 구성들
비록 앞서 설명된 콤팩트한 모드 동기 레이저 모듈(1-108)이 캐비티 길이를 연장시키고 펄스 반복 레이트를 감소시키는 다수의 미러들을 사용하지만, 다른 실시예들은 캐비티 길이를 연장하기 위해, 부가적으로 또는 대안적으로, 다른 광학 컴포넌트들을 사용할 수 있다. 광학 지연 요소들의 일부 예들이 도 3ea 내지 도 3ed에 묘사되어 있다. 일 실시예에 따르면, 광학 지연 요소(3-510)는, 도 3ea의 평면도에 묘사된 바와 같이, 아가일 블록(argyle block)을 포함할 수 있다. 아가일 블록은 제1 직각 프리즘(3-520) 및 제2 직각 프리즘(3-522)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 프리즘들의 수직 사이드 면들(perpendicular side faces)이 코팅되어 있지 않을 수 있지만, 다른 실시예들에서, 수직 면들(perpendicular faces)이 고반사 코팅들(high-reflective coatings)을 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. 프리즘들의 사이드 면들(side faces)은 높은 광학 품질을 갖도록, 예를 들어, λ/10 이상의 파면 오차 및 10-5의 표면 품질을 갖도록 폴리싱될(polished) 수 있다.
도면에 묘사된 바와 같이, 제1 프리즘(3-520)과 제2 프리즘(3-522)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(3-510)는 절단 및 폴리싱에 의해 단일 유리 단편으로 형성될 수 있다. 캐비티내 레이저 빔(3-101)은 지연 요소의 제1 포트를 통해 진입하고, 아가일 블록의 제2 포트를 빠져나가기 전에, 내부에서, 점선으로 묘사된, 우회하는 광학 경로(circuitous optical path)를 따라 반사될 수 있다.
일부 구현들에 따르면, 지연 요소는 지연 요소에 의해 제공되는 광학 경로 길이를 배가시키기 위해 두 번 통과될(double-passed) 수 있다. 예를 들어, 지연 요소의 단일 패스 출력 포트(single-pass output port)로부터의 출력 빔은 지연 요소를 통해 다시 공간 오프셋을 가지면서 재귀반사될 수 있으며, 따라서 복귀 빔(return beam)은 입력 포트를 빠져나가지만 입력 빔(3-101)으로부터 변위되고, 이는 레이저 캐비티의 제1 부분으로부터 수광될 수 있다. 변위된 출력 빔은 레이저 캐비티의 제2 부분으로 지향될 수 있다.
광학 지연 요소(3-512)의 다른 실시예가 도 3eb에 묘사되어 있다. 일부 실시예들에 따르면, 광학 지연 요소는 직사각형 형상으로 형성되는 단일 광학 블록을 포함할 수 있다. 지연 요소(3-512)는, 도면에서 점선으로 묘사된 바와 같이, 캐비티내 빔을 지연 요소 내에서 왔다갔다 반사시키는 수직 에지 면들(perpendicular edge faces)(3-530)을 포함할 수 있다. 지연 요소는 지연 요소에 대한 입구 포트(3-532) 및 출구 포트(3-534)를 제공하는 2개의 폴리싱된 면들을 추가로 포함할 수 있다. 수직 사이드 면들이, 일부 실시예들에서는, 코팅되지 않거나, 다른 실시예에서는, 고반사 코팅들(예컨대, 다층 코팅들)로 코팅될 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(3-512)는, 앞서 설명된 바와 같이, 임의의 적당한 광학 품질의 유리로 형성될 수 있다. 반사 에지 면들은 높은 광학 품질을 갖도록, 예를 들어, λ/10 이상의 파면 오차 및 10-5의 표면 품질을 갖도록 폴리싱될 수 있다. 레이저 캐비티 내에서의 광학 경로 길이를 증가시키기 위해 지연 요소(3-512)가 두 번 통과될 수 있다.
도 3ec는 광학 지연 요소(3-514)의 또 다른 실시예를 묘사하고 있다. 일부 실시예들에 따르면, 지연 요소는 한 쌍의 평면 미러들(planar mirrors)(M1, M2)을 포함할 수 있고, 이 평면 미러들은 그들의 중심들에서 거리 D만큼 이격되고 서로에 대해 약간의 각도 α로 경사져 있다. 각각의 미러(M1, M2)는 길이 L을 가질 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 미러들(M1, M2) 사이의 간격(spacing) D는 약 10 mm 내지 약 50 mm일 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 미러들(M1, M2)의 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. 미러들(M1, M2)의 반사 표면들은 높은 광학 품질을 갖도록, 예를 들어, λ/10 이상의 편평도(flatness) 및 10-5의 표면 품질을 갖도록 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. 제1 방향에서 미러 쌍에 진입하는 캐비티내 빔(3-101)은, 입사각 및 미러들(M1, M2) 사이의 각도 α에 따라, 여러 번의 반사들을 거칠 수 있다.
광학 지연 요소(3-516)의 다른 실시예가 도 3ed에 묘사되어 있다. 이 실시예는 도 3ec에 묘사된 실시예와 유사한 솔리드 블록(solid block)을 포함할 수 있다. 일부 구현들에 따르면, 광학 지연 요소(3-516)는 도면에 묘사된 바와 같이 5개의 표면을 갖는 솔리드 광학 재료 블록(solid block of optical material)을 포함할 수 있다. 2개의 표면(3-534)은 서로에 대해 약간의 각도 α로 경사져 있을 수 있다. 이러한 표면들은 캐비티내 빔(3-101)을 도면에 표시된 바와 같이 점선 경로를 따라 표면들 사이에서 왔다갔다 반사시키기 위해 고반사 코팅들을 포함할 수 있다. 지연 요소(3-516)는 지연 요소에의 입구 포트 및 지연 요소로부터 출구 포트를 제공하는 2개의 코팅되지 않은 또는 반사방지 코팅된 표면(3-532)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(3-516)는, 앞서 설명된 바와 같이, 임의의 적당한 광학 품질의 유리로 형성될 수 있다. 반사 표면들(3-534)은 높은 광학 품질을 갖도록, 예를 들어, λ/10 이상의 편평도 및 10-5의 표면 품질을 갖도록, 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.
도 3ea, 도 3eb 및 도 3ed에 제각기 묘사된 솔리드 블록 지연 요소들(3-510, 3-512, 3-516)의 장점은 이 요소들이 레이저 캐비티 내에 삽입될 때 도 3ec의 2개의 미러 또는 도 2a에 도시된 다수의 평면 미러들과 같은 다중-컴포넌트 지연 요소들에 대해 요구되는 만큼 주의깊은 정렬을 요구하지 않는다는 것이다. 그렇지만, 솔리드 블록 컴포넌트들은 200 MHz 미만의 펄스 반복 레이트들에 대해 미러 표면들로부터의 보다 많은 수의 반사들을 요구할 수 있으며, 제조 동안 보다 많은 정밀도를 요구할 것이다. 그 결과, 솔리드 블록 지연 요소들의 비용이 높을 수 있다. 앞서 설명된 바와 같이, 단일 피스 베이스 섀시(2-105)에 통합된 비조절가능 마운트를 사용하고 비조절가능 마운트들에서의 머시닝 오차들을 수용하기 위해 하나 또는 2개의 조절가능 마운트를 사용함으로써, 저가의 미러들이 원하는 광학 지연을 제공하는 데 사용될 수 있다. 다중 미러 지연 요소의 장점은 레이저 캐비티를 재정의하기 위해 하나 이상의 캐비티 폴딩 미러의 위치를 변경하는 것에 의해 캐비티 길이가 보다 쉽고 유연하게 변경될 수 있다는 것이다.
앞서 설명된 바와 같이, 비록 이득 매질(1-105) 내에서의 열 효과들이 캐비티내 빔을 스티어링하고 정렬하는 데 사용될 수 있지만, 본 발명자들은 레이저 캐비티 내의 광학 요소들에 대한 열적 가열 효과들 및/또는 기계적 응력들이 콤팩트한 모드 동기 레이저의 성능에 바람직하지 않게 영향을 미칠 수 있는 중요한 인자일 수 있다는 점을 인식하고 이해하였다. 모드 동기 레이저(1-110)가, 예를 들어, 250 mW를 초과하는 기본 레이징 파장에 대한 평균 파워 레벨들에서 작동될 때, 펌프 모듈(2-140) 및 이득 매질(1-105)에서 열적 가열이 발생할 수 있다. 이득 매질(1-105)과 관련하여, 본 발명자들은 네오디뮴 바나데이트와 같은 이득 결정체를 장착할 때 부가의 주의가 취해져야만 한다는 것을 인식하고 이해하였다. 마운트는 열 소산을 가능하게 해야만 하고, 게다가 결정체에 기계적 응력을 주는 것을 피해야만 한다. 도 3aa에 도시된, 정점들에 릴리프 컷들(relief cuts)을 갖는 마운트는 열 소산을 가능하게 해주고 결정체에 대한 바람직하지 않은 응력들을 피할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 마운트에 이득 매질(1-105)을 고정시키기 위해 열 전도성 접착제를 사용하는 것은 이득 매질(1-105)에 응력 완화를 제공할 수 있다.
본 발명자들은 열을 소산시키는 장착 구조체들이 레이저 캐비티의 광학적 정렬(optical alignment)에 악영향을 미칠 수 있다는 것을 추가로 인식하고 이해하였다. 예를 들어, 이득 매질(1-105) 및/또는 펌프 다이오드 모듈(2-140)에 대한 마운트(3-100)는 베이스 섀시(2-105)에 패스닝될 수 있고 베이스 섀시 내로 열을 소산시킬 수 있다. 베이스 섀시가 고파워 레이저들에 비해 비교적 작기 때문에, 이러한 가열은 베이스 섀시의 팽창 및/또는 뒤틀림 또는 다른 왜곡들을 야기할 수 있다. 그 결과, 베이스 섀시(2-105)의 왜곡은 레이저 캐비티의 광학 요소들을 오정렬시키고 시간 경과에 따라 레이저의 작동에 악영향을 미칠 수 있다. 심각한 경우들에서, 열적 가열은 파워의 상당한 저하를 야기할 수 있으며 레이저의 모드 동기를 종료시킬 수 있다.
일부 실시예들에서, 상당한 열 소산을 요구하는 모드 동기 레이저의 장착 구조체 또는 컴포넌트는, 도 3fa에서의 평면도에 묘사된 바와 같이, 부분적으로 열적으로 격리된 플랫폼(3-610) 상에 장착될 수 있다. 플랫폼은 플랫폼(3-610) 상에 장착된 고온 구조체 또는 컴포넌트에 의해 소산되는 열로부터 베이스 플레이트 보디(3-605)를 부분적으로 열적으로 격리시킬 수 있다. 도 3fa에서의 절단선들에서 취해진, 플랫폼의 입면도들이 도 3fb 및 도 3fc에 묘사되어 있다. 부분적으로 격리된 플랫폼(3-610)은, 일부 구현들에 따르면, 머시닝 공정에 의해 베이스 플레이트(2-105)에 형성될 수 있다. 예를 들어, 베이스 플레이트 보디(3-605)는 앞서 설명된 바와 같은 콤팩트한 모드 동기 레이저에 대한 하우징을 형성하기 위해 머시닝되는 솔리드 재료 블록(solid block of material)의 일부일 수 있다. 부분적으로 격리된 플랫폼(3-610)을 형성하기 위해 하나 이상의 스루-트렌치(through-trench)(3-630)가 베이스 플레이트 보디(3-605)를 관통하게 머시닝될 수 있다. 이러한 트렌치들은 플랫폼(3-610)을 베이스 플레이트(3-605)로부터 부분적으로 분리시키고 열적으로 격리시킬 수 있다. 예를 들어, 열이 플랫폼으로부터 베이스 플레이트 내로 그만큼 쉽게 소산될 수 없다. 플랫폼(3-610)의 하부 표면은, 일부 구현들에 따르면, 열전 냉각기(thermal-electric cooler)(도시되지 않음)에 열적으로 접촉될(thermally contacted) 수 있다. 일부 경우들에서, 플랫폼의 하부 표면은 열 소산 핀들(3-612)을 갖도록 머시닝되거나 다른 방식으로 형성될 수 있다.
트렌치들(3-630)을 형성하는 머시닝 공정 이후에 복수의 지지 브리지들(support bridges)(3-620)이 남아 있을 수 있다. 지지 브리지들은 플랫폼(3-610)에 기계적 지지를 제공하고, 플랫폼(3-610)으로부터 베이스 플레이트(3-605)로의 열 전도를 감소시킨다. 일부 실시예들에서, 브리지들은 플랫폼과 상이한 재료로 형성될 수 있다. 다양한 실시예들에서, 도 3fb에 묘사된 바와 같이, 브리지들(3-620)은 플랫폼(3-610)의 상부면과 하부면 사이에서, 플랫폼의 두께와 관련하여, 중앙에 위치된다. 예를 들어, 브리지들(3-620)은, 도 3fb에 예시된 바와 같이, 베이스 플레이트(3-605)의 중립 기계 평면(neutral mechanical plane)에 위치될 수 있다. 브리지들(3-620)을 플랫폼 및 베이스 플레이트의 두께와 관련하여 중앙에 위치시키는 것은 베이스 플레이트 보디(3-605)와 플랫폼(3-610) 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, 브리지들은, 예컨대, 플랫폼에 의해 유도되는 열적-기계적 응력을 수용하기 위해, 플랫폼이 베이스 플레이트(2-105)에 대해 평면내에서 이동할 수 있게 하는 굴곡 부재들(flexural members)을 포함한다. 일부 레이저 컴포넌트들(예컨대, 이득 매질(1-105))의 움직임은 다른 컴포넌트들(예컨대, 캐비티 미러들)만큼 레이저의 작동에 영향을 주지 않을 수 있으며, 따라서 허용될 수 있다. 플랫폼(3-610)의 부분적 열적-기계적 격리는 레이저의 안정성을 개선시키고, 숙련된 조작자에 의한 조절들의 필요성을 감소시킬 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 하나 이상의 플랫폼(3-610)은 모드 동기 레이저 내의 고온 컴포넌트들을 지지하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 제1 플랫폼(3-610)은 다이오드 펌프 소스를 지지하는 데 사용될 수 있고, 제2 플랫폼은 레이저의 이득 매질을 지지하는 데 사용될 수 있다. 일부 구현들에서, 제3 플랫폼은 주파수 배가 컴포넌트(예컨대, 비선형 결정체)를 지지하는 데 사용될 수 있다.
비록 앞서 설명된 레이저 캐비티가 이득 매질이 네오디뮴 바나데이트 결정체임을 나타내지만, 다른 타입의 재료들이 다른 파장들에서의 레이징 및 모드 동기를 획득하는 데 사용될 수 있다. 그에 대응하여, 상이한 펌프 소스들이 이득 매질을 여기시키는 데 적당한 펌프 파장들을 제공하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 콤팩트한 레이저 모듈에 대한 펌프 파장(λp)은 390 nm 내지 대략 1100 nm일 수 있다. 콤팩트한 레이저 모듈에 대한 모드 동기 레이징 파장(λ1)은 750 nm 내지 1500 nm일 수 있다. 일부 경우들에서, 콤팩트한 레이저 모듈에 대한 출력 파장(λ2)은 주파수 배가될 수 있고 325 nm 내지 750 nm일 수 있다. 일부 구현들에서, 주파수 배가 요소(3-109)는 KTP, LBO 또는 BBO일 수 있다. 일부 경우들에서, 출력 파장(λ2)은 500 nm 내지 700 nm일 수 있다. 기본 파장(λ1) 또는 주파수 배가된 파장(λ2)에서의 출력 펄스 지속시간은, 일부 실시예들에 따르면, 1 피코초 내지 100 피코초일 수 있다. 일부 경우들에서, 출력 펄스 지속시간은 10 피코초 내지 30 피코초일 수 있다.
대안의 예들로서, 녹색 출력 파장이 요망되면, 이득 매질은 1064 nm 및 1053 nm에서, 제각기, 레이징하는 Nd:YAG 또는 Nd:YLF일 수 있다. 일부 실시예들에서, 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, Pr:LiYF4가 이득 매질로서 사용되고, 주파수 배가 없이, 곧바로 (적색에 있는) 640 nm에서 레이징할 수 있다. 본 발명자들은, 532 nm(녹색) 및/또는 671 nm(적색)로 배가될 수 있는, 하나 또는 2개의 파장 1064 ㎚ 및/또는 1342 nm에서 레이징하기 위해 Nd:YVO4가 이득 매질로서 사용될 수 있다는 것을 인식하고 이해하였다. 본 발명자들은 또한 부가의 파장들을 획득하기 위해 비선형 결정체에서 합-주파수 생성이 수행될 수 있다는 것을 인식하고 이해하였다. 예를 들어, 대략 594 nm의 방사를 생성하기 위해 Nd:YVO4로부터의 2개의 레이징 파장의 펄스들이 비선형 결정체에서 혼합될 수 있다. 다른 이득 매질들은 이테르븀 도핑된 YAG(Yb:YAG), 이테르븀 도핑된 유리(Yb:유리), 에르븀 도핑된 YAG(Er:YAG), 및 티타늄 도핑된 사파이어(Ti:사파이어)를 포함하지만, 이들로 제한되지 않는다.
펌프 소스 및 모듈
이득 매질(1-105)을 여기시키고 레이저의 모드 동기 작동을 개시하기 위해, 고파워 레이저 다이오드로부터의 (도 2a 및 도 4a에서의 흑색 점선으로 표시된) 연속파 방사가 커플링 렌즈(2-142)를 사용하여 이득 매질 내로 포커싱될 수 있다. 레이저 다이오드로부터의 광학 파워는 1 와트 내지 20 와트일 수 있고, 이는 상당한 전기 및 광학 열 발생과 연관된 파워 레벨들이다. 그러한 열 발생은, 베이스 섀시(2-105)에서 소산될 수 있지만, 모드 동기 레이저 모듈(1-108)의 안정성에 악영향을 미칠 수 있다. 레이저 다이오드는, 펌프 모듈로부터 베이스 섀시로의 열 전도를 감소시키고 펌프 모듈(2-140)을 베이스 섀시(2-105)로부터 열적으로 격리시키는 데 도움을 주는 방식으로, 베이스 섀시(2-105)에서의 스루홀(through-hole)(2-145)에 장착되는 펌프 모듈(2-140)에 장착될 수 있다.
일부 실시예들에 따른, 펌프 모듈(2-140)의 일 예가 도 4a에 묘사되어 있다. 펌프 모듈은 밀폐된 하우징(4-110) 내에 레이저 다이오드(4-130)를 실링하고, 레이저 다이오드를 위한 열 소산을 제공하며, 펌프 빔을 모드 동기 레이저 캐비티의 광학 축에 정렬시킬 수 있는 조절가능 헤드(4-120)를 포함할 수 있다. 펌프 모듈에서 사용될 수 있는 레이저 다이오드 펌프 소스의 일 예는 중국 산시성 시안시 소재의 FocusLight Corporation로부터 입수가능한 레이저 다이오드 모델 FL-FM01-10-808이다. 일부 실시예들에서, 레이저 다이오드(4-130)는 펌프 모듈(2-140) 내의 F 마운트 또는 C 마운트에 장착될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 펌프 모듈 하우징(4-110)은 낮은 열 전도성을 가지는 스크루들 및/또는 스탠드-오프 포스트들(stand-off posts)(4-152)(예컨대, 스테인리스 스틸, 나일론, 경질 플라스틱)을 사용하여 베이스 섀시(2-105)에 견고하게 부착될 수 있다. 하우징(4-110)의 일부는 베이스 섀시(2-105)의 배면으로부터 돌출할 수 있고, 하우징의 일부는 베이스 섀시(2-105)에서의 스루홀(2-145)을 통해 연장될 수 있다. 펌프 모듈 하우징(4-110)과 베이스 섀시(2-105) 사이의 갭들 및 저 열 전도성 스크루들 또는 패스너들은 펌프 모듈(2-140)을 베이스 섀시(2-105)로부터 열적으로 격리시키고 모드 동기 레이저(1-110)의 안정성을 유지하는 데 도움을 준다. 조정가능 헤드(4-120)는 낮은 열 전도성을 갖는 스크루들(4-154)을 사용하여 하우징(4-110)에 이와 유사하게 부착될 수 있다. 하우징은 레이저 다이오드(4-130)로부터의 열 추출을 돕기 위해 보디 내로 머시닝된 열 소산 핀들(4-124)을 가질 수 있다. 팬(fan)(도시하지 않음)이 열 제거를 추가로 돕기 위해 하우징(4-110)에 장착되거나 그 근방에 장착될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 레이저 다이오드(4-130)는 레이저 다이오드(4-130)의 열 제어 및 온도 안정화를 가능하게 해주는 열전 냉각기(TEC)(4-160) 상에 장착될 수 있다. 일부 구현들에서, 레이저 다이오드(4-130) 및/또는 TEC에 접속되어 이를 작동시키기 위한 회로부를 포함하는 PCB(4-170)가 하우징(4-110)에 부착되고 외부 먼지 및 습기에의 노출로부터 레이저 다이오드(4-130)를 실링하는 데 도움을 주는 커버를 형성할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 펌프 모듈(2-140)은 베이스 섀시(2-105)의 에지로부터 약 30 mm 내에 위치될 수 있고, 소산된 열은, 예를 들어, 팬에 의해 에지를 향해 그리고 베이스 섀시로부터 멀어지는 쪽으로 보내질 수 있다. 베이스 섀시(2-105)는 부가적으로 윈드 스크린(wind screen)으로서 역할하여, 열이 제거되는 플레이트의 후방 측면 상에서의 공기 흐름(air flow) 또는 난류(turbulence)로부터 베이스 섀시의 한쪽 측면 상의 레이저 광학계들 및 레이저 캐비티를 보호할 수 있다. 실시예들에서, 설명된 바와 같이 펌프 모듈 하우징(4-110)을 장착하는 것은 펌프 모듈 하우징(4-110)이 모드 동기 레이저의 이득 매질(1-105) 근방에 위치될 수 있게 해주며, 이는 펌프 빔(4-135)의 위치의 안정성을 개선시키는 데 도움을 주고(모드 동기 안정성을 개선시키며) 콤팩트한 모드 동기 레이저 모듈(1-108)을 제공하는 데 또한 도움을 준다.
일부 실시예들에 따르면, 펌프 모듈 하우징(4-110)은 빔 콜리메이팅 광학계들을 또한 포함할 수 있다. 고속 축 콜리메이터(fast-axis collimator)(FAC)(4-142)는 레이저 다이오드 근방에 위치되거나 레이저 다이오드 내에 통합될 수 있다. 일부 경우들에서, 이러한 콜리메이터는 원통형 렌즈 또는 교차 원통형 렌즈 쌍을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, FAC(4-142)는 단일 원통형 렌즈를 포함할 수 있고 짧은 초점 거리(예컨대, 약 5 mm 미만)를 가질 수 있다. 일부 구현들에서, FAC(4-142)는 약 150 마이크로미터 미만의 직경을 갖는 일정 길이의 광학 파이버를 포함할 수 있고, 그의 초점 거리는 500 마이크로미터 미만일 수 있다. FAC(4-142)는 5도 내지 15도의 직교 횡 방향들(orthogonal transverse directions)에서 대략 동일한 발산을 갖는 레이저 다이오드의 빔을 제공하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 레이저 다이오드(4-130) 및 FAC(4-142)로부터의 빔은 (예컨대, 방출기들의 어레이에 대응하는) 직사각형 또는 정사각형 단면을 가질 수 있다.
펌프 모듈 하우징(4-110)은 레이저 다이오드 펌프 빔을 콜리메이트하는 콜리메이팅 렌즈(4-144)를 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 이 렌즈는 양쪽 표면들이 펌프 파장(λp)을 위해 반사방지 코팅된 평면-볼록 렌즈(plano-convex lens)일 수 있다. 렌즈의 평면 표면은 다이오드(4-130)와 마주할 수 있다. 콜리메이팅 렌즈(4-144)의 초점 거리는 15 mm 내지 35 mm일 수 있다. 콜리메이팅 렌즈(4-144)는, 일부 구현들에 따르면, 콜리메이팅 렌즈(4-144)의 후초점 거리(back focal length)와 대략 동일한 거리만큼 FAC 렌즈(4-142)로부터 이격될 수 있다.
펌프 모듈 하우징(4-110)으로부터의 콜리메이트된 또는 거의 콜리메이트된 빔은 조정가능 펌프 헤드(4-120)에 장착된 이색성 미러(4-146)에 의해 반사될 수 있다. 이색성 미러(4-146)는 펌프 파장을 커플링 렌즈(2-142) 및 이득 매질(1-105)(도 4a에 도시되지 않음)을 향해 반사시키고 모드 동기 레이저 캐비티로부터의 레이징 파장의 모드 동기 펄스들을 투과시키는 다층 코팅을 포함할 수 있다. 펌프 헤드(4-120)가 조절 스크루들(4-154)을 사용하여 조절가능하기 때문에, 이득 매질 내에서의 펌프 빔의 위치를 조절하기 위해 이색성 미러가 피칭되고(pitched)(도면에 도시된 X 축에 평행한 축을 중심으로 회전되고) 및 롤링될(Z 축에 평행한 축을 중심으로 회전될) 수 있다.
일부 구현들에 따르면, 레이저 다이오드(4-130)로부터의 펌프 빔(4-135)이 미러(4-146)에 입사하는 이색성 미러(4-146)의 위치는 커플링 렌즈(2-142)의 대략 초점 거리에 배치된다. 이러한 위치결정으로 인해, 출사 펌프 빔(4-135)을 벗어나게 하는, 이색성 미러(4-146)에 대한 각도 조절들은 주로 이득 매질(1-105)을 통한 펌프 빔의 평행 빔 경로 변위들을 결과한다. 이것이 이해될 수 있는 이유는 이색성 미러(4-146)에서의 초점으로부터 커플링 렌즈(2-142)를 통해 가는 광선들이 평행 광선들로서 커플링 렌즈로부터 나올 것이기 때문이다. 그에 따라, 이색성 미러(4-146)는 이득 매질(1-105)을 통한 펌프 빔의 각도에 대한 최소 변화로 이득 매질에서 펌프 빔을 X 방향 및 Y 방향(도 4a 및 도 2a를 참조)으로 주로 평행이동시도록 조절될 수 있다. 이러한 효과를 고려하여, 이색성 미러(4-146)에 대한 피치 조절은 이득 매질에서 Y 방향으로의 펌프 빔 변위들을 결과하고 이색성 미러에 대한 롤 조절은 이득 매질(1-105)에서의 X-방향(X-directed)(및 일부 Y-방향(Y-directed)) 펌프 빔 변위들을 제공한다. 이득 매질(1-105)을 통한 펌프 빔(4-135)의 각도 변화는 바람직하지 않을 수 있는데, 그 이유는 이것이 이득 매질(1-105)에서의 모드 동기 레이저 빔과 펌프 빔(4-135)의 오버랩 볼륨(overlap volume)을 감소시킬 수 있기 때문이다.
조립을 단순화하고 펌프 헤드(4-120) 상의 조절가능 스크루들의 개수를 감소시키기 위해, 조절가능 헤드는 3점 콘택트(three-point contact), 조절가능 운동학적 장착 스킴을 사용하여 하우징(4-110)에 부착될 수 있다. 헤드(4-120)는 (도 4ba 및 도 4bb에 묘사된 바와 같은) 적어도 하나의 탄성 스프링(4-157)을 사용하여 하우징(4-110)을 향해 당겨지거나 힘을 받을 수 있다. 3점 콘택트들 중 하나는 헤드의 모든 회전 자유도들을 가능하게 해주는 볼-앤-콘(ball-and-cone)일 수 있다. 예를 들어, 볼 형상의 콘택트 피처(4-155)(예컨대, 볼 베어링)는 펌프 하우징 모듈(4-110) 근방의 헤드(4-120)의 측면 상에 위치될 수 있다. 볼 형상의 콘택트 피처(4-155)는 원추 형상의 리세스에 의해 수납될 수 있다. 나머지 2개의 접촉점은 조절 스크루들(4-154a, 4-154b)일 수 있다. 이러한 스크루들 중 하나(4-154a)는 헤드의 요 운동(yaw motion)을 제한하기 위해 그루브에 수납되는 볼 형상의 단부를 가질 수 있다. 다른 스크루(4-154b)는 평탄면 상에 수납되는 볼 형상의 단부를 가질 수 있다. 일부 구현들에서, 조절 스크루들(4-154a, 4-154b)이 이득 매질(1-105)을 통해 펌프 빔(4-135)을 정렬시키도록 설정된 후에, 적어도 하나의 반력 스크루(counter-force screw)(4-158)가 조절가능 헤드를 제 위치에 고정시키도록 조여질 수 있다.
일부 구현들에서, 커플링 렌즈(2-142)의 초점 거리는 약 20 mm 내지 약 30 mm일 수 있다. 일부 실시예들에서는 렌즈가 평면-볼록일 수 있지만, 일부 경우들에서 양면 볼록 렌즈(double convex lens)가 사용될 수 있다. 커플링 렌즈는 펌프 파장 및 모드 동기 레이저 파장에 대해 양쪽 측면들에 반사방지 코팅들을 가질 수 있다. 부가적으로, 레이저 캐비티 및 레이저 다이오드 내로 복귀할 면들로부터의 반사들을 피하기 위해 커플링 렌즈(2-142)가 모드 동기 레이저의 광학 축(2-111)에 대해 1도 내지 4도 사이의 각도로 배향될 수 있다(도 2a를 참조). 일부 구현들에서, 이득 매질(1-105)은 커플링 렌즈(2-142)로부터 대략 후초점 거리만큼 떨어져 위치된다. 일부 실시예들에 따르면, 흡수되지 않은 펌프 방사는 레이저 캐비티 폴딩 미러(2-115)를 통과하고 빔 덤프(beam dump)에서 흡수되며 그리고/또는 광검출기(2-116)에 의해 검출될 수 있다.
일부 구현들에서, FAC(4-142), 콜리메이팅 렌즈(4-144), 및 커플링 렌즈(2-142)는 레이저 다이오드(4-130)로부터의 출력을 이득 매질(1-105) 내에 대략 일대일 이미징(1-to-1 imaging)하는 것을 제공하도록 배열된다. 이득 매질에서의 레이저 다이오드의 출력(예컨대, 방출기 어레이)의 이미지는 이득 매질에서의 모드 동기 레이저의 캐비티내 빔 웨이스트 크기와 대략 매칭해야 한다. 이득 매질에서의 모드 동기 레이저의 빔 웨이스트 크기는 곡면 미러(2-117)의 초점 거리, 곡면 미러(2-117)와 출력 커플러(1-111) 사이의 거리, 및 이득 매질(1-105)과 출력 커플러 사이의 거리에 의해 주로 결정될 수 있다. 앞서 설명된 구성들에 대해 그리고 일대일 이미징의 경우, 이득 매질에서의 레이저 다이오드의 이미징된 방출기 크기는 100 마이크로미터 내지 150 마이크로미터이어야 한다. 본 발명자들은, 작은 방출기 크기는 급격한 열화에 보다 취약하고 보다 큰 방출기 크기는 모드 동기 레이저가 고차원 공간 모드들에서 레이징하게 할 수 있지만, 90 마이크로미터 내지 220 마이크로미터의 방출기 크기가 모드 동기 레이징을 제공한다는 것을 관찰하였다. 부가적으로, 방사 편광은 모드 동기 레이저(1-110)의 의도된 레이징 편광에 잘 매칭되어야 한다. 이와 관련하여, 펌프 모듈(2-140) 및/또는 모드 동기 레이저 모듈(1-108)은 이득 매질(1-105) 상에서의 펌프 방사의 편광 상태를 제어하기 위해 회전되거나 조절될 수 있는 하나 이상의 광학 컴포넌트(예컨대, 1/4 파장판, 1/2 파장판)를 포함할 수 있다. 편광은 모드 동기 레이저(1-110)로부터 출력 파워 및 레이징 효율을 증가시키도록 제어될 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 또는 파이버 커플링 레이저(fiber or fiber-coupled laser)는 모드 동기 레이저(1-110)의 이득 매질(1-105)을 펌핑하는 데 사용될 수 있다. 파이버 레이저는 하나 이상의 레이저 다이오드에 의해 펌핑되는 파이버 레이저 캐비티의 일부로서 능동 광학 파이버(active optical fiber)를 포함할 수 있다. 파이버 커플링 레이저는 하나 이상의 레이저 다이오드들 - 이들의 출력들은 광학 파이버 내로 커플링됨 - 을 포함할 수 있다. 파이버 레이저 또는 파이버 커플링 레이저로부터의 광학 에너지를 전달하는 파이버로부터의 출력 빔은 레이저 다이오드 펌프 소스 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 형상의(top-hat-shaped)) 공간 프로파일을 가질 수 있다. 파이버 레이저 퍼프 소스는, 일부 실시예들에서, 베이스 섀시(2-105) 이외의 금구 상에 장착될 수 있거나 그렇지 않을 수 있으며, 펌프 에너지를 전달하는 파이버의 단부는 이득 매질(1-105)과 같은 쪽에 있는 베이스 섀시의 측면 또는 이득 매질(1-105)의 반대쪽에 있는 베이스 섀시의 측면 상에 위치된 모드 동기 레이저 모듈(1-108) 상의 마운트에 부착될 수 있다.
캐비티 정렬
인식될 수 있는 바와 같이, 모드 동기 레이저 캐비티 광학계들의 정렬은 레이저 캐비티 내의 많은 수의 미러들 및 광학 컴포넌트들로 인해 어려울 수 있다. 일부 실시예들에서 그리고 도 2a를 또다시 참조하면, 모드 동기 레이저는 레이저 캐비티의 광학 축을 따라 이득 매질(1-105)과 제2 곡면 미러(2-127) 사이에 위치된 장착 피처들(2-110)(예컨대, 스크루 구멍들 및/또는 정합 피처들)을 포함할 수 있다. 장착 피처들(2-110)은 제2 출력 커플러(도 2a에 도시되지 않음)가 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 레이징하도록 정렬될 수 있다. 제2 출력 커플러는 소량의 파워(예컨대, 2% 내지 20%)를 투과시키고, 삽입된 광학 마운트와 SAM(1-119) 사이에서 레이저의 광학 컴포넌트들을 정렬시키는 데 사용될 수 있는 레이저 빔을 제공할 수 있다. 이러한 나머지 컴포넌트들이 일단 정렬되면, 레이저(1-110)가 전체 캐비티 길이(full cavity length)를 갖는 펄스 모드에서 작동하도록 튜닝될 수 있도록, 삽입된 광학 마운트가 제거될 수 있다.
본 발명자들은 짧은 캐비티 정렬을 위한 제2 출력 커플러(도 2a에 도시되지 않음)가 이득 매질(1-105) 근방에 그리고 방향전환 미러(turning mirror)(2-115) 이전에 장착될 수 있음을 발견하였다. 일부 실시예들에 따르면, 단축된 캐비티의 길이가 모드 동기 레이저 캐비티의 길이의 절반 미만임에도 불구하고, 이득 매질에서의 열 렌징은, 모드 동기 레이저(1-108)의 모드 동기 작동을 가능하게 해주는 광학 파워들로 펌핑될 때, 단축된 캐비티에서의 레이징을 지원하고 단축된 캐비티에 부가의 렌징 요소를 필요로 하지 않으면서 안정된 레이징 캐비티를 제공한다. 일부 경우들에서, 단축된 캐비티의 길이는 모드 동기 레이저 캐비티의 길이의 1/4 또는 심지어 1/8 미만일 수 있다. 그에 따라, 이득 매질(1-105) 근방에 배치된 제2 출력 커플러는 방향전환 미러(2-115)로부터 SAM(1-119)까지의 모든 광학 요소들의 용이하고 신속한 정렬을 가능하게 해줄 수 있다. 출력 커플러가 방향전환 미러(2-115) 이전에 장착되고 다른 렌징 요소가 단축된 레이저 캐비티에 장착되지 않은 구성에서, 레이징을 달성하고 단축된 캐비티의 정렬을 보다 용이하도록 하기 위해 적어도 2 디옵터의 이득 매질에서의 열 렌징을 갖는 것이 도움이 될 수 있지만, 일부 경우들에서 열 렌징 없이(0 디옵터) 연속파 레이징이 발생할 수 있다.
주파수 배가
도 2a를 또다시 참조하면, 출력 펄스들의 광학 파장을 반감(halve)시키기 위해(또는 광학 주파수를 배가시키기 위해), 모드 동기 레이저(1-110)의 출력이 렌즈(2-164)를 통해 주파수 배가 결정체(2-170) 내로 포커싱될 수 있다. 예를 들어, 모드 동기 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)에 제공되고 상이한 방출 특성들을 갖는 형광단들을 여기시키기 위해 거기에서 사용된다. 일부 실시예들에 따르면, 주파수 배가 및 주파수 배가된 파워의 제어를 위한 컴포넌트들은 콤팩트한 모드 동기 레이저 모듈(1-108) 내에 장착될 수 있다.
렌즈(2-164)는 15 mm 내지 30 mm의 초점 거리를 가질 수 있고, 레이징 파장의 반사를 최소화하기 위해 양쪽 표면들 상에 반사방지 코팅들을 포함한다. 렌즈는 주파수 배가 결정체에 15 마이크로미터 내지 35 마이크로미터의 모드 동기 펄스들에 대한 빔 웨이스트를 생성할 수 있다.
주파수 배가 결정체(2-170)는 칼륨 티타닐 포스페이트(KTP), 타입 II 결정체일 수 있다. 결정체 길이는 3 mm 내지 7 mm일 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 주파수 배가 결정체(2-170)는 HGTR(high grey track resistant) 결정체이다. 본 발명자들은 플럭스 성장 결정체들(flux grown crystals)이 녹색 파장들에서 높은 평균 파워들에 대해 열화될 수 있음을 관찰하였다. HGTR 결정체들의 경우, 절단각들(cut angles)은 φ의 경우 24도 내지 25도이고, θ의 경우 89도 내지 91도일 수 있다. 결정체의 2개의 패싯은 레이징 파장 및 배가된 파장을 위해 반사방지 코팅들로 코팅될 수 있다. 일부 구현들에 따르면, 주파수 배가 결정체(2-170)는 베이스 섀시(2-105)에 형성된 자기 정렬 표면과 맞닿게 장착된다. 결정체로부터의 주파수 배가된 방사를 콜리메이트하기 위해 주파수 배가 결정체 이후에 콜리메이팅 렌즈(도 2a에 도시되지 않음)가 배치될 수 있다.
일부 실시예들에서, 1/2 파장판(2-160)은 회전가능 마운트에 장착될 수 있으며, 회전가능 마운트의 회전각은 액추에이터(2-162)에 의해 제어된다. 1/2 파장판은 모드 동기 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 메커니즘을 포함할 수 있다. 1/2 파장판(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. 1/2 파장판의 제어는 그러면 바이오 광전자 칩(1-140)에 전달되는 주파수 배가된 파장에서의 파워의 양을 제어하는 데 사용될 수 있다. 1/2 파장판(2-160)(또는 주파수 배가 결정체(2-170))을 회전시키는 것에 의해, 주파수 배가된 파장(λ2)에서의 광학 파워가, 기본 파장(λ1)에서의 모드 동기 레이저의 작동에 영향을 미치지 않으면서, 큰 범위에 걸쳐(예컨대, 10배 이상의 범위에 걸쳐) 작은 양의 단위로 정밀하게 변화될 수 있다. 즉, 모드 동기 레이저(1-110)의 모드 동기 안정성, 열 소산, 및 다른 특성들에 영향을 미치지 않으면서, 주파수 배가된 파장에서의 파워가 변화될 수 있다. 일부 실시예들에서, 기본 레이저 작동에 영향을 미치지 않으면서 주파수 배가된 파워를 제어하기 위해 부가적으로 또는 대안적으로 다른 조절들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 주파수 배가 효율을 변화시키고 그리고/또는 최대화시키기 위해, 주파수 배가 결정체(2-170)에의 펄스 레이저 빔의 입사각 및/또는 렌즈(2-164)와 주파수 배가 결정체 사이의 거리가 자동화된 방식으로 제어될 수 있다.
일부 실시예들에서, 주파수 배가된 출력 펄스들이 방향전환 미러(2-180)에 의해 그리고/또는 빔 셰이핑 및 스티어링 모듈 쪽으로 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. 일부 구현들에서, 방향전환 미러(2-180)는 소량의 주파수 배가된 출력을 포토다이오드(2-182) 쪽으로 투과시킬 수 있다. 파장 선택적 필터(wavelength selective filter)는 기본 파장을 차단하거나 반사시키기 위해 포토다이오드(2-182) 전방에 배치될 수 있다. 포토다이오드(2-182)로부터의 출력은 PCB(2-190)에 제공될 수 있으며, 여기서 신호는 모드 동기 안정성을 평가하기 위해 그리고/또는 안정된 출력 파워를 유지하도록 1/2 파장판(2-160)을 회전시키기 위한 제어 신호를 생성하기 위해 프로세싱될 수 있다. 일부 구현들에서, 포토다이오드(2-182)는 PCB(2-190) 상에 장착될 수 있고, 주파수 배가된 출력은 광학 파이버를 통해 반사되고, 산란되며, 커플링될 수 있거나, 베이스 섀시(2-105)에서의 구멍 및/또는 윈도를 통해 포토다이오드 쪽으로 다른 방식으로 지향될 수 있다.
일부 구현들에서, 2016년 12월 16일자로 출원되고 발명의 명칭이 "Compact Beam Shaping and Steering Assembly"인 별개의 미국 특허 출원 제62,435,679호에 설명된 바와 같은 빔 셰이핑 및 스티어링 모듈은 베이스 플레이트 상에 조립되거나 베이스 섀시(2-105)에 인접하게 장착될 수 있다. 레이저 모듈로부터의 출력 빔은 분석 시스템(1-160)에서 사용하기 위해 기본 파장 또는 주파수 배가된 파장의 출력 빔을 적합화시키기 위해 빔 셰이핑 및 스티어링 어셈블리에 제공될 수 있다.
클록 생성 및 시스템 제어
도 1a를 또다시 참조하면, 짧은 또는 극초단 펄스들을 생성하는 데 사용되는 방법 및 장치에 관계없이, 휴대용 분석 기기(1-100)는 분석 시스템(1-160)의 적어도 일부 전자적 동작들(예컨대, 데이터 취득 및 신호 프로세싱)을 모드 동기 레이저(1-110)로부터의 광학 펄스들(1-122)의 반복 레이트와 동기화시키도록 구성된 회로부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 바이오 광전자 칩(1-140)에서 형광 수명을 평가할 때, 방출 이벤트들의 타이밍이 올바르게 기록될 수 있도록, 샘플의 여기 시간을 정확하게 아는 것이 유익하다. 일부 실시예들에 따르면, 타이밍 신호는 모드 동기 레이저에 의해 생성된 광학 펄스들로부터 도출될 수 있으며, 도출된 타이밍 신호는 기기 전자장치를 트리거하는 데 사용될 수 있다.
본 발명자들은 모드 동기 레이저(1-110)의 동작(예컨대, 여기 광학 펄스들을 반응 챔버들(1-330)에 전달함), 신호 취득 전자장치들의 동작(예컨대, 시간-비닝 광검출기들(1-322)의 동작)), 및 바이오 광전자 칩(1-140)으로부터의 데이터 판독의 조율이 기술적 과제들을 제기한다는 것을 인식하고 이해하였다. 예를 들어, 반응 챔버들에서 수집되는 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 있으며, 예컨대, 유전자 서열(gene sequence)의 오인을 야기할 수 있다. 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 쉬운 것에 의해 시스템 타이밍이 더욱 복잡하게 된다는 것을 인식하고 이해하였다.
도 5a는 타이머(5-120)가 동기화 신호를 분석 시스템(1-160)에 제공하는 시스템을 묘사하고 있다. 일부 실시예들에서, 타이머(5-120)는 펄스 광학 소스(1-110)에 의해 생성된 광학 펄스들에 동기화된 클록 신호를 생성하고, 클록 신호를 분석 시스템(1-160)에 제공할 수 있다. 도 5a에서, 광학 펄스들(1-120)은 공간적으로 거리 D만큼 분리된 것으로 묘사되어 있다. 이 분리 거리는 관계식 T = D/c에 따라 펄스들 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 = 1/fsyncN이고 여기서 N은 1 이상의 정수이며, fsync는 생성된 클록 신호의 주파수를 나타낸다. 일부 구현들에서, T= N/fsync이고, 여기서 N은 1 이상의 정수이다.
일부 실시예들에 따르면, 타이머(5-120)는 펄스 소스(1-110)로부터의 광학 펄스들을 검출하는 포토다이오드로부터 아날로그 또는 디지털화된 신호를 수신할 수 있다. 포토다이오드(2-154)는 베이스 섀시(2-105) 상에 장착될 수 있고, 고속 InGaAs 포토다이오드일 수 있다. 타이머(5-120)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(5-120)는 안정된 전자 클록 소스로부터의 안정된 클록 신호를 검출된 광학 펄스들로부터 생성된 디지털 펄스들의 트레인에 동기화시키기 위해 지연 동기 루프(delay-locked loop) 또는 위상 동기 루프(phase-locked loop)를 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 클록 신호를 생성하고 휴대용 기기(1-100) 내의 데이터 취득 전자장치들을 구동하는 데 사용될 수 있는 클록 생성 회로부를 고안하고 개발하였다. 클록 생성 회로부(5-200)의 일 예가 도 5b에 묘사되어 있다. 클록 생성 회로부는 베이스 섀시(2-105) 상에 장착된 PCB(2-190) 상에 포함될 수 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.
일부 실시예들에 따르면, 펄스 검출 스테이지는 역방향 바이어싱되고 바이어싱 전위와 기준 전위(예컨대, 접지 전위) 사이에 접속된 고속 포토다이오드(5-210)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(5-210)의 캐소드와 기준 전위 사이에 커패시터(C)가 접속될 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(5-200)의 펄스 검출 스테이지는 모드 동기 레이저(1-110) 상에 또는 그 근방에 장착되고, 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 증폭기(5-220)를 포함할 수 있다. 클록 생성 회로부(5-200)의 증폭 스테이지는 자동 이득 제어 증폭기(5-240)를 추가로 포함할 수 있다. 일부 경우들에서, 아날로그 필터링 회로부(5-230)는 (예컨대, 고주파(예컨대, 약 500 MHz 초과) 및/또는 저주파(예컨대, 약 100 Hz 미만) 잡음을 제거하기 위해) 아날로그 증폭기들(5-220)의 출력에 접속될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 하나 이상의 아날로그 이득 증폭기(5-220)로부터의 필터링된 또는 필터링되지 않은 출력은 자동 이득 제어 증폭기(5-240)에 제공될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 하나 이상의 아날로그 증폭기로부터의 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 이해하였다. 자동 이득 제어 증폭기는 수신된 전자 펄스 트레인의 진폭 변동들을 보상하기 위해 자신의 내부 이득을 변화시킬 수 있다. 자동 이득 제어 증폭기(5-240)로부터의 출력 펄스 트레인은, 도면에 묘사된 바와 같이, 대략 일정한 진폭을 가질 수 있는 반면, 자동 이득 제어 증폭기(5-240)로의 입력은 펄스간 진폭 변동들을 가질 수 있다. 예시적인 자동 이득 제어 증폭기는 매사추세츠주 노우드 소재의 Analog Devices, Inc.로부터 입수가능한 모델 AD8368이다.
일부 구현들에 따르면, 클록 디지털화 스테이지에서, 자동 이득 제어 증폭기로부터의 출력은 디지털 펄스 트레인을 생성하기 위해 비교기(5-250)에 제공될 수 있다. 예를 들어, AGC로부터의 펄스 트레인은 비교기(5-250)의 제1 입력에 제공될 수 있고, (일부 실시예들에서 사용자 설정가능할 수 있는) 기준 전위가 비교기의 제2 입력에 접속될 수 있다. 기준 전위는 각각의 생성된 디지털 펄스의 상승 에지에 대한 트리거 포인트(trigger point)를 확립(establish)할 수 있다.
인식될 수 있는 바와 같이, 광학 펄스 진폭의 변동들은 AGC 증폭기(5-240) 이전에서 전자 펄스들의 진폭 변동들을 가져올 것이다. AGC 증폭기가 없는 경우, 이 진폭 변동들은 비교기(5-250)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 로직 회로부(5-270)에 제공될 수 있다.
클록 생성 회로부(5-200)의 위상 동기 스테이지는 기기 동작들을 타이밍 조절하고 동기화시키기 위한 하나 이상의 안정된 출력 클록 신호를 생성하는 데 사용되는 위상 동기 루프(PLL) 회로(5-280)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 클록 디지털화 스테이지로부터의 출력은 PLL 회로(5-280)의 제1 입력(예컨대, 피드백 입력)에 제공될 수 있고, 전자 또는 전기기계 발진기(5-260)로부터의 신호는 PLL의 제2 입력(예컨대, 기준 입력)에 제공될 수 있다. 일부 경우들에서, 전자 또는 전기기계 발진기는 기계적 섭동들(mechanical perturbations)에 대해 그리고 온도 변동들에 대해 매우 안정적일 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 전자 또는 전기기계 발진기(5-260)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(5-260)는 모드 동기 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(5-280)는 전자 또는 전기기계 발진기(5-260)로부터의 위상 동기된 신호로부터 도출되는 하나 이상의 안정된 출력 클록 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. PLL을 구현하는 데 사용될 수 있는 예시적인 회로는, 텍사스주 오스틴 소재의 Silicon Laboratories Inc.로부터 입수가능한 IC 칩 Si5338이다.
일부 실시예들에 따르면, PLL 회로(5-280)로부터 출력된 하나 이상의 클록 신호는, 칩 상의 데이터 취득 전자장치들을 타이밍 조절하기 위해, 바이오 광전자 칩(1-140)에 제공될 수 있다. 일부 경우들에서, PLL 회로(5-280)는 자신의 클록 출력들에 대한 위상 조절 회로부(5-282, 5-284)를 포함할 수 있거나, 별개의 위상 조절 회로들이 위상 동기 루프의 클록 출력들에 접속될 수 있다. 일부 구현들에서, 바이오 광전자 칩(1-140)은, 모드 동기 레이저(1-110)로부터의 광학 여기 펄스들의 도달을 나타내는, 칩 상의 하나 이상의 광검출기로부터의 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 광검출기들(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(5-280)에 다시 제공되어 프로세싱될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, PLL 회로(5-280)로부터의 클록 신호가 기기(1-100)에 포함된 하나 이상의 FPGA(field-programmable gate array)(5-290)에 또한 제공될 수 있다. FPGA들은 바이오 광전자 칩(1-140)으로부터의 데이터 판독을 구동하는 것, 데이터 프로세싱, 데이터 전송, 데이터 저장 등과 같은, 기기 상에서의 다양한 기능들을 위해 사용될 수 있다.
본 발명자들은 AGC 증폭기(5-240)의 루프 대역폭과 위상 동기 루프(5-290)의 루프 대역폭 사이의 상호작용(interplay)이 있을 수 있다는 것을 인식하고 이해하였다. 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 결과적인 클록 신호들이 광학 펄스 타이밍을 정확하게 추적하지 못할 것이다. 본 발명자들은 PLL(5-290)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(5-240)의 루프 대역폭과 연관된 적분 시상수는 PLL에 대한 적분 시상수를 약 20% 초과만큼 초과해서는 안된다.
일부 구현들에서, 증폭 스테이지로부터의 하나 이상의 신호가 기기(1-100)에서 부가의 목적들을 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 아날로그 신호(5-232)가 AGC 증폭기(5-240) 이전에서 분할되어 모드 동기 레이저(1-110)에서의 모드 동기의 품질을 모니터링하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 모드 동기 레이저에 의한 Q-스위칭의 개시를 나타내는 특성들을 검출하기 위해, 아날로그 신호(5-232)가 주파수 및/또는 시간 도메인에서 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 에러를 표시하고 그리고/또는 모드 동기 레이저를 정지시킬 수 있다.
일부 실시예들에서, AGC 증폭기는 출력 펄스들의 진폭들을 레벨링하는 데 필요한 실시간 이득 조절들을 나타내는 출력 신호(5-242)(아날로그 또는 디지털)를 제공할 수 있다. 본 발명자들은 이 출력 신호(5-242)가 모드 동기 레이저의 모드 동기 품질을 평가하는 데 사용될 수 있다는 것을 인식하고 이해하였다. 예를 들어, 그의 스펙트럼이 Q-스위칭의 개시를 검출하기 위해 분석될 수 있다.
비록 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, FPGA들(field-programmable gate arrays)로 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 루프들(DLL)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 수신 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 실시예들에 따른, 시스템 제어를 위한 시스템 회로부의 일 예가 도 5c에 묘사되어 있다. 펌프 모듈 제어 회로(5-300)은 PCB 상에 조립되고 콤팩트한 모드 동기 레이저 모듈(1-108)에 장착될 수 있다(예컨대, 도 2a에 도시된 모듈(1-108)의 배면 상에 장착됨). 펌프 모듈 제어 회로(5-300)는 레이저 모듈(1-108) 상에 장착되는 시스템 보드(5-320) 및 클록 생성 및 레이저 감지 회로(5-350)(예컨대, PCB(2-190))와 인터페이싱할 수 있다. 일부 구현들에서, 펌프 모듈 제어 회로(5-300) 및 클록 생성 및 레이저 감지 회로(5-350)는 동일한 PCB 상에 조립될 수 있다. 다른 구현들에서, 펌프 모듈 제어 회로(5-300), 클록 생성 및 레이저 감지 회로(5-350), 및 시스템 제어 회로부는 동일한 PCB 상에 조립될 수 있으며, 따라서 별개의 시스템 보드(5-320)가 사용되지 않는다.
시스템 보드(5-320)는 레이저 모듈(1-108)이 장착되는 시스템의 동작을 조율하는 중앙 프로세서(예컨대, 마이크로컨트롤러 또는 마이크로프로세서)를 포함할 수 있다. 시스템 보드(5-320)는 전력 분배 회로부 및 데이터 핸들링 회로부(예컨대, 메모리, 트랜시버, 네트워크 인터페이스 보드 등)를 추가로 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 펌프 모듈 제어 회로(5-300)는 이득 매질(1-105)을 펌핑하는 데 사용되는 전류를 레이저 다이오드(4-130)에 공급하도록 구성된 전류 소스(5-332)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 전류 소스(5-332)는 시스템 보드(5-320)를 통해 제어될 수 있다. 펌프 모듈 제어 회로(5-300)는 레이저 다이오드(4-130) 상의 온도 센서 또는 서미스터(도시되지 않음)에 접속될 수 있는 온도 감지 회로부(5-341)를 추가로 포함할 수 있다. 온도 감지 회로부(5-341)로부터의 출력은 레이저 다이오드(4-130)가 장착된 TEC(4-160)를 구동할 수 있는 온도 제어 회로부(5-343)에 제공될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 온도 제어기는 레이저 다이오드(4-130)의 온도를 조절하고 그리고/또는 안정화시키기 위해 시스템 보드(5-320)로부터 제어 신호들을 수신할 수 있다.
일부 구현들에서, 펌프 모듈 제어 회로(5-300)는 하나 이상의 액추에이터 제어 회로(2개가 도시됨)(5-351, 5-352)를 포함할 수 있다. 액추에이터 제어 회로들은 모드 동기 레이저 모듈(1-108) 상에 위치된 하나 이상의 액추에이터를 작동시키기 위해 시스템 보드(5-320)로부터 제어 신호들을 수신할 수 있다. 예를 들어, 제1 액추에이터 제어 회로(5-351)는 모드 동기 레이저(1-110)의 레이저 캐비티에서 레이저 윈도(2-128)를 회전시키는 제1 액추에이터(2-162)를 작동시키도록 구성될 수 있다. 제1 액추에이터의 작동은 캐비티 정렬을 조절할 수 있고 레이저(1-110)의 모드 동기를 개선시키는 데 사용될 수 있다. 제2 액추에이터 제어 회로(5-352)는, 예를 들어, 레이저 모듈(1-108) 상의 1/2 파장판(2-160)을 회전시키는 제2 액추에이터(2-162)를 작동시키도록 구성될 수 있다. 1/2 파장판(2-160)의 회전은, 예를 들어, 주파수 배가된 파장으로 변환된 레이저 파워의 양을 제어하는 데 사용될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 액추에이터 회로들(5-351, 5-352)에 대한 제어 신호들은 클록 생성 및 레이저 감지 회로(5-350)로부터의 출력들에 기초하여 시스템 보드(5-320) 상에서 계산될 수 있다. 클록 생성 및 레이저 감지 회로(5-350)로부터의 출력들은 (레이저(1-110)로부터의 기본 파장(λ1)을 감지하도록 구성된 포토다이오드(2-154)를 포함하거나 그에 접속될 수 있는) 기본 센서 회로(5-311), (레이저의 출력 펄스들로부터 생성된 주파수 배가된 파장(λ2)을 감지하도록 구성된 포토다이오드(2-182)를 포함하거나 그에 접속될 수 있는) 주파수 배가된 센서 회로(5-312), 및 (레이저(1-110) 내의 이득 매질(1-105)을 여기시키는 데 사용되는 펌프 파장(λp)을 감지하도록 구성된 포토다이오드(2-116)를 포함하거나 그에 접속될 수 있는) 다이오드 펌프 센서 회로(5-313)에 의해 생성될 수 있다. 그에 따라, 모드 동기 레이저(1-110) 및 주파수 배가된 출력 파워의 피드백 제어는 레이저 동작 및 출력 파라미터들을 감지하는 것 및 모드 동기 레이저 모듈(1-108)의 동작을 정정하거나 개선시키는 신호들을 액추에이터 회로들(5-351, 5-352)을 통해 인가하는 것에 의해 구현될 수 있다. 일부 실시예들이 콤팩트한 모드 동기 레이저 모듈(1-108) 상의 동일한 및/또는 부가의 컴포넌트들을 제어하기 위한 부가의 센서 회로들 및/또는 부가의 액추에이터 제어 회로들을 포함할 수 있음이 인식될 것이다.
설명된 기술의 실시예들은 하기의 구성들 및 방법들을 포함한다.
(1) 모드 동기 레이저 모듈로서, 베이스 섀시; 베이스 섀시 상에 조립된 레이저 캐비티를 갖는 모드 동기 레이저; 및 모드 동기 레이저가 광학 펄스들을 생성할 때 1 디옵터 내지 15 디옵터의 포지티브 열 렌징 값을 나타내는 레이저 캐비티에 위치된 이득 매질을 포함하는, 모드 동기 레이저 모듈.
(2) 구성 (1)의 모드 동기 레이저 모듈로서, 펌프 빔을 사용하여 이득 매질을 여기시키도록 배열된 레이저 다이오드를 추가로 포함하며, 이득 매질에서의 펌프 빔의 흡수는 열 렌징을 야기하는, 모드 동기 레이저 모듈.
(3) 구성 (1) 또는 구성 (2)의 모드 동기 레이저 모듈로서, 이득 매질은 마운트에 배치되고 능동 냉각을 갖지 않는 고체 결정체를 포함하는, 모드 동기 레이저 모듈.
(4) 구성 (2) 또는 구성 (3)의 모드 동기 레이저 모듈로서, 모드 동기 레이저는 펌프 빔의 광학 파워의 변화들로 인해 8 디옵터 내지 12 디옵터의 범위에 걸쳐 변화되는 열 렌징 값들에 대해 레이저 캐비티에 대한 기계적 조절 없이 안정적으로 광학 펄스들을 생성하는, 모드 동기 레이저 모듈.
(5) 구성 (1) 내지 구성 (4) 중 어느 한 구성의 모드 동기 레이저 모듈로서, 모드 동기 레이저는 펌프 빔의 광학 파워의 변화들로 인해 1 디옵터 내지 15 디옵터의 범위에 걸쳐 변화되는 열 렌징 값들에 대해 안정적으로 광학 펄스들을 생성하는, 모드 동기 레이저 모듈.
(6) 구성 (5)의 모드 동기 레이저 모듈로서, 펌프 빔의 광학 파워의 변화들이 2 와트 내지 10 와트이고, 모드 동기 레이저 모듈로부터의 평균 출력 광학 파워가 350 밀리와트 내지 3.5 와트인, 모드 동기 레이저 모듈.
(7) 구성 (1) 내지 구성 (6) 중 어느 한 구성의 모드 동기 레이저 모듈로서, 광학 펄스들의 펄스 반복 레이트는 50 MHz 내지 200 MHz이고, 베이스 섀시의 최대 에지 길이는 350 mm 이하인, 모드 동기 레이저 모듈.
(8) 구성 (1) 내지 구성 (7) 중 어느 한 구성의 모드 동기 레이저 모듈로서, 광학 펄스들의 펄스 반복 레이트는 50 MHz 내지 200 MHz이고, 모듈은 350 mm 이하인 최대 에지 길이 및 40 mm 이하인 두께를 갖는 슬래브 형태를 갖고, 모듈의 중량은 2 킬로그램 이하인, 모드 동기 레이저 모듈.
(9) 구성 (1) 내지 구성 (8) 중 어느 한 구성의 모드 동기 레이저 모듈로서, 광학 펄스들의 펄스 반복 레이트는 50 MHz 내지 200 MHz이고, 모드 동기 레이저 모듈에 의해 점유되는 최대 체적은 0.1 입방 피트 이하인, 모드 동기 레이저 모듈.
(10) 구성 (1) 내지 구성 (9) 중 어느 한 구성의 모드 동기 레이저 모듈로서, 광학 펄스들의 FWHM(full-width half-maximum) 펄스 폭은 9 피코초 내지 38 피코초인, 모드 동기 레이저 모듈.
(11) 구성 (1) 내지 구성 (10) 중 어느 한 구성의 모드 동기 레이저 모듈로서, 이득 결정체는 네오디뮴 바나데이트(Nd3+:YVO4)를 포함하는, 모드 동기 레이저 모듈.
(12) 구성 (1) 내지 구성 (11) 중 어느 한 구성의 모드 동기 레이저 모듈로서, 섀시의 비틀림 강성(torsional stiffness)을 증가시키는 섀시를 가로질러 대각선으로 연장되는 대각선 리브를 추가로 포함하며, 레이저 캐비티의 캐비티내 빔은 대각선 리브에서의 다수의 개구부들을 통과하는, 모드 동기 레이저 모듈.
(13) 구성 (1) 내지 구성 (12) 중 어느 한 구성의 모드 동기 레이저 모듈로서, 레이저 캐비티의 한 단부에서 플레이트 상에 장착된 포화성 흡수체 미러(saturable absorber mirror)를 추가로 포함하며, 플레이트는 포화성 흡수체 미러에 입사하는 레이저 캐비티의 캐비티내 빔의 광학 축에 대한 각도 조절들을 포함하지 않는 2 자유도만으로 조절되도록 구성되는, 모드 동기 레이저 모듈.
(14) 구성 (13)의 모드 동기 레이저 모듈로서, 플레이트는 금속 코팅을 갖는 인쇄 회로 보드를 포함하거나 플레이트는 금속 플레이트를 포함하는, 모드 동기 레이저 모듈.
(15) 구성 (13) 또는 구성 (14)의 모드 동기 레이저 모듈로서, 이득 매질 내의 캐비티내 빔의 제1 빔 웨이스트는 100 마이크로미터 내지 150 마이크로미터이고 포화성 흡수체에서의 캐비티내 빔의 제2 빔 웨이스트는 75 마이크로미터 내지 125 마이크로미터인, 모드 동기 레이저 모듈.
(16) 구성 (13) 내지 구성 (15) 중 어느 한 구성의 모드 동기 레이저 모듈로서, 레이저 캐비티 내에 위치된 제1 포커싱 광학계; 및 레이저 캐비티 내에 위치된 레이저 윈도 또는 광학 플랫을 추가로 포함하며, 제1 포커싱 광학계 및 레이저 윈도 또는 광학 플랫은 레이저 윈도 또는 광학 플랫을 회전시킴으로써 포화성 흡수체 미러 상에서의 캐비티내 빔의 입사각을 조절하도록 배열되는, 모드 동기 레이저 모듈.
(17) 구성 (13) 내지 구성 (16) 중 어느 한 구성의 모드 동기 레이저 모듈로서, 레이저 캐비티 내에서 이득 매질과 포화성 흡수체 미러 사이에 위치된 캐비티 길이 연장 영역을 추가로 포함하며, 캐비티 길이 연장 영역은 캐비티내 빔을 적어도 네 번 폴딩시키는, 모드 동기 레이저 모듈.
(18) 구성 (17)의 모드 동기 레이저 모듈로서, 캐비티 길이 연장 영역은 제1 반사체; 및 포화성 흡수체 미러와 이득 매질 사이에 위치된 제2 포커싱 반사체를 포함하고, 제1 반사체 및 제2 포커싱 반사체는 캐비티내 빔을 연속적인 반사들에서 세 번 폴딩시키는, 모드 동기 레이저 모듈.
(19) 구성 (17) 또는 구성 (18)의 모드 동기 레이저 모듈로서, 캐비티 길이 연장 영역은 캐비티내 빔을 여러 번 폴딩시키는 제1 반사체를 포함하는, 모드 동기 레이저 모듈.
(20) 구성 (1) 내지 구성 (15) 중 어느 한 구성의 모드 동기 레이저 모듈로서, 레이저 캐비티의 제1 단부에 위치된 출력 커플러; 레이저 캐비티의 제2 단부에 위치된 포화성 흡수체 미러; 레이저 캐비티 내에서 이득 매질과 포화성 흡수체 미러 사이에 위치된 제1 포커싱 광학계; 및 레이저 캐비티 내에서 제1 포커싱 광학계와 포화성 흡수체 미러 사이에 위치된 제2 포커싱 광학계를 추가로 포함하는, 모드 동기 레이저 모듈.
(21) 구성 (20)의 모드 동기 레이저 모듈로서, 제1 포커싱 광학계와 제2 포커싱 광학계 사이의 캐비티내 빔은 본질적으로 콜리메이트되는, 모드 동기 레이저 모듈.
(22) 구성 (20) 또는 구성 (21)의 모드 동기 레이저 모듈로서, 제1 포커싱 광학계의 초점 거리는 240 mm 내지 260 mm이고, 제2 포커싱 광학계의 초점 거리는 240 mm 내지 260 mm인, 모드 동기 레이저 모듈.
(23) 구성 (20) 내지 구성 (22) 중 어느 한 구성의 모드 동기 레이저 모듈로서, 출력 커플러는 제1 포커싱 광학계로부터 280 mm와 300 mm 사이에 위치되고, 이득 매질은 출력 커플러로부터 4 mm와 8 mm 사이에 위치되는, 모드 동기 레이저 모듈.
(24) 구성 (1) 내지 구성 (23) 중 어느 한 구성의 모드 동기 레이저 모듈로서, 모드 동기 레이저가 작동하는 동안 하나의 미러의 각도 조절을 제공하는 레이저 캐비티 내에 위치된 하나의 미러만을 추가로 포함하는, 모드 동기 레이저 모듈.
(25) 구성 (1) 내지 구성 (24) 중 어느 한 구성의 모드 동기 레이저 모듈로서, 섀시 상에 장착되고 레이저 캐비티로부터의 출력 빔의 주파수를 배가시키도록 배열된 주파수 배가 결정체를 추가로 포함하는, 모드 동기 레이저 모듈.
(26) 모드 동기 레이저 모듈로서, 베이스 섀시; 베이스 섀시 상에 조립된 레이저 캐비티를 갖는 모드 동기 레이저; 레이저 캐비티의 제1 단부에서 제1 마운트 상에 장착된 출력 커플러 - 제1 마운트는 출력 커플러에 입사하는 캐비티내 빔의 광학 축에 대해 출력 커플러의 각도 조절을 제공하지 않음 -; 레이저 캐비티의 제2 단부에서 제2 마운트 상에 장착된 포화성 흡수체 미러 - 제2 마운트는 포화성 흡수체 미러에 입사하는 캐비티내 빔의 광학 축에 대해 포화성 흡수체 미러의 각도 조절을 제공하지 않음 -; 및 모드 동기 레이저와 출력 커플러 사이에 위치된 이득 매질을 포함하는, 모드 동기 레이저 모듈.
구성 (26)은 구성 (2) 내지 구성 (25) 중 어느 한 구성으로부터의 하나 이상의 양태 및 특징을 포함할 수 있다.
(27) 모드 동기 레이저 모듈로서, 베이스 섀시; 베이스 섀시 상에 장착된 출력 커플러 및 제1 포커싱 광학계; 베이스 섀시 상에 장착된 포화성 흡수체 미러 및 제2 포커싱 광학계 - 출력 커플러 및 포화성 흡수체 미러는 모드 동기 레이저에 대한 레이저 캐비티의 단부 미러들을 포함함 -; 레이저 캐비티 내의 캐비티내 빔의 광학 축을 따라 위치된 이득 매질; 및 출력 커플러와 포화성 흡수체 미러 사이에 위치된 2개의 반사체를 포함하는 캐비티 길이 연장 영역 - 2개의 반사체는 캐비티내 빔을 2회 초과 폴딩시킴 - 을 포함하는, 모드 동기 레이저 모듈.
구성 (27)은 구성 (2) 내지 구성 (25) 중 어느 한 구성으로부터의 하나 이상의 양태 및 특징을 포함할 수 있다.
(28) 모드 동기 레이저 모듈로서, 베이스 섀시; 50 MHz 내지 200 MHz의 펄스 반복 레이트로 작동하도록 구성된 제1 레이저 캐비티를 갖는 모드 동기 레이저 - 모드 동기 레이저는 베이스 섀시 상에 조립됨 -; 제1 레이저 캐비티의 제1 단부에 위치된 제1 레이저 캐비티의 제1 단부 미러; 제1 레이저 캐비티의 제2 단부에 위치된 제1 레이저 캐비티의 제2 단부 미러; 및 제1 레이저 캐비티 내에 위치된 이득 매질 - 이득 매질은 제1 레이저 캐비티에 대한 동작 전력으로 펌핑될 때 열 렌징을 나타내도록 구성되고, 열 렌징은 제1 레이저 캐비티의 길이의 1/2보다 작고 제1 단부 미러 및 제1 레이저 캐비티에서 베이스 섀시 상에 설치된 제3 단부 미러를 포함하는 제1 레이저 캐비티 내에 형성된 제2 레이저 캐비티에서의 레이징을 지원함 - 을 포함하는, 모드 동기 레이저 모듈.
구성 (28)은 구성 (2) 내지 구성 (25) 중 어느 한 구성으로부터의 하나 이상의 양태 및 특징을 포함할 수 있다.
(29) 모드 동기 레이저를 작동시키는 방법으로서, 레이저 캐비티의 이득 매질이 8 디옵터 내지 12 디옵터의 디옵터 값 범위를 갖는 열 렌징을 나타내도록, 광학 펌프 빔을 사용하여 이득 매질을 펌핑하는 단계; 캐비티내 빔을 레이저 캐비티의 제1 단부에 있는 출력 커플러 및 레이저 캐비티의 제2 단부에 있는 포화성 흡수체 미러로부터 반사시키는 단계; 및 디옵터 값 범위에 걸쳐 안정된 광학 펄스들의 출력을 생성하는 단계를 포함하는, 방법.
(30) (29)의 방법으로서, 레이저 캐비티의 이득 매질이 1 디옵터 내지 15 디옵터의 디옵터 값 범위를 갖는 열 렌징을 나타내도록, 이득 매질을 펌핑하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
(31) (29) 또는 (30)의 방법으로서, 광학 펌프 빔의 파장을 튜닝함으로써 열 렌징의 양을 조절하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
(32) (29) 내지 (31) 중 어느 하나의 방법으로서, 캐비티내 빔을 이득 매질과 포화성 흡수체 미러 사이에 위치된 제1 포커싱 반사체 및 제2 포커싱 반사체로부터 반사시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
(33) (32)의 방법으로서, 이득 매질, 출력 커플러, 및 포화성 흡수체 미러를 지지하는 섀시에 대한 포화성 흡수체 미러의 배향 각도를 조절함이 없이 포화성 흡수체 미러 상에서의 캐비티내 빔의 입사각을 조절하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
(34) (29) 내지 (33) 중 어느 하나의 방법으로서, 레이저 캐비티의 길이를 연장시키기 위해 캐비티내 빔을 이득 매질과 포화성 흡수체 미러 사이에 위치된 복수의 미러들로부터 반사시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
(35) (34)의 방법으로서, 즉각적으로 연속적인 반사들에서 복수의 미러들 중 2개의 미러 사이에서 캐비티내 빔을 2회 초과 반사시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
(36) (34) 또는 (35)의 방법으로서, 고차 모드들을 억제하기 위해 애퍼처를 캐비티내 빔에 적용하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
(37) (29) 내지 (36) 중 어느 하나의 방법으로서, 광학 펄스들은 50 MHz 내지 200 MHz의 펄스 반복 레이트를 가지며 출력 커플러 및 포화성 흡수체 미러가 장착된 섀시는 350 mm 이하의 최대 에지 치수를 갖는, 방법.
(38) (29) 내지 (37) 중 어느 하나의 방법으로서, 이득 매질을 펌핑하는 단계는 2 와트 내지 10 와트의 광학 파워를 이득 매질에 제공하는 단계를 포함하고, 모드 동기 레이저 모듈로부터의 평균 출력 파워는 350 밀리와트 내지 3.5 와트인, 방법.
(39) (29) 내지 (38) 중 어느 하나의 방법으로서, 광학 펄스들의 FWHM(full-width half-maximum) 펄스 폭은 9 피코초 내지 38 피코초인, 방법.
IV. 결론
따라서 모드 동기 레이저의 몇몇 실시예들의 몇몇 양태들을 설명하였지만, 다양한 변경들, 수정들, 및 개선들이 본 기술분야의 통상의 기술자에게 용이하게 안출될 것임이 인식되어야 한다. 그러한 변경들, 수정들, 및 개선들은 본 개시내용의 일부인 것으로 의도되고, 본 발명의 사상 및 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 본 교시내용들이 다양한 실시예들 및 예들과 관련하여 설명되었지만, 본 교시내용들이 이러한 실시예들 또는 예들로 제한되는 것으로 의도되지 않는다. 이와 반대로, 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 인식될 것인 바와 같이, 본 교시내용들은 다양한 대안들, 수정들, 및 균등물들을 포괄한다.
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 갖는 경우, 레이저 캐비티 구성들이 도시된 것들과 상이할 수 있다.
다양한 발명 실시예들이 설명되고 예시되었지만, 본 기술분야의 통상의 기술자는 기능을 수행하고 그리고/또는 결과들 및/또는 설명된 장점들 중 하나 이상의 장점을 획득하기 위한 다양한 다른 수단들 및/또는 구조들을 용이하게 구상할 것이고, 그러한 변형들 및/또는 수정들 각각은 설명된 발명 실시예들의 범위 내에 있는 것으로 간주된다. 보다 일반적으로, 본 기술분야의 통상의 기술자는 설명된 모든 파라미터들, 치수들, 재료들, 및 구성들이 예들인 것으로 의도된다는 것과, 실제 파라미터들, 치수들, 재료들, 및/또는 구성들이 발명 교시내용들이 사용되는 특정 적용분야 또는 적용분야들에 의존할 것임을 쉽게 인식할 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 범위 내에서, 발명 실시예들이 구체적으로 설명되고 청구된 것과 다른 방식으로 실시될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 본 개시내용의 발명 실시예들은 설명된 각각의 개별 특징, 시스템, 시스템 업그레이드, 및/또는 방법에 관한 것일 수 있다. 그에 부가하여, 그러한 특징들, 시스템들, 시스템 업그레이드들, 및/또는 방법들이 상호 모순되지 않으면, 2개 이상의 그러한 특징, 시스템, 및/또는 방법의 임의의 조합이 본 개시내용의 발명 범위 내에 포함된다.
게다가, 비록 본 발명의 일부 장점들이 지시될 수 있지만, 본 발명의 모든 실시예가 모든 설명된 장점을 포함하는 것은 아님이 인식되어야 한다. 일부 실시예들은 유리하다고 설명된 임의의 특징들을 구현하지 않을 수 있다. 그에 따라, 전술한 설명 및 도면들은 예에 불과하다.
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사용된 섹션 제목들은 편성 목적들을 위한 것에 불과하고, 어떤 식으로든 설명된 발명 요지를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
또한, 설명된 기술은 방법 - 그의 적어도 하나의 예가 제공되었음 - 으로서 구체화될 수 있다. 방법의 일부로서 수행되는 단계들은 임의의 적당한 방식으로 순서화될 수 있다. 그에 따라, 단계들이 예시된 것과 상이한 순서로 수행되는 실시예들이 구성될 수 있으며, 이 실시예들은 일부 단계들을, 비록 예시적인 실시예들에서 순차적인 단계들로서 도시되어 있더라도, 동시에 수행하는 것을 포함할 수 있다.
모든 정의들은, 정의되고 사용되는 바와 같이, 사전 정의들(dictionary definitions), 참고로 포함된 문서들에서의 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. 그러한 언급들은 언급된 값은 물론 값의 타당한 ± 변동들을 포괄하는 것으로 의도된다. 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 의도된다. 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 포함한 범위가 주어지는 실시예들에서, 값에 대한 변동량(δ1, δ2)은 50% 정도로 높을 수 있다. 예를 들어, 동작가능 범위가 2 내지 200으로 확장되면 "대략 80"은 40 내지 120의 값들을 포괄할 수 있고, 범위는 1 내지 300 정도로 클 수 있다. 정확한 값들이 의도될 때, "정확히"라는 용어가 사용된다 - 예컨대, "정확히 2 내지 정확히 200" -.
"인접한"이라는 용어는 2개의 요소가 서로 가까운 근접 범위 내에(예컨대, 2개의 요소 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.
명세서에서 그리고 청구범위에서 사용되는 바와 같은 부정 관사 "한(a)" 및 "한(an)"은, 명확히 달리 지시되지 않는 한, "적어도 하나"를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
"및/또는"이라는 문구는, 명세서에서 그리고 청구범위에서 사용되는 바와 같이, 그처럼 등위 접속된 요소들, 즉 일부 경우들에서 결합적으로(conjunctively) 존재하고 다른 경우들에서 택일적으로(disjunctively) 존재하는 요소들 중 "어느 하나 또는 둘 다"를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. "및/또는"을 사용해 열거된 다수의 요소들은 동일한 방식으로, 즉 그처럼 등위 접속된 요소들 중 "하나 이상"으로 해석되어야 한다. "그리고/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(B 이외의 요소들을 임의로 포함함); 다른 실시예에서, B만(A 이외의 요소들을 임의로 포함함); 또 다른 실시예에서, A 및 B 둘 다(다른 원소들을 임의로 포함함); 기타를 지칭할 수 있다.
명세서에서 그리고 청구범위에서 사용되는 바와 같이, "또는"은 앞서 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 단 하나(only one of)" 또는 "~ 중 정확히 하나(exactly one of)" 또는, 청구범위에서 사용될 때, "~로 이루어진(consisting of)"과 같은, 명확히 달리 지시되는 용어들만이 다수의 요소들 또는 요소들의 목록 중 정확히 하나의 요소를 포함하는 것을 지칭할 것이다. 일반적으로, "또는"이라는 용어는, 사용되는 바와 같이, "어느 하나의", "~중 하나", "~중 단 하나", 또는 " ~ 중 정확히 하나"와 같은, 배타성(exclusivity)의 용어들이 선행될 때 배타적 양자택일(exclusive alternative)(즉, 둘 다가 아니라 한쪽 또는 다른 쪽)을 지시하는 것으로만 해석되어야 한다. "본질적으로 ~로 이루어진(consisting essentially of)"은, 청구범위에서 사용될 때, 특허법 분야에서 사용되는 것과 같이 그의 통상적인 의미를 갖는다.
명세서에서 그리고 청구범위에서 사용되는 바와 같이, 하나 이상의 요소의 목록에 대한 언급에서의 문구 "적어도 하나"는 요소들의 목록 내의 요소들 중 임의의 하나 이상의 요소 중에서 선택된 적어도 하나의 요소를 의미하는 것으로 이해되어야 하지만, 요소들의 목록 내에 구체적으로 열거된 각기의 요소 중 적어도 하나를 반드시 포함하는 것은 아니며 요소들의 목록 내의 요소들의 임의의 조합들을 배제하지 않는다. 이 정의는 "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 또한 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 B 이외의 요소들을 임의로 포함함), 적어도 하나의 A - 하나 초과의 A를 임의로 포함함 - 를 지칭할 수 있고; 다른 실시예에서, A가 존재하지 않는 경우(그리고 A 이외의 요소들을 임의로 포함함), 적어도 하나의 B - 하나 초과의 B를 임의로 포함함 - 를 지칭할 수 있으며; 또 다른 실시예에서, 적어도 하나의 A - 하나 초과의 A를 임의로 포함함 -, 및 적어도 하나의 B - 하나 초과의 B를 임의로 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)", 및 이와 유사한 것과 같은 모든 이행적 어구들(transitional phrases)은 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, 제각기, 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 범위를 벗어남이 없이 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 형태 및 상세의 다양한 변경들이 이루어질 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 하기의 청구항들 및 그에 대한 균등물들의 사상 및 범위 내에 있는 모든 실시예들이 청구된다.

Claims (39)

  1. 모드 동기 레이저 모듈로서,
    베이스 섀시;
    상기 베이스 섀시 상에 조립된 레이저 캐비티를 갖는 모드 동기 레이저; 및
    상기 모드 동기 레이저가 광학 펄스들을 생성할 때 1 디옵터 내지 15 디옵터의 포지티브 열 렌징 값(positive thermal lensing value)을 나타내는 상기 레이저 캐비티에 위치된 이득 매질
    을 포함하는, 모드 동기 레이저 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 펌프 빔을 사용하여 상기 이득 매질을 여기시키도록 배열된 레이저 다이오드를 추가로 포함하며, 상기 이득 매질에서의 상기 펌프 빔의 흡수는 상기 열 렌징을 야기하는, 모드 동기 레이저 모듈.
  3. 제1항에 있어서, 상기 이득 매질은 마운트에 배치되고 능동 냉각(active cooling)을 갖지 않는 고체 결정체(solid state crystal)를 포함하는, 모드 동기 레이저 모듈.
  4. 제2항에 있어서, 상기 모드 동기 레이저는 상기 펌프 빔의 광학 파워의 변화들로 인해 8 디옵터 내지 12 디옵터의 범위에 걸쳐 변화되는 열 렌징 값들에 대해 상기 레이저 캐비티에 대한 기계적 조절 없이 안정적으로 광학 펄스들을 생성하는, 모드 동기 레이저 모듈.
  5. 제2항에 있어서, 상기 모드 동기 레이저는 상기 펌프 빔의 광학 파워의 변화들로 인해 1 디옵터 내지 15 디옵터의 범위에 걸쳐 변화되는 열 렌징 값들에 대해 안정적으로 광학 펄스들을 생성하는, 모드 동기 레이저 모듈.
  6. 제5항에 있어서, 상기 펌프 빔의 상기 광학 파워의 상기 변화들은 2 와트 내지 10 와트이고, 상기 모드 동기 레이저 모듈로부터의 평균 출력 광학 파워는 350 밀리와트 내지 3.5 와트인, 모드 동기 레이저 모듈.
  7. 제1항에 있어서, 상기 광학 펄스들의 펄스 반복 레이트는 50 MHz 내지 200 MHz이고, 베이스 섀시의 최대 에지 길이는 350 mm 이하인, 모드 동기 레이저 모듈.
  8. 제1항에 있어서, 상기 광학 펄스들의 펄스 반복 레이트는 50 MHz 내지 200 MHz이고, 상기 모듈은 350 mm 이하인 최대 에지 길이 및 40 mm 이하인 두께를 갖는 슬래브 형태를 갖고, 상기 모듈의 중량은 2 킬로그램 이하인, 모드 동기 레이저 모듈.
  9. 제1항에 있어서, 상기 광학 펄스들의 펄스 반복 레이트는 50 MHz 내지 200 MHz이고, 상기 모드 동기 레이저 모듈에 의해 점유되는 최대 체적은 0.1 입방 피트 이하인, 모드 동기 레이저 모듈.
  10. 제1항에 있어서, 상기 광학 펄스들의 반치 전폭(full-width half-maximum) 펄스 폭은 9 피코초 내지 38 피코초인, 모드 동기 레이저 모듈.
  11. 제1항에 있어서, 상기 이득 결정체는 네오디뮴 바나데이트(Nd3+:YVO4)를 포함하는, 모드 동기 레이저 모듈.
  12. 제1항에 있어서, 상기 섀시의 비틀림 강성(torsional stiffness)을 증가시키는 상기 섀시를 가로질러 대각선으로 연장되는 대각선 리브(diagonal rib)를 추가로 포함하며, 상기 레이저 캐비티의 캐비티내 빔(intracavity beam)은 상기 대각선 리브에서의 다수의 개구부들을 통과하는, 모드 동기 레이저 모듈.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 캐비티의 한 단부에서 플레이트 상에 장착된 포화성 흡수체 미러(saturable absorber mirror)를 추가로 포함하며, 상기 플레이트는 상기 포화성 흡수체 미러에 입사하는 상기 레이저 캐비티의 캐비티내 빔의 광학 축에 대한 각도 조절들을 포함하지 않는 2 자유도만으로 조절되도록 구성되는, 모드 동기 레이저 모듈.
  14. 제13항에 있어서, 상기 플레이트는 금속 코팅을 갖는 인쇄 회로 보드를 포함하거나 상기 플레이트는 금속 플레이트를 포함하는, 모드 동기 레이저 모듈.
  15. 제13항에 있어서, 상기 이득 매질 내의 상기 캐비티내 빔의 제1 빔 웨이스트(beam waist)는 100 마이크로미터 내지 150 마이크로미터이고 상기 포화성 흡수체에서의 상기 캐비티내 빔의 제2 빔 웨이스트는 75 마이크로미터 내지 125 마이크로미터인, 모드 동기 레이저 모듈.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 레이저 캐비티 내에 위치된 제1 포커싱 광학계; 및
    상기 레이저 캐비티 내에 위치된 레이저 윈도 또는 광학 플랫(optical flat)
    을 추가로 포함하며, 상기 제1 포커싱 광학계 및 레이저 윈도 또는 광학 플랫은 상기 레이저 윈도 또는 광학 플랫을 회전시킴으로써 상기 포화성 흡수체 미러 상에서의 상기 캐비티내 빔의 입사각을 조절하도록 배열되는, 모드 동기 레이저 모듈.
  17. 제13항에 있어서, 상기 레이저 캐비티 내에서 상기 이득 매질과 상기 포화성 흡수체 미러 사이에 위치된 캐비티 길이 연장 영역을 추가로 포함하며, 상기 캐비티 길이 연장 영역은 상기 캐비티내 빔을 적어도 네 번 폴딩시키는, 모드 동기 레이저 모듈.
  18. 제17항에 있어서, 상기 캐비티 길이 연장 영역은:
    제1 반사체; 및
    상기 포화성 흡수체 미러와 상기 이득 매질 사이에 위치된 제2 포커싱 반사체
    를 포함하고, 상기 제1 반사체 및 상기 제2 포커싱 반사체는 상기 캐비티내 빔을 연속적인 반사들에서 세 번 폴딩시키는, 모드 동기 레이저 모듈.
  19. 제17항에 있어서, 상기 캐비티 길이 연장 영역은 상기 캐비티내 빔을 여러 번 폴딩시키는 제1 반사체를 포함하는, 모드 동기 레이저 모듈.
  20. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 캐비티의 제1 단부에 위치된 출력 커플러;
    상기 레이저 캐비티의 제2 단부에 위치된 포화성 흡수체 미러;
    상기 레이저 캐비티 내에서 상기 이득 매질과 상기 포화성 흡수체 미러 사이에 위치된 제1 포커싱 광학계; 및
    상기 레이저 캐비티 내에서 상기 제1 포커싱 광학계와 상기 포화성 흡수체 미러 사이에 위치된 제2 포커싱 광학계
    를 추가로 포함하는, 모드 동기 레이저 모듈.
  21. 제20항에 있어서, 상기 제1 포커싱 광학계와 상기 제2 포커싱 광학계 사이의 캐비티내 빔은 본질적으로 콜리메이트되는, 모드 동기 레이저 모듈.
  22. 제20항에 있어서, 상기 제1 포커싱 광학계의 초점 거리는 240 mm 내지 260 mm이고, 상기 제2 포커싱 광학계의 초점 거리는 240 mm 내지 260 mm인, 모드 동기 레이저 모듈.
  23. 제22항에 있어서, 상기 출력 커플러는 상기 제1 포커싱 광학계로부터 280 mm와 300 mm 사이에 위치되고, 상기 이득 매질은 상기 출력 커플러로부터 4 mm와 8 mm 사이에 위치되는, 모드 동기 레이저 모듈.
  24. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모드 동기 레이저가 작동하는 동안 하나의 미러의 각도 조절을 제공하는 상기 레이저 캐비티 내에 위치된 하나의 미러만을 추가로 포함하는, 모드 동기 레이저 모듈.
  25. 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 섀시 상에 장착되고 상기 레이저 캐비티로부터의 출력 빔의 주파수를 배가시키도록 배열된 주파수 배가 결정체(frequency-doubling crystal)를 추가로 포함하는, 모드 동기 레이저 모듈.
  26. 모드 동기 레이저 모듈로서,
    베이스 섀시;
    상기 베이스 섀시 상에 조립된 레이저 캐비티를 갖는 모드 동기 레이저;
    상기 레이저 캐비티의 제1 단부에서 제1 마운트 상에 장착된 출력 커플러 - 상기 제1 마운트는 상기 출력 커플러에 입사하는 캐비티내 빔의 광학 축에 대해 상기 출력 커플러의 각도 조절을 제공하지 않음 -;
    상기 레이저 캐비티의 제2 단부에서 제2 마운트 상에 장착된 포화성 흡수체 미러 - 상기 제2 마운트는 상기 포화성 흡수체 미러에 입사하는 상기 캐비티내 빔의 상기 광학 축에 대해 상기 포화성 흡수체 미러의 각도 조절을 제공하지 않음 -; 및
    상기 모드 동기 레이저와 상기 출력 커플러 사이에 위치된 이득 매질
    을 포함하는, 모드 동기 레이저 모듈.
  27. 모드 동기 레이저 모듈로서,
    베이스 섀시;
    상기 베이스 섀시 상에 장착된 출력 커플러 및 제1 포커싱 광학계;
    상기 베이스 섀시 상에 장착된 포화성 흡수체 미러 및 제2 포커싱 광학계 - 상기 출력 커플러 및 포화성 흡수체 미러는 상기 모드 동기 레이저에 대한 레이저 캐비티의 단부 미러들을 포함함 -;
    상기 레이저 캐비티 내의 캐비티내 빔의 광학 축을 따라 위치된 이득 매질; 및
    상기 출력 커플러와 상기 포화성 흡수체 미러 사이에 위치된 2개의 반사체를 포함하는 캐비티 길이 연장 영역 - 상기 2개의 반사체는 상기 캐비티내 빔을 2회 초과 폴딩시킴 -
    을 포함하는, 모드 동기 레이저 모듈.
  28. 모드 동기 레이저 모듈로서,
    베이스 섀시;
    50 MHz 내지 200 MHz의 펄스 반복 레이트로 동작하도록 구성된 제1 레이저 캐비티를 갖는 모드 동기 레이저 - 상기 모드 동기 레이저는 상기 베이스 섀시 상에 조립됨 -;
    상기 제1 레이저 캐비티의 제1 단부에 위치된 상기 제1 레이저 캐비티의 제1 단부 미러;
    상기 제1 레이저 캐비티의 제2 단부에 위치된 상기 제1 레이저 캐비티의 제2 단부 미러; 및
    상기 제1 레이저 캐비티 내에 위치된 이득 매질 - 상기 이득 매질은 상기 제1 레이저 캐비티에 대한 동작 전력으로 펌핑될 때 열 렌징을 나타내도록 구성되고, 상기 열 렌징은 상기 제1 레이저 캐비티의 길이의 1/2보다 작고 상기 제1 단부 미러 및 상기 제1 레이저 캐비티에서 상기 베이스 섀시 상에 설치된 제3 단부 미러를 포함하는 상기 제1 레이저 캐비티 내에 형성된 제2 레이저 캐비티에서의 레이징을 지원함 -
    을 포함하는, 모드 동기 레이저 모듈.
  29. 모드 동기 레이저를 작동시키는 방법으로서,
    레이저 캐비티의 이득 매질이 8 디옵터 내지 12 디옵터의 디옵터 값 범위를 갖는 열 렌징을 나타내도록, 광학 펌프 빔을 사용하여 상기 이득 매질을 펌핑하는 단계;
    캐비티내 빔을 상기 레이저 캐비티의 제1 단부에 있는 출력 커플러 및 상기 레이저 캐비티의 제2 단부에 있는 포화성 흡수체 미러로부터 반사시키는 단계; 및
    상기 디옵터 값 범위에 걸쳐 안정된 광학 펄스들의 출력을 생성하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  30. 제29항에 있어서, 상기 레이저 캐비티의 상기 이득 매질이 1 디옵터 내지 15 디옵터의 디옵터 값 범위를 갖는 열 렌징을 나타내도록, 상기 이득 매질을 펌핑하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  31. 제29항에 있어서, 상기 광학 펌프 빔의 파장을 튜닝함으로써 상기 열 렌징의 양을 조절하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  32. 제29항에 있어서, 상기 캐비티내 빔을 상기 이득 매질과 상기 포화성 흡수체 미러 사이에 위치된 제1 포커싱 반사체 및 제2 포커싱 반사체로부터 반사시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  33. 제32항에 있어서, 상기 이득 매질, 상기 출력 커플러, 및 상기 포화성 흡수체 미러를 지지하는 섀시에 대한 상기 포화성 흡수체 미러의 배향 각도를 조절함이 없이 상기 포화성 흡수체 미러 상에서의 상기 캐비티내 빔의 입사각을 조절하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  34. 제29항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 캐비티의 길이를 연장시키기 위해 상기 캐비티내 빔을 상기 이득 매질과 상기 포화성 흡수체 미러 사이에 위치된 복수의 미러들로부터 반사시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  35. 제34항에 있어서, 즉각적으로 연속적인 반사들에서 상기 복수의 미러들 중 2개의 미러 사이에서 상기 캐비티내 빔을 2회 초과 반사시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  36. 제34항에 있어서, 고차 모드들을 억제하기 위해 애퍼처(aperture)를 상기 캐비티내 빔에 적용하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  37. 제29항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 펄스들은 50 MHz 내지 200 MHz의 펄스 반복 레이트를 가지며 상기 출력 커플러 및 상기 포화성 흡수체 미러가 장착된 섀시는 350　mm 이하의 최대 에지 치수를 갖는, 방법.
  38. 제29항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이득 매질을 펌핑하는 단계는 2 와트 내지 10 와트의 광학 파워를 상기 이득 매질에 제공하는 단계를 포함하고, 상기 모드 동기 레이저 모듈로부터의 평균 출력 파워는 350 밀리와트 내지 3.5 와트인, 방법.
  39. 제29항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 펄스들의 반치 전폭 펄스 폭은 9 피코초 내지 38 피코초인, 방법.
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