TW201723466A - 用於螢光生命期分析之光源 - Google Patents
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Abstract
本發明闡述用於產生短及超短光脈衝之緊湊光源及方法。可用一雙極波形驅動一半導體雷射或LED以產生具有短至大約85皮秒(ps)之FWHM持續時間之光脈衝，該等光脈衝具有經抑制尾部發射。該等脈衝光源可用於生物樣本之螢光生命期分析及時差測距成像以及其他應用。
Description
本申請案主張以下申請案之優先權：2015年5月20日提出申請之標題為「Pulsed Laser」之美國臨時申請案第62/164,485號，2015年8月7日提出申請之標題為「Integrated Device for Temporal Binning of Received Photons」之美國申請案第14/821,656號，2016年2月17日提出申請之標題為「Sensor and Device for Lifetime Imaging and Detection Applications」之美國臨時申請案第62/296,546號，及2016年3月18日提出申請之標題為「Pulsed Laser and System」之美國臨時申請案第62/310,398號，該等申請案中之每一者皆特此以其全文引用方式併入。
本申請案係針對於用於產生用於包含螢光生命期之時域應用及時差測距應用之短及超短光脈衝之裝置及方法。
超短光脈衝(亦即，小於約100皮秒之光脈衝)在各種研究及開發領域中以及涉及時域分析之商業應用中係有用的。舉例而言，超短光脈衝對於以下各項可係有用的：時域光譜法、光學測距、時域成像(TDI)及光學同調斷層掃描(OCT)。超短脈衝亦可用於商業應用(包含光學通信系統)、醫學應用及光電子裝置及材料之測試。
習用鎖模雷射已被開發以產生超短光脈衝，且目前可自商業獲
得多種此等雷射。舉例而言，某些固態雷射及光纖雷射已被開發以遞送具有遠低於200飛秒之持續時間之脈衝。然而，對於某些應用，此等脈衝持續時間可比用以獲得有用結果所需要的短，且此等雷射產生系統之成本可係價格高昂的。另外，此等雷射產生系統可係獨立系統，其具有一可定大小佔用面積(例如，大約1ft2或更大)及可感知重量且可並非易於可攜的。此等雷射產生系統及其驅動電子器件可難以作為一可替換模組而併入至一儀器中，或甚至不能併入至一手持式裝置中。因此，超短脈衝雷射通常經製造為一單獨獨立儀器，針對一特定應用，來自該單獨獨立儀器之一輸出射束可耦合至另一儀器。
本文中所闡述之技術係關於用於用雷射二極體(LD)或發光二極體(LED)產生短及超短光脈衝之設備及方法。短脈衝係具有介於約100皮秒與約10奈秒之間的半峰全幅(FWHM)時間量變曲線之脈衝。超短脈衝係具有小於約100皮秒之FWHM時間量變曲線之脈衝。闡述可在緊湊、低成本雷射系統中實施以產生脈衝之增益切換技術及相關電路，該等脈衝具有在某些實施例中小於約2奈秒且在某些情形中小於約100皮秒之持續時間。發明者已認識並瞭解到，一緊湊、低成本脈衝雷射系統可併入至儀器(例如，螢光生命期成像裝置、利用生命期解析螢光偵測之生物分析儀器、時差測距儀器、光學同調斷層掃描儀器)中，此可允許此儀器變為易於可攜的且以明顯低於針對使用習用超短脈衝雷射系統之此等系統所可能的成本產生。高可攜性可使此等儀器對研究、開發、臨床應用、商業應用及家用應用係更有用的。
某些實施例係關於一種脈衝光源，其包括：一半導體二極體，其經組態以發射光；及一驅動電路，其包含耦合至該半導體二極體之一端子之一電晶體，其中該驅動電路經組態以接收一單極脈衝且回應於接收到該單極脈衝而將一雙極電脈衝施加至該半導體二極體。
某些實施例係關於產生一光脈衝之方法。一種方法可包括以下動作：接收至少一個時脈信號；自該至少一個時脈信號產生一電脈衝；用該電脈衝驅動一電晶體之一閘極端子，其中該電晶體之一電流攜載端子連接至經組態以發射光之一半導體二極體；及回應於藉由該電脈衝對該電晶體之啟動而將一雙極電流脈衝施加至該半導體二極體以產生一光脈衝。
某些實施例係關於一種螢光生命期分析系統，其包括：一半導體二極體，其經組態以發射光；一驅動電路，其經組態以將一雙極電流脈衝施加至該半導體二極體來產生一光脈衝；一光學系統，其經配置以將該光脈衝遞送至一樣本；及一光偵測器，其經組態以在該光偵測器之一單一電荷累積間隔期間將光子到達時間區別成至少兩個時間組格(bin)。
某些實施例係關於一種脈衝光源，其包括：一半導體二極體，其經組態以發射光；一第一邏輯閘，其經組態以在該第一邏輯閘之一輸出處形成一第一脈衝；及一驅動電路，其耦合至該第一邏輯閘，其中該驅動電路經組態以接收該第一脈衝且回應於接收到該第一脈衝而將一雙極電脈衝施加至該半導體二極體以產生一光脈衝。
某些實施例係關於一種脈衝光源，其包括：一半導體二極體，其經組態以發射光；及一驅動電路，其包含耦合至該半導體二極體之一端子之一電晶體，其中該驅動電路經組態以接收一單極脈衝且回應於接收到該單極脈衝而將一雙極電脈衝施加至該半導體二極體，其中該電晶體與該半導體二極體並聯連接於一電流源與一參考電位之間。
某些實施例係關於一種脈衝光源，其包括：一半導體二極體，其經組態以發射光；及複數個第一電路分支，其連接至該半導體二極體之一第一端子，每一電路分支皆包括一電晶體，該電晶體具有連接於一參考電位與該半導體二極體之該第一端子之間的其電流攜載端
子。
某些實施例係關於一種脈衝光源，其包括：一射頻放大器，其提供一信號及一經反相信號；一邏輯閘，其經組態以接收該信號及一經相移之經反相信號且輸出一脈衝及一經反相脈衝；一組合器，其經組態以將該脈衝及該經反相脈衝組合至一共同輸出上；及一半導體二極體，其耦合至該共同輸出且經組態以回應於接收到該脈衝及該經反相脈衝而產生一光脈衝。
某些實施例係關於一種脈衝光源，其包括：一射頻邏輯閘，其經組態以接收一第一信號及該第一信號之一經反相版本且輸出一脈衝及該脈衝之一經反相版本；及一半導體二極體，其連接至該射頻邏輯閘且經配置以在該半導體二極體之一第一端子處接收該脈衝並在該半導體二極體之一第二端子處接收該脈衝之該經反相版本，且發射一光脈衝。
可依據連同附圖一起進行之以下闡述更完全地理解本發明教示之前述及其他態樣、實施方案、動作、功能性、特徵及實施例。
1-100‧‧‧分析儀器/系統
1-102‧‧‧腔鏡/端鏡
1-104‧‧‧腔鏡/端鏡/腔鏡中之一者
1-105‧‧‧增益介質
1-110‧‧‧脈衝光源/光源/脈衝雷射/脈衝源
1-110a‧‧‧脈衝光源/第一源/第一脈衝光源
1-110b‧‧‧脈衝光源/第二源/第二脈衝光源
1-112‧‧‧脈衝器電路
1-120‧‧‧激發脈衝/光脈衝
1-122‧‧‧光脈衝/一串脈衝/脈衝射束/脈衝
1-140‧‧‧光學系統/晶片
1-160‧‧‧分析系統
1-170‧‧‧樣本
2-110‧‧‧泵功率曲線/泵功率脈衝/泵脈衝
2-130‧‧‧輸出脈衝
2-140‧‧‧泵功率曲線
2-161‧‧‧第一脈衝/脈衝
2-162‧‧‧第二脈衝/脈衝/第二光脈衝
2-170‧‧‧經增益切換輸出脈衝
2-172‧‧‧尾部/發射尾部
2-200‧‧‧脈衝光源
2-201‧‧‧商業或定製半導體雷射二極體/雷射二極體/二極體
2-202‧‧‧第一層
2-204‧‧‧中間層
2-205‧‧‧光學元件
2-206‧‧‧第二層
2-208‧‧‧基板
2-210‧‧‧脈衝器電路/電流驅動器
2-212‧‧‧外殼
2-220‧‧‧導線/單一導線/單一導線接合/導線接合
2-222‧‧‧一串光脈衝
2-224‧‧‧電連接器/連接器/配接器
2-226‧‧‧連接電纜/電纜
2-230‧‧‧脈衝電壓源
2-250‧‧‧曲線
2-252‧‧‧曲線
2-254‧‧‧曲線
2-300‧‧‧雙極脈衝波形
2-310‧‧‧第一脈衝
2-312‧‧‧第二脈衝/第二驅動脈衝/第二電脈衝
2-400‧‧‧脈衝器電路/脈衝器
2-401‧‧‧驅動器電路/雷射驅動器電路/驅動器電路
2-402‧‧‧電流脈衝驅動電路/驅動器電路
2-403‧‧‧脈衝驅動器/脈衝驅動器電路
2-404‧‧‧射頻脈衝驅動器電路/脈衝驅動器電路/差動脈衝驅動器電路/脈衝驅動器
2-405‧‧‧控制輸入
2-410‧‧‧傳輸線
2-415‧‧‧未經反相脈衝
2-416‧‧‧正脈衝
2-417‧‧‧短經反相脈衝
2-418‧‧‧負脈衝
2-420‧‧‧半導體雷射二極體/雷射二極體
2-423‧‧‧光學半導體二極體/雷射二極體/發光二極體/二極體
2-425‧‧‧光學半導體二極體/雷射二極體/二極體
2-430‧‧‧電流源
2-432‧‧‧電路分支
2-434‧‧‧電路分支
2-435‧‧‧輸入DC區塊
2-436‧‧‧電路分支
2-438‧‧‧電路分支
2-440‧‧‧放大器/第一放大器
2-440a‧‧‧單獨電路路徑/第一電路路徑/電路路徑
2-440b‧‧‧單獨電路路徑/第二電路路徑/電路路徑
2-442‧‧‧配接器
2-445‧‧‧可變移相器/可調整移相器/移相器
2-446‧‧‧端接器
2-450‧‧‧射頻邏輯閘/邏輯閘/邏輯AND閘
2-450a‧‧‧電路路徑
2-450b‧‧‧電路路徑/經反相電路路徑
2-454‧‧‧延遲元件
2-456‧‧‧衰減器
2-460‧‧‧組合器
2-470‧‧‧射頻放大器/脈衝驅動器輸出
2-480‧‧‧脈衝產生器
2-481‧‧‧扇出
2-483‧‧‧延遲/延遲元件/類比或數位延遲元件
2-485‧‧‧高速邏輯閘/接收邏輯閘/邏輯閘/射極耦合邏輯邏輯閘
2-487‧‧‧加偏壓電路/偏壓電路
2-490‧‧‧驅動器電路
2-500‧‧‧經裝配脈衝器電路/脈衝器電路/脈衝器
2-600‧‧‧半導體雷射/板條耦合光學波導雷射/雷射
2-607‧‧‧溝渠
2-610‧‧‧p接觸點
2-615‧‧‧電洞輸送層/p型輸送層
2-617‧‧‧電子輸送層/輸送層
2-620‧‧‧多量子井區域/量子井區域
2-622‧‧‧模式量變曲線
2-625‧‧‧雷射產生區域
2-627‧‧‧n型基板或緩衝層/基板
2-630‧‧‧n接觸點
2-660‧‧‧加偏壓供應器
2-665‧‧‧半導體可飽和吸收器/可飽和吸收器
2-670‧‧‧脈衝源
3-110‧‧‧時鐘
3-120a‧‧‧脈衝
3-120b‧‧‧脈衝
3-220‧‧‧定時器
4-100‧‧‧儀器
4-105‧‧‧罩殼
4-110‧‧‧電路板
4-120‧‧‧脈衝光源/光源
4-130‧‧‧光學系統
4-140‧‧‧透明窗/窗
4-150‧‧‧時間組格化光偵測器/光偵測器
4-400‧‧‧時間組格化光偵測器/光偵測器
4-402‧‧‧光子吸收/載子產生區域
4-406‧‧‧載子行進區域
4-407‧‧‧載子輸送通道
4-408a‧‧‧載子儲存組格/第一組格/儲存組格
4-408b‧‧‧載子儲存組格/第二儲存組格/儲存組格
4-408c‧‧‧載子儲存組格/第三組格/儲存組格
4-410‧‧‧讀出通道
4-420‧‧‧電極
4-422‧‧‧電極
4-432‧‧‧電極
4-434‧‧‧電極
4-436‧‧‧電極
4-440‧‧‧電極
4-510‧‧‧直方圖
A‧‧‧螢光發射概率曲線/曲線
B‧‧‧螢光發射概率曲線/曲線
C1‧‧‧電容器/並聯電容器
C2‧‧‧電容器
C4‧‧‧電容器
C5‧‧‧電容器
CK1‧‧‧差動時脈輸出/第一對時脈信號/經延遲時脈信號
‧‧‧差動時脈輸出/第一對時脈信號
CK2‧‧‧第二複本/第二對時脈信號/經延遲時脈信號
‧‧‧第二經反相複本/第二對時脈信號
D‧‧‧距離
fsync‧‧‧同步頻率/頻率
h‧‧‧電子輸送層之厚度
I‧‧‧泵電流密度
L1‧‧‧串聯電感
M1‧‧‧切換器/電晶體/高電流電晶體/高速電晶體/分流切換器
N‧‧‧載子密度
n1‧‧‧第一值/折射率值
n2‧‧‧第二折射率值/折射率值
n4‧‧‧折射率值
pA(t)‧‧‧第一分子之螢光發射之概率
Pout‧‧‧輸出端子
Q‧‧‧輸出埠/埠
R1‧‧‧串聯電阻/電阻器
R3‧‧‧電阻器
R4‧‧‧電阻器
R6‧‧‧電阻器
R7‧‧‧電阻器
Rch‧‧‧充電電阻器/上拉或充電電阻器
te1‧‧‧時間
te2‧‧‧時間
te3‧‧‧時間
t1‧‧‧時間/時間常數/第一時間
t2‧‧‧時間
t5‧‧‧時間
t7‧‧‧時間
T‧‧‧規則間隔/脈衝分離間隔/脈衝重複時間/間隔/激發脈衝
之間的間隔/脈衝重複間隔/脈衝之間的時間
VDD‧‧‧DC電壓源
VLD‧‧‧二極體電壓源
2Vp‧‧‧有效振幅
Vp+‧‧‧正脈衝振幅
Vp-‧‧‧負脈衝量值
+Vp‧‧‧振幅/加偏壓脈衝
-Vp‧‧‧相反振幅
V1‧‧‧電壓
w‧‧‧射束腰寬/寬度
Z0‧‧‧阻抗
ZL‧‧‧阻抗
Zterm‧‧‧端接電阻器/端接阻抗
τ‧‧‧螢光分子之發射生命期
τ1‧‧‧第一值
τ2‧‧‧第二值
λ1‧‧‧第一特性波長
λ2‧‧‧第二特性波長
δ‧‧‧量
△t‧‧‧延遲
熟習此項技術者將理解本文中所闡述之各圖係僅出於圖解目的。應理解，在某些例項中，本發明之各種態樣可經展示為誇大或放大以促進對本發明之一理解。在圖式中，相似元件符號一般而言係指相似特徵，貫穿各種圖之功能上類似及/或結構上類似元件。圖式未必按比例繪製，替代地著重圖解說明教示之原理。圖式並不意欲以任何方式限制本發明教示之範疇。
圖1-1繪示根據某些實施例之與一分析儀器一起併入之一脈衝雷射產生系統。
圖1-2繪示根據某些實施例之一串超短光脈衝。
圖2-1A圖解說明根據某些實施例之用於增益切換之光學泵及輸
出脈衝。
圖2-1B圖解說明根據某些實施例之鬆弛振盪。
圖2-1C繪示根據某些實施例之展示一尾部之一光輸出脈衝。
圖2-2A繪示根據某些實施例之一脈衝半導體雷射二極體。
圖2-2B繪示根據一項實施例之用於施加脈衝於一雷射二極體或發光二極體之一脈衝器電路示意圖。
圖2-2C圖解說明根據某些實施例之經遞送至一雷射二極體之電流之改良。
圖2-3繪示根據某些實施例之用於對一雷射二極體進行增益切換之一電流驅動波形。
圖2-4A繪示在某些實施例中用於驅動一雷射二極體或發光二極體之一脈衝器電路。
圖2-4B繪示根據某些實施例之用於驅動一雷射二極體或發光二極體之一脈衝器電路示意圖。
圖2-4C繪示根據某些實施例之用於驅動一雷射二極體或發光二極體之一脈衝器電路示意圖。
圖2-4D繪示根據某些實施例之用於施加脈衝於一雷射二極體或發光二極體之一RF驅動器。
圖2-4E圖解說明根據某些實施例之由圖2-4D之電路產生之一驅動波形。
圖2-4F繪示根據某些實施例之用於施加脈衝於一雷射二極體或發光二極體之一RF驅動器。
圖2-4G圖解說明根據某些實施例之由圖2-4F之電路產生之驅動波形。
圖2-4H繪示根據某些實施例之用於驅動一雷射二極體或發光二極體之一脈衝器電路示意圖。
圖2-4I圖解說明根據某些實施例之耦合至一雷射二極體之功率之效率。
圖2-4J繪示根據某些實施例之用於施加脈衝於來自一雷射二極體或發光二極體之光發射之一脈衝器及驅動器電路。
圖2-4K繪示根據某些實施例之用於產生一串脈衝之一脈衝器電路。
圖2-4L圖解說明根據某些實施例之至一脈衝器電路中之一邏輯閘之資料輸入。
圖2-4M繪示根據某些實施例之用於用電脈衝驅動一雷射二極體或發光二極體之一驅動器電路。
圖2-5A繪示根據某些實施例之用於對一雷射二極體進行增益切換之一脈衝器電路。
圖2-5B圖解說明根據某些實施例之來自一脈衝器電路之一驅動電壓。
圖2-5C及圖2-5D圖解說明根據某些實施例之自一經增益切換雷射二極體產生之超快光脈衝之實例性量測。
圖2-6A繪示根據某些實施例之可經增益切換或Q切換之一板條耦合光學波導半導體雷射。
圖2-6B圖解說明根據某些實施例之一板條耦合光學波導雷射中之一光學模式量變曲線。
圖2-6C繪示根據某些實施例之一經整合經增益切換半導體雷射及經耦合可飽和吸收器。
圖3-1繪示根據某些實施例之用於使光脈衝之時序與儀器電子器件同步之一系統。
圖3-2繪示根據某些實施例之用於使光脈衝之時序與儀器電子器件同步之一系統。
圖3-3繪示根據某些實施例之用於使來自兩個脈衝源之光脈衝之時序與儀器電子器件同步之一系統。
圖3-4A繪示根據某些實施例之用於使來自兩個脈衝源之光脈衝之經交錯時序與儀器電子器件同步之一系統。
圖3-4B繪示根據某些實施例之來自兩個脈衝光源之經交錯及經同步脈衝串。
圖4-1繪示根據某些實施例之用於分析一樣本之螢光生命期之一儀器。
圖4-2繪示具有不同發射生命期之螢光分子之發射概率。
圖4-3繪示對來自螢光分子之螢光發射之經時間組格化(time-binned)偵測。
圖4-4繪示根據某些實施例之一時間組格化光偵測器。
圖4-5A繪示根據某些實施例之後續接著螢光發射之多個激發脈衝及對應經組格化信號。
圖4-5B繪示根據某些實施例之自針對一特定螢光團之經組格化信號產生之一直方圖。
當連同圖式一起時，依據下文所陳述之詳細說明將更明瞭本發明之特徵及優點。當參考圖式闡述實施例時，可使用方向性參考(「上方」、「下方」、「頂部」、「底部」、「左側」、「右側」、「水平」、「垂直」等)。此等參考僅意欲作為對在一正常定向上觀看圖式之讀者之一協助。此等方向性參考並不意欲闡述一所體現裝置之一較佳或唯一定向。可以其他定向來體現一裝置。
發明者已認識並瞭解到，具有低於1GHz之脈衝重複率之習用超短脈衝光源通常係大的、昂貴的且不適合用於諸多行動應用。舉例而
言，習用超短脈衝雷射可不經併入至緊湊且可攜式儀器中。發明者已認識並瞭解到，一小的短或超短脈衝光源可達成用於一寬廣範圍之時域應用之新的且有用裝置。此等應用包含但不限於時差測距成像、測距、螢光分析及螢光生命期分析、生物或化學分析、光學同調斷層掃描(OCT)及醫學醫療點(POC)儀器。在某些情形中，POC儀器可包括用於偵測來自一生物樣本之螢光及分析該螢光以判定該生物樣本之一性質的設備。一脈衝光源可用於在此儀器中激發螢光。根據某些實施例，發明者已設想緊湊、短及超短脈衝光源及系統，該等光源及系統可產生處於各種波長的具有低於約2奈秒且甚至小於100皮秒之脈衝持續時間之光脈衝。
概括而言，圖1-1繪示可併入至一分析儀器1-100(諸如激發並偵測螢光之一POC或OCT儀器或一個時差測距成像儀器)中之一脈衝光源1-110。該儀器可包含一光學系統1-140及一分析系統1-160。光學系統1-140可包含一或多個光學組件(例如，透鏡、鏡、光學濾波器、衰減器)且經組態以對來自光源1-110之光脈衝進行操作及/或將該等光脈衝遞送至分析系統1-160。該分析系統可包含一或多個組件(例如，透鏡、鏡、光學濾波器、衰減器、光偵測器)，該等組件經配置以自待分析之一樣本1-170接收一光信號(例如，螢光、經反向散射輻射)且產生表示所接收光信號之一電信號。在某些實施例中，分析系統1-160可進一步包含經組態以處理電信號之電子器件。
根據某些實施例，脈衝光源1-110可包括經增益切換之至少一個雷射二極體(LD)。在某些實施例中，脈衝光源1-110可包括用短電流脈衝驅動之至少一個發光二極體(LED)。可隨一分析儀器1-100一起包含產生奈秒尺度或更短電流脈衝之一脈衝器電路1-112來驅動光源1-110。
當經組態為一雷射二極體時，一脈衝光源1-110可包括一增益介
質1-105(例如，可或可不包含多量子井之任何適合半導體接面)，及界定一光學雷射腔之各端之至少兩個腔鏡1-102、1-104(或一雷射二極體之反射性小面)。在某些實施例中，可出於射束整形、偏振控制、波長選擇及/或脈衝形成之目的而在雷射腔中存在一或多個額外光學元件。可隨一雷射二極體一起包含光收集光學器件，且該等光收集光學器件經組態以將來自雷射二極體之發射集中至一射束中。來自一雷射二極體之射束可或可不藉由光收集光學器件準直。當雷射以經增益切換模式操作時，一光脈衝可回應於穿過雷射之二極體接面之一電流脈衝之施加而在雷射腔內的腔之端鏡1-102、1-104之間累加。腔鏡中之一者1-104(通常被稱為一輸出耦合器)可部分地傳輸脈衝之一部分，使得一光脈衝1-122自脈衝雷射1-110發射。當將電流驅動脈衝重複地施加至雷射二極體時，可自雷射腔快速連續地發射一串脈衝1-122(僅展示一者)。此串脈衝可被稱為一雷射射束，該雷射射束可藉由一射束腰寬w表徵。雷射射束可經準直(藉由平行虛線指示)、部分地經準直或可不經準直。射束腰寬表示所發射雷射射束之一橫向尺寸(例如，針對一高斯(Gaussian)射束係±1/e2橫向強度量變曲線值或針對其他橫向強度射束量變曲線係一半峰全幅(FWHM)值)，且其值可隨距輸出耦合器之距離而改變。射束準直及腰寬可取決於雷射之腔幾何形狀及光學性質，且無論是否隨雷射腔一起包含任何光學元件(例如，準直透鏡)。
當經組態為一發光二極體時，一脈衝光源1-110可包括任何適合半導體接面，該半導體接面經組態以發射不同調或部分地同調的光。光收集光學器件可經包含且經配置以將來自LED之發射集中至一輸出射束中。來自一LED之射束可或可不藉由光收集光學器件準直。當操作時，一LED回應於跨越LED接面之一電流脈衝之施加而產生主要經自發發射光子之一光脈衝，但輸出中亦可存在作為經放大自發發射之
某些經刺激發射。通常，自一LED發射之一光譜頻寬大約係10奈米，而自一LD發射之一光譜頻寬可小於2奈米。
可藉由對半導體材料及/或添加至該等半導體材料之雜質之一挑選而選擇自一LD或LED發射之一特性波長。基於磷化銦之半導體及其合金可用於光譜之紅色及紅外線區域中之較長波長。基於磷砷化鎵之半導體及其合金可用於至光譜之黃色區域中之較短波長。磷化鎵鋁或氮化鎵及其合金可用於光譜之綠色及藍色區域。
根據某些實施例，一特定半導體材料可經選擇用於激發並偵測螢光之一儀器(例如，一POC螢光生命期成像儀器)之一脈衝光源1-110以產生具有以下特性波長中之一或多者之脈衝：270nm、280nm、325nm、340nm、370nm、380nm、400nm、405nm、410nm、450nm、465nm、470nm、490nm、515nm、640nm、665nm、808nm及980nm。在某些實施方案中，一半導體可經選擇用於一儀器之一脈衝光源1-110以產生脈衝，該等脈衝具有落在以下波長範圍中之一者內之一波長範圍或波長之光譜分佈：大約270nm至大約370nm、大約340nm至大約400nm、大約380nm至大約490nm及大約410nm至大約470nm。
為進行參考，片語「特性波長」或「波長」可係指一有限輻射頻寬內之一中心或主導波長。在某些情形中，其可係指一輻射頻寬內之一峰值波長。片語「特性能量」或「能量」可係指與一特性波長相關聯之一能量。術語「光(optical)」可係指紫外線、可見、近紅外線及短波長紅外線光譜帶。
在某些實施例中，一光學系統1-140可對自脈衝光源1-110發射之一脈衝射束1-122進行操作。舉例而言，光學系統可包含一或多個透鏡以將射束重新整形及/或改變射束之發散度。射束之重新整形可包含增加或減小射束腰寬之值及/或改變射束之一剖面形狀(例如，橢圓
形至圓形、圓形至橢圓形等)。改變射束之發散度可包括增加或減小射束之發散度。在某些實施方案中，光學系統1-140可包含一衰減器或光學放大器以改變射束能量之量。在某些情形中，光學系統可包含波長濾波元件。在某些實施方案中，光學系統可包含脈衝整形元件，例如，一脈衝拉伸器及/或脈衝壓縮器。在某些實施例中，光學系統可包含一或多個非線性光學元件，諸如用於減小一脈衝長度之一可飽和吸收器或用於經由頻率加倍將脈衝波長轉換成一較短波長或經由參數放大轉換成一較長波長之一非線性晶體。根據某些實施例，光學系統1-140可包含更改、選擇及/或控制來自光源1-110之脈衝之偏振之一或多個元件。
儘管脈衝光源1-110及光學系統1-140在圖1-1中經展示為與分析系統1-160分離之元件，但脈衝光源及光學系統亦可根據某些實施例經製造為可裝納於分析系統1-160內之一緊湊且可替換模組。在某些實施例中，脈衝器電路1-112及脈衝光源1-110可經整合至一相同板(例如，一相同印刷電路板)或一相同基板(例如，一相同半導體基板)上。
在各種實施例中，自一脈衝光源發射之脈衝1-122可具有如在圖1-2中所繪示之時間強度量變曲線。在某些實施例中，所發射脈衝之峰值強度值可係大約相等的，且量變曲線可具有一高斯時間量變曲線，但其他量變曲線(諸如一sech2量變曲線)亦可係可能的。在某些情形中，脈衝可不具有對稱時間量變曲線且可具有其他時間形狀。在某些實施例中，光源1-110內之增益及/或損耗動力學可產生具有不對稱量變曲線之脈衝，如下文與圖2-1C一起闡述。每一脈衝之持續時間可藉由一半峰全幅(FWHM)值而表徵，如在圖1-2中所指示。超短光脈衝可具有小於100皮秒之FWHM值。短光脈衝可具有小於大約10奈秒之FWHM值。
自一光源1-110發射之脈衝之時間可藉由規則間隔T(有時被稱為
脈衝分離間隔)間隔開。在某些實施例中，可藉由一雷射中之主動增益及/或損耗調變速率而判定T。舉例而言，一雷射二極體經增益切換或電流經施加至一發光二極體之接面之重複率可判定脈衝分離間隔T。根據某些實施例，脈衝分離間隔T可介於約1ns與約100ns之間。在某些實施方案中，脈衝分離間隔T可係長的(舉例而言)以便以一成像裝置之一圖框速率重複。在某些情形中，脈衝分離間隔T可介於約100ns與約50ms之間。
脈衝1-122之橫向空間量變曲線在某些實施例中可係單模高斯，然而本發明並不限於此等量變曲線。在某些實施方案中，脈衝1-122之橫向空間量變曲線可係多模態，例如，具有多個相異強度峰值。針對一多模源，光學系統1-140可包含使脈衝之橫向強度量變曲線均質化之漫射光學器件。藉由允許使用一多模源，可自一雷射二極體獲得較高脈衝能量。舉例而言，雷射二極體之作用區域可沿橫向於雷射之光學軸之一方向擴大以增加其光輸出。
當用於激發螢光時，來自一脈衝光源之脈衝1-122可被稱為「激發脈衝」。
術語「螢光分子」可用於係指螢光標誌、可附接至分子探針之螢光標記、螢光團及自發螢光分子。術語「螢光」可用於係指自螢光標誌、可附接至分子探針之螢光標記、螢光團及自發螢光分子發射之光。
發明者已設想用於自雷射二極體及發光二極體產生短及超短光脈衝之脈衝器電路及技術。已在某些實施方案中採用脈衝產生電路及技術來對半導體雷射進行增益切換且以最高達100MHz之重複率(T短至10奈秒)產生具有大約1W之峰值功率之一串~85皮秒(ps)脈衝(FWHM)。在某些實施例中，一單極或雙極電流波形可由一脈衝器電
路產生且用於以激發光脈衝且抑制脈衝之尾部處之發射之一方式驅動一雷射二極體之增益介質。在某些實施例中，一單極或雙極電流波形可由一脈衝器電路產生且可用於驅動一或多個發光二極體以輸出短或超短光脈衝。
出於闡述雷射二極體中之增益切換之目的，圖2-1A至圖2-1C經包含以圖解說明與增益切換相關聯之雷射動力學。圖2-1A圖解說明根據某些實施例之表示施加至一經增益切換雷射之一增益介質之泵功率的一泵功率曲線2-110。如所繪示，泵功率可經施加至一雷射腔中之增益介質達一短暫持續時間(經繪示為大約0.6微秒)。針對一半導體雷射二極體，泵功率之施加可包括跨越雷射二極體之一p-n接面或多量子井(MQW)而施加一偏壓電流。泵功率脈衝可以經規則間隔之時間間隔(舉例而言，以一脈衝分離間隔或脈衝重複時間T)而重複地施加。
在泵功率脈衝之施加期間，雷射腔中之光增益增加直至該增益開始超過該腔中之光損耗為止。在此點之後，雷射可開始產生雷射(亦即，藉由經刺激發射之程序放大通過增益介質之光子)。放大程序引起雷射光之一快速增加及增益介質中之經激發狀態之空乏以產生如所繪示之至少一個輸出脈衝2-130。在某些實施例中，泵功率脈衝2-110經定時以在與輸出脈衝之峰值發生大約相同之時間處關斷。關斷泵功率脈衝會終止進一步雷射產生，使得輸出脈衝2-130淬滅。在某些實施例中，輸出脈衝2-130可具有比泵脈衝2-110短之一持續時間，如在圖式中所繪示。舉例而言，由增益切換產生之一輸出脈衝2-130可小於泵脈衝2-110之持續時間之1/5。
若泵功率脈衝不被關斷，則可發生在圖2-1B中繪示之動力學。在此情形中，經繪示為一步進函數之泵功率曲線(經展示為泵電流密度)2-140表示施加至一半導體雷射之電流密度。圖展示增益介質係藉
由一泵激電流密度激發，此在雷射二極體之增益區域中產生一載子密度N。在時間t=0處施加約兩倍於一雷射產生臨限電流密度I th 之泵電流密度I，且然後使其繼續。該圖展示半導體增益區域之載子密度N增加直至雷射之光增益超過腔中之損耗為止。在此點之後，一第一脈衝2-161累加(從而使載子密度及光增益空乏至小於腔損耗之一值)且被發射。隨後，一第二脈衝2-162累加，使載子密度N空乏且被發射。載子密度之累加及空乏重複達數個循環直至雷射穩定成連續波操作為止(例如，在此實例中係在約7奈秒之後)。脈衝(脈衝2-161、脈衝2-162及後續脈衝)之循環被稱為雷射之鬆弛振盪。
發明者已認識並瞭解到，當對一雷射進行增益切換以產生超短脈衝時之一挑戰係避免持續鬆弛振盪之有害效應。舉例而言，若一泵功率脈衝2-110未足夠快速地終止，則至少一第二光脈衝2-162(由於鬆弛振盪)可在雷射腔中開始累加且將一尾部2-172添加至一經增益切換輸出脈衝2-170，如在圖2-1C中所繪示。發明者已認識並瞭解到，此一尾部在某些應用(諸如目的在於基於螢光生命期來區分螢光分子之應用)中可係不合意的。若一激發脈衝之尾部未充分快速地減少，則除非採用波長濾波，否則激發輻射可壓製一偵測器。替代地或另外，一激發脈衝上之一尾部可繼續激發一螢光分子且可使螢光生命期之偵測複雜。
若一激發脈衝之尾部充分快速地減少，則可在螢光發射期間存在可忽略激發輻射。在此等實施方案中，可不需要在螢光發射之偵測期間對激發輻射進行濾波以偵測螢光發射且區分螢光分子生命期。在某些情形中，激發濾波之消除可顯著簡化一分析系統1-160且減少該分析系統之成本並且允許用於該系統之一較緊湊組態。舉例而言，當不需要一濾波器以在螢光發射期間抑制激發波長時，激發源及螢光偵測器可緊鄰近定位(例如，在一相同電路板或積體裝置上，且甚至在
彼此之幾微米內)。
發明者亦已認識並瞭解到，在某些情形中，一激發脈衝上之一尾部可被容許。舉例而言，一分析系統1-160可具有容易地允許一波長濾波器併入至一偵測光路徑中之一光學組態。波長濾波器可經選擇以拒絕激發波長，使得一偵測器自一生物樣本接收可量化螢光。因此，來自脈衝光源之激發輻射不會壓製經偵測螢光。
在某些實施例中，一螢光分子之發射生命期τ可根據某些實施例藉由一1/e強度值表徵，但在某些實施例中亦可使用其他度量(例如，1/e2、發射半衰期等)。當用於激發螢光分子之一激發脈衝具有小於螢光分子之生命期之一持續時間時，判定一螢光分子之生命期之準確性得以改良。較佳地，激發脈衝具有比螢光分子之發射生命期小至少三分之一之一FWHM持續時間。具有一更長持續時間之一激發脈衝或具有可感知能量之一尾部2-172可在正評估衰變之發射之一時間期間繼續激發螢光分子，且使螢光分子生命期之分析複雜。為改良在此等情形中之螢光生命期判定，可使用解迴旋技術來使來自經偵測螢光之激發脈衝量變曲線解迴旋。
在某些情形中，使用超短脈衝來激發螢光分子以便減少螢光分子或樣本之淬滅可係較佳的。已發現，一螢光分子之經延伸泵激可使螢光分子隨著時間漂白及/或損壞，然而較短持續時間內之較高強度(即使針對於分子上之相同總量之能量)可不如在較低強度下之經延長曝露對螢光分子具有損壞性。減少曝露時間可避免或減少對螢光分子之光誘發損壞，且增加螢光分子可在一分析系統1-160中被使用之時間量或量測次數。
在某些應用中，發明者已發現激發脈衝快速終止(例如，在自脈衝之峰值經過約250ps內)至低於脈衝之峰值功率位準達至少約40dB之一功率位準係合意的。某些實施例可容許更小量之功率減少，例
如，在約250ps內達到介於約20dB與約40dB之間的減少。某些實施例可需要在約250ps內進行類似或更高量之功率減少，例如，介於約40dB與約80dB之間(在某些實施例中)或介於約80dB與約120dB之間(在某些實施例中)。在某些實施例中，可需要在約100ps內自泵激脈衝之峰值達到的此等位準之功率減少。
根據某些實施例，脈衝分離間隔T(參見圖1-2)亦可係一脈衝雷射系統之一重要態樣。舉例而言，當使用一脈衝雷射來評估及/或區分螢光分子之發射生命期時，激發脈衝之間的時間較佳地長於經檢查螢光物種之任何發射生命期以便允許一發射生命期之充分準確判定。舉例而言，一後續脈衝應不在自前一脈衝激發之一經激發螢光分子或螢光分子總體具有一合理量之時間發螢光之前到達。在某些實施例中，間隔T需要係足夠長的以判定在激發脈衝之終止之後且在下一激發脈衝之前的激發一螢光分子之一激發脈衝與由該螢光分子發射之後一光子之間的一時間。
儘管激發脈衝之間的間隔T應係足夠長的以判定螢光物種之衰變性質，但脈衝分離間隔T係足夠短的以允許在一短時間週期中進行諸多量測亦係合意的。以實例方式而非限制方式，在某些應用中使用之螢光分子之發射生命期(1/e值)可處於約100皮秒至約10奈秒之範圍內。因此，取決於所使用之螢光分子，可使用短至約200ps之一脈衝分離間隔，然而針對較長生命期螢光分子，可使用大於約20奈秒之一脈衝分離間隔T。因此，根據某些實施例，用於激發用於螢光生命期分析之螢光之激發脈衝可具有介於約25皮秒與約2奈秒之間的FWHM持續時間。
在其中一經整合時域成像陣列用於偵測螢光且提供用於生命期分析之資料及一視覺顯示之某些應用(諸如螢光生命期成像)中，脈衝分離間隔T可不必短於成像系統之一圖框速率。舉例而言，若在一單
一激發脈衝之後存在充足螢光信號，則可不需要用於一成像圖框的在多個激發脈衝內之信號累積。在某些實施例中，脈衝光源1-110之一脈衝重複率R p 可與成像系統之一圖框速率R f 同步，使得一脈衝重複率可慢至約30Hz。在其他實施例中，脈衝重複率可明顯地高於圖框速率，且一影像中之每一像素之螢光衰變信號可係在多個激發脈衝之後的經積分值。
在圖2-2A中繪示一脈衝光源2-200之一實例。根據某些實施例，一脈衝光源2-200可包括形成於一基板2-208上之一商業或定製半導體雷射二極體2-201(或者一或多個LED)。一雷射二極體或LED可經封裝於包含一電連接器2-224之一外殼2-212中。可存在隨封裝一起包含之一或多個光學元件2-205(例如，一或多個透鏡)以將來自雷射或LED之一輸出射束重新整形及/或改變該輸出射束之發散度。雷射二極體2-201(或者一或多個LED)可由一脈衝器電路2-210驅動，該脈衝器電路可經由一連接電纜2-226及至少一個導線2-220將電流脈衝之一序列提供至二極體2-201。來自脈衝器電路2-210之驅動電流可產生一串光脈衝2-222，該串光脈衝自雷射二極體或LED發射。
使用LED之一個優點係其與雷射二極體相比之較低成本。另外，LED提供可較佳地適合於成像應用之一較寬廣(通常不同調的)光譜輸出(例如，一LED可產生較少光學干擾假影)。針對一雷射二極體，同調輻射可引入光斑，除非採取措施以避免所收集影像中之光斑。此外，LED可將激發波長延伸至紫外線中(例如，減小直至約240nm)，且可用於激發生物樣本中之自發螢光。
根據某些實施例，一雷射二極體2-201可包括一半導體接面，該半導體接面包括具有一第一導電類型(例如，p型)之一第一層2-202及具有一相反導電類型之一第二層2-206。可存在形成於第一層與第二層之間的一或多個中間層2-204。舉例而言，中間層可包括多量子井
(MQW)層，其中自第一層及第二層注入之載子重新組合以產生光子。在某些實施例中，中間層可包含電子及/或電洞阻擋層。在某些實施方案中，雷射二極體可包括無機材料及/或有機半導體材料。材料可經選擇以獲得一所要發射波長。舉例而言且針對無機半導體，Ⅲ族氮化物組合物可用於在小於約500nm之波長下發射之雷射，且Ⅲ族砷化物或Ⅲ族磷化物組合物可用於在大於約500nm之波長下發射之雷射。可使用任何適合類型之雷射二極體2-201，包含但不限於一垂直腔表面發射雷射(VCSEL)、一邊緣發射雷射二極體或一板條耦合光學波導雷射(SCOWL)。
根據某些實施例，可替代一雷射二極體而使用一或多個LED。一LED可具有低於一LD之一強度，因此可使用多個LED。由於一LED不經歷與雷射產生動作相關聯之鬆弛振盪或動力學，因此其輸出脈衝可係為較長持續時間且具有比一雷射原本發生的寬之一光譜頻寬。舉例而言，輸出脈衝可介於約50ps與約2ns之間，且光譜頻寬可係約20nm或更大。在某些實施方案中，來自一LED之輸出脈衝可介於約100ps與約500ps之間。較長激發脈衝對於具有較長衰變時間之螢光分子可係可接受的。另外，一LED可產生一未經偏振或經部分偏振輸出射束。在脈衝光源之某些實施方案中，下文所闡述之脈衝器電路之實施例可用於驅動一或多個LED。
發明者已認識到，某些習用雷射二極體系統包括可如在圖2-2B中所繪示地模型化之電流驅動器電路。舉例而言，電流驅動器2-210可包括經組態以將電流脈衝遞送至一雷射二極體之一脈衝電壓源2-230。通常透過一電纜2-226、配接器或連接器2-224及接合至雷射二極體2-201上之一接觸墊之一單一導線2-220形成至雷射二極體之連接。配接器2-224與雷射二極體之間的連接可包含一串聯電感L1及串聯電阻R1。連接亦可包含與接觸點及/或二極體接面相關聯之小接面
電容(未展示)。
發明者已認識並瞭解到，增加導線接合(例如，介於連接器2-224與雷射二極體2-201之間)之數目可減少連接至一雷射二極體2-201之電感及/或電阻。電感及/或電阻之此一減少可達成雷射二極體之較高速度電流調變及較短輸出脈衝。根據某些實施例，可用多個平行導線接合替換一單一導線接合2-220以改良一雷射二極體之速度。舉例而言，導線接合之數目可增加至三個或三個以上。在某些實施方案中，可存在至一雷射二極體之最高達50個導線接合。
發明者已研究增加導線接合2-220之數目對一商業雷射二極體之影響。所考量之一實例性商業雷射係現在可自加利福尼亞州賽普裡斯(Cypress)之Ushio購得之一Oclaro雷射二極體(模型HL63133DG)。在圖2-2C中圖解說明來自增加導線接合之一數目之數值模擬之結果。該模擬將導線接合之數目自用於商業裝置之一單一接合(曲線2-250)增加至三個導線接合(曲線2-252)及36個導線接合(曲線2-254)。針對三種不同情形在一頻率範圍內判定遞送至雷射二極體之平均驅動電流(針對一固定18V脈衝)。結果指示導線接合之一更高數目允許以更高頻率將更多電流遞送至雷射二極體。舉例而言，在1GHz處，僅使用三個導線接合(曲線2-252)允許將比針對一單一導線接合多四倍以上的電流遞送至雷射二極體。由於短及超短脈衝需要較高頻寬(用以形成短脈衝之較高頻率分量)，因此添加多個導線接合允許比一單一導線接合高之頻率分量以便以比一單一導線接合短之一脈衝驅動雷射二極體。在某些實施方案中，多個導線接合可在一雷射二極體上之一單一接觸墊或多個接觸墊與一雷射二極體封裝上之一配接器或連接器2-224之間延伸。連接器可經組態用於連接至一外部標準化電纜(例如，連接至一50歐姆BNC或SMA電纜)。
在某些實施例中，導線接合之數目及導線接合組態可經選擇以
匹配連接至雷射二極體之配接器及/或電纜之一阻抗。舉例而言，根據某些實施例，導線接合之阻抗可匹配至一連接器2-224之阻抗以減少自雷射二極體至電流驅動器之功率反射。在其他實施例中，導線接合之阻抗可選擇性地經不匹配以在正電流驅動脈衝之間產生一負脈衝。選擇用於一雷射二極體之一封裝方法(例如，選擇自一配接器至一雷射二極體之導線接合之一數目)可改良以較高頻率供應至雷射二極體之電流調變。此可使雷射二極體對高速增益切換信號更具回應性，且可達成較短光脈衝、在脈衝峰值之後光功率之較快減少及/或增加之脈衝重複率。
現在參考圖2-3，發明者已進一步認識並瞭解到，將一雙極脈衝波形2-300應用於一雷射二極體可抑制所產生光脈衝上之一非所要發射尾部2-172(參見圖2-1C)。一雙極脈衝亦可用於縮短來自一LED之一光脈衝。一雙極脈衝可包括一第一極性之一第一脈衝2-310，後續接著一相反極性之一第二脈衝2-312。第二脈衝2-312之量值可不同於第一脈衝之量值。在某些實施例中，第二脈衝可具有大約等於或小於第一脈衝2-310之一量值。在其他實施例中，第二脈衝2-312可具有大於第一脈衝2-310之一量值。
在某些實施例中，第二脈衝之量值可介於第一脈衝之量值之約10%與第一脈衝之量值之約90%之間。在某些實施方案中，第二脈衝之量值可介於第一脈衝之量值之約25%與第一脈衝之量值之約90%之間。在某些情形中，第二脈衝之量值可介於第一脈衝之量值之約50%與第一脈衝之量值之約90%之間。在某些實施例中，第二脈衝中之能量之一量可介於第一脈衝中之能量之一量之約25%與第一脈衝中之能量之約90%之間。在某些實施方案中，第二脈衝中之能量之一量可介於第一脈衝中之能量之一量之約50%與第一脈衝中之能量之約90%之間。
第一驅動脈衝可使一雷射二極體接面正向偏壓且藉此在二極體作用區域中產生載子，該等載子可重新組合以產生一光脈衝。極性相反之第二驅動脈衝2-312可使二極體接面反向偏壓且加速載子自作用區域之移除以終止光子產生。當第二電脈衝2-312經定時以在與第二鬆弛振盪脈衝(參見圖2-1B之脈衝2-162)大約相同之時間處發生或就在第二鬆弛振盪脈衝之前(例如，在約200ps內)發生時，原本將產生第二光脈衝之載子濃度被削弱，使得發射尾部2-172被抑制。
可使用各種電路組態來產生雙極脈衝波形。圖2-4A繪示可用於驅動具有一雙極脈衝波形之一雷射二極體或者一或多個LED之一電路之僅一項實例。在某些實施例中，一傳輸線2-410(例如，一條帶線或同軸導體總成)可經組態於一脈衝器電路2-400中以將雙極脈衝遞送至一半導體雷射二極體2-420或至少一個LED。傳輸線2-410可以一U形組態形成且透過一充電電阻器Rch藉由一DC電壓源VDD在一第一導體上加偏壓。根據某些實施例，傳輸線可具有大致匹配一雷射二極體之阻抗之一阻抗。在某些實施例中，傳輸線之阻抗可係大約50歐姆。在某些實施方案中，傳輸線之阻抗可介於大約20歐姆與大約100歐姆之間。在某些實施方案中，傳輸線之阻抗可介於大約1歐姆與大約20歐姆之間。
脈衝器2-400可進一步包含一端接電阻器Zterm，該端接電阻器連接於處於傳輸線之一端之傳輸線之第二導體與一參考電位(例如，在所繪示實例中為接地)之間。傳輸線之第二導體之另一端可連接至雷射二極體2-420。傳輸線之第一導體之端可連接至一切換器M1(例如，一場效電晶體或雙極接面電晶體)，該切換器可經啟動以將第一導體之端週期性地分流至一參考電位(例如，接地)。
在某些例項中，端接阻抗Zterm可大約等於傳輸線2-410之阻抗以便減少向後至線中之反射。替代地，端接阻抗Zterm可小於線之阻抗以
便將一負脈衝反射至線中(在藉由切換器M1之分流之後)且反射至雷射二極體2-420。在某些實施方案中，端接阻抗Zterm可包含經選擇以控制經反射負脈衝之形狀之一電容及/或電感組件。如在圖2-4A中所繪示之一傳輸線脈衝器可用於產生具有在介於約30Hz至約200MHz之間的一範圍內之一重複率的電雙極脈衝。根據某些實施例，用於一傳輸線脈衝器之一傳輸線2-410可形成於一印刷電路板(PCB)上，如在圖2-5A中所繪示。
圖2-4B繪示連接至一光學半導體二極體2-423(例如，一雷射二極體或者一或多個LED)之一驅動器電路2-401之一實施例，該驅動器電路可使用離散組件形成，且可經整合至一基板(諸如一晶片或PCB)上。在某些實施例中，該電路可經整合至與一雷射二極體或LED 2-423相同之一基板上。雷射驅動器電路2-401可包括連接至一電晶體M1之閘極或基極之一控制輸入2-405。電晶體可係一CMOS FET、一雙極接面電晶體或一高電子遷移率電晶體(諸如一GaN pHEMT)，但亦可使用其他高速、高電流處置電晶體。電晶體可連接於一電流源2-430與一參考電位(例如，一接地電位，但亦可使用其他參考電位值)之間。電晶體M1可與雷射二極體2-423(或者一或多個LED)及一電阻器R1(其與雷射二極體串聯連接)並聯連接於電流源2-430與參考電位之間。根據某些實施例，驅動器電路2-401可進一步包含與電阻器R1並聯連接於雷射二極體與參考電位之間的一電容器C1。儘管闡述了一電晶體M1，但亦可使用具有一高導電及低導電狀態之任何適合可控制切換器。
在操作中，驅動器電路2-401可提供一電流，當電晶體M1接通或處於一導通狀態中時，該電流繞過雷射二極體2-423。因此，不存在自雷射二極體之光輸出。當電晶體M1關閉時，電流可由於電晶體處之增加之電阻路徑而流動通過雷射二極體。電流接通雷射二極體，直
至電晶體被再次打開為止。可藉由在接通與關斷狀態之間調變電晶體之控制閘極以將電流脈衝提供至雷射二極體而產生光脈衝。與某些脈衝產生技術相比，此方法可減少用以驅動雷射所需要之供應器上之電壓及電晶體上之電壓之量，此係用於實施此等高速電路之一重要態樣。
由於電阻器R1及並聯電容器C1之存在，電荷將在二極體正嚮導通時累加於電容器上。此可在電晶體M1處於一「關斷」狀態(例如，一低導通或不導通狀態)中時發生。當電晶體被接通時，跨越電容器儲存之電壓將使雷射二極體反向偏壓。反向偏壓有效地產生跨越雷射二極體之一負脈衝，此可減少或消除將原本在無負脈衝之情況下發生之發射尾部2-172。電阻器R1之值可經選擇，使得電容器上之實質上所有電荷將在切換器隨後被斷開及/或由雷射二極體產生一後續光脈衝之前放電。舉例而言，時間常數t 1 =R1C1可經工程設計為小於脈衝重複間隔T之約一半或三分之一。在某些實施方案中，時間常數t 1 =R1C1可介於大約0.2ns與大約10ns之間。
在某些實施方案中，電晶體M1可經組態以在來自雷射二極體之一輸出光脈衝之一第一峰值之後切換至一導通狀態。舉例而言且參考圖2-1B，一光學偵測及邏輯電路可感測第一脈衝2-161之衰變之強度且觸發電晶體M1以切換至一導通狀態。在某些實施例中，電晶體M1可經觸發以基於一穩定時脈信號切換至一導通狀態(例如，參考一同步時脈邊緣而經觸發)。在某些實施方案中，電晶體M1可經觸發以根據自電晶體M1切換至一非導通狀態之時間量測之一預定延遲時間切換至一導通狀態。在一選定時間處將電晶體M1切換至一導通狀態可在峰值光脈衝之後不久減少雷射功率、縮短雷射脈衝及/或減少脈衝之尾部發射。
儘管在圖2-4B中所展示之驅動電路展示位於雷射之陽極側上之
電流源2-430，但在某些實施例中一電流源亦可替代地或另外位於雷射之陰極側上(例如，連接於電晶體M1、電阻器R1及一參考電位(諸如接地)之間)。
用於產生超短脈衝之驅動電路之其他實施例係可能的。舉例而言，用於一雷射二極體或LED之一電流脈衝驅動電路2-402可包括連接至一雷射二極體之一節點之複數個電流驅動分支，如在圖2-4C中所繪示。驅動器電路2-402可使用離散或經整合元件形成且經整合至一基板(例如，一ASIC晶片或PCB)上。在某些實施例中，驅動器電路可經整合至與一或多個光學半導體二極體2-425(例如，一雷射二極體或者一或多個發光二極體)相同之一基板上。儘管圖式將驅動器電路繪示為連接至雷射二極體2-425之陽極，但在某些實施例中類似驅動電路可替代地或另外連接至雷射二極體之陰極。與用於雷射二極體之陽極側上之電晶體及電壓源相較，連接至雷射二極體之陰極側之驅動電路可採用一相反類型之電晶體及相反極性之電壓源。
根據某些實施方案，可存在經組態以將N個正向偏壓電流脈衝施加至一雷射二極體2-425或LED之N個電路分支(例如，電路分支2-432、2-434、2-436)及經組態以將M個反向偏壓電流脈衝施加至雷射二極體之M個電路分支(例如，電路分支2-438)。在圖2-4C中，N=3且M=1，但亦可使用其他值。每一正向偏壓電流分支可包括經組態以將一正向偏壓電流遞送至雷射二極體之一電壓源Vi。每一反向偏壓電流分支可包括經組態以將一反向偏壓電流遞送至雷射二極體之一電壓源Vj。每一電路分支可進一步包含與一切換器或電晶體Mi串聯連接之一電阻器Ri。每一電路分支可包含一電容器Ci，該電容器在一側上連接至電晶體Mi與電阻器Ri之間的一節點，且在另一側上連接至一固定參考電位。在某些實施例中，電容Ci可係與電晶體Mi相關聯之接面電容(例如，源極至基體電容)，且可不提供一單獨離散電容器。在某些實
施方案中，可包含與二極體2-425串聯之至少一個額外電阻器以限制自電路分支遞送之總電流之量。
在操作中，經定時及經施加脈衝控制信號可經施加至切換器或電晶體Mi之控制輸入Si，以便自電路分支中之每一者產生經加總且跨越雷射二極體接面施加之電流脈衝之一序列。每一分支中之組件(Vi、Vj、Ri、Ci)之值以及施加至控制輸入Si之控制脈衝之時序及脈衝持續時間可獨立地經選擇以產生應用於雷射二極體2-425之一所要雙極電流脈衝波形。作為僅一項實例，V1、V2及V3之值可經選擇為具有不同值。R1、R2及R3之值可係相同的，且C1、C2及C3之值可係相同的。在此實例中，至控制輸入Si之脈衝信號之交錯可產生來自正向偏壓電路分支之重疊之電流脈衝之一經交錯序列，該等重疊之電流脈衝具有類似脈衝持續時間但具有不同脈衝振幅。來自反向偏壓電路分支之一經定時脈衝可產生可淬滅或快速地關斷正向加偏壓脈衝之相反極性之一電流脈衝，且可進一步產生可抑制來自雷射二極體之尾部發射之一反向加偏壓脈衝。反向加偏壓脈衝可經仔細定時，使得其與正向加偏壓脈衝中之一或多者至少部分地在時間上重疊。因此，在圖2-4C中所繪示之電路可用於合成如在圖2-3中所繪示之雙極電流脈衝。
圖2-4D繪示一脈衝驅動器2-403之另一實施例，該脈衝驅動器可使用射頻(RF)組件製造。根據某些實施例，RF組件可經設計以處置在介於約50MHz與約1GHz之間的頻率下之信號。在某些實施方案中，一脈衝驅動器2-403可包括一輸入DC區塊2-435，該輸入DC區塊將一輸入波形(例如，一方形波或正弦波)AC耦合至驅動器。該DC區塊可後續接著一放大器2-440，該放大器產生分別沿著單獨電路路徑2-440a、2-440b繼續進行之未經反相及經反相輸出波形。第一電路路徑2-440a可包含一或多個配接器2-442。一可變移相器2-445可包含於第二電路路徑2-440b中以使第二路徑中之信號相對於第一路徑中之信號
選擇性地相移。
第一電路路徑及第二電路路徑可連接至一RF邏輯閘2-450(例如，一AND閘或其他邏輯閘)之未反相輸入。可用適合的經阻抗匹配的端接器2-446來端接邏輯閘2-450之反相輸入以避免該閘處之虛功率反射。邏輯閘2-450之未反相輸出及反相輸出可沿著兩個電路路徑2-450a、2-450b連接至一組合器2-460。經反相電路路徑2-450b可包含一延遲元件2-454及衰減器2-456，該延遲元件及該衰減器中之任一者或兩者可係可調整的。延遲元件可用於使經反相信號相對於未經反相信號延遲，且衰減器可用於調整經反相信號之振幅。
來自邏輯閘之所得經反相信號及未經反相信號可然後在組合器2-460處經加總。來自組合器2-460之輸出可連接至一RF放大器2-470，該RF放大器提供輸出雙極脈衝以驅動一雷射二極體或者一或多個LED。輸出雙極脈衝可具有如在圖2-4E中所繪示之一波形。
在操作中，一輸入方形波或正弦波可經AC耦合至驅動器中且作為未經反相版本及經反相版本而分割至兩個電路路徑2-440a、2-440b中。根據某些實施例，第一放大器2-440可係一限制放大器，其使一正弦波形成方形。在第二電路路徑2-440b中，可用一可調整移相器2-445來使經反相波形相移以使經反相波形相對於未經反相波形在時間上延遲。來自第一放大器2-440之所得波形可然後由RF邏輯閘2-450(例如，一AND閘)處理以在邏輯閘之未反相輸出及反相輸出處產生短RF脈衝。根據某些實施例，可使用移相器2-445來調整短RF脈衝之持續時間。舉例而言，移相器可調整一時間週期，在該時間週期期間在至一邏輯AND閘2-450之輸入處之未經反相波形及經反相波形兩者同時處於一「接通」狀態中，此將判定輸出脈衝之長度。
參考圖2-4E，來自邏輯閘2-450之短經反相脈衝2-417可藉由延遲元件2-454而相對於未經反相脈衝2-415延遲一量δ且在與未經反相脈
衝組合之前藉由衰減器2-456衰減至一所要振幅。在某些實施例中，負脈衝量值|Vp-|可小於正脈衝振幅Vp+。脈衝分離間隔T可藉由至脈衝驅動器2-403中之正弦波或方形波輸入之頻率而判定。輸出脈衝波形可或可不包含一DC偏移。儘管輸出波形經繪示為具有一方形形狀波形，但RF組件及/或佈纜中之電容及電感可產生具有更具圓形波形之輸出脈衝(更像在圖2-3中所繪示之波形)。
如較早與圖2-4C及圖2-4B一起提及，在某些實施例中，電流或電壓至一雷射二極體或LED之施加可係施加至一個二極體之陽極及陰極兩者。在圖2-4F中繪示可將一經分割或差動電壓或電流脈衝施加至一個二極體之陰極及陽極兩者之一射頻脈衝驅動器電路2-404。根據某些實施例，該電路之前端可類似於在圖2-4D中所繪示之脈衝驅動器電路2-403之前端。然而，在脈衝驅動器電路2-404中，來自邏輯閘2-450之未經反相及經反相輸出可不經組合且替代地作為一差動驅動而施加至雷射二極體之陽極及陰極。為簡化起見，在圖2-4F中未展示與產生一後續負脈衝或反向加偏壓脈衝相關聯之電路。
在圖2-4G中繪示由差動脈衝驅動器電路2-404產生之一經分割或差動驅動之一實例。來自邏輯閘2-450之一第一輸出可產生振幅+Vp之一正脈衝2-416，且來自邏輯閘2-450之一第二經反相輸出可產生相反振幅-Vp之一負脈衝2-418。在某些實施例中，脈衝串可或可不具有一小DC偏移。正脈衝2-416及負脈衝2-418之存在會產生跨越雷射二極體的具有一有效振幅2Vp之一正向加偏壓脈衝。藉由分割跨越雷射二極體之偏壓且將一部分偏壓施加至陽極及陰極，藉由脈衝驅動器2-404處置之電壓脈衝之振幅可有效地減少至二分之一。因此，與原本可能夠針對更高振幅脈衝所達成的比較，脈衝驅動器2-404可以一更高頻率操作且產生更短脈衝。替代地，與僅將一加偏壓脈衝+Vp提供至雷射二極體之陽極之一驅動電路相比，一脈衝驅動器電路2-404可有效
地加倍跨越一雷射二極體施加之驅動脈衝之振幅。在此等實施例中，來自雷射二極體之功率輸出可增加。
在圖2-4H中繪示其中可增加施加至雷射二極體之功率及/或驅動速度之另一方式。根據某些實施例，複數個脈衝驅動器輸出2-470可連接至一雷射二極體2-425或LED之一陽極。在此實例中，四個脈衝驅動器連接至雷射二極體之陽極。在其中使用差動脈衝驅動器電路之某些實施例中，亦可存在連接至雷射二極體之陰極之多個驅動器。每一驅動器及其相關聯佈纜可具有一阻抗Z0，且一雷射二極體2-425可為阻抗ZL。由於其並聯連接，因此驅動器之輸出阻抗係除以連接至雷射二極體之驅動器之數目而得出。當脈衝驅動器之經組合阻抗大致匹配至雷射二極體2-425之阻抗時，經遞送至二極體中之功率可增加，或反之亦然。
圖2-4I中之圖圖解說明針對四個驅動源耦合至雷射二極體2-425中之功率之效率之增加隨雷射二極體之阻抗及雷射二極體電路而變。在實例中，四個脈衝驅動器各自具有約50歐姆之一線阻抗且經組態以遞送具有大約100mA之一最大電流之5V振幅之一輸出脈衝。標繪圖展示當雷射二極體之阻抗處於大約10歐姆時，耦合至雷射二極體中之功率達到一最大值。此值大約等於四個脈衝驅動器輸出2-470之並聯輸出阻抗。因此，根據某些實施例，雷射二極體2-425及其相關聯電路之阻抗可經設計以大致匹配用於驅動雷射二極體之一或多個脈衝驅動器之經組合阻抗。
可使用其他電路驅動器組態來施加脈衝於雷射二極體或發光二極體。根據某些實施例，至一發光二極體中之一電流注入可經施加脈衝以使用一脈衝器電路產生亞奈秒脈衝，該脈衝器電路闡述於由P.H.Binh等人著作之「A simple sub-nanosecond ultraviolet light pulse generator with high repetition rate and peak power」(Rev.Sci.Instr.84
卷，083102(2013))中，或闡述於由T.Araki等人著作之「An ultraviolet nanosecond light pulse generator using a light emitting diode for test of photodetectors」(Rev.Sci.Instr.68卷，1365(1997))中。
在圖2-4J中繪示一脈衝器電路之另一實例。根據某些實施例，一脈衝器電路可包括一脈衝產生器2-480，該脈衝產生器可(舉例而言)自一系統時鐘接收一或多個時脈信號且將一串電脈衝輸出至一驅動器電路2-490，該驅動器電路回應於自脈衝產生器接收之電脈衝而將電流脈衝注入至一雷射二極體或發光二極體中。因此，輸出光脈衝可與系統時脈同步。系統時脈亦可用於操作偵測電子器件(例如，一成像陣列)。
根據某些實施例，脈衝產生器2-480可由被動電子組件與數位電子組件之一組合形成，且可形成於一第一電路板上。在某些情形中，一脈衝產生器可包含類比電路組件。在其他實施例中，脈衝產生器之一部分可與驅動器電路2-490形成於一相同板上，且脈衝產生器之一部分可形成於遠離驅動器電路之一單獨板上。驅動器電路2-490可由被動、類比及數位電子組件形成，且可與脈衝產生器或脈衝產生器之部分形成於一相同或不同電路板上。一光源(雷射二極體或發光二極體)可與驅動器電路一起包含於一電路板上，或可位於一系統中且藉由高速佈纜(例如，SMA電纜)連接至驅動器電路2-490。在某些實施方案中，脈衝產生器2-480及驅動器電路2-490可包含射極耦合邏輯元件。根據某些實施例，脈衝產生器2-480、驅動器電路2-490及光學半導體二極體2-423可經整合至一相同印刷電路板、層板或積體電路上。
在圖2-4K中繪示一脈衝產生器2-480之一實例。在某些實施方案中，一脈衝產生器可包含一第一級，該級產生兩個差動時脈輸出(一個時脈輸出相對於另一時脈輸出而延遲)。該第一級可接收一時脈輸
入且包含一扇出2-481及延遲2-483。扇出可包括經配置以產生時脈信號之兩個複本及時脈信號之兩個經反相複本之邏輯驅動器及邏輯反相器。根據某些實施例，時脈可具有一對稱工作循環，但在其他實施例中亦可使用不對稱工作循環。一個複本及一個經反相複本可形成一差動時脈輸出(CK1、)且可藉由一延遲元件2-483相對於一第二複本及第二經反相複本(CK2、)延遲。延遲元件可包括任何適合可變或固定延遲元件。延遲元件之實例包含RF延遲線及邏輯閘延遲。在某些實施方案中，第一對時脈信號(CK1、)相對於第二對時脈信號(CK2、)延遲一時脈循環之至少一部分。一延遲可包含除一部分循環之外的一或多個全循環。在每一對時脈信號內，經反相信號可與其對應者同步，使得時脈之上升邊緣與下降邊緣基本上同時發生。
發明者已發現，可藉由調整來自脈衝產生器2-480之一電流驅動脈衝之一長度且維持一固定振幅(而非調整一超短電流驅動脈衝之一振幅)而較可靠地控制一雷射二極體或LED之超短脈衝產生。調整電流驅動脈衝之長度會調整每脈衝遞送至雷射二極體之能量之一量。在某些實施例中，高速電路允許對信號相位之高解析度控制(例如，藉由運用一類比或數位延遲元件2-483調整一延遲或相位)，此可(根據某些實施方案)用於獲得對脈衝長度之高解析度控制。
在某些情形中，脈衝產生器2-480之第一級可替代扇出2-481及延遲2-483而包括一雙輸出時鐘。一雙輸出時鐘可產生兩個差動時脈信號，且提供兩個差動時脈信號之間的可調整相位延遲。在某些實施方案中，可調整相位延遲可具有小至3ps之一對應時間解析度。
不管經延遲時脈信號CK1、CK2及其逆信號如何產生，該等信號皆可經由高速傳輸線傳輸至一高速邏輯閘2-485。針對經由板之間的電纜之信號傳輸，時脈脈衝可由於佈纜而退化。舉例而言，傳輸線之有限頻寬可使時脈脈衝不同地變形且引起不相等時序。在某些實施方
案中，一相同類型之佈纜或傳輸線可用於所有時脈信號，使得傳輸變形同樣地影響四個時脈信號。舉例而言，當信號變形及時序偏移對於四個時脈信號而言基本上相同時，由接收邏輯閘2-485產生之一所得驅動脈衝將基本上相同，就像在不存在來自時脈信號之傳輸之信號變形之情況下一樣。因此，可在不影響驅動脈衝持續時間之情況下容許在數英尺距離內之時脈信號之傳輸。此對於產生與一系統時脈同步且具有可精細調整脈衝持續時間(例如，可以約3ps之增量調整)之超短驅動脈衝可係有用的。若在局部產生時脈信號(例如，在與驅動器電路2-490相同之一板上)，則與時脈信號之傳輸相關聯之信號變形可不顯著且傳輸線可在某種程度上不同。
根據某些實施例，時脈信號可與電容器C1 AC耦合且經提供至一高速邏輯閘2-485之資料輸入。電容器C1可具有介於約10nF與約1μF之間的一電容。根據某些實施例，邏輯閘可包括一射極耦合邏輯(ECL)、兩輸入差動AND/NAND閘。邏輯閘2-485之一實例包含可自羅德島州東格林威治(East Greenwich)之ON Semiconductor購得之模型MC100EP05。在至邏輯閘之資料輸入處之AC耦合信號可顯現為類似於在圖2-4L中所繪示之信號，其中水平虛線指示一零電壓位準。圖2-4L中之繪示不包含藉由傳輸線引入之變形。該等變形可將信號量變曲線之形狀修圓且更改該形狀，但當一相同類型及長度之佈纜用於每一時脈信號時可不影響該等時脈信號之相對相位。延遲元件2-483可提供藉由垂直虛線指示之一延遲△t，該延遲可以小至3ps之增量調整。在某些實施方案中，一延遲元件2-483可提供以具有介於1ps與10ps之間的一值之增量之一可調整延遲。邏輯閘2-485可處理所接收時脈信號且在一輸出埠Q處產生一輸出信號，該輸出信號對應於藉由延遲元件2-483引入之延遲。在一小延遲之情況下，輸出包括短或超短脈衝之一序列。運用一高速邏輯閘2-485，脈衝持續時間可在某些實
施例中介於約50ps與約2ns(FWHM)之間，在某些實施例中介於約50ps與約0.5ns之間，在某些實施例中介於約50ps與約200ps之間，且在某些實施例中亦介於約50ps與約100ps之間。來自埠Q之驅動脈衝可由於ECL邏輯閘2-485之高速變動率而具有一實質上方形量變曲線。一加偏壓電路2-487可連接至輸出埠Q，且一電壓V1經施加用於正射極耦合邏輯。根據某些實施例，自脈衝產生器2-480之一輸出端子Pout提供之輸出脈衝可包含一DC偏移。
在某些實施方案中，兩個或兩個以上高速邏輯閘2-485可並聯連接於電容器C1與偏壓電路2-487之間。該等邏輯閘可係相同的，且並行操作以在脈衝產生器之一輸出處提供較大電流驅動能力。發明者已認識並瞭解到，一或若干邏輯閘2-485需要提供高速切換(亦即，快速上升及下降時間以產生超短驅動脈衝)，且需要提供足夠輸出電流以驅動驅動器電路2-490中之一高電流電晶體M1。在某些實施方案中，將邏輯閘2-485並聯連接提供脈衝器電路之經改良效能且允許亞100ps光脈衝之產生。
圖2-4M繪示可連接至一雷射二極體或LED 2-423之一驅動器電路2-490之一實施例。一驅動器電路可包含一AC耦合輸入，該AC耦合輸入具有與一電阻器R3串聯之一電容器C2，該電阻器R3連接至一高速電晶體M1之一閘極。根據某些實施例，C2之電容可介於大約0.1μF與大約10μF之間，且R3可具有介於大約10歐姆與大約100歐姆之間的一值。根據某些實施例，電晶體M1可包括一高電子遷移率場效電晶體(HEMT FET)，該高電子遷移率場效電晶體能夠切換高電流(例如，至少一安培且在某些情形中最高達四安培或更多)。電晶體M1可係能夠以數吉赫速度切換此等大電流之一高速電晶體。根據某些實施例，電晶體M1可以介於30Hz與大約200MHz之間的一重複率切換1安培以上達介於約50ps與約2ns之間的一電脈衝持續時間。電晶體M1之一
實例包含可自加利福尼亞州聖何塞市(San Jose)之Avago Technologies購得之模型ATF-50189-BLK。加偏壓及濾波電路元件(例如，電阻器R4、R7及C3)可連接於電容器C2與電晶體M1之閘極之間。電晶體M1之汲極可直接連接至一雷射二極體或發光二極體2-423之一陰極，且電晶體M1之一源極可連接至一參考電位(例如，接地)。二極體2-423之陽極可連接至一個二極體電壓源VLD。一電阻器R6及電容器C4可跨越二極體2-423並聯連接。根據某些實施例，電阻器R6可具有介於大約50歐姆與大約200歐姆之間的一值，且C4可具有介於大約5pF與大約50pF之間的一電容。一電容器C5(具有介於大約1μF與大約5μF之間的一值)亦可連接於二極體電壓源VLD與一參考電位(例如，接地)之間，與二極體2-423及電晶體M1並聯。
在某些實施例中，一保護二極體(未展示)可跨越雷射二極體2-423之陰極及陽極沿一反向方向連接。保護二極體可保護雷射二極體免受可擊穿雷射二極體接面之過多反向偏壓電位。
在操作中，來自脈衝產生器2-480之一脈衝暫時地接通電晶體M1，從而允許將電流注入至雷射二極體或發光二極體2-423之作用區域中。在某些實施方案中，大量正向電流(例如，最高達四安培)短暫地流動通過電晶體M1。正向電流將載子注入至雷射二極體接面中且產生一短或超短光輻射脈衝。當電晶體M1關斷時，寄生電感繼續進行跨越發光二極體或雷射二極體之電流流動，從而在二極體之陰極側上累加電荷，直至該電荷可藉由與雷射二極體並聯連接之RC網路耗散為止。電荷於陰極處之此暫時累加將一反向偏壓脈衝提供至雷射二極體，且加速載子自作用區域之移除。此加速光脈衝之終止。
發明者已發現，經闡述用於圖2-4M之實施例之光脈衝產生技術優於基於微分方形波脈衝之脈衝產生技術，此乃因其可提供用以接通一雷射二極體可需要之一更高及更短電流脈衝。
發明者已裝配各種脈衝驅動電路且已使用其來驅動雷射二極體。圖2-5A繪示一經裝配脈衝器電路2-500之另一實施例。此實施例實施如在圖2-4A中所繪示之一脈衝器2-400。在經裝配電路中，傳輸線2-410作為以一U形組態圖案化之一平行板條帶線而形成於一印刷電路板上，如在圖中所繪示。一GaN pHEMT電晶體用作一分流切換器M1以使U形傳輸線之兩端短路。脈衝器電路2-500可以最高達100MHz之重複率操作且用於驅動一50歐姆負載。在某些實施例中，一脈衝器電路可以介於大約10MHz與大約1GHz之間的重複率操作。
在圖2-5B中繪示自脈衝器2-500量測之一波形。該波形展示具有大約19.5V之一振幅之一正脈衝，後續接著達到大約-5V之一振幅之一負脈衝(在正脈衝之後)。正脈衝之持續時間係大約1.5奈秒。再次參考圖2-4A，脈衝器2-500經構造以具有大約50歐姆之一端接電阻器Zterm及大約200歐姆之一上拉或充電電阻器Rch。Zterm之值經挑選以減少自端接電阻向後至傳輸線中之功率反射。施加至傳輸線2-410之偏壓係100V，且切換器M1係以100MHz之一重複率驅動。大約-1.3V之DC偏壓經由一偏壓三通管(bias tee)耦合至二極體以調諧自0V偏壓之相對偏移。用於切換器M1之驅動脈衝係在大約0V與大約2V之間振盪之一方形波信號。
一商業測試台驅動器用於驅動一商業雷射二極體(Ushio模型HL63133DG)以產生亞100ps光脈衝。在圖2-5C及圖2-5D中展示光脈衝量測。如在圖2-5C中所展示，具有經減少尾部發射之脈衝係以100MHz之一重複率產生。來自雷射二極體之平均功率經量測為約8.3毫瓦特。在圖2-5D中所展示之脈衝持續時間經量測為大約84皮秒。已發現，來自雷射二極體之光發射之強度在脈衝之峰值之後大約250ps減少大約24.3dB。即使雷射二極體具有至該二極體之一單一接合導線，亦產生亞100ps脈衝。可運用多個接合導線或運用對脈衝器電路
之進一步改良而產生更短脈衝(例如，介於約25ps與約75ps之間)。
圖2-6A繪示一半導體雷射2-600之一項實例，該半導體雷可用於根據上述增益切換設備及技術中之任一者而藉由增益切換產生光脈衝。雷射及脈衝驅動電路可經大量生產且以低成本製造。舉例而言，雷射可使用平面積體電路技術而經微製作為一邊緣發射裝置。此一雷射可被稱為一板條耦合光學波導雷射(SCOWL)。圖式繪示雷射之一端頭相對(end-on)立面圖。雷射可由一GaAs/AlGaAs材料系統形成(例如，以發射在光學光譜之綠色、紅色或紅外線區域中之輻射)，但在某些實施方案中亦可使用其他材料系統(諸如GaN/AlGaN)(例如，以發射在光譜之綠色、藍色或紫外線區域中之輻射)。雷射二極體可由其他半導體材料系統製成，該等半導體材料系統包含但不限於：InP、AlInGaP、InGaP及InGaN。
根據某些實施例，一SCOWL可形成於一n型基板或緩衝層2-627(例如，包括Al之一GaAs基板或GaAs層)上。舉例而言，一緩衝層可包括AlxGa1-xAs，其中x介於大約0.25與大約0.30之間。根據某些實施例，基板或基底層之折射率可具有介於約3.4與3.5之間的一第一值n1。低摻雜n型半導體材料之一電子輸送層2-617可形成於基板2-627上。在某些實施例中，電子輸送層2-617可藉由磊晶生長而形成以包括AlxGa1-xAs(其中x介於大約0.20與大約0.25之間)且具有大約5×1016cm-3之一n型摻雜劑濃度。電子輸送層之厚度h可介於約1微米與約2微米之間。輸送層2-617可具有大於n1之一第二折射率值n2。一多量子井區域2-620可然後形成於電子輸送層2-617上。該多量子井區域可包括具有不同摻雜濃度之材料之交替層(例如，AlGaAs/GaAs之交替層)，該等不同摻雜濃度調變MQW區域中之能帶隙。可藉由磊晶、原子層沈積或一適合汽相沈積程序而沈積量子井區域2-620中之各層(其可具有介於大約20nm與大約200nm之間的厚度)。多量子井區域
可具有大於n2之一有效第三折射率值n3。p型摻雜材料之一電洞輸送層2-615可毗鄰量子井區域形成，且具有小於n2之一折射率值n4。在某些實施例中，一SCOWL之不同區域之折射率值可根據某些實施例如在圖2-6B中所圖解說明。在某些實施例中，一SCOWL可包括GaN半導體及其合金或InP半導體及其合金。
術語「毗鄰」可係指緊鄰近於彼此配置之兩個元件(例如，在小於兩個元件中之一較大者之一橫向或垂直尺寸之約五分之一之一距離內)。在某些情形中，可存在介於毗鄰元件之間的介入結構或介入層。在某些情形中，毗鄰元件可不具有介入結構或元件而彼此緊鄰。
在已沈積雷射裝置之各層之後，溝渠2-607可經蝕刻至各層中以形成雷射之一作用區域，該作用區域具有介於約0.25微米與約1.5微米之間的一寬度w。一n接觸點2-630可形成於裝置之一第一表面上，且一p接觸點2-610可毗鄰作用區域而形成於p型輸送層2-615上。根據某些實施例，可用一氧化物層或其他電絕緣層而使半導體層之經曝露表面鈍化。
毗鄰作用區域之溝渠2-607以及折射率值n1、n2、n3及n4將雷射之光學模式侷限至一雷射產生區域2-625，該雷射產生區域毗鄰於量子井且在裝置中心肋部下邊，如在圖式中所繪示。一SCOWL可經設計以將高階橫向模式(其可以其他方式在雷射產生區域2-625中形成並產生雷射)耦合至毗鄰區域中之有損高階板條模式。當經恰當設計時，來自雷射產生區域2-625之所有高階橫向模式與該雷射產生區域中之基本模式相比皆具有高相對損耗且將不產生雷射。在某些實施方案中，SCOWL 2-600之橫向光學模式可係一單一橫向模式。光學模式之寬度可介於大約0.5微米與大約6微米之間。根據某些實施例，沿x方向截取之一模式量變曲線2-622可如在圖2-6B中所繪示地經整形。在其他實施方案中，一SCOWL可產生多個光學橫向模式以照射一所關
注區域。在某些實施例中，作用區域之長度(沿著進入頁之一尺寸)可介於20微米與10mm之間。可藉由選擇作用區域之一較長長度而增加SCOWL之輸出功率。在某些實施例中，一SCOWL可遞送300mW以上之一平均輸出功率。
儘管一半導體雷射(例如，一SCOWL)及脈衝器電路可經組合以製造適合於諸多應用之一低成本、超快脈衝雷射，但在圖2-5D中所展示之關斷速率可不適合於某些螢光生命期分析。在某些情形中，可需要一較快速關斷。舉例而言，發明者已發現，基於螢光生命期之某些量測可需要脈衝之尾部在於脈衝峰值之後的250ps內消退至低於脈衝峰值達介於大約25dB與大約40dB之間的一位準。在某些情形中，脈衝功率可需要在於脈衝峰值之後的100ps內下降至此值範圍。在某些實施方案中，脈衝尾部可需要在於脈衝峰值之後的250ps內下降至低於脈衝峰值達介於大約40dB與大約80dB之間的一位準。在某些實施方案中，脈衝尾部可需要在於脈衝峰值之後的250ps內下降至低於脈衝峰值達介於大約80dB與大約120dB之間的一位準。
用於進一步抑制一脈衝之發射尾部之一種方法係隨一脈衝雷射或高亮度LED系統一起包含一可飽和吸收器。根據某些實施例，一半導體可飽和吸收器2-665可併入至與一半導體雷射2-600或高亮度LED相同之一基板上，如在圖2-6C中所繪示。根據某些實施例，半導體雷射可包括包含一量子井區域2-620之一SCOWL結構。可用一脈衝源2-670(諸如一脈衝器電路2-400或上文所闡述之其他脈衝產生電路)來驅動SCOWL。
一可飽和吸收器2-665可毗鄰於SCOWL之一端而形成。可飽和吸收器2-665可包括具有一帶隙之一區域，該區域經修整以自半導體雷射吸收光子。舉例而言，可飽和吸收器可包括一單一量子井或多個量子井，該(等)量子井具有大約等於雷射之光發射之一特性能量之至少
一個能帶隙。在某些實施例中，可藉由離子植入二極體雷射之一區域以便電隔離二極體雷射腔內之該區域而形成一可飽和吸收器。對於相同雷射二極體結構，可將一負偏壓施加至該區域來促進吸收而非增益。在來自雷射2-600之高通量處，可飽和吸收器之價能帶可使載子空乏且傳導能帶可填滿，從而阻礙藉由可飽和吸收器之進一步吸收。因此，可飽和吸收器漂白，且自雷射吸收之輻射之量減少。以此方式，一雷射脈衝之峰值可以強度比脈衝之尾部或翼部小之一衰減而「衝穿」可飽和吸收器。脈衝之尾部可然後相對於脈衝之峰值被進一步抑制。
根據某些實施例，一高反射器(未展示)可形成於或位於裝置之一端處。舉例而言，該高反射器可位於距可飽和吸收器最遠的雷射之一端處以便重新引導穿過可飽和吸收器之雷射發射且增加輸出功率。根據某些實施例，一抗反射塗層可經施加至可飽和吸收器及/或SCOWL之一端以增加自裝置之提取。
根據某些實施例，一可飽和吸收器可包含一加偏壓供應器2-660。該加偏壓供應器可用於在每一脈衝之後將載子掃掠出作用區域且改良可飽和吸收器之回應。在某些實施例中，偏壓可經調變(例如，以脈衝重複率)以使可飽和恢復時間係時間相依的。此調變可進一步改良脈衝特性。舉例而言，若可飽和吸收器之恢復時間係充分的，則一可飽和吸收器可藉由在低強度下之差動較高吸收而抑制一脈衝尾部。此差動吸收亦可減小脈衝長度。可藉由施加或增加至可飽和吸收器之一反向偏壓而調整一可飽和吸收器之恢復時間。
再次參考圖1-1，不管用於產生短或超短脈衝之方法及設備為何，一系統1-100皆可包含經組態以使一分析系統1-160之至少某些電子操作(例如，資料獲取及信號處理)與來自光源之光脈衝之重複率同
步之電路。存在用以使脈衝重複率與分析系統1-160上之電子器件同步之至少兩種方式。根據一第一技術，一主控時鐘可用作一定時源以觸發脈衝光源及儀器電子器件兩者處之脈衝之產生。在一第二技術中，一定時信號可來源於脈衝光源且用於觸發儀器電子器件。
圖3-1繪示一系統，在該系統中一時鐘3-110將在一同步頻率f sync 下之一定時信號提供至一脈衝光源1-110(例如，一經增益切換脈衝雷射或脈衝LED)及一分析系統1-160兩者，該分析系統可經組態以偵測並處理由每一激發脈衝1-120與生物物質、化學物質或其他物理物質之間的相互作用引起之信號。作為僅一項實例，每一激發脈衝可激發一生物樣本之一或多個螢光分子，該一或多個螢光分子用於分析生物樣本之一性質(例如，癌性或非癌性、病毒感染或細菌感染、血糖水平)。舉例而言，非癌細胞可展現出一第一值τ 1 之一特性螢光生命期，而癌細胞可展現出一第二值τ 2 之一生命期，該第二值不同於第一生命期值且可與該第一生命期值區分開。作為另一實例，自一血液樣本偵測之一螢光生命期可具有取決於血糖水平之一生命期值及/或強度值(相對於另一穩定標記)。在每一脈衝或數個脈衝之一序列之後，分析系統1-160可偵測並處理螢光信號以判定樣本之一性質。在某些實施例中，分析系統可產生藉由激發脈衝探測之一區之一影像，該影像包括指示所成像區內之區域之一或多個性質的該區之一個二維或三維映圖。
不管正進行之分析之類型為何，偵測並處理分析系統1-160上之電子器件可需要與每一光激發脈衝之到達仔細地同步。舉例而言，當評估螢光生命期時，準確地知曉一樣本之激發之時間使得可正確地記錄發射事件之時序係有益的。
在圖3-1中繪示之一同步配置可適合於其中藉由主動方法(例如，外部控制)產生光脈衝之系統。主動脈沖系統可包含但不限於經增益
切換雷射及脈衝LED。在此等系統中，一時鐘3-110可提供一數位時脈信號，該數位時脈信號用於在脈衝光源1-110中觸發脈衝產生(例如，增益切換或至一LED接面中之電流注入)。相同時鐘亦可將相同或經同步數位信號提供至一分析系統1-160，使得儀器上之電子操作可與儀器處之脈衝到達時間同步。
時鐘3-110可係任何適合時控裝置。在某些實施例中，時鐘可包括一晶體振盪器或一基於MEMS之振盪器。在某些實施方案中，時鐘可包括一電晶體環形振盪器。
藉由時鐘3-110提供之一時脈信號之頻率f sync 不需要係與脈衝重複率R相同之一頻率。脈衝重複率可由R=1/T給出，其中T係脈衝分離間隔。在圖3-1中，光脈衝1-120經繪示為在空間上藉由一距離D分離。此分離距離根據關係T=D/c(其中c係光速)而對應於到達分析系統1-160之脈衝之間的時間T。在實務中，可用一光電二極體及示波器來判定脈衝之間的時間T。根據某些實施例，T=f sync /N，其中N係大於或等於1之一整數。在某些實施方案中，T=Nf sync ，其中N係大於或等於1之一整數。
圖3-2繪示其中一定時器3-220將一同步信號提供至分析系統1-160之一系統。在某些實施例中，定時器3-220可自脈衝光源1-110導出一同步信號，且經導出信號用於將一同步信號提供至分析系統1-160。
根據某些實施例，定時器3-220可自一光電二極體接收一類比或數位化信號，該光電二極體偵測來自脈衝源1-110之光脈衝。定時器3-220可使用任何適合方法以自所接收類比或數位化信號形成或觸發一同步信號。舉例而言，定時器可使用一施密特(Schmitt)觸發器或比較器以自經偵測光脈衝形成一串數位脈衝。在某些實施方案中，定時器3-220可進一步使用一延遲鎖定迴路或鎖相迴路以使一穩定時脈信
號與自經偵測光脈衝產生之一串數位脈衝同步。該串數位脈衝或經鎖定穩定時脈信號可經提供至分析系統1-160以使儀器上之電子器件與光脈衝同步。
在某些實施例中，可需要兩個或兩個以上脈衝光源1-110a、1-110b以將處於兩個或兩個以上不同波長之光脈衝供應至一分析系統1-160，如在圖3-3中所繪示。在此等實施例中，可需要使光源之脈衝重複率與分析系統1-160上之電子操作同步。在某些實施方案中，若兩個脈衝光源使用主動方法來產生脈衝，則可使用上文與圖3-1一起闡述之技術。舉例而言，一時鐘3-110可將在一同步頻率f sync 下之一時脈或同步信號供應至兩個脈衝光源1-110a、1-110b，且供應至分析系統1-160。
在某些實施方案中，使來自兩個脈衝光源之脈衝在時間上交錯可係有益的，如在圖3-4A及圖3-4B中所繪示。當脈衝經交錯時，來自一第一源1-110a之一脈衝3-120a可在一第一時間t 1 處用一第一特性波長λ1激發分析系統1-160處之一或多個樣本。可然後由儀器收集表示第一脈衝與一或多個樣本之相互作用之資料。在一稍後時間t 2 處，來自一第二源1-110b之一脈衝3-120b可用一第二特性波長λ2激發分析系統1-160處之一或多個樣本。可然後由儀器收集表示第二脈衝與一或多個樣本之相互作用之資料。藉由交錯脈衝，處於一個波長之脈衝-樣本相互作用之效應可不與處於一第二波長之脈衝-樣本相互作用之效應混雜。此外，可偵測到與兩個或兩個以上螢光標記相關聯之特性。
脈衝可與定時及同步電路交錯，如在圖3-4A中所繪示。與圖3-3一起闡述之方法可用於使來自兩個脈衝光源1-110a、1-110b之脈衝串同步，且使分析系統1-160上之電子器件及操作與脈衝之到達同步。為交錯脈衝，一個脈衝光源之脈衝可與來自另一脈衝光源之脈衝異相
地鎖相或觸發。舉例而言，一第一脈衝光源1-110a之脈衝可經鎖相(使用一鎖相迴路或延遲鎖定迴路)或經觸發為與來自第二脈衝光源1-110b之脈衝180度異相，但亦可在某些實施例中使用其他相位或角度關係。在某些實施方案中，一時序延遲可經添加至經提供至脈衝光源中之一者之一觸發信號。時序延遲可將一觸發邊緣延遲達脈衝分離間隔T之大約一半。根據某些實施例，一經頻率加倍同步信號可由一定時器3-220產生，且經提供至儀器3-160以用於使儀器電子器件及操作與來自脈衝光源之經交錯脈衝之到達同步。
上文所闡述之脈衝光源可用於各種時域應用。在某些實施例中，脈衝光源可用於經組態以偵測一生物樣本之一狀況或性質及/或基於螢光生命期、螢光波長、螢光強度或其之一組合來表徵其狀況或性質的系統中。脈衝光源亦可用於時差測距系統中。時差測距系統可包含成像系統及測距系統，該等成像系統及測距系統用一短或超短光脈衝照射一目標，且然後偵測來自目標之經反向散射輻射以形成該目標之一個三維影像或判定至該目標之一距離。
在利用螢光之一時域應用中，在一第一特性波長下操作之一脈衝光源可激發一樣本中之一或多個螢光分子，且分析系統可偵測並分析處於一或多個波長的來自樣本之螢光發射，該等波長不同於脈衝光源之波長。根據某些實施例，可基於對來自存在於一生物樣本中之一或多個螢光分子之螢光生命期之一分析來判定該樣本之一或多個性質。在某些實施方案中，螢光發射之額外特性(例如，波長、強度)可經分析以進一步協助判定一生物樣本之一或多個性質。基於螢光生命期來判定生物樣本之性質的系統可係成像系統或非成像系統。當經組態為一成像系統時，一像素陣列可用於螢光偵測，且成像光學器件可置於樣本與像素陣列之間以在像素陣列上形成樣本之至少一部分之一
影像。在某些實施方案中，一非成像系統可使用一像素陣列來並行地偵測來自複數個樣本之螢光。
在圖4-1中繪示根據某些實施例之一儀器4-100，該儀器用於至少部分地基於螢光生命期分析且使用脈衝光源來判定生物樣本之性質。此一儀器可包括一或多個脈衝光源4-120、一時間組格化光偵測器4-150、一光學系統4-130(其可係一或多個透鏡且可包含一或多個光學濾波器)，及一透明窗4-140，該透明窗可壓抵一拍攝對象或一生物樣本可置於該透明窗上。一或若干脈衝光源及光學系統可經配置使得來自該或該等源之光脈衝透過窗4-140照射一區。由光激發脈衝激發之螢光發射可由光學系統4-130收集且經引導至可辨別一或多個螢光分子之生命期之時間組格化光偵測器4-150，如下文進一步闡述。在某些實施方案中，光偵測器4-150可係非成像的。在某些實施方案中，光偵測器4-150可包括一像素陣列(該等像素各自具有時間組格化能力)以形成一樣本之影像。影像資料可包含空間解析螢光生命期資訊以及習用成像資訊。儀器之組件可安裝於一罩殼4-105中，該罩殼之大小可係小的使得該儀器可經操作為一手持式裝置。光源4-120及光偵測器4-150可或可不安裝於一相同電路板4-110上。在某些實施例中，儀器4-100可包含一微處理器或微控制器及/或可包含資料通信硬體，使得資料可經傳輸至一外部裝置(例如，一智慧型電話、膝上型電腦、PC)以供處理及/或資料儲存。
經組態以基於螢光生命期分析樣本之系統可偵測不同螢光分子之間的螢光生命期之差別，及/或影響螢光生命期之不同環境中之相同螢光分子之生命期之間的差別。以闡釋方式，圖4-2標繪兩個不同螢光發射概率曲線(A及B)，其可表示(舉例而言)來自兩個不同螢光分子或不同環境中之一相同螢光分子之螢光發射。參考曲線A，在被一短或超短光脈衝激發之後，來自一第一分子之一螢光發射之一概率
p A (t)可隨時間衰變，如所繪示。在某些情形中，可由一指數衰變函數來表示一光子被發射之概率隨著時間之降低，其中P Ao 係一初始發射概率且τA係表徵發射衰變概率的與第一螢光分子相關聯之一時間參數。τA可被稱為第一螢光分子之「螢光生命期」、「發射生命期」或「生命期」。在某些情形中，τA之值可由於螢光分子之一局部環境而更改。其他螢光分子可具有不同於在曲線A中所展示之發射特性之發射特性。舉例而言，另一螢光分子可具有不同於一單一指數衰變之一衰變量變曲線，且其生命期可藉由一半衰期值或某些其他度量而表徵。
一第二螢光分子可具有一衰變量變曲線，該衰變量變曲線係指數的但具有一可量測的不同生命期τB，如在圖4-2中之曲線B所繪示。在某些實施例中，不同螢光分子可具有介於自約0.1ns至約20ns之範圍內之生命期或半衰期值。在所展示之實例中，曲線B之針對第二螢光分子之生命期比針對曲線A之生命期短，且發射之概率在第二分子之激發之後不久即高於曲線A。
發明者已認識並瞭解到，螢光發射生命期之差別可用於在不同螢光分子之存在或不存在之間進行辨別及/或在影響一或若干螢光分子之生命期的一樣本中之不同環境或狀況之間進行辨別。在某些情形中，基於生命期(而非(舉例而言)發射波長)辨別螢光分子可簡化一分析系統1-160之某些態樣。作為一實例，當基於生命期辨別螢光分子時，波長區別光學器件(諸如波長濾波器、針對每一波長之專用偵測器、處於不同波長之專用脈衝光源及/或繞射光學器件)之數目可減少或可被消除。在某些情形中，一單一脈衝光源可用於激發不同螢光分子，該等不同螢光分子在光學光譜之一相同波長區域內發射但具有可量測的不同生命期。使用一單一脈衝光源而非處於不同波長之多個源來激發並辨別在一相同波長區域中發射之不同螢光分子的一分析系統
操作及維護起來可係較不複雜的、係較緊湊的且可以較低成本製造。
儘管基於螢光生命期分析之分析系統可具有特定益處，但可藉由允許額外偵測技術來增加由一分析系統獲得之資訊之量。舉例而言，某些分析系統1-160可另外經組態以基於螢光波長及/或螢光強度來辨別一樣本之一或多個性質。
再次參考圖4-2，根據某些實施例，可用一光偵測器區分不同螢光生命期，該光偵測器經組態以在一螢光分子之激發之後對螢光發射事件進行時間組格化。時間組格化可在光偵測器之一單一電荷累積循環期間發生。在圖4-3中以圖形方式繪示藉由發射事件之時間組格化來判定螢光生命期之概念。在時間t1處或就在t1之前，藉由一短或超短光脈衝激發一螢光分子或一相同類型(例如，對應於圖4-2之曲線B之類型)之螢光分子之總體。針對一分子總體，發射之強度可具有如在圖4-3中所繪示之一時間量變曲線。
然而，針對一單一分子或少量分子，螢光光子之發射根據圖4-2中之曲線B之統計資料發生。一時間組格化光偵測器4-150可累積至離散時間組格(在圖4-3中指示為三個)中之發射事件，該等發射時間係相對於螢光分子之激發時間而量測。當大量發射事件經加總時，所得時間組格可近似在圖4-3中所展示之衰變強度曲線，且經組格化信號可用於在不同螢光分子之間或一螢光分子所定位之不同環境之間加以區分。
一時間組格化光偵測器之實例闡述於國際申請案第PCT/US2015/044360號(該國際申請案以引用方式併入本文中)中，且出於闡釋目的在圖4-4中繪示此一光偵測器之一實施例。一單一時間組格化光偵測器4-400可包括一光子吸收/載子產生區域4-402、一載子行進區域4-406及全部形成於一半導體基板上之複數個載子儲存組格4-408a、4-408b、4-408c。載子行進區域可藉由載子輸送通道4-407連
接至該複數個載子儲存組格。僅展示三個載子儲存組格，但可存在更多。可存在連接至載子儲存組格之一讀出通道4-410。可藉由局部地摻雜半導體及/或形成毗鄰絕緣區域而形成光子吸收/載子產生區域4-402，載子行進區域4-406，載子儲存組格4-408a、4-408b、4-408c及讀出通道4-410以提供光偵測能力且侷限載子。一時間組格化光偵測器4-400亦可包含形成於基板上之複數個電極4-420、4-422、4-432、4-434、4-436、4-440，該複數個電極經組態以在裝置中產生電場以用於穿過裝置輸送載子。
在操作中，螢光光子可在不同時間處於光子吸收/載子產生區域4-402處被接收並產生載子。舉例而言，在大約時間t1處，三個螢光光子可在光子吸收/載子產生區域4-402之一空乏區域中產生三個載子電子。裝置中之一電場(由於摻雜及/或在外部施加至電極4-420及4-422以及視情況或替代地施加至4-432、4-434、4-436之一偏壓)可將載子移動至載子行進區域4-406。在載子行進區域中，行進之距離在螢光分子之激發之後表現為一時間。在一稍後時間t5處，另一螢光光子可在光子吸收/載子產生區域4-402中被接收並產生一額外載子。在此時間處，前三個載子已行進至毗鄰於第二儲存組格4-408b之載子行進區域4-406中之一位置。在一稍後時間t7處，可在電極4-432、4-434、4-436與電極4-440之間施加一電偏壓以將載子自載子行進區域4-406橫向地輸送至儲存組格。前三個載子可然後經輸送至第一組格4-408a並保持於第一組格4-408a中，且稍後產生之載子可經輸送至第三組格4-408c並保持於第三組格4-408c中。在某些實施方案中，對應於每一儲存組格之時間間隔皆處於亞奈秒時間尺度下，但在某些實施例中亦可使用更長時間尺度(例如，在其中螢光團具有更長衰變時間之實施例中)。
在一激發事件(例如，來自一脈衝光源之激發脈衝)之後產生載子
且對其進行時間組格化之程序可在一單一激發脈衝之後發生一次或在光偵測器4-400之一單一電荷累積循環期間於多個激發脈衝之後被重複多次。在電荷累積完成之後，可經由讀出通道4-410自儲存組格讀出載子。舉例而言，可將一適當加偏壓序列施加至至少電極4-440及一下游電極(未展示)以自儲存組格4-408a、4-408b、4-408c移除載子。
在圖4-5A及圖4-5B中進一步詳細地繪示針對多個激發脈衝之信號獲取之態樣。在圖4-5A中，在時間te1、te2、te3、...處，多個激發脈衝經施加至一樣本。在每一激發脈衝之後，一或多個螢光發射事件可在時間tfn處發生，此導致取決於發射事件發生之時間，載子至不同載子儲存組格中之累積。在若干個激發事件之後，可讀出每一載子儲存組格中之經累積信號以提供一信號序列，該信號序列可表示為一直方圖4-510(在圖4-5B中所繪示)。該信號序列可指示在激發一樣本中之螢光團之後於每一經組格化時間間隔期間偵測之若干個光子，且表示一螢光發射衰變速率。該信號序列或直方圖可用於在不同螢光分子之間或在一螢光分子存在之不同環境之間進行區分。
作為區分不同螢光分子之一實例，具有三個時間組格之一光偵測器(如在圖4-3B及圖4-4中所繪示)可產生三個信號值(35、9、3.5)，該三個信號值藉由直方圖表示為圖4-5B之組格1至組格3且對應於圖4-2中之曲線B。與自一不同螢光分子(諸如對應於圖4-2中之曲線A之一螢光分子，其可產生經組格化值(18、12、8))記錄之經組格化信號值相較，此等經組格化信號值可具有不同相對值及/或絕對值。藉由比較經組格化值之信號序列與一校準標準，可在兩個或兩個以上螢光分子之間或在影響螢光生命期之環境之間進行區分。可使用在僅一單一特性波長下操作之一脈衝光源而基於生命期資訊區分多個不同螢光分子及/或環境可係有益的。
根據某些實施例，可在至少一個時間組格化光偵測器中包含一激發組格(例如，組格0)以記錄激發脈衝之一信號位準(例如，累積直接由激發脈衝產生之載子)。經記錄信號位準可用於使螢光信號位準正規化，此對於基於強度來區分螢光分子可係有用的。
在某些實施例中，來自儲存組格4-408之信號值可用於擬合一發射衰變曲線(例如，一單指數衰變)且判定一經偵測生命期。在某些實施例中，經組格化信號值可擬合至多指數衰變，諸如雙指數或三指數。可使用一拉格耳(Laguerre)分解程序來分析多指數衰變。在某些實施方案中，信號值可經處理為一向量或位置且經映射至M維空間，且可使用叢集分析來判定一經偵測生命期。一旦判定一生命期，便可識別螢光分子之類型或一螢光分子所定位之環境之一性質。
儘管與圖4-3及圖4-4一起闡述之實例繪示三個時間組格，但一時間組格化光偵測器亦可具有更少或更多時間組格。舉例而言，時間組格之數目可係2、3、4、5、6、7、8或更多。在某些情形中，可存在16、32、64或更多個時間組格。根據某些實施例，一光偵測器中之時間組格之一數目可係可重新組態的。舉例而言，可在讀出時組合一或多個毗鄰組格。
儘管圖4-3之論述係關於偵測在一時間處來自一單一類型之螢光分子的發射，但在某些情形中，一樣本可含有具有不同生命期之兩個或兩個以上不同螢光分子。在多個不同螢光分子促成一時間發射量變曲線之情況下，可使用一平均螢光生命期來表示總體。在某些實施例中，一分析系統1-160可經組態以在螢光分子之組合之間進行辨別。舉例而言，螢光分子之一第一組合可展現出不同於螢光分子之一第二組合之一平均生命期。
根據某些實施例，時間組格化光偵測器可用於一成像陣列中，且成像光學器件可包含於時間組格化光偵測器陣列與一樣本之間。舉
例而言，一成像陣列之每一成像像素皆可包括一時間組格化光偵測器4-400。成像光學器件可在光偵測器陣列上形成樣本之一區域之一影像。光偵測器陣列中之每一像素皆可記錄經時間組格化信號值，該等信號值經分析以判定對應於該像素之所成像區域之部分的一螢光生命期。因此，此一成像陣列可提供空間解析螢光生命期成像資訊來辨別具有不同螢光生命期特性之一影像中之不同區域。在某些實施方案中，可(例如)藉由加總每一像素處之所有組格或藉由由激發脈衝組格(組格0)建構一影像而使用相同時間組格化光偵測器來獲得相同區域之一習用影像。螢光生命期變化可顯示為一習用灰階或色彩影像上之一重疊色彩編碼映圖。在某些情形中，生命期映射可使得一醫師能夠執行一程序來識別組織之一異常或病態區域(例如，癌性或癌前的)。
發明者已認識並瞭解到，緊湊脈衝光源與用於偵測螢光生命期之時間組格化光偵測器可組合於可具有在臨床環境或家用環境中之應用之低成本、可攜式醫療點(POC)儀器中。此等儀器可係成像或非成像的，且可利用螢光生命期分析來判定一生物樣本(例如，人體組織)之一或多個性質。在某些情形中，可在用於分析生物物質(例如，用於分析潛在的危險材料)之領域中使用用於判定生物樣本之性質之一儀器4-100。下文闡述POC儀器及使用螢光生命期進行樣本分析之某些態樣。
發明者已認識並瞭解到，某些內生生物分子發出具有標誌生命期之螢光，該等標誌特徵生命期可經分析以判定一患者之狀況或者一患者之組織或器官之一狀況。因此，某些自然生物分子可充當用於一患者之一區域之內生螢光分子，且提供用於患者之該區域之無標記報道符。內生螢光分子之實例可(以實例方式且並非限制方式)包含：血紅素、膠原、菸鹼醯胺腺嘌呤二核苷酸磷酸鹽(NAD(P)H)、視黃醇、核黃素、膽鈣化醇、葉酸、吡哆醇、酪胺酸、二酪胺酸、糖化加成
物、吲哚胺、脂褐質、多酚、色胺酸、黃素及黑色素。
內生螢光分子可在其所發射之光之波長及其對激發能量之回應方面變化。在表1中提供針對某些例示性內生螢光分子之激發及螢光之波長。額外內生螢光分子及其特性螢光波長包含：視黃醇-500nm、核黃素-550nm、膽鈣化醇-380至460nm及吡哆醇-400nm。
內生螢光分子亦可具有不同螢光生命期及/或對一周圍環境敏感之螢光生命期。可影響內生螢光分子之螢光生命期之環境因素包含組織架構之改變、形態、氧合作用、pH、血管分佈、細胞結構及/或細胞代謝狀態。在某些實施例中，一健康組織之一螢光生命期(或經組合生命期之平均值)可不同於一不健康組織。與其他評價技術相較，分析自一患者之組織(用一短或超短光脈衝照射該組織)偵測之螢光生命期可允許一臨床醫師偵測患者之一疾病之一較早期階段。舉例而言，可使用螢光生命期分析在癌症對肉眼可見之前的一早期階段處偵測某些類型之皮膚癌。
在某些實施例中，可偵測特定生物分子之存在及/或相對濃度來判定一患者之狀況。對於某些生物分子，分子之氧化態可提供對患者
之狀況之一指示。分子之一螢光生命期可基於分子之一氧化態而更改。對經偵測螢光生命期之分析可用於判定一患者之組織中之一生物分子之一氧化態與一還原態之相對濃度。相對濃度可指示患者之一狀況。在某些情形中，某些生物分子(例如，NADH)可結合至一細胞中之其他分子(例如，蛋白質)並且具有一未經結合或自由溶液狀態。經結合狀態及未經結合狀態可具有不同螢光生命期。對一細胞或組織之評價可包含基於螢光生命期來判定自由形式對經結合形式中之分子之相對濃度。
特定生物分子可提供對多種疾病及狀況之一指示，該等疾病及狀況包含癌症(例如，黑色素瘤)、腫瘤、細菌感染、病毒感染及糖尿病。作為一實例，可藉由分析來自特定生物分子(例如，NAD(P)H、核黃素、黃素)之螢光生命期而將癌細胞及組織與健康細胞及組織區別開。與一健康組織相較，一癌組織可具有此等生物分子中之一或多者之一更高濃度。作為另一實例，可藉由偵測與指示血糖濃度之生物分子(諸如己醣激酶及肝糖加成物)相關聯之螢光生命期而評價個體之糖尿病。作為另一實例，可藉由偵測膠原及脂褐質之濃度而基於螢光生命期評價由於老化所致之一般改變。
在某些實施例中，外生螢光分子可併入至一組織區域中，且被替代地使用或除內生螢光分子之外被使用。在某些情形中，可隨一探針包含外生螢光標記或將外生螢光標記提供為用以識別樣本中之一目標(例如，一特定分子、細菌或病毒)之存在的一標記。外生螢光分子之實例包含螢光染色劑、有機染料、螢光蛋白、酶及/或量子點。此等外生分子可與一探針或官能團(例如，分子、離子及/或配位基)共軛，該探針或官能團具體結合至疑存在於樣本中之一特定目標或分量。將一外生螢光分子附接至一探針可允許藉由偵測指示外生螢光分子之一螢光生命期而識別目標。在某些實施例中，外生螢光分子可包
含於可容易地施用至一患者(例如，局部施用至皮膚、用於胃腸道成像之攝入)之一組合物(例如，凝膠或液體)中。
如可瞭解，一緊湊POC成像儀器可允許一臨床醫師以一非侵入性方式評估及/或診斷一患者之狀況。藉由用一成像裝置對一可接達組織區域進行成像而非藉由自一患者提取一生物樣本，可以以下之一方式執行對患者之評價：減少在獲得結果時所涉及之時間量、減少一程序之侵入性、減少成本及/或促進在不需要將患者移動至一遠端測試位置或將一患者之一樣本發送至一測試設施之情況下臨床醫師治療患者之能力。
螢光生命期成像之另一時域應用係在顯微術之領域中。可藉由用一短或超短光脈衝激發用顯微鏡觀看之一樣本，且用一時間組格化光偵測器陣列來偵測來自該樣本之螢光而執行螢光生命期成像顯微術(FLIM)。可在像素層級下分析經偵測螢光以判定顯微鏡之視場內之對應所影像部分之生命期，且生命期資料可映射至樣本之一所得影像。因此，可基於螢光生命期在顯微層級下判定樣本性質。
脈衝光源及時間組格化光偵測器陣列亦可用於不涉及螢光生命期分析之時域應用中。一個此應用包含時差測距(TOF)成像。在TOF成像中，光脈衝可用於照射一遠距離物件。成像光學器件可用於收集來自脈衝之經反向散射輻射且在一時間組格化光偵測器陣列上形成遠距離物件之一影像。在陣列中之每一像素處，可判定光子之到達時間(例如，判定一經反向散射脈衝之一峰值發生之時間)。由於到達時間和物件與光偵測器陣列之間的距離成比例，因此可形成物件之一個三維映圖，該三維映圖展示所影像物件之表面形貌。
可實施設備及方法之各種組態及實施例。在此章節闡述某些實例性組態，但本發明並不僅限於所列舉組態及實施例。
(1)，一種脈衝光源，其包括：一半導體二極體，其經組態以發射光；及一驅動電路，其包含耦合至該半導體二極體之一端子之一電晶體，其中該驅動電路經組態以接收一單極脈衝且回應於接收到該單極脈衝而將一雙極電脈衝施加至該半導體二極體。
(2)，如組態(1)之脈衝光源，其中該雙極電脈衝包括具有一第一量值及第一極性之一第一脈衝，該第一脈衝後續接著相反極性之一第二脈衝，該第二脈衝具有不同於該第一量值之一第二量值。
(3)，如(2)之脈衝光源，其中該第二量值介於該第一量值之25%與90%之間。
(4)，如(1)至(3)中任一者之脈衝光源，其進一步包括連接至該半導體二極體之一端子之多個導線接合。
(5)，如(1)至(4)中任一者之脈衝光源，其進一步包括一脈衝產生器，該脈衝產生器耦合至該驅動電路且經組態以形成該單極脈衝並將該單極脈衝輸出至該驅動電路。
(6)，如(5)之脈衝光源，其中該脈衝產生器、該驅動電路及該半導體二極體位於一相同印刷電路板上。
(7)，如(5)之脈衝光源，其中該脈衝產生器、該驅動電路及該半導體二極體位於一相同基板上。
(8)，如(1)至(7)中任一者之脈衝光源，其中該單極脈衝之一脈衝長度介於50ps與500ps之間。
(9)，如(5)至(8)中任一者之脈衝光源，其中該脈衝產生器包括一第一邏輯閘，該第一邏輯閘由兩個差動時脈信號形成該單極脈衝。
(10)，如(9)之脈衝光源，其中該第一邏輯閘包括一射極耦合邏輯閘。
(11)，如(9)或(10)之脈衝光源，其中該脈衝產生器進一步包括一扇出閘，該扇出閘經組態以接收一單一時脈信號且將四個時脈信號輸
出至該第一邏輯閘。
(12)，如(9)至(11)中任一者之脈衝光源，其中該脈衝產生器進一步包括一可調整延遲元件，該可調整延遲元件經組態以使該單極脈衝之一脈衝長度以介於1ps與5ps之間的增量變化。
(13)，如(9)至(12)中任一者之脈衝光源，其中該電晶體具有連接於該半導體二極體之一陰極與一參考電位之間的電流攜載端子且具有耦合至該第一邏輯閘之一閘極端子。
(14)，如(13)之脈衝光源，其進一步包括連接於該電晶體之該閘極端子與來自該第一邏輯閘之一輸出之間的一電容器。
(15)，如(1)至(14)中任一者之脈衝光源，其中該電晶體包括一高電子遷移率場效電晶體。
(16)，如(1)至(15)中任一者之脈衝光源，其中該電晶體經組態以將最高達4安培切換穿過該半導體二極體達介於50ps與2ns之間的一持續時間。
(17)，如(9)至(13)中任一者之脈衝光源，其進一步包括一第二邏輯閘，該第二邏輯閘與該第一邏輯閘並聯連接且經配置以由該兩個差動時脈信號形成一第二單極脈衝，其中來自該第二邏輯閘之一輸出耦合至該電晶體之該閘極端子。
(18)，如(1)至(17)中任一者之脈衝光源，其中該電晶體之一汲極端子直接連接至該半導體二極體之一陰極。
(19)，如(18)之脈衝光源，其進一步包括並聯連接至該汲極端子之一第一電容器及電阻器。
(20)，如(18)或(19)之脈衝光源，其進一步包括連接於該半導體二極體之一陽極與該電晶體之一源極端子之間的一第二電容器。
(21)，如(5)至(20)中任一者之脈衝光源，其中該脈衝產生器及該驅動電路經組態而以約30Hz與約200MHz之間的一重複率用該雙極
電脈衝來調變該半導體二極體。
(22)，如(1)至(21)中任一者之脈衝光源，其中回應於該雙極電脈衝之施加而自該半導體二極體發射具有介於50ps與500ps之間的一半峰全幅持續時間之一光脈衝。
(23)，如(1)至(21)中任一者之脈衝光源，其中該光脈衝具有選自以下群組之一特性波長：270nm、280nm、325nm、340nm、370nm、380nm、400nm、405nm、410nm、450nm、465nm、470nm、490nm、515nm、640nm、665nm、808nm及980nm。
(24)，如(1)至(23)中任一者之脈衝光源，其中該光脈衝之一尾部在自該脈衝之峰值經過250ps之後保持比該脈衝之該峰值低至少20dB。
(25)，如(1)至(24)中任一者之脈衝光源，其中該半導體二極體包括一雷射二極體。
(26)，如(25)之脈衝光源，其中該雷射二極體包含多量子井。
(27)，如(1)至(26)中任一者之脈衝光源，其中該半導體二極體係一發光二極體。
(28)，如(1)至(27)中任一者之脈衝光源，其中該半導體二極體係一板條耦合光學波導雷射二極體。
(29)，如(1)至(28)中任一者之脈衝光源，其進一步包括一可飽和吸收器，該可飽和吸收器經配置以自該半導體二極體接收一光脈衝。
(30)，如(1)至(29)中任一者之脈衝光源，其中該可飽和吸收器與該半導體二極體形成於一相同基板中。
(31)，如(1)至(4)、(15)、(16)、(18)及(22)至(30)中任一者之脈衝光源，其中該驅動電路包括一傳輸線脈衝產生器。
(32)，如(31)之脈衝光源，其進一步包括以一U形狀形成之一傳輸線。
(33)，如(31)或(32)之脈衝光源，其中該半導體二極體連接至該傳輸線之一第一端，且該脈衝光源進一步包括連接至該傳輸線之一第二端之一端接阻抗。
(34)，如(33)之脈衝光源，其進一步包括一短接電晶體，該短接電晶體經配置以將該傳輸線之該第一端及該第二端短接至一參考電位。
(35)，如(1)至(34)中任一者之脈衝光源，其進一步包括：一光偵測器陣列，其具有複數個像素，該複數個像素各自經組態以在一單一電荷累積間隔期間將光子到達時間區別成至少兩個時間組格；及一光學系統，其經配置以在該光偵測器陣列上形成由該脈衝光源照射之一物件之一影像。
(36)，如(35)之脈衝光源，其中該光偵測器陣列經配置以產生表示位於遠距離物件處之至少一個螢光分子之螢光生命期的信號。
(37)，如(35)或(36)之脈衝光源，其進一步包括信號處理電子器件，該等信號處理電子器件經組態以自該光偵測器陣列接收表示螢光生命期之該等信號，且產生用於該物件之一電子影像之數位資料，其中該電子影像指示基於螢光生命期的該物件之至少一個特性。
(38)，一種產生一光脈衝之方法，該方法包括以下動作：接收至少一個時脈信號；自該至少一個時脈信號產生一電脈衝；用該電脈衝驅動一電晶體之一閘極端子，其中該電晶體之一電流攜載端子連接至經組態以發射光之一半導體二極體；及回應於藉由該電脈衝對該電晶體之啟動而將一雙極電流脈衝施加至該半導體二極體以產生一光脈衝。
(39)，如實施例(38)之方法，其中該電脈衝係一單極脈衝。
(40)，如(38)或(39)之方法，其進一步包括調整該單極脈衝之一脈衝持續時間而非一脈衝振幅來控制該光脈衝之一振幅。
(41)，如(38)至(40)中任一者之方法，其中該光脈衝具有介於50ps與2ns之間的一半峰全幅持續時間。
(42)，如(38)至(40)中任一者之方法，其中該光脈衝具有介於50ps與500ps之間的一半峰全幅持續時間。
(43)，如(38)至(42)中任一者之方法，其中該光脈衝具有選自以下群組之一特性波長：270nm、280nm、325nm、340nm、370nm、380nm、400nm、405nm、410nm、450nm、465nm、470nm、490nm、515nm、640nm、665nm、808nm及980nm。
(44)，如(38)至(43)中任一者之方法，其進一步包括重複接收、產生、驅動及施加之該等動作以便以30Hz與200MHz之間的一重複率產生一系列光脈衝。
(45)，如(38)至(44)中任一者之方法，其中該雙極電流脈衝包括具有一第一振幅之一第一脈衝及具有一第二振幅、相反極性且量值不同於該第一脈衝之一第二脈衝。
(46)，如(38)至(45)之方法，其中該半導體二極體包括一雷射二極體或發光二極體。
(47)，如(38)至(46)中任一者之方法，其進一步包括用一可飽和吸收器以差動方式使該光脈衝之一部分衰減。
(48)，如(38)至(47)中任一者之方法，其中接收至少一個時脈信號之該動作包括：在耦合至該電晶體之該閘極端子之一邏輯閘處接收兩個差動時脈信號。
(49)，如(38)至(47)中任一者之方法，其中接收至少一個時脈信號之該動作包括：在並聯耦合至該電晶體之該閘極端子之兩個邏輯閘處接收兩個差動時脈信號。
(50)，如(38)至(49)中任一者之方法，其中產生該電脈衝之該動作包括：用耦合至該電晶體之該閘極端子之一邏輯閘來處理兩個差動
時脈信號以形成該電脈衝。
(51)，如(50)之方法，其進一步包括藉由該兩個差動時脈信號之間的一相位延遲來設定該電脈衝之一長度。
(52)，如(38)至(51)中任一者之方法，其中產生該電脈衝之該動作包括：用並聯耦合至該電晶體之該閘極端子之兩個邏輯閘來處理兩個差動時脈信號以形成該電脈衝。
(53)，如(38)至(52)中任一者之方法，其進一步包括：用來自該半導體二極體之光脈衝照射一樣本；及自該樣本偵測螢光生命期。
(54)，如(53)之方法，其進一步包括在至少兩個不同螢光生命期之間進行區分，該至少兩個不同螢光生命期具有與兩個不同螢光分子或該等分子所定位之環境相關聯之不同衰變速率，其中該等光脈衝係處於一單一特性波長。
(55)，如(53)或(54)之方法，其進一步包括基於該等經偵測螢光生命期而判定該樣本之至少一個性質。
(56)，如(55)之方法，其進一步包括：產生該樣本之一區域之一電子影像；及在該影像中指示基於螢光生命期之至少一個特性。
(57)，如(38)至(52)中任一者之方法，其進一步包括：用來自該半導體二極體之光脈衝照射一樣本；及在一單一光偵測器之一單一電荷累積間隔期間，用該單一光偵測器將自該樣本向後散射之光子之到達時間區別成至少兩個時間組格。
(58)，如(57)之方法，其進一步包括基於該等經區別到達時間而產生該樣本之一電子三維影像。
(59)，一種螢光生命期分析系統，其包括：一半導體二極體，其經組態以發射光；一驅動電路，其經組態以將一雙極電流脈衝施加至該半導體二極體，從而產生一光脈衝；一光學系統，其經配置以將該光脈衝遞送至一樣本；及一光偵測器，其經組態以在該光偵測器之一
單一電荷累積間隔期間將光子到達時間區別成至少兩個時間組格。
(60)，如(59)之系統，其進一步包括一脈衝產生器，該脈衝產生器經配置以將一電脈衝提供至電流驅動電路，其中該電流驅動電路經組態以回應於接收到該電脈衝而將一雙極脈衝施加至該半導體二極體。
(61)，如(60)之系統，其中該電脈衝係具有介於50ps與2ns之間的一持續時間之一單極脈衝。
(62)，如(60)或(61)之系統，其中該電流驅動電路包括一電晶體，該電晶體具有耦合至來自該脈衝產生器之一輸出之一閘極端子，且具有連接於該半導體二極體之一端子與一參考電位之間的電流攜載端子。
(63)，如(62)之系統，其進一步包括：一第一電阻器及第一電容器，其並聯連接於該半導體二極體之一陽極與一陰極之間；及一第二電阻器及第二電容器，其並聯連接於該電晶體之一閘極端子與一參考電位之間。
(64)，如(59)至(63)中任一者之系統，其中該半導體二極體包括一雷射二極體或發光二極體。
(65)，如(59)至(63)中任一者之系統，其進一步包括連接至該半導體二極體之一端子之多個導線接合。
(66)，如(59)至(63)中任一者之系統，其中該光脈衝具有介於50ps與500ps之間的一半峰全幅持續時間。
(67)，如(59)至(63)中任一者之系統，其中該光脈衝具有選自以下群組之一特性波長：270nm、280nm、325nm、340nm、370nm、380nm、400nm、405nm、410nm、450nm、465nm、470nm、490nm、515nm、640nm、665nm、808nm及980nm。
(68)，如(59)至(63)中任一者之系統，其進一步包括其中定位有
該光偵測器之一光偵測器陣列，該光偵測器陣列經組態以在針對該光脈衝之一單一電荷累積間隔期間對來自該樣本之螢光進行時間組格化。
(69)，如(68)之系統，其進一步包括位於該樣本與該光偵測器陣列之間的成像光學器件，其中該等成像光學器件經配置以在該光偵測器陣列處形成藉由該光脈衝照射之該樣本之一區域之一影像。
(70)，如(69)之系統，其中在該光偵測器陣列處形成之該影像係該樣本之一顯微區域之一影像。
(71)，一種脈衝光源，其包括：一半導體二極體，其經組態以發射光；一第一邏輯閘，其經組態以在該第一邏輯閘之一輸出處形成一第一脈衝；一驅動電路，其耦合至該第一邏輯閘，其中該驅動電路經組態以接收該第一脈衝且回應於接收到該第一脈衝而將一雙極電脈衝施加至該半導體二極體以產生一光脈衝。
(72)，如(71)之脈衝光源，其中該第一脈衝係一單極脈衝。
(73)，如(72)之脈衝光源，其進一步包括耦合至該第一邏輯閘之一扇出閘及一延遲元件，其中該延遲元件使來自該扇出閘之至少一個輸出延遲。
(74)，如(73)之脈衝光源，其中該延遲元件經組態以使該單極脈衝之一脈衝長度以介於1ps與5ps之間的增量變化。
(75)，如(71)至(74)中任一者之脈衝光源，其中該第一邏輯閘經組態以由兩個差動時脈信號形成該第一脈衝。
(76)，如(71)至(75)中任一者之脈衝光源，其中該雙極電脈衝包括具有一第一量值及第一極性之一第一脈衝，後續接著相反極性之一第二脈衝，該第二脈衝具有不同於該第一量值之一第二量值。
(77)，如(76)之脈衝光源，其中該第二量值介於該第一量值之25%與90%之間。
(78)，如(71)至(77)中任一者之脈衝光源，其進一步包括連接至該半導體二極體之一端子之多個導線接合。
(79)，如(75)至(78)中任一者之脈衝光源，其進一步包括一第二邏輯閘，該第二邏輯閘經組態以由該兩個差動時脈信號形成一第二脈衝，其中該第二邏輯閘與該第一邏輯閘並聯連接且該第二邏輯閘之一輸出耦合至該驅動電路。
(80)，如(71)至(79)中任一者之脈衝光源，其進一步包括處於該驅動電路內之一電晶體，該電晶體具有連接於該半導體二極體與一參考電位之間的電流攜載端子。
(81)，如(80)之脈衝光源，其中該光脈衝具有介於50ps與2ns之間的一持續時間。
(82)，一種脈衝光源，其包括：一半導體二極體，其經組態以發射光；及一驅動電路，其包含耦合至該半導體二極體之一端子之一電晶體，其中該驅動電路經組態以接收一單極脈衝且回應於接收到該單極脈衝而將一雙極電脈衝施加至該半導體二極體，其中該電晶體與該半導體二極體並聯連接於一電流源與一參考電位之間。
(83)，如(82)之脈衝光源，其視情況排除(1)之特徵而具有(2)至(4)、(15)及(22)至(30)中任一者之特徵，該脈衝光源進一步包括並聯連接於該半導體二極體與該參考電位之間的一電阻器及一電容器。
(84)，如(82)或(83)之脈衝光源，其中該電晶體經組態以正常導通且用該單極脈衝進行脈衝式關斷。
(85)，如(82)至(84)中任一者之脈衝光源，其進一步包括：一光偵測器陣列，其具有複數個像素，該複數個像素各自經組態以在一單一電荷累積間隔期間將光子到達時間區別成至少兩個時間組格；及一光學系統，其經配置以在該光偵測器陣列上形成由該脈衝光源照射之一物件之一影像。
(86)，一種脈衝光源，其包括：一半導體二極體，其經組態以發射光；及複數個第一電路分支，其連接至該半導體二極體之一第一端子，每一電路分支皆包括一電晶體，該電晶體具有連接於一參考電位與該半導體二極體之該第一端子之間的其電流攜載端子。
(87)，如(86)之脈衝光源，其視情況排除(1)之特徵而具有(4)、(15)、(16)及(22)至(30)中任一者之特徵，其中該複數個第一電路分支中之一第一電路分支中之一第一參考電位具有不同於該複數個第一電路分支中之一第二電路分支中之一第二參考電位之一值。
(88)，如(86)或(87)之脈衝光源，其中該複數個第一電路分支中之一第一電路分支中之一第一參考電位具有一正值，且該複數個第一電路分支中之一第二電路分支中之一第二參考電位具有一負值。
(89)，如(86)至(88)中任一者之脈衝光源，其進一步包括處於每一電路分支中之一電阻器，該電阻器連接於該電晶體之一電流攜載端子與該參考電位之間。
(90)，如(86)至(89)中任一者之脈衝光源，其進一步包括處於每一電路分支中之一電容器，該電容器連接於該電晶體之一電流攜載端子與一接地電位之間。
(91)，如(86)至(90)中任一者之脈衝光源，其進一步包括：一光偵測器陣列，其具有複數個像素，該複數個像素各自經組態以在一單一電荷累積間隔期間將光子到達時間區別成至少兩個時間組格；及一光學系統，其經配置以在該光偵測器陣列上形成由該脈衝光源照射之一物件之一影像。
(92)，一種脈衝光源，其包括：一射頻放大器，其提供一信號及一經反相信號；一邏輯閘，其經組態以接收該信號及一經相移之經反相信號且輸出一脈衝及一經反相脈衝；一組合器，其經組態以將該脈衝及該經反相脈衝組合至一共同輸出上；及一半導體二極體，其耦
合至該共同輸出且經組態以回應於接收到該脈衝及該經反相脈衝而產生一光脈衝。
(93)，如(92)之脈衝光源，其視情況排除(1)之特徵而具有(4)、(15)、(16)及(22)至(30)中任一者之特徵，該脈衝光源進一步包括一可變衰減器，該可變衰減器經配置以使該脈衝或該經反相脈衝衰減。
(94)，如(92)或(93)之脈衝光源，其進一步包括一延遲元件，該延遲元件經配置以使該脈衝或該經反相脈衝在時間上延遲。
(95)，如(92)至(94)中任一者之脈衝光源，其進一步包括連接至該射頻放大器之一輸入之一DC區塊。
(96)，如(92)至(95)中任一者之脈衝光源，其進一步包括：一光偵測器陣列，其具有複數個像素，該複數個像素各自經組態以在一單一電荷累積間隔期間將光子到達時間區別成至少兩個時間組格；及一光學系統，其經配置以在該光偵測器陣列上形成由該脈衝光源照射之一物件之一影像。
(97)，一種脈衝光源，其包括：一射頻邏輯閘，其經組態以接收一第一信號及該第一信號之一經反相版本且輸出一脈衝及該脈衝之一經反相版本；及一半導體二極體，其連接至該射頻邏輯閘且經配置以在該半導體二極體之一第一端子處接收該脈衝並在該半導體二極體之一第二端子處接收該脈衝之該經反相版本，且發射一光脈衝。
(98)，如(97)之脈衝光源，其視情況排除(1)之特徵而具有(4)、(15)、(16)及(22)至(30)中任一者之特徵，該脈衝光源進一步包括：一第一放大器，其經配置以接收一週期信號且輸出該第一信號及該第一信號之該經反相版本；及一移相器，其經配置以使該第一信號或該第一信號之該經反相版本之一相位變化。
(99)，如(97)或(98)之脈衝光源，其進一步包括：一光偵測器陣列，其具有複數個像素，該複數個像素各自經組態以在一單一電荷累
積間隔期間將光子到達時間區別成至少兩個時間組格；及一光學系統，其經配置以在該光偵測器陣列上形成由該脈衝光源照射之一物件之一影像。
如此闡述一脈衝雷射之數項實施例之數項態樣後，應瞭解，熟習此項技術者將易於聯想到各種更改、修改及改良。此等更改、修改及改良意欲係本發明之一部分且意欲在本發明之精神及範疇內。雖然連同各種實施例及實例一起闡述本發明教示，但並不意欲將本發明教示限於此等實施例或實例。相反，本發明教示囊括各種替代方案、修改及等效形式，如熟習此項技術者將瞭解。
雖然已闡述並圖解說明各種發明性實施例，但熟習此項技術者將易於想像用於執行所闡述之功能及/或獲得所闡述之結果及/或優點中之一或多者之多種其他構件及/或結構，且此等變化及/或修改中之每一者皆被認為係在所闡述之發明性實施例之範疇內。更一般而言，熟習此項技術者將易於瞭解，所闡述之所有參數、尺寸、材料及組態意指實例且實際參數、尺寸、材料及/或組態將取決於其中使用發明性教示之一或若干具體應用。熟習此項技術者將僅使用常式實驗即可認識或能夠確定所闡述之特定發明性實施例之諸多等效形式。因此，應理解前述實施例僅以實例方式呈現且在隨附申請專利範圍及其等效形式之範疇內，可與所具體闡述及主張不同地實踐發明性實施例。本發明之發明性實施例可針對於所闡述之每一個別特徵、系統、系統升級及/或方法。另外，若此等特徵、系統、系統升級及/或方法不互相矛盾，則兩個或兩個以上此等特徵、系統及/或方法之任何組合包含於本發明之發明性範疇內。
此外，儘管可指示本發明之某些優點，但應瞭解並非本發明之每一實施例皆將包含每一所闡述優點。某些實施例可不實施闡述為有
利之任何特徵。因此，前述闡述及圖式僅係以實例方式。
數值及範圍可在說明書及申請專利範圍中闡述為近似或確切值或範圍。舉例而言，在某些情形中，術語「約」、「大約」及「實質上」可參考一值而使用。此等參考意欲囊括經參考值並且加上及減去該值之合理變化。舉例而言，一片語「介於約10與約20之間」意欲在某些實施例中意指「介於恰好10與恰好20之間」，並且在某些實施例中意指「介於10±δ1與20±δ2之間」。一值之變化量δ1、δ2可在某些實施例中小於該值之5%，在某些實施例中小於該值之10%，且亦在某些實施例中小於該值之20%。在其中給出值之一大範圍(例如，包含兩個或兩個以上數量級之一範圍)之實施例中，一值之變化量δ1、δ2可高至50%。舉例而言，若一可操作範圍自2延伸至200，則「大約80」可囊括40與120之間的值且範圍可大至1與300之間。當意欲係確切值時，使用術語「恰好」，例如「介於恰好2與恰好200之間」。
本申請案中所引用之所有文獻及類似材料(包含但不限於專利、專利申請案、文章、書籍、專著及網頁(不管此等文獻及類似材料之格式為何))皆以全文引用方式明確併入。倘若所併入文獻及類似材料中之一或多者不同於本申請案或與本申請案矛盾(包含但不限於所定義術語、術語使用、所闡述技術或諸如此類)，則以本申請案為準。
所使用之各部分標題僅出於組織目的，且不應理解為以任何方式限制所闡述之標的物。
此外，所闡述之技術可體現為一方法，已提供該方法之至少一個實例。執行為該方法之部分之動作可以任何適合方式排序。因此，實施例可經構造為其中以不同於所圖解說明之一次序來執行動作，此可包含同時執行某些動作(即使在說明性實施例中展示為循序動作)。
如所定義及所使用，所有定義皆應理解為控制辭典定義、以引
用方式併入之文件中之定義及/或所定義術語之普通意義。
除非明確指示為相反，否則如在說明書中及在申請專利範圍中所使用之不定冠詞「一(a)」及「一(an)」應理解為意指「至少一個」。
如在說明書中及在申請專利範圍中所使用，片語「及/或」應理解為意指如此結合之元件中之「任一者或兩者」，亦即，在某些情形中以結合方式存在之元件及在其他情形中以分離方式存在之元件。用「及/或」列舉之多個元件應以相同方式理解，亦即，如此結合之元件中之「一或多者」。可視情況存在除由「及/或」從句具體識別之元件之外的其他元件，無論與所具體識別之彼等元件相關還是不相關。因此，作為一非限制性實例，當連同諸如「包括」之開端式語言一起使用時，對「A及/或B」之一引用可在一項實施例中僅係指A(視情況包含除B之外的元件)；在又一實施例中，僅係指B(視情況包含除A之外的元件)；在再一實施例中，係指A及B兩者(視情況包含其他元件)等。
如在說明書中及在申請專利範圍中所使用，「或」應理解為具有與如上文所定義之「及/或」相同之意義。舉例而言，當分離一清單中之物項時，「或」或者「及/或」應闡釋為係包含性的，亦即，包含若干元件或一元件清單中之至少一者(但亦包含一者以上)及視情況包含額外未列舉物項。僅明確指示為相反之術語，諸如「...中之僅一者」或「...中之恰好一者」或當用於申請專利範圍中時，「由...組成」將係指包含若干元件或一元件清單中之恰好一個元件。一般而言，如所使用之術語「或」在前面有排他性術語(諸如「任一者」、「其中之一者」、「其中之僅一者」或「其中之確切一者」)時應僅闡釋為指示排他性替代方案(亦即，「一者或另一者而非兩者」)。「基本上由...組成」(當用於申請專利範圍中時)應具有如用於專利法
律領域中之普通意義。
如在說明書中及在申請專利範圍中所使用，在提及一或多個元件之一清單時之片語「至少一個」應理解為意指自該元件清單中之該等元件中之任一者或多者選擇之至少一個元件，但未必包含該元件清單內所具體列舉之每一元件中之至少一者，且不排除該元件清單中之元件之任何組合。此定義亦允許可視情況存在除片語「至少一個」指代之該元件清單內所具體識別之元件之外的元件，無論與所具體識別之彼等元件相關還是不相關。因此，作為一非限制性實例，「A及B中之至少一者」(或等效地，「A或B中之至少一者」，或等效地，「A及/或B中之至少一者」)可在一項實施例中係指至少一個(視情況包含一個以上)A，而不存在B(且視情況包含除B之外的元件)；在另一實施例中，係指至少一個(視情況包含一個以上)B，而不存在A(且視情況包含除A之外的元件)；在又一實施例中，係指至少一個(視情況包含一個以上)A及至少一個(視情況包含一個以上)B(且視情況包含其他元件)等。
在申請專利範圍中以及在上文說明書中，所有過渡性片語(諸如「包括」、「包含」、「攜載」、「具有」、「含有」、「涉及」、「固持」、「由...構成」及諸如此類)應理解為開端式，亦即，意指包含但不限於。僅過渡性片語「由...組成」及「基本上由...組成」應分別係封閉式或半封閉式過渡性片語。
申請專利範圍不應被解讀為限於所闡述次序或元件，除非針對彼效應陳述。應理解，熟習此項技術者可在不脫離隨附申請專利範圍之精神及範疇之情況下作出形式及細節之各種改變。在隨附申請專利範圍及其等效形式之精神及範疇內之所有實施例皆被主張。
1-100‧‧‧分析儀器/系統
1-102‧‧‧腔鏡/端鏡
1-104‧‧‧腔鏡/端鏡/腔鏡中之一者
1-105‧‧‧增益介質
1-110‧‧‧脈衝光源/光源/脈衝雷射/脈衝源
1-112‧‧‧脈衝器電路
1-122‧‧‧光脈衝/一串脈衝/脈衝射束/脈衝
1-140‧‧‧光學系統/晶片
1-160‧‧‧分析系統
1-170‧‧‧樣本
w‧‧‧射束腰寬/寬度
Claims (99)
- 一種脈衝光源，其包括：一半導體二極體，其經組態以發射光；及一驅動電路，其包含耦合至該半導體二極體之一端子之一電晶體，其中該驅動電路經組態以接收一單極脈衝且回應於接收到該單極脈衝而將一雙極電脈衝施加至該半導體二極體。
- 如請求項1之脈衝光源，其中該雙極電脈衝包括具有一第一量值及第一極性之一第一脈衝，該第一脈衝後續接著相反極性之一第二脈衝，該第二脈衝具有不同於該第一量值之一第二量值。
- 如請求項2之脈衝光源，其中該第二量值介於該第一量值之25%與90%之間。
- 如請求項1之脈衝光源，其進一步包括連接至該半導體二極體之一端子之多個導線接合。
- 如請求項1之脈衝光源，其進一步包括一脈衝產生器，該脈衝產生器耦合至該驅動電路且經組態以形成該單極脈衝並將該單極脈衝輸出至該驅動電路。
- 如請求項5之脈衝光源，其中該脈衝產生器、該驅動電路及該半導體二極體位於一相同印刷電路板上。
- 如請求項5之脈衝光源，其中該脈衝產生器、該驅動電路及該半導體二極體位於一相同基板上。
- 如請求項5之脈衝光源，其中該單極脈衝之一脈衝長度介於50ps與500ps之間。
- 如請求項5之脈衝光源，其中該脈衝產生器包括一第一邏輯閘，該第一邏輯閘由兩個差動時脈信號形成該單極脈衝。
- 如請求項9之脈衝光源，其中該第一邏輯閘包括一射極耦合邏輯 閘。
- 如請求項9之脈衝光源，其中該脈衝產生器進一步包括一扇出閘，該扇出閘經組態以接收一單一時脈信號且將四個時脈信號輸出至該第一邏輯閘。
- 如請求項9之脈衝光源，其中該脈衝產生器進一步包括一可調整延遲元件，該可調整延遲元件經組態以使該單極脈衝之一脈衝長度以介於1ps與5ps之間的增量變化。
- 如請求項9之脈衝光源，其中該電晶體具有連接於該半導體二極體之一陰極與一參考電位之間的電流攜載端子且具有耦合至該第一邏輯閘之一閘極端子。
- 如請求項13之脈衝光源，其進一步包括連接於該電晶體之該閘極端子與來自該第一邏輯閘之一輸出之間的一電容器。
- 如請求項13之脈衝光源，其中該電晶體包括一高電子遷移率場效電晶體。
- 如請求項13之脈衝光源，其中該電晶體經組態以將最高達4安培切換穿過該半導體二極體達介於50ps與2ns之間的一持續時間。
- 如請求項13之脈衝光源，其進一步包括一第二邏輯閘，該第二邏輯閘與該第一邏輯閘並聯連接且經配置以由該兩個差動時脈信號形成一第二單極脈衝，其中來自該第二邏輯閘之一輸出耦合至該電晶體之該閘極端子。
- 如請求項13之脈衝光源，其中該電晶體之一汲極端子直接連接至該半導體二極體之一陰極。
- 如請求項18之脈衝光源，其進一步包括並聯連接至該汲極端子之一第一電容器及電阻器。
- 如請求項18之脈衝光源，其進一步包括連接於該半導體二極體之一陽極與該電晶體之一源極端子之間的一第二電容器。
- 如請求項5之脈衝光源，其中該脈衝產生器及該驅動電路經組態以而以約30Hz與約200MHz之間的一重複率用該雙極電脈衝來調變該半導體二極體。
- 如請求項1之脈衝光源，其中回應於該雙極電脈衝之施加而自該半導體二極體發射具有介於50ps與500ps之間的一半峰全幅持續時間之一光脈衝。
- 如請求項1之脈衝光源，其中該光脈衝具有選自以下群組之一特性波長：270nm、280nm、325nm、340nm、370nm、380nm、400nm、405nm、410nm、450nm、465nm、470nm、490nm、515nm、640nm、665nm、808nm及980nm。
- 如請求項22之脈衝光源，其中該光脈衝之一尾部在自該脈衝之峰值經過250ps之後保持比該脈衝之該峰值低至少20dB。
- 如請求項1之脈衝光源，其中該半導體二極體包括一雷射二極體。
- 如請求項25之脈衝光源，其中該雷射二極體包含多量子井。
- 如請求項1之脈衝光源，其中該半導體二極體係一發光二極體。
- 如請求項1之脈衝光源，其中該半導體二極體係一板條耦合光學波導雷射二極體。
- 如請求項1之脈衝光源，其進一步包括一可飽和吸收器，該可飽和吸收器經配置以自該半導體二極體接收一光脈衝。
- 如請求項1之脈衝光源，其中該可飽和吸收器與該半導體二極體形成於一相同基板中。
- 如請求項1之脈衝光源，其中該驅動電路包括一傳輸線脈衝產生器。
- 如請求項31之脈衝光源，其進一步包括以一U形狀形成之一傳輸線。
- 如請求項32之脈衝光源，其中該半導體二極體連接至該傳輸線之一第一端，且該脈衝光源進一步包括連接至該傳輸線之一第二端之一端接阻抗。
- 如請求項33之脈衝光源，其進一步包括一短接電晶體，該短接電晶體經配置以將該傳輸線之該第一端及該第二端短接至一參考電位。
- 如請求項1之脈衝光源，其進一步包括：一光偵測器陣列，其具有複數個像素，該複數個像素各自經組態以在一單一電荷累積間隔期間將光子到達時間區別成至少兩個時間組格；及一光學系統，其經配置以在該光偵測器陣列上形成由該脈衝光源照射之一物件之一影像。
- 如請求項35之脈衝光源，其中該光偵測器陣列經配置以產生表示位於遠距離物件處之至少一個螢光分子之螢光生命期的信號。
- 如請求項36之脈衝光源，其進一步包括信號處理電子器件，該等信號處理電子器件經組態以自該光偵測器陣列接收表示螢光生命期之該等信號，且產生用於該物件之一電子影像之數位資料，其中該電子影像指示基於螢光生命期的該物件之至少一個特性。
- 一種產生一光脈衝之方法，該方法包括：接收至少一個時脈信號；自該至少一個時脈信號產生一電脈衝；用該電脈衝驅動一電晶體之一閘極端子，其中該電晶體之一電流攜載端子連接至經組態以發射光之一半導體二極體；及回應於藉由該電脈衝對該電晶體之啟動而將一雙極電流脈衝 施加至該半導體二極體以產生一光脈衝。
- 如請求項38之方法，其中該電脈衝係一單極脈衝。
- 如請求項39之方法，其進一步包括調整該單極脈衝之一脈衝持續時間而非一脈衝振幅來控制該光脈衝之一振幅。
- 如請求項38之方法，其中該光脈衝具有介於50ps與2ns之間的一半峰全幅持續時間。
- 如請求項38之方法，其中該光脈衝具有介於50ps與500ps之間的一半峰全幅持續時間。
- 如請求項38之方法，其中該光脈衝具有選自以下群組之一特性波長：270nm、280nm、325nm、340nm、370nm、380nm、400nm、405nm、410nm、450nm、465nm、470nm、490nm、515nm、640nm、665nm、808nm及980nm。
- 如請求項38之方法，其進一步包括重複接收、產生、驅動及施加之該等動作以便以30Hz與200MHz之間的一重複率產生一系列光脈衝。
- 如請求項38之方法，其中該雙極電流脈衝包括具有一第一振幅之一第一脈衝及具有一第二振幅、相反極性且量值不同於該第一脈衝之一第二脈衝。
- 如請求項38之方法，其中該半導體二極體包括一雷射二極體或發光二極體。
- 如請求項38之方法，其進一步包括用一可飽和吸收器以差動方式使該光脈衝之一部分衰減。
- 如請求項38之方法，其中接收至少一個時脈信號之該動作包括：在耦合至該電晶體之該閘極端子之一邏輯閘處接收兩個差動時脈信號。
- 如請求項38之方法，其中接收至少一個時脈信號之該動作包 括：在並聯耦合至該電晶體之該閘極端子之兩個邏輯閘處接收兩個差動時脈信號。
- 如請求項38之方法，其中產生該電脈衝之該動作包括：用耦合至該電晶體之該閘極端子之一邏輯閘來處理兩個差動時脈信號以形成該電脈衝。
- 如請求項50之方法，其進一步包括藉由該兩個差動時脈信號之間的一相位延遲來設定該電脈衝之一長度。
- 如請求項38之方法，其中產生該電脈衝之該動作包括：用並聯耦合至該電晶體之該閘極端子之兩個邏輯閘來處理兩個差動時脈信號以形成該電脈衝。
- 如請求項38之方法，其進一步包括：用來自該半導體二極體之光脈衝照射一樣本；及自該樣本偵測螢光生命期。
- 如請求項53之方法，其進一步包括在至少兩個不同螢光生命期之間進行區分，該至少兩個不同螢光生命期具有與兩個不同螢光分子或該等分子所定位之環境相關聯之不同衰變速率，其中該等光脈衝係處於一單一特性波長。
- 如請求項53之方法，其進一步包括基於該等經偵測螢光生命期而判定該樣本之至少一個性質。
- 如請求項55之方法，其進一步包括：產生該樣本之一區域之一電子影像；及在該影像中指示基於螢光生命期之至少一個特性。
- 如請求項38之方法，其進一步包括：用來自該半導體二極體之光脈衝照射一樣本；及在一單一光偵測器之一單一電荷累積間隔期間，用該單一光偵測器將自該樣本向後散射之光子之到達時間區別成至少兩個 時間組格。
- 如請求項57之方法，其進一步包括基於該等經區別到達時間而產生該樣本之一電子三維影像。
- 一種螢光生命期分析系統，其包括：一半導體二極體，其經組態以發射光；一驅動電路，其經組態以將一雙極電流脈衝施加至該半導體二極體，從而產生一光脈衝；一光學系統，其經配置以將該光脈衝遞送至一樣本；及一光偵測器，其經組態以在該光偵測器之一單一電荷累積間隔期間將光子到達時間區別成至少兩個時間組格。
- 如請求項59之系統，其進一步包括一脈衝產生器，該脈衝產生器經配置以將一電脈衝提供至電流驅動電路，其中該電流驅動電路經組態以回應於接收到該電脈衝而將一雙極脈衝施加至該半導體二極體。
- 如請求項60之系統，其中該電脈衝係具有介於50ps與2ns之間的一持續時間之一單極脈衝。
- 如請求項60之系統，其中該電流驅動電路包括一電晶體，該電晶體具有耦合至來自該脈衝產生器之一輸出之一閘極端子，且具有連接於該半導體二極體之一端子與一參考電位之間的電流攜載端子。
- 如請求項62之系統，其進一步包括：一第一電阻器及第一電容器，其並聯連接於該半導體二極體之一陽極與一陰極之間；及一第二電阻器及第二電容器，其並聯連接於該電晶體之一閘極端子與一參考電位之間。
- 如請求項59之系統，其中該半導體二極體包括一雷射二極體或 發光二極體。
- 如請求項59之系統，其進一步包括連接至該半導體二極體之一端子之多個導線接合。
- 如請求項59之系統，其中該光脈衝具有介於50ps與500ps之間的一半峰全幅持續時間。
- 如請求項59之系統，其中該光脈衝具有選自以下群組之一特性波長：270nm、280nm、325nm、340nm、370nm、380nm、400nm、405nm、410nm、450nm、465nm、470nm、490nm、515nm、640nm、665nm、808nm及980nm。
- 如請求項59之系統，其進一步包括其中定位有該光偵測器之一光偵測器陣列，該光偵測器陣列經組態以在針對該光脈衝之一單一電荷累積間隔期間對來自該樣本之螢光進行時間組格化。
- 如請求項68之系統，其進一步包括位於該樣本與該光偵測器陣列之間的成像光學器件，其中該等成像光學器件經配置以在該光偵測器陣列處形成藉由該光脈衝照射之該樣本之一區域之一影像。
- 如請求項69之系統，其中在該光偵測器陣列處形成之該影像係該樣本之一顯微區域之一影像。
- 一種脈衝光源，其包括：一半導體二極體，其經組態以發射光；一第一邏輯閘，其經組態以在該第一邏輯閘之一輸出處形成一第一脈衝；一驅動電路，其耦合至該第一邏輯閘，其中該驅動電路經組態以接收該第一脈衝且回應於接收到該第一脈衝而將一雙極電脈衝施加至該半導體二極體以產生一光脈衝。
- 如請求項71之脈衝光源，其中該第一脈衝係一單極脈衝。
- 如請求項72之脈衝光源，其進一步包括耦合至該第一邏輯閘之一扇出閘及一延遲元件，其中該延遲元件使來自該扇出閘之至少一個輸出延遲。
- 如請求項73之脈衝光源，其中該延遲元件經組態以使該單極脈衝之一脈衝長度以介於1ps與5ps之間的增量變化。
- 如請求項71之脈衝光源，其中該第一邏輯閘經組態以由兩個差動時脈信號形成該第一脈衝。
- 如請求項71之脈衝光源，其中該雙極電脈衝包括具有一第一量值及第一極性之一第一脈衝，後續接著相反極性之一第二脈衝，該第二脈衝具有不同於該第一量值之一第二量值。
- 如請求項76之脈衝光源，其中該第二量值介於該第一量值之25%與90%之間。
- 如請求項71之脈衝光源，其進一步包括連接至該半導體二極體之一端子之多個導線接合。
- 如請求項75之脈衝光源，其進一步包括一第二邏輯閘，該第二邏輯閘經組態以由該兩個差動時脈信號形成一第二脈衝，其中該第二邏輯閘與該第一邏輯閘並聯連接且該第二邏輯閘之一輸出耦合至該驅動電路。
- 如請求項71之脈衝光源，其進一步包括處於該驅動電路內之一電晶體，該電晶體具有連接於該半導體二極體與一參考電位之間的電流攜載端子。
- 如請求項80之脈衝光源，其中該光脈衝具有介於50ps與2ns之間的一持續時間。
- 一種脈衝光源，其包括：一半導體二極體，其經組態以發射光；及一驅動電路，其包含耦合至該半導體二極體之一端子之一電 晶體，其中該驅動電路經組態以接收一單極脈衝且回應於接收到該單極脈衝而將一雙極電脈衝施加至該半導體二極體，其中該電晶體與該半導體二極體並聯連接於一電流源與一參考電位之間。
- 如請求項82之脈衝光源，其進一步包括並聯連接於該半導體二極體與該參考電位之間的一電阻器及一電容器。
- 如請求項82之脈衝光源，其中該電晶體經組態以正常導通且用該單極脈衝進行脈衝式關斷。
- 如請求項82之脈衝光源，其進一步包括：一光偵測器陣列，其具有複數個像素，該複數個像素各自經組態以在一單一電荷累積間隔期間將光子到達時間區別成至少兩個時間組格；及一光學系統，其經配置以在該光偵測器陣列上形成由該脈衝光源照射之一物件之一影像。
- 一種脈衝光源，其包括：一半導體二極體，其經組態以發射光；及複數個第一電路分支，其連接至該半導體二極體之一第一端子，每一電路分支皆包括一電晶體，該電晶體具有連接於一參考電位與該半導體二極體之該第一端子之間的其電流攜載端子。
- 如請求項86之脈衝光源，其中該複數個第一電路分支中之一第一電路分支中之一第一參考電位具有不同於該複數個第一電路分支中之一第二電路分支中之一第二參考電位之一值。
- 如請求項86之脈衝光源，其中該複數個第一電路分支中之一第一電路分支中之一第一參考電位具有一正值，且該複數個第一電路分支中之一第二電路分支中之一第二參考電位具有一負 值。
- 如請求項86之脈衝光源，其進一步包括處於每一電路分支中之一電阻器，該電阻器連接於該電晶體之一電流攜載端子與該參考電位之間。
- 如請求項86之脈衝光源，其進一步包括處於每一電路分支中之一電容器，該電容器連接於該電晶體之一電流攜載端子與一接地電位之間。
- 如請求項86之脈衝光源，其進一步包括：一光偵測器陣列，其具有複數個像素，該複數個像素各自經組態以在一單一電荷累積間隔期間將光子到達時間區別成至少兩個時間組格；及一光學系統，其經配置以在該光偵測器陣列上形成由該脈衝光源照射之一物件之一影像。
- 一種脈衝光源，其包括：一射頻放大器，其提供一信號及一經反相信號；一邏輯閘，其經組態以接收該信號及一經相移之經反相信號且輸出一脈衝及一經反相脈衝；一組合器，其經組態以將該脈衝及該經反相脈衝組合至一共同輸出上；及一半導體二極體，其耦合至該共同輸出且經組態以回應於接收到該脈衝及該經反相脈衝而產生一光脈衝。
- 如請求項92之脈衝光源，其進一步包括一可變衰減器，該可變衰減器經配置以使該脈衝或該經反相脈衝衰減。
- 如請求項92之脈衝光源，其進一步包括一延遲元件，該延遲元件經配置以使該脈衝或該經反相脈衝在時間上延遲。
- 如請求項92之脈衝光源，其進一步包括連接至該射頻放大器之 一輸入之一DC區塊。
- 如請求項92之脈衝光源，其進一步包括：一光偵測器陣列，其具有複數個像素，該複數個像素各自經組態以在一單一電荷累積間隔期間將光子到達時間區別成至少兩個時間組格；及一光學系統，其經配置以在該光偵測器陣列上形成由該脈衝光源照射之一物件之一影像。
- 一種脈衝光源，其包括：一射頻邏輯閘，其經組態以接收一第一信號及該第一信號之一經反相版本且輸出一脈衝及該脈衝之一經反相版本；及一半導體二極體，其連接至該射頻邏輯閘且經配置以在該半導體二極體之一第一端子處接收該脈衝並在該半導體二極體之一第二端子處接收該脈衝之該經反相版本，且發射一光脈衝。
- 如請求項97之脈衝光源，其進一步包括：一第一放大器，其經配置以接收一週期信號且輸出該第一信號及該第一信號之該經反相版本；及一移相器，其經配置以使該第一信號或該第一信號之該經反相版本之一相位變化。
- 如請求項97之脈衝光源，其進一步包括：一光偵測器陣列，其具有複數個像素，該複數個像素各自經組態以在一單一電荷累積間隔期間將光子到達時間區別成至少兩個時間組格；及一光學系統，其經配置以在該光偵測器陣列上形成由該脈衝光源照射之一物件之一影像。
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