KR20220137027A - 진폭 변조 레이저 - Google Patents

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KR20220137027A
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pulse train
mode
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마이클 벨로스
알렉산더 고리야이노브
벤자민 시프라이니
싱후아 시
파이살 알. 아마드
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퀀텀-에스아이 인코포레이티드
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Abstract

진폭 변조 레이저 펄스 트레인을 생성하기 위한 시스템들 및 방법들이 설명된다. 레이저 펄스 트레인은 펄스 트레인들이 지향되는 재료들에 형광을 야기하는 데 사용될 수 있다. 레이저 펄스 트레인의 파라미터들은 일정 진폭 레이저 펄스 트레인에 비해 형광을 증가시키도록 선택된다. 본 발명의 교시를 사용하여 생성되는 진폭 변조 레이저 펄스 트레인들은 유전자 또는 단백질 시퀀싱과 같은 응용 분야들에서 특정 분자들의 검출을 가능하게 하는 데 사용될 수 있다.

Description

진폭 변조 레이저
관련 출원
본 출원은 2020년 1월 14일에 제출된, 발명의 명칭이 "AMPLITUDE-MODULATED LASER"인 미국 출원 제62/961,179호의 35 USC 119(e)에 따른 이익을 주장하며, 그 전체 내용은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.
본 출원은 변하는 진폭의 100 피코초 이하(sub-100-picosecond) 광학 펄스 트레인을 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 레이저 펄스들)은 다양한 연구 개발 분야들은 물론 상업적 응용 분야들에서 유용하다. 예를 들어, 극초단 광학 펄스들은 형광 수명 이미징(fluorescent lifetime imaging, FLI) 및 수명 분해 형광 검출(lifetime-resolved fluorescent detection)에 유용할 수 있다. 극초단 펄스들은 상이한 재료들이 형광을 발하게 할 수 있기 때문에 이러한 응용 분야들에 유용하며, 이 형광은 차례로 단백질 시퀀싱 또는 유전자 시퀀싱과 같은 응용 분야들에서 유용한 특정 재료들의 존재에 대해 테스트하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 상이한 형광 염료들은 상이한 뉴클레오티드들에 결합할 것이다. 따라서, 광학 펄스들을 사용하여 샘플 뉴클레오티드에 결합된 염료에 에너지를 공급하고 반응을 측정하는 것에 의해, 샘플에 어떤 염료가 존재하는지, 따라서 어떤 뉴클레오티드가 존재하는지를 결정할 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 기술은 극초단 광학 펄스들을 생성하기 위한 장치들 및 방법들에 관한 것이다.
광학 펄스 또는 광학 펄스들에 의해 여기된 주어진 염료를 검출하는 능력은 검출 기간 동안 염료로부터의 총 형광에 의존할 수 있다. 염료를 더 오랜 기간 동안 여기시키면 증가된 총 형광을 결과할 수 있다. 그렇지만, 본 발명자들은 특히 단백질 또는 유전자 시퀀싱과 같은 응용 분야들에 수반되는 소량의 염료를 사용할 때, 염료를 너무 오랫동안 여기시키는 것은 염료를 붕괴("표백")시킬 수 있기 때문에 해로울 수 있다는 것을 발견하고 인식했다. 이러한 표백 효과는 염료가 얼마 동안 비방사 상태로 돌아가도록 할 수 있는 것에 의해 완화될 수 있다. 그렇지만, 여기들 사이의 시간을 증가시키는 것은 검출 동작들이 발생할 수 있는 속도를 감소시킨다.
본 발명은, 형광 염료를 여기시키는 데 사용될 때, 염료 붕괴를 감소시키면서 총 염료 형광을 증가시키는 레이저 펄스 트레인을 생성하기 위해 레이저를 사용한다. 특정 실시예들에서, 레이저는 모드 동기 레이저(mode-locked laser)이다. 레이저는 진폭 변조 펄스 트레인을 생성한다. 그러한 진폭 변조 펄스 트레인을 사용하여 염료를 여기시키는 것은 연속 빔 또는 일정 진폭 펄스 트레인이 사용되는 경우보다 염료가 더 밝게 형광을 발하게 할 수 있다. 따라서, 주어진 전체 형광량이 더 짧은 여기 기간에 집중될 수 있다. 이것은 본 발명이 총 형광을 유지하거나 증가시키면서도 염료가 비방사 상태에서 회복될 수 있는 시간량을 증가시키는 것을 가능하게 한다.
특정 실시예들에서, 레이저 광원은 극초단 레이저 펄스들을 갖는 진폭 변조 레이저 펄스 트레인을 생성한다. 펄스 트레인은 100 피코초 이하의 펄스 지속기간 및 변하는 진폭의 개별 펄스들을 가질 수 있다. 특정 실시예들에서, 본 발명은 100 피코초 이하의 펄스 폭 및 변하는 진폭의 개별 펄스들을 갖는 진폭 변조 펄스 트레인을 생성하기 위해 레이저 광원을 사용한다.
본 발명자들은 레이저 펄스 트레인의 진폭을 변조하는 기술이, 레이저 펄스 트레인의 파라미터들이 소량의 염료에 대해 사용하기 위해 특별히 조정되지 않는 한, 유전자 또는 단백질 시퀀싱과 같은 응용 분야들에서 사용되는 것들과 같은, 극소량의 형광 염료에 대해 사용될 때 위에서 설명된 이점들 중 어느 것도 달성하지 못할 수 있음을 발견하고 인식했다. 특정 실시예들에서, 본 발명은 특정 염료들에 대한 형광을 최적화하도록 레이저 파라미터들을 자동으로 구성하는 것에 의해 이 문제를 해결한다.
도 1은 본 출원의 비제한적인 실시예에 따른 진폭 변조 모드 동기 레이저의 한 사용을 설명하는 상위 레벨 블록 다이어그램이다.
도 1-2는 일부 실시예들에 따른, 콤팩트한 모드 동기 레이저 모듈을 포함하는 분석 기기의 블록 다이어그램 묘사이다.
도 1-3은 일부 실시예들에 따른, 각각의 챔버에 대한 하나 이상의 도파관 및 대응하는 검출기를 통해 펄스 레이저에 의해 광학적으로 여기될 수 있는 병렬 반응 챔버들(parallel reaction chambers)의 예를 묘사한다.
도 1-4는 일부 실시예들에 따른, 도파관으로부터의 반응 챔버의 광학 여기를 예시한다.
도 1-5는 일부 실시예들에 따른, 통합된 반응 챔버, 광학 도파관, 및 시간-비닝 광검출기(time-binning photodetector)의 추가 세부 사항들을 묘사한다.
도 1-6은 일부 실시예들에 따른, 반응 챔버 내에서 일어날 수 있는 생물학적 반응의 예를 묘사한다.
도 1-7은 상이한 감쇠 특성들을 갖는 2 개의 상이한 형광단들에 대한 방출 확률 곡선들을 묘사한다.
도 2는 본 출원의 비제한적인 실시예에 따른 진폭 변조 모드 동기 레이저의 상위 레벨 블록 다이어그램이다.
도 2-1은 본 출원의 비제한적인 실시예에 따른 콤팩트한 진폭 변조 모드 동기 레이저 모듈을 묘사한다.
도 3은 본 출원의 비제한적인 실시예에 따른 진폭 변조 펄스 트레인으로부터 생성되는 파형의 가능한 형상을 예시한다.
도 3-1A는 본 출원의 비제한적인 실시예에 따른, 콤팩트한 모드 동기 레이저에서 사용될 수 있는 이득 매질 또는 다른 고파워(high-power) 광학 컴포넌트를 위한 마운트를 예시한다.
도 3-1B는 본 출원의 비제한적인 실시예에 따른, 콤팩트한 모드 동기 레이저에서 사용될 수 있는 이득 매질 또는 다른 고파워 광학 컴포넌트를 위한 마운트를 예시한다.
도 3-2A는 본 출원의 비제한적인 실시예에 따른 통합된 광학 마운트를 묘사한다.
도 3-2B는 본 출원의 비제한적인 실시예에 따른, 통합된 광학 마운트에 장착된 광학계를 묘사한다.
도 3-3은 본 출원의 비제한적인 실시예에 따른, 포화성 흡수체 미러(saturable-absorber mirror) 및 마운트를 묘사한다.
도 3-4는 본 출원의 비제한적인 실시예에 따른, 통합된 광학 마운트를 묘사한다.
도 4는 진폭 변조 펄스 트레인의 사용으로 인한 증가된 형광 수율을 보여주는 실험 결과들을 예시한다.
도 5는 본 출원의 하나 이상의 비제한적인 실시예에 따른 진폭 변조 펄스 트레인의 단일 주기의 가능한 형상들을 예시한다.
도 5-1은 일부 실시예들에 따른, 진폭 변조 레이저 펄스들의 타이밍에 기기 전자장치를 동기화시키기 위한 시스템을 묘사한다.
도 5-2는 일부 실시예들에 따른, 레이저가 생성한 AM 레이저 펄스 트레인을 포함하는 분석 기기의 클록 생성 회로부를 묘사한다.
도 5-3은 일부 실시예들에 따른, 시스템 회로부를 묘사한다.
도 6은 본 출원의 비제한적인 실시예에 따른 진폭 변조 모드 동기 레이저의 상위 레벨 블록 다이어그램이다.
도 7은 본 출원의 비제한적인 실시예에 따른 진폭 변조 모드 동기 레이저의 상위 레벨 블록 다이어그램이다.
도 8은 레이저에 대해 상대적으로 변조기를 배열하기 위한 옵션들을 예시하는 상위 레벨 블록 다이어그램이다.
도 9는 본 출원의 비제한적인 실시예에 따른, 진폭 변조 모드 동기 레이저의 파라미터들을 최적화하는 방법을 예시하는 플로차트이다.
염료 형광을 증가시키기 위해 진폭 변조를 사용하는 것
모드 동기 레이저와 같은 레이저가 극초단(예를 들면, 지속기간이 100 피코초 이하) 레이저 펄스 트레인을 생성하는 데 사용될 수 있다. 극초단 레이저 펄스들을 생성할 수 있는 모드 동기 레이저의 일 예는 발명의 명칭이 "COMPACT MODE-LOCKED LASER MODULE"인 공동 소유의 미국 특허 제10,283,928호에 설명되어 있으며, 이 미국 특허는 이로써 참조에 의해 그 전체가 포함된다.
극초단 레이저 펄스들이 사용될 수 있는 한 가지 방법은 염료에 형광을 야기하는 것이다. 특정 재료들은 레이저 에너지가 인가될 때 형광을 발하는 것으로 알려져 있다. 그러한 재료를 포함하는 염료 상으로 레이저 펄스 시퀀스를 지향시키는 것은 염료가 형광을 발하게 할 수 있다.
단일 레이저 펄스는 다수의 파라미터들에 의해 설명할 수 있으며, 그 중 두 가지가 펄스 진폭과 펄스 지속기간(또는 펄스 "폭")이다. 펄스 진폭은 펄스가 도달하는 피크 광학 파워인 반면, 펄스 지속기간은 파워가 휴지 레벨(resting level)로부터 피크 레벨로 올라갔다가 이어서 휴지 레벨로 다시 내려가는 데 걸리는 시간량이다.
하나의 펄스와 다음 펄스 사이에서 레이저 파워를 조정하는 것에 의해, 모드 동기 레이저와 같은 레이저를 사용하여 진폭 변조("AM") 레이저 펄스 트레인을 생성하는 것이 가능하다. 레이저 펄스 트레인은 파형으로 함께 그룹화될 수 있다. 이 파형은 파형을 구성하는 개별 펄스들의 진폭 변조의 패턴을 변화시키는 것에 의해 상이한 형상들을 취하도록 만들어질 수 있다. AM 레이저 펄스들로부터 생성되는 그러한 파형의 예는 도 3에 도시되어 있다. 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 파형(300)은 변하는 진폭의 일련의 개별 극초단 펄스들(301)로 구성된다. 도 3의 예에서, 펄스들은 사인파 형상의 파형을 생성하지만, 아래에서 논의되는 바와 같이, 펄스 트레인들을 사용하여 다른 형상들이 생성될 수 있다.
AM 레이저 펄스 트레인들의 사용이 이들이 인가되는 염료들의 형광을 증가시킬 수 있음이 입증되었다. 예를 들어, 도 4는 진폭 변조 레이저 펄스 트레인들 및 비-진폭 변조 레이저 펄스 트레인들을 사용하여 달성되는 형광 수율을 보여주는 실험 데이터를 예시한다. 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, AM 레이저 펄스 트레인을 사용할 때 측정된 형광 수율은 비-AM 펄스 트레인을 사용할 때 측정된 수율보다 높다.
레이저 펄스 트레인에서 진폭 변조를 사용하는 것은 또한 염료의 수명을 증가시키는 데 도움이 된다. 너무 오랜 시간 동안 방사 상태에 있는 것은 형광 염료가 붕괴되게 할 수 있다 - 이 현상은 때때로 "표백"이라고 불림 -. 염료가 여기된 후에 회복하기 위해 비방사 상태에서 시간을 보내도록 할 수 있는 경우 이러한 붕괴가 완화될 수 있다. 따라서 응용 분야가 염료가 주기적으로 여기되는 것을 필요로 하는 경우, 염료가 여기들 사이에서 비방사 상태에서 가능한 한 많은 시간을 보내도록 할 수 있는 것이 유리하다. 이 목표는 AM 레이저 펄스 트레인의 사용을 통해 달성될 수 있다. 그러한 펄스 트레인을 사용하는 것이 염료 형광을 증가시키기 때문에, 염료는 더 짧은 여기 기간 동안 더 많은 수의 광자들을 생성할 수 있으며, 따라서 염료가 다음 여기 전에 비방사 상태에서 더 많은 시간을 보내도록 할 수 있다.
AM 레이저 펄스 트레인의 사용을 통한 염료의 형광 증가는 유전자 또는 단백질 시퀀싱과 같은 응용 분야들에서 일반적으로 사용되는 것들보다 많은 양의 염료에 대해 실험적으로 관찰되었다. 해당 응용 분야들에서는, 아래에서 논의되는 바와 같이, 극소량의 염료가 종종 사용되는데, 그 이유는 해당 응용 분야들의 목표가 샘플에서 단일 분자들을 검출할 수 있는 것이기 때문이다. 본 발명자들은, 이러한 극소량의 염료에 인가될 때, 기존의 기술들을 사용하여 생성되는 AM 레이저 펄스 트레인들이 염료 형광을 증가시키지 않으며, 일부 경우에는 형광을 감소시킬 수 있음을 발견하고 인식했다. 본 발명자들은, 단일 분자 응용 분야에 적합한 소량의 염료를 사용할 때 AM 레이저 펄스 트레인들의 이점들을 달성하기 위해, 레이저 펄스 트레인의 파라미터들이 주의 깊게 조정되어야 한다는 것을 추가로 발견하고 인식했다. 조정될 필요가 있는 파라미터들은 피크 펄스 진폭, 파형/변조 형상(예를 들면, 사인파, 정사각형, 삼각형, 또는 임의의 형상), 파형/변조 듀티 사이클, 펄스 폭, 레이저 펄스 트레인에서의 펄스들의 반복률, 펄스 듀티 사이클, 레이저 파장, 및 레이저에 의해 방출되는 광의 광자 에너지를 포함할 수 있다. 단일 분자 응용 분야들에 적합한 AM 레이저 펄스 트레인들을 생성하기 위해 이러한 파라미터들을 조정할 수 있는 예시적인 시스템이 아래에서 설명된다.
진폭 변조 레이저의 예시적인 구현
AM 레이저 펄스 트레인들을 생성하기 위해 본 출원에서 설명되는 시스템들 및 방법들은 레이저들을 사용하여 형광 재료를 식별하는 것을 포함하는 응용 분야의 일부로서 사용될 수 있다. 레이저를 사용하여 형광 재료를 식별하는 것의 기본 개념은 도 1에 예시되어 있다. 레이저 모듈(101)은 컨테이너(103)에 들어 있는 형광 재료(104)로 지향되는 레이저 광(102)을 생성한다. 일부 경우에, 이 컨테이너는 "반응 챔버"라고 지칭될 수 있다. 레이저 광은 재료(104)가 형광을 발하게 하며, 이는 검출기(106)에 의해 검출될 수 있는 광(105)을 생성한다. 아래에서 더 자세히 논의되는 바와 같이, 검출기에 의해 검출되는 광의 특성들을 분석하는 것에 의해, 반응 챔버(103)에 들어 있는 형광 재료(104)를 식별하는 것이 가능하다.
통상의 기술자는 이러한 기본 개념이 다양한 유형들의 레이저들(101)로 구현될 수 있음을 이해할 것이다. 추가적으로, 도 1이 단지 하나의 레이저, 반응 챔버, 및 검출기를 예시하지만, 통상의 기술자는 이러한 형광 검출 방식이 하나 이상의 레이저, 반응 챔버, 및 검출기로 구현될 수 있다는 것과 이러한 컴포넌트들이 개별 컴포넌트들일 수 있거나 이러한 컴포넌트들 중 2 개 이상을 겸비하는 디바이스들에 통합될 수 있다는 것을 이해하고 인식할 것이다. 추가적으로, 통상의 기술자는 형광을 검출하기 위한 시스템이, 검출기(106)의 출력을 분석할 수 있는 컴퓨터와 같은, 도 1에 도시되지 않은 다른 컴포넌트들을 포함할 수 있음을 이해하고 인식할 것이다.
위에서 논의된 바와 같이, 재료(104)의 형광은 AM 레이저 펄스 트레인으로 재료(104)를 여기시키는 것에 의해 개선될 수 있다. 도 2는 본 발명의 양상들에 따른 AM 레이저 펄스 트레인을 생성할 수 있는 레이저 모듈의 기본 구성을 예시하는 블록 다이어그램이다. 도 2에 도시된 레이저 모듈은 도 1에 도시된 레이저 모듈(101)의 구현의 비제한적인 예이다. 레이저(200)는 전류원(202)에 의해 구동되는 레이저 다이오드(201)를 포함한다. 다이오드는 레이저 캐비티(204) 내부의 이득 매질(205)을 여기시키는 펌핑 에너지(203)를 생성한다. 레이저는 펄스 트레인(206)을 출력한다. 제어 신호(207)는 전류원의 전류를 제어한다. 그리고 개별 레이저 펄스는 전류원으로 하여금 자신의 전류를 어떤 베이스라인으로부터 어떤 피크까지 올라가게 변화시키고 이어서 다시 베이스라인으로 내려가게 변화시키는 것에 의해 생성된다. 펄스마다 전류원의 피크 전류 출력을 변화시키는 것에 의해, AM 레이저 펄스 트레인이 생성될 수 있다.
위에서 논의된 바와 같이, AM 레이저 펄스들로 구성된 파형은 다양한 형상들을 취할 수 있다. 하나의 그러한 형상이 도 3에 예시된 사인파 형상이다. 그렇지만, 도 5에 도시된 바와 같이, 구형파(501) 및 삼각파(502)를 포함하여, 다른 파형 형상들이 또한 사용될 수 있다. 도 2의 예시적인 레이저 모듈에서, 파형 형상은 전류원(202)으로 송신되는 제어 신호(207)의 패턴에 의해 좌우된다. 예를 들어, 구형파를 생성하기 위해, 제어 신호(207)는 전류원(202)으로 하여금 모든 펄스에서 동일한 피크 출력 전류를 생성하게 할 수 있다. 삼각파를 생성하기 위해, 제어 신호는 전류원으로 하여금 파형에 대한 어떤 최댓값까지 선형 패턴으로 피크 출력 전류를 점진적으로 증가시키게 하고, 이어서 전류원으로 하여금 파형의 마지막 펄스까지 선형 방식으로 피크 출력 전류를 점진적으로 감소시키게 할 수 있다. 유사하게, 사인파 파형을 생성하기 위해, 제어 신호는 사인파 패턴에 따라 펄스마다 피크 전류를 증가시킨 다음 감소시킬 수 있다. 추가적으로, 파형이 고정된 형상을 가질 필요는 없지만, 그 대신에 변하는 상승 시간, 하강 시간, 및 듀티 사이클을 갖는 임의의 펄스들로 형성될 수 있다.
도 2에 도시된 예시적인 레이저 모듈 구현에서, 진폭 변조는 레이저 다이오드에 전력을 공급하는 전류원에 의해 생성되는 피크 전류를 변화시키는 것에 의해 달성된다. 그렇지만, 진폭 변조를 달성하기 위해 다른 기술들이 사용될 수 있다.
이러한 대안의 기술들의 하나의 세트가 도 6에 예시되어 있다. 도 6에서, 레이저(600)는 전류원(602)에 의해 구동되는 레이저 다이오드(601)를 포함한다. 다이오드는 레이저 캐비티(604) 내부의 이득 매질(605)을 여기시키는 펌핑 에너지(603)를 생성한다. 레이저는 레이저 광(606)을 출력한다. 제어 신호(607)는 전류원의 전류를 제어한다. 그렇지만, 도 2에서의 예와 달리, 도 6에서, 제어 신호는 진폭 변조를 달성하는 데 사용되지 않는다. 그 대신에, 컴포넌트(608)는 레이저 캐비티로부터 출력되는 레이저 광(606)에 대해 작동하고 진폭 변조 펄스 트레인(609)을 생성한다. 이 컴포넌트는 음향 광학 변조기, 전기 광학 변조기, 기계식 초퍼(mechanical chopper) 또는 펄스 피커(pulse picker)일 수 있다.
레이저 변조를 달성하기 위한 대안의 기술들의 다른 세트가 도 7에 예시되어 있다. 도 7에서, 레이저(700)는 전류원(702)에 의해 구동되는 레이저 다이오드(701)를 포함한다. 다이오드는 레이저 캐비티(704) 내부의 이득 매질(705)을 여기시키는 펌핑 에너지(703)를 생성한다. 제어 신호(707)는 전류원의 전류를 제어한다. 그렇지만, 도 2에서의 예와 달리, 도 7에서, 제어 신호는 진폭 변조를 달성하는 데 사용되지 않는다. 그 대신에, 컴포넌트(708)는 이득 매질(705)에 의해 생성되는 레이저 광(706)에 대해 작동하고 진폭 변조 펄스 트레인(709)을 생성한다. 이 컴포넌트는 음향 광학 변조기, 전기 광학 변조기, 기계식 초퍼 또는 펄스 피커일 수 있다.
본 발명이 도 2, 도 6 및 도 7과 관련하여 도시되고 논의된 특정 변조 기술들로 제한되지 않으며; 다른 기술들이 또한 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 레이저 변조는 일반적으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 세 가지 광범위한 범주의 구현들: 레이저 공진기의 출력에 변조기를 배치하는 것, 공진기 내부에 변조기를 배치하는 것, 또는 공진기에 공급되는 전력을 변조하도록 변조기를 배치하는 것에 의해 달성될 수 있다. 이러한 3 가지 기술 모두가 본 발명에 사용될 수 있다.
콤팩트한 모드 동기 레이저 모듈
본 발명자들은 위에서 설명된 AM 레이저 펄스 트레인을 생성하는 콤팩트한 모드 동기 레이저 모듈을 고안하고 구축하였다.
개략적으로 말하면 그리고 도 2-1을 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(saturable absorber mirror, 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 더 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 생성되는 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. 이 펌프 모듈은 가변 전류원에 의해 전력을 공급받는 레이저 다이오드를 포함하며, 전류원에 의해 생성되는 전류의 변화는 레이저의 진폭의 변조를 생성한다.
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 경우에, 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 × 18 cm × 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 경우에, 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 (예를 들면, 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 더 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 리세싱될 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 대각 리브(2-107)가 있을 수 있다. 예를 들어, 대각 리브(2-107)는 베이스 섀시(2-105)를 가로질러 코너 대 코너(corner-to-corner) 방향으로 연장될 수 있다. 본 발명자들은 그러한 대각 리브(2-107)가 대각 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 내성을 개선시키는 데 도움을 줄 수 있다. 일부 경우에, 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(예를 들면, 금속 프레임)를 사용하여 베이스 섀시(2-105)와 맞닿게 보유될 수 있는 경성 금속 커버(예를 들면, 대략 1 mm 초과의 두께를 갖는 금속), 경성 폴리머 커버(예를 들면, 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 경우에, 커버 재료는 금속 프레임(대략 1.5 mm 두께)을 사용하여 베이스 섀시와 맞닿게 보유되는 Tyvek®(대략 0.25 mm 두께)를 포함한다.
일부 구현들에서, 하나 이상의 장착 특징부(2-103)는 하나 이상의 리브(2-107)에 위치할 수 있다. 장착 특징부들(2-103)은 콤팩트한 레이저 모듈(1-108)을 기기 또는 다른 플랫폼에 장착하는 데 사용될 수 있다. 일부 경우에, 각각의 레이저 모듈(1-108) 또는 동일한 레이저 모듈이 거의 동일한 위치 및 정렬(예를 들면, ± 100 마이크로미터 이내)로 재현 가능하게 장착되도록, 장착 특징부들은 운동학적 장착을 제공한다. 장착 특징부들(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 2-1에 도시되지 않음)이 제1 장착 특징부에 대한 원추형 접촉면 또는 링 콘택트, 제2 장착 특징부에 대한 쐐기형 접촉면 또는 2점 접촉면, 및 제3 장착 특징부에 대한 평탄면 또는 단일점 콘택트를 포함하는 3개의 장착 특징부(2-103)가 있을 수 있다. 대안적으로, 장착 특징부들(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 반복률 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)(예를 들면, 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(예를 들면, 펄스 반복률을 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(예를 들면, 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(예를 들면, 300 mW 초과)에서 작동할 때 이득 매질(1-105)에서의 열 렌징 효과들이 발생한다는 것을 인식하였다. 일부 경우에, 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 경우에, 은 에폭시 또는 임의의 다른 적당한 열전도성 접착제가 이득 결정체(gain crystal)를 열 마운트(thermal mount)에 고정시키는 데 사용될 수 있다. 일부 경우에, 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 광 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. (예를 들면, 헬륨 네온 레이저 또는 레이저 다이오드로부터의) 연속파 레이저 프로브 빔을 이득 매질(1-105)을 통해 (예를 들면, 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 측정하는 것에 의해 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 변경하는 것에 의해(예를 들면, 펌프 모듈(2-140)로부터의 파워의 양을 변경하는 것에 의해) 변경될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 이득 매질(1-105)을 여기시키는 데 사용되는 광학 펌프 빔의 광학 파장을 튜닝하는 것에 의해 이득 매질에서의 열 렌징의 양이 변경될 수 있다. 광학 펌프 빔의 파장의 튜닝은, 예를 들어, 펌프 모듈(2-140) 내의 레이저 다이오드의 온도를 튜닝하는 것에 의해 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(예를 들면, 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 경우에, 이득 매질은 3 mm 내지 11 mm의 길이를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 이득 매질의 길이는 5 mm 내지 9 mm일 수 있다. 일부 경우에, 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(예를 들면, 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(예를 들면, 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, 비조절 가능 마운트(즉, 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 특징부들(예를 들면, 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 2-1에서의 Y 축에 평행한 선형 편광으로 레이징하도록 배향될 수 있다.
일부 실시예들에 따른, 이득 매질에 대한 열 전도성 마운트(3-100)의 일 예가 도 3-1A에 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, (예를 들면, 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 3-1B에 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(예를 들면, 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(예를 들면, 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)(예를 들면, 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(예를 들면, 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(예를 들면, 도 2-1에서의 Y 축 및 X 축에 관해) 광학 축(1-125)에 대한 각도 조절을 제공하는 2-축 조절 가능 마운트에 장착될 수 있다. 일부 실시예들에서, 출력 커플러(1-111)는 베이스 섀시(2-105)에 통합될 수 있는 비조절 가능 마운트 상에 장착될 수 있다. 비조절 가능 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 통합된 비조절 가능 마운트의 일 예가 도 3-2A 및 도 3-2B에 묘사되어 있다. 통합된 마운트는 광학 컴포넌트를 레이저의 광학 축(1-125)에 자기-정렬시킬 수 있다. 도 3-2A에 도시된 바와 같은 통합된 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. 통합된 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 3-2A에서는 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 3-2B에 묘사된 바와 같이, 통합된 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 경우에, 광학계(3-250)는, 도면에 묘사된 바와 같이, 통합된 광학 마운트(3-210)에 그 자체로 장착될 수 있다. 다른 실시예들에서, 광학계는 통합된 광학 마운트(3-210)에 배치될 수 있는 지지 금구(supporting fixture)(예를 들면, 환형 플레이트, 조절 가능 마운트) 내에 장착될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 광학 컴포넌트(3-250), 또는 지지 금구는 통합된 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)(예를 들면, 베이스 섀시에 패스닝될 수 있는 바, 가요성 플라스틱 바 또는 암(arm) 등 상에 장착된 O-링(O-ring))에 의해 통합된 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 (예를 들면, 접착제를 사용해) 통합된 광학 마운트에 본딩될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 하나 이상의 통합된 광학 마운트(3-210)가 모드 동기 레이저(1-110)의 베이스 섀시에 형성될 수 있다. 일부 경우들에서, 축방향 트렌치(3-220)는, 도 3-2A에 묘사된 바와 같이, 몇 개의 통합된 광학 마운트들을 관통하여 연장될 수 있다. 통합된 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(예를 들면, 베이스 섀시(2-105)의 약간의 뒤틀림(warping))의 효과들을 감소시킬 수 있다.
도 2-1을 또다시 참조하면, 본 발명자들은 출력 커플러(1-111)와 이득 매질(1-105) 사이의 거리를 변화시키는 것이 모드 동기 펄스 시간 프로파일(펄스 지속기간이라고도 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 지속기간은 상이한 펄스 지속기간들을 획득하기 위해 상이한 거리들을 선택하는 것에 의해 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(예를 들면, 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 3-3을 참조하면, SAM은 비선형 광학 흡수를 나타내는 다층 반도체 구조체(3-312)(예를 들면, 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 입수 가능한 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 경우에, SAM(1-119)은, 예컨대, 레이저 캐비티의 정렬을 돕기 위해, 각도 조절을 제공하는 마운트 상에 장착될 수 있다.
다른 실시예들에서, SAM은 비조절 가능 마운트(2-119) 상에 장착될 수 있다. 비조절 가능 마운트는 SAM으로부터 베이스 섀시(2-105)(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 (예를 들면, 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 장착하는 것에 의해, 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 지속기간들을 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 (예를 들면, 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(예를 들면, 도 2-1를 참조하는 미러들(2-115, 2-120, 2-121, 2-122, 2-123, 2-124, 2-125)) 중 일부는 평탄면들을 가질 수 있고 비조절 가능 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 경우에, (예를 들면, 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(예를 들면, 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 경우에 99 % 초과일 수 있지만, 일부 경우에 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 경우에, 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(예를 들면, 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 2-1에 도시된 예시적인 구성의 경우, 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 그리고 도 2-1을 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 반복률을 획득하기 위해 캐비티 길이가 연장될 수 있다. 펄스 반복률은 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 반복률이 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 반복률에 대한 변경들이 더 용이하게 이루어질 수 있다. 일부 구현들에서, 상이한 펄스 반복률들을 획득하도록 미러들을 재배치하기 위해 추가의 통합된 광학 마운트들이 베이스 섀시에 형성될 수 있다.
위에서 언급된 바와 같이, 본 발명자들은 200 ㎒ 미만 및 50 ㎒ 정도로 낮은 펄스 반복률들이 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 통합된 장착은 미러들의 요구된 안정성 및 안정된 모드 동기 작동을 달성할 수 있다.
폴딩 미러에 대한 비조절 가능 마운트의 일 예가 도 3-4에 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(예를 들면, 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(예를 들면, 도 2-1에서의 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 2-1에서 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 경우에, 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 2-1에 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(예를 들면, 0.7f1 < d1 < 1.3f1)의 30 % 이내의 값들의 범위에 있는 제1 곡면 미러(2-117)로부터의 거리 d1에 배치될 수 있다. 일부 경우에, 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 조절 가능 마운트에 장착될 수 있다. 안정성, 빔 품질, 출력 파워, 및/또는 펄스 특성들을 위해 레이저의 작동이 튜닝될 수 있도록, 조절 가능 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(예를 들면, 미러(2-123))에 1 자유도만을 제공하는 것은 콤팩트한 모드 동기 레이저 모듈의 비용 및 복잡성을 감소시킬 수 있다. 다른 경우에, 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 경우에, f2 < d2 < 1.2f2이다.
제2 곡면 미러(2-127)는, 예를 들어, 레이저 모듈의 비용 및 복잡성을 감소시키기 위해, 도 3-4와 관련하여 앞서 설명된 바와 같이, 비조절 가능 마운트에 장착될 수 있다. 위에서 설명된 바와 같이 (제1 곡면 미러(2-117) 및 폴딩 미러(2-123)를 제외하고) 레이저 캐비티 내의 반사 컴포넌트들 전부는 자기 정렬, 비조절 가능 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 조절하는 것에 의해 (도 2-1에서의 ± 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 행하는 것에 의해 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 지속기간이 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 지속기간의 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(예를 들면, 원형, 타원형, 초승달 형상, 정사각형, 직사각형, 다각형 등)의 애퍼처를 포함할 수 있다. 애퍼처는 비조절 가능 마운트에 장착될 수 있거나, 캐비티내 빔의 광학 축에 횡방향인 방향들로 이동될 수 있도록 장착될 수 있다. 애퍼처의 크기는 일부 경우에 조절 가능할 수 있다(예를 들면, 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 2-1에 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/하거나 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 (광검출기(2-116) 또는 펌프 모듈에 장착된 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/하거나 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 유도하는 것에 의해 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(예를 들면, 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 작동 가능한 온도 제어 디바이스(도 2-1에 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 경우에, 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 경우에, 하나 이상의 캐비티내 레이저 윈도(2-128)는, 예를 들어, SAM 상에서 캐비티내 빔을 재배치하고/하거나 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 경우에, 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)(예를 들면, 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 경우에, 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 조절하는 것에 의해 정정될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 레이징 파장에 민감한 하나 이상의 센서(2-154)가 PCB(2-190) 상에 장착될 수 있다.
일부 경우에, 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 반복률은 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 경우에, 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.
분석 기기를 위한 클록 생성
도 2-1을 참조하여 위에서 설명된 레이저 모듈(1-108)은 도 1-2에 묘사된 분석 기기(1-100)와 같은 휴대용 분석 기기에서 사용될 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/하거나 전달하도록 구성될 수 있다. 분석 시스템은 광학 펄스들을 분석되어야 하는 적어도 하나의 샘플로 지향시키고, 적어도 하나의 샘플로부터 하나 이상의 광학 신호(예를 들면, 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(예를 들면, 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.
도 1-2를 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(예를 들면, 데이터 취득 및 신호 프로세싱)을 모드 동기 레이저(1-110)로부터의 광학 펄스들(1-122)의 반복률과 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, 특히 AM 레이저 펄스 트레인들이 사용될 때, 모드 동기 레이저(1-110)의 동작(예를 들면, AM 레이저 펄스 트레인들을 반응 챔버들(1-330)에 전달함), 신호 취득 전자장치들의 동작(예를 들면, 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 시스템 타이밍이 펄스 진폭의 변화에 의해서는 물론 수동 모드 동기 레이저들의 자연스러운 동작 특성들, 예를 들면, 펄스 대 펄스 간격 T의 변동들 및 가끔씩의 펄스 드롭아웃들에 의해 더욱 복잡하다는 것을 인식하고 이해하였다.
도 5-1은 타이머(5-120)가 동기화 신호를 분석 시스템(1-160)에 제공하는 시스템을 묘사한다. 일부 실시예들에서, 타이머(5-120)는 AM 레이저 펄스 트레인 소스(1-110)에 의해 생성된 광학 펄스들에 동기화된 클록 신호를 생성하고, 클록 신호를 분석 시스템(1-160)에 제공할 수 있다. 도 5-1에서, 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 트레인 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 펄스 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 생성되는 디지털 펄스 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, 디지털 펄스 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 5-2에 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(예를 들면, 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 조절 가능할 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 조절 가능 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 (예를 들면, 고주파(예를 들면, 약 500 MHz 초과) 및/또는 저주파(예를 들면, 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 (포토다이오드(5-210)에 의해 검출되는 수신된 레이저 펄스들의 진폭 변화들로 인해 야기되는) 수신된 전자 펄스 트레인의 진폭 변화들을 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 입수 가능한 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 설정 가능할 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.
이해될 수 있는 바와 같이, 광학 펄스 진폭의 변화들은 AGC 증폭기(5-240) 이전에서 전자 펄스들의 진폭 변화들을 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(예를 들면, 피드백 입력)에 제공될 수 있고, 전자 또는 전기기계 발진기(5-260)로부터의 신호는 PLL의 제2 입력(예를 들면, 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(예를 들면, 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 입수 가능한 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(예를 들면, 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(예를 들면, 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(예를 들면, 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 반복률의 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 5-3에 묘사되어 있다. 펌프 모듈 제어 회로(5-300)은 PCB 상에 조립되고 콤팩트한 모드 동기 레이저 모듈(1-108)에 장착될 수 있다(예를 들면, 도 2-1에 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)(예를 들면, 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(예를 들면, 마이크로컨트롤러 또는 마이크로프로세서)를 포함할 수 있다. 시스템 보드(5-320)는 전력 분배 회로부 및 데이터 핸들링 회로부(예를 들면, 메모리, 트랜시버, 네트워크 인터페이스 보드 등)를 추가로 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 펌프 모듈 제어 회로(5-300)는 AM 레이저 펄스 트레인이 생성되도록 하기 위해 이득 매질(1-105)을 펌핑하는 데 사용되는 레이저 다이오드(4-130)에 원하는 펄스 트레인 파형 형상에 대응하는 패턴으로 가변 전류를 공급하도록 구성된 전류원(5-332)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 전류원(5-332)은 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/하거나 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.
응용 분야들
본 출원에서 설명되는 AM 레이저 펄스 트레인 생성을 위한 시스템들 및 방법들의 하나의 예시적인 사용은 유전자 및 단백질 시퀀싱과 같은 응용 분야들에 사용되는 분자들 검출이다. 단일 분자 검출을 위해 AM 레이저 펄스 트레인들을 사용하기 위한 예시적인 시스템이 아래에서 설명된다.
도 1-3을 참조하면, 모드 동기 레이저 모듈로부터 출력되는 AM 레이저 펄스 트레인에서의 출력 펄스들(1-122)은 바이오 광전자 칩(140) 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 통합될 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 통합된 포토다이오드(1-324)로 지향시키기 위해 각각의 도파관의 단부에 위치될 수 있다. 통합된 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 리세싱될 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 1-4는 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 프로세스들에 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 1-5에 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(예를 들면, 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 1-6에 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 통합된 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(예를 들면, 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 1-7은, 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 경우에, 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 1-7에서 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 상이한 형광 분자들이 AM 레이저 펄스 트레인들의 상이한 구성들에 상이하게 반응한다는 것을 인식하고 이해하였다. 이것에 기초하여, 본 발명자들은 이러한 상이한 반응 특성들이 상이한 형광 분자들의 존재 여부를 구별하는 데 그리고/또는 형광 분자가 처해 있는 상이한 환경들 또는 조건들을 구별하는 데 사용될 수 있다는 것을 추가로 인식하고 이해하였다. 예를 들어, 반응 챔버가, 각각이 상이한 AM 레이저 펄스 트레인 구성에 응답하여 가장 강렬하게 형광을 발하는, 4 가지 상이한 가능한 형광 재료 중 하나를 포함할 수 있다고 알려진 경우, 4 가지 상이한 AM 레이저 펄스 트레인 구성들 모두를 테스트하고 응답을 측정하는 것에 의해 반응 챔버에 어떤 재료들이 존재하는지가 결정될 수 있다. 이 기술은 도 9에 예시되어 있다. 단계(901)에서, 어떤 형광 재료가 탐색되어야 하는지를 나타내는 입력이 수신된다. 단계(902)에서, 레이저 파라미터들(위에서 논의된 것들을 포함하지만 이에 제한되지 않음)이 표적 재료에서 형광을 야기할 AM 레이저 펄스 트레인을 생성할 알려진 값 세트로 조정된다. 단계(903)에서, 레이저 펄스 트레인이 생성된다. 상이한 관심 재료들에 대해 상이한 펄스 트레인들을 생성하기 위해 이 방법이 이어서 반복될 수 있다. 파라미터들의 조정은 상이한 재료들에 대한 최적의 레이저 파라미터들을 결정하고 이어서, 예를 들어, 레이저 전류원을 제어하는 제어 신호들을 조정하는 것에 의해, 레이저 파라미터들을 자동으로 조정하기 위해 알고리즘들을 사용하는 컴퓨터에 의해 달성될 수 있다.

Claims (54)

  1. 모드 동기 레이저(mode-locked laser)로서,
    적어도 하나의 레이저 다이오드; 및
    적어도 하나의 이득 매질을 포함하는 적어도 하나의 레이저 캐비티
    를 포함하며;
    상기 레이저의 출력은 변조된 진폭을 갖는 레이저 펄스 트레인을 생성하도록 구성되는, 모드 동기 레이저.
  2. 제1항에 있어서, 상기 레이저 펄스 트레인에서의 레이저 펄스들의 진폭은 실질적으로 주기적으로 변조되어, 주기적으로 변조된 레이저 펄스 트레인을 결과하는, 모드 동기 레이저.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 주기적으로 변조된 레이저 펄스 트레인의 하나 이상의 파라미터는:
    상기 레이저 펄스 트레인이 인가되는 하나 이상의 염료의 형광 수율을 개선시키는 것; 또는
    상기 염료의 포화 특성들을 개선시키고, 이에 의해 상기 염료의 수명을 증가시키고 표적 분자들에 영향을 줄 수 있는 자유 라디칼들과 같은 호스트 종의 생성을 감소시키는 것
    중 어느 하나 또는 양쪽 모두를 달성하도록 선택되며;
    상기 하나 이상의 파라미터는 피크 진폭, 변조 형상, 상기 레이저 펄스 트레인에서의 펄스들의 반복률, 레이저 파장, 상기 레이저에 의해 방출되는 광에서의 광자 에너지, 펄스 듀티 사이클, 펄스 폭, 및 변조 듀티 사이클을 포함하는, 모드 동기 레이저.
  4. 제3항에 있어서, 상기 변조 형상은 정사각형, 삼각형, 사인파형, 및 변하는 펄스 상승 시간들, 펄스 하강 시간들, 및 펄스 듀티 사이클들을 갖는 임의의 형상을 포함하는 한 세트의 형상들로부터 선택되는, 모드 동기 레이저.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 펄스 진폭의 변조는 상기 레이저 다이오드에 인가되는 전류의 변조에 의해 생성되는, 모드 동기 레이저.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 펄스의 변조를 적어도 부분적으로 생성하는 상기 레이저 캐비티 외부의 음향 광학 변조기를 더 포함하는, 모드 동기 레이저.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 펄스의 변조를 적어도 부분적으로 생성하는 상기 레이저 캐비티 외부의 전기 광학 변조기를 더 포함하는, 모드 동기 레이저.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 펄스의 변조를 적어도 부분적으로 생성하는 상기 레이저 캐비티 외부의 기계식 광학 초퍼를 더 포함하는, 모드 동기 레이저.
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 펄스의 변조를 적어도 부분적으로 생성하는 상기 레이저 캐비티 외부의 펄스 피커를 더 포함하는, 모드 동기 레이저.
  10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 펄스의 변조를 적어도 부분적으로 생성하는 상기 레이저 캐비티 내부의 음향 광학 변조기를 더 포함하는, 모드 동기 레이저.
  11. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 펄스의 변조를 적어도 부분적으로 생성하는 상기 레이저 캐비티 내부의 전기 광학 변조기를 더 포함하는, 모드 동기 레이저.
  12. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 펄스의 변조를 적어도 부분적으로 생성하는 상기 레이저 캐비티 내부의 기계식 광학 초퍼를 더 포함하는, 모드 동기 레이저.
  13. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 펄스의 변조를 적어도 부분적으로 생성하는 상기 레이저 캐비티 내부의 펄스 피커를 더 포함하는, 모드 동기 레이저.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 이득 결정체는 네오디뮴 바나데이트(Nd3+:YVO4); 바나데이트; 및 호스트 재료의 리스트로부터 선택되는 재료를 포함하는, 모드 동기 레이저.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 캐비티의 한 단부에서 플레이트 상에 장착된 포화성 흡수체 미러
    를 더 포함하며, 상기 플레이트는 상기 포화성 흡수체 미러에 입사하는 상기 레이저 캐비티의 캐비티내 빔(intracavity beam)의 광학 축에 대한 각도 조절들을 포함하지 않는 2 자유도만으로 조절되도록 구성되는, 모드 동기 레이저.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 이득 매질 내의 캐비티내 빔의 제1 빔 웨이스트(beam waist)는 100 마이크로미터 내지 150 마이크로미터이고, 포화성 흡수체에서의 상기 캐비티내 빔의 제2 빔 웨이스트는 75 마이크로미터 내지 125 마이크로미터인, 모드 동기 레이저.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 캐비티 내에 위치된 제1 포커싱 광학계; 및
    상기 레이저 캐비티 내에 위치된 레이저 윈도 또는 광학 플랫(optical flat)
    을 더 포함하며, 상기 제1 포커싱 광학계 및 레이저 윈도 또는 광학 플랫은 상기 레이저 윈도 또는 광학 플랫을 회전시킴으로써 포화성 흡수체 미러 상에서의 캐비티내 빔의 입사각을 조절하도록 배열되는, 모드 동기 레이저.
  18. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 캐비티 내에서 상기 이득 매질과 상기 포화성 흡수체 미러 사이에 위치된 캐비티 길이 연장 영역
    을 더 포함하며, 상기 캐비티 길이 연장 영역은 상기 캐비티내 빔을 적어도 네 번 폴딩시키는, 모드 동기 레이저.
  19. 제18항에 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.
  20. 제18항 또는 제19항에 있어서, 상기 캐비티 길이 연장 영역은 상기 캐비티내 빔을 여러 번 폴딩시키는 제1 반사체를 포함하는, 모드 동기 레이저.
  21. 제1항 내지 제14항 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 더 포함하는, 모드 동기 레이저.
  22. 제21항에 있어서, 상기 제1 포커싱 광학계와 상기 제2 포커싱 광학계 사이의 캐비티내 빔은 본질적으로 콜리메이트되는, 모드 동기 레이저.
  23. 제21항에 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.
  24. 제23항에 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.
  25. 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모드 동기 레이저가 작동하는 동안 하나의 미러의 각도 조절을 제공하는 상기 레이저 캐비티 내에 위치된 하나의 미러만을 더 포함하는, 모드 동기 레이저.
  26. 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 섀시 상에 장착되고 상기 레이저 캐비티로부터의 출력 빔의 주파수를 배가시키도록 배열된 주파수 배가 결정체(frequency-doubling crystal)를 더 포함하는, 모드 동기 레이저.
  27. 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 프로세서로 하여금 모드 동기 레이저를 제어하게 하는 명령어들을 저장하는 컴퓨터 판독 가능 매체로서, 상기 레이저는:
    적어도 하나의 레이저 다이오드;
    적어도 하나의 이득 매질을 포함하는 적어도 하나의 레이저 캐비티;
    적어도 하나의 반사체; 및
    상기 레이저 캐비티의 제1 단부에 위치된 적어도 하나의 출력 커플러
    를 포함하며; 상기 명령어들은 상기 컴퓨터로 하여금 상기 레이저로 하여금 변조된 진폭을 갖는 레이저 펄스 트레인을 생성하게 하고, 상기 레이저 펄스 트레인에서의 레이저 펄스들의 진폭은 실질적으로 주기적으로 변조되어, 주기적으로 변조된 레이저 펄스 트레인을 결과하는, 명령어들을 저장하는 컴퓨터 판독 가능 매체.
  28. 제27항에 있어서, 상기 명령어들은, 실행될 때, 추가로 상기 프로세서로 하여금:
    상기 레이저 다이오드에 인가되는 전류량을 제어하게 하고;
    상기 레이저 다이오드에 인가되는 상기 전류량을 변조하는 것에 의해 상기 레이저 펄스들의 파워의 진폭의 변조를 야기하게 하는, 명령어들을 저장하는 컴퓨터 판독 가능 매체.
  29. 제27항 또는 제28항에 있어서, 상기 명령어들은, 실행될 때, 추가로 상기 프로세서로 하여금:
    상기 레이저 펄스 트레인이 인가되는 하나 이상의 염료의 형광 수율을 개선시키기 위해 상기 레이저 펄스 트레인의 파라미터들을 조정하게 하는, 명령어들을 저장하는 컴퓨터 판독 가능 매체.
  30. 제27항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 펄스 트레인 파라미터들은 피크 진폭, 변조 형상, 상기 레이저 펄스 트레인에서의 펄스들의 반복률, 레이저 파장, 상기 레이저에 의해 방출되는 광에서의 광자 에너지, 펄스 듀티 사이클, 펄스 폭, 및 변조 듀티 사이클을 포함하는, 명령어들을 저장하는 컴퓨터 판독 가능 매체.
  31. 제27항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 변조 형상은 정사각형, 삼각형, 사인파형, 및 변하는 펄스 상승 시간들, 펄스 하강 시간들, 및 펄스 듀티 사이클들을 갖는 임의의 형상을 포함하는 한 세트의 형상들로부터 선택되는, 명령어들을 저장하는 컴퓨터 판독 가능 매체.
  32. 제27항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 명령어들은, 실행될 때, 추가로 상기 프로세서로 하여금:
    상기 레이저 펄스 트레인이 인가될 재료 또는 재료들의 조합을 표시하는 입력을 수신하게 하고;
    상기 펄스 트레인이 인가될 때 상기 표시된 재료 또는 재료들의 조합의 형광을 최적화하기 위해 상기 레이저 펄스 트레인의 상기 파라미터들을 조정하게 하는, 명령어들을 저장하는 컴퓨터 판독 가능 매체.
  33. 모드 동기 레이저를 작동시키는 방법으로서, 상기 레이저는:
    적어도 하나의 레이저 다이오드;
    적어도 하나의 이득 매질을 포함하는 적어도 하나의 레이저 캐비티;
    적어도 하나의 반사체; 및
    상기 레이저 캐비티의 제1 단부에 위치된 적어도 하나의 출력 커플러
    를 포함하며;
    상기 방법은:
    진폭들이 실질적으로 주기적으로 변조되는 레이저 펄스 트레인을 생성하는 단계; 및
    형광 염료 또는 형광 염료들의 조합에 상기 레이저 펄스 트레인을 인가하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  34. 제33항에 있어서, 상기 레이저 펄스들의 진폭들의 변조는 상기 레이저 다이오드에 인가되는 전류를 변화시키는 것에 의해 달성되는, 방법.
  35. 제33항 또는 제34항에 있어서, 상기 레이저 펄스 트레인 파라미터들은 피크 진폭, 변조 형상, 상기 레이저 펄스 트레인에서의 펄스들의 반복률, 레이저 파장, 상기 레이저에 의해 방출되는 광에서의 광자 에너지, 펄스 듀티 사이클, 펄스 폭, 및 변조 듀티 사이클을 포함하는, 방법.
  36. 제33항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 변조 형상은 정사각형, 삼각형, 사인파형, 및 변하는 펄스 상승 시간들, 펄스 하강 시간들, 및 펄스 듀티 사이클들을 갖는 임의의 형상을 포함하는 한 세트의 형상들로부터 선택되는, 방법.
  37. 제33항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 펄스 트레인이 인가될 상기 염료 또는 염료들의 조합의 표시를 수신하는 단계; 및
    상기 펄스 트레인이 인가되는 상기 표시된 재료 또는 재료들의 조합의 형광을 최적화하기 위해 상기 수신된 표시에 기초하여 상기 레이저 펄스 트레인의 파라미터들을 조정하는 단계
    를 더 포함하는, 방법.
  38. 제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 펄스들은 단일 분자 또는 소수의 분자들의 형광 염료를 여기시키는 데 사용되는, 모드 동기 레이저.
  39. 제27항에 있어서, 상기 명령어들은, 실행될 때, 추가로 상기 프로세서로 하여금 상기 레이저로 하여금 단일 분자 또는 소수의 분자들의 형광 염료를 여기시키게 하는, 명령어들을 저장하는 컴퓨터 판독 가능 매체.
  40. 제33항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 펄스 트레인을 사용하여 단일 분자 또는 소수의 분자들의 형광 염료를 여기시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  41. 제33항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 염료의 포화 특성들을 개선시키고, 이에 의해 상기 염료의 수명을 증가시키고 표적 분자들에 영향을 줄 수 있는 자유 라디칼들과 같은 호스트 종의 생성을 감소시키기 위해 상기 레이저 펄스 트레인의 파라미터들을 선택하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  42. 이득 스위칭 레이저로서,
    적어도 하나의 이득 매질을 포함하는 적어도 하나의 레이저 캐비티
    를 포함하며;
    상기 레이저의 출력은 상이한 색상 여기의 인터리빙된 레이저 펄스 트레인을 생성하도록 구성되는, 이득 스위칭 레이저.
  43. 제42항에 있어서, 상기 레이저 펄스의 변조를 적어도 부분적으로 생성하는 상기 레이저 캐비티 외부의 광학 변조기
    를 더 포함하며, 상기 광학 변조기는 광학 초퍼, 전기 광학 변조기, 음향 광학 변조기의 세트로부터 선택되는, 이득 스위칭 레이저.
  44. 제42항에 있어서, 상기 이득 매질을 여기시키기 위해 이득 스위칭 레이저 펄스들을 생성하는 하나 이상의 다이오드를 더 포함하는, 이득 스위칭 레이저.
  45. 제44항에 있어서, 상기 변조는 상기 하나 이상의 다이오드로부터 상기 이득 스위칭 레이저 펄스들을 생성하는 하나 이상의 전류 펄스와 함께 하나 이상의 추가 변조 신호를 도입하는 하나 이상의 전기 신호에 의해 생성되는, 이득 스위칭 레이저.
  46. 제42항 내지 제45항 중 어느 한 항의 이득 스위칭 레이저를 사용하는 방법으로서,
    레이저 펄스 트레인을 형광 염료에 인가하는 단계; 및
    상기 레이저 펄스 트레인에서의 펄스들의 상이한 색상 여기들에서 염료의 상대 흡수율을 조사하는 것에 의해 상기 염료를 식별하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  47. 제46항에 있어서, 염료의 양은 단일 분자 내지 소수의 분자들의 범위에 있는, 방법.
  48. 제44항 또는 제45항에 있어서, 상기 하나 이상의 다이오드로부터 상기 이득 스위칭 레이저 펄스들을 생성하는 상기 하나 이상의 전류 펄스에 대한 클록 위상들은 독립적이고 직접적으로 제어되는, 이득 스위칭 레이저.
  49. 제48항의 이득 스위칭 레이저를 사용하는 방법으로서,
    상기 레이저 펄스 트레인을 형광 염료에 인가하는 단계;
    광자 검출기 어레이를 사용하여 상기 염료의 형광에 의해 생성되는 광자들을 검출하는 단계; 및
    스큐 및 전파 시간을 고려하도록 상기 검출기 어레이를 구성하기 위해 상기 하나 이상의 전류 펄스에 대한 상기 클록 위상들을 사용하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  50. 제49항에 있어서, 상기 광자 검출기 어레이가 대형인, 방법.
  51. 제49항 또는 제50항에 있어서, 염료의 양은 단일 분자 내지 소수의 분자들의 범위에 있는, 방법.
  52. 극초단 레이저 펄스들을 갖는 진폭 변조 레이저 펄스 트레인을 생성하는 레이저 광원.
  53. 제52항에 있어서, 상기 펄스 트레인은 100 피코초 이하의 펄스 지속기간 및 변하는 진폭의 개별 펄스들을 갖는, 레이저 광원.
  54. 방법으로서,
    100 피코초 이하의 펄스 폭 및 변하는 진폭의 개별 펄스들을 갖는 진폭 변조 펄스 트레인을 생성하기 위해 레이저 광원을 사용하는 단계
    를 포함하는, 방법.
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