(57)【要約】  超短光パルス（１−１１０）を生成するための装置及び方法が記載される。高パワー固体受動モードロックレーザ（１−１１０）を、生物又は化学分析のためのポータブル機器内に組み込むことができるコンパクトなモジュールにおいて製造することができる。パルスレーザは、電子データ取得速度と同等の繰り返し数において１００ｐｓ未満の光パルスを生成することができる。光パルスは、機器の反応室内の試料を励起することができ、機器の信号取得及び信号処理電子装置を動作させるための基準クロックを発生させるために使用することができる。
2018518836.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３５０ｍｍ以下の最大エッジ長を有するベースプレートと、
前記ベースプレート上に取り付けられている利得媒体と、
レーザキャビティの第１の端部に位置する、前記ベースプレート上に取り付けられている第１の端部ミラーと、
前記ベースプレート上に取り付けられており、前記レーザキャビティの第２の端部ミラーを形成する可飽和吸収体ミラーと、
を備えるモードロックレーザにおいて、前記モードロックレーザは、５０ＭＨｚ〜２００ＭＨｚの繰り返し数における受動モード・ロックによって光パルスを生成する、モードロックレーザ。
【請求項２】
前記モードロックレーザから励起パルスを受信するように構成されているバイオ光電子チップであって、前記バイオ光電子チップは、標的核酸に対して相補的な伸長鎖へのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体の連続的な取り込みを支持する、バイオ光電子チップと、
単一の固有波長にある前記励起パルスを前記バイオ光電子チップに向けて方向付けるビームステアリングモジュールと、
前記単一の固有波長にある前記励起パルスによって誘発される蛍光発光を表す信号を受信し、前記伸長鎖に取り込まれている４つの異なるヌクレオチド又はヌクレオチド類似体のアイデンティティを決定するために、前記受信信号を処理する信号プロセッサとをさらに備え、前記受信信号は、前記伸長鎖へのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体の連続的な取り込みに対応する、請求項１に記載のモードロックレーザ。
【請求項３】
前記モードロックレーザが動作している間に、前記レーザキャビティ内で２のみの自由度のレーザビームの調整を可能にするレーザキャビティ内の調整可能ミラー・マウントをさらに備え、前記自由度は、前記モードロックレーザが動作している間に前記レーザビームを調整するために前記レーザキャビティ内の光学台によって設けられる、２のみの自由度である、請求項１に記載のモードロックレーザ。
【請求項４】
前記ベースプレート上に取り付けられており、前記利得媒体と前記可飽和吸収体ミラーとの間でキャビティ内光軸に沿って位置している第１の集束光学素子と、
前記ベースプレート上に取り付けられており、前記第１の集束光学素子と前記可飽和吸収体ミラーとの間で前記キャビティ内光軸に沿って位置している第２の集束光学素子とをさらに備え、
前記キャビティ内光軸に沿った前記第１の集束光学素子の位置に対する調整が、前記キャビティ内光軸に沿った前記第２の集束光学素子の位置に対する同じ量の調整よりも大きく、前記可飽和吸収体ミラー上でのキャビティ内レーザビームの焦点サイズを変化させる請求項１に記載のモードロックレーザ。
【請求項５】
前記利得媒体の少なくとも２つの側に結合されており、キャビティ内レーザビームを方向制御する、前記利得媒体にわたる非対称熱勾配を生成するように構成されている温度制御要素をさらに備える、請求項１に記載のモードロックレーザ。
【請求項６】
前記ベースプレート上に取り付けられており、前記利得媒体と前記可飽和吸収体ミラーとの間でキャビティ内光軸に沿って位置している第１の集束光学素子と、
前記ベースプレート上に取り付けられており、前記第１の集束光学素子と前記可飽和吸収体ミラーとの間で前記キャビティ内光軸に沿って位置している第２の集束光学素子と、
前記第１の集束光学素子と前記可飽和吸収体ミラーとの間に取り付けられているキャビティ内ビームステアリングモジュールと、
をさらに備える、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のモードロックレーザ。
【請求項７】
前記モードロックレーザの平均パワーを検出するように構成されている光検出器と、
前記光検出器及び前記キャビティ内ビームステアリングモジュールと通信する制御回路とをさらに備え、
前記制御回路は、前記光検出器によって検出される信号レベルに基づいて、前記可飽和吸収体ミラー上でキャビティ内レーザビームを再位置合わせするための信号を与える、請求項６に記載のモードロックレーザ。
【請求項８】
前記パルスレーザのＱスイッチングと関連付けられる１つ又は複数の特性を検出するように構成されている光検出器及び信号プロセッサと、
前記信号プロセッサ及び前記キャビティ内ビーム・ステアリング・モジュールと通信する制御回路とをさらに備え、
前記制御回路は、前記Ｑスイッチングと関連付けられる１つ又は複数の特性の検出に応答して、前記可飽和吸収体ミラー上でキャビティ内レーザビームを再位置合わせするための信号を与える、請求項６に記載のモードロックレーザ。
【請求項９】
前記レーザキャビティの長さを延長し、前記利得媒体と前記可飽和吸収体ミラーとの間に位置している複数のミラーと、
前記ベースプレート内に形成されており、前記利得媒体と前記複数のミラーとの間に位置している取り付け特徴部とをさらに備え、
前記取り付け特徴部は、前記レーザキャビティを短縮する端部ミラーを保持するために端部ミラー又は固定具を受容する、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のモードロックレーザ。
【請求項１０】
前記キャビティ内光軸の方向に延在し、前記モードロックレーザの１つ又は複数の光学構成要素を受け入れるための少なくとも１つのトレンチであって、前記ベースプレート内に形成されている少なくとも１つのトレンチをさらに備える、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のモードロックレーザ。
【請求項１１】
前記ベースプレートに形成されている集積光学台をさらに含んでなり、前記集積光学台は、
前記少なくとも１つのトレンチの対向する側に当接し、基本的に前記キャビティ内光軸に垂直に向けられている２つの共平面と、
前記少なくとも１つのトレンチの対向する側に形成されており、前記２つの共平面に向かって傾斜している２つの傾斜面とを備える、請求項１０に記載のモードロックレーザ。
【請求項１２】
前記モードロックレーザからの光パルスを検出するように構成されている光検出器と、
安定した発振器からの電子クロック信号を、前記モードロックレーザによって生成される光パルスに同期させるように構成されているクロック発生回路と、
をさらに備える、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のモードロックレーザ。
【請求項１３】
前記第１の端部ミラーは、約１０％〜約２５％の透過率を有する出力カプラを備える、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のモードロックレーザ。
【請求項１４】
前記光パルスの半値全幅持続時間は約５ｐｓ〜約３０ｐｓである、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のモードロックレーザ。
【請求項１５】
前記光パルスのテール強度は、前記光パルスのピーク強度から２５０ｐｓ後に、前記光パルスの前記ピーク強度を２０ｄＢ下回ったままである請求項１乃至５のいずれか１項に
記載のモードロックレーザ。
【請求項１６】
前記レーザからの出力パルスを、第１のレージング波長から、前記レージング波長の２分の１の波長を有するパルスへと変換する、前記ベースプレート上に取り付けられている周波数２倍化構成要素をさらに備える、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のモードロックレーザ。
【請求項１７】
前記ベースプレート上に取り付けられており、前記モードロックレーザからの出力を受信する、周波数２倍化構成要素と、
前記周波数２倍化構成要素からバイオ光電子チップへと送達される周波数２倍化波長におけるパワーの量を表す信号を受信し、前記受信信号のレベルに基づいて周波数２倍化波長におけるパワーの量を変化させるための信号を与える、フィードバック回路とをさらに備える、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のモードロックレーザ。
【請求項１８】
前記周波数２倍化構成要素に送達される前記モードロックレーザからの前記出力の偏光を変化させるように構成されている偏光回転器と、
前記偏光回転器の向きを制御する、前記フィードバック回路に接続されているアクチュエータとをさらに備える、請求項１７に記載のモードロックレーザ。
【請求項１９】
熱絶縁締結具によって前記ベースプレートに取り付けられているダイオードポンプソースモジュールをさらに備える、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のモードロックレーザ。
【請求項２０】
前記ダイオード・ポンプ・ソース・モジュールは、前記ベースプレート内の穴を通じて取り付けられており、前記ベースプレートの、前記レーザキャビティと反対の側に位置している、請求項１９に記載のモードロックレーザ。
【請求項２１】
単一の固有波長にあるパルス励起エネルギーを生成する工程と、
前記パルス励起エネルギーをバイオ光電子チップに向けて方向付ける工程であって、前記バイオ光電子チップは、標的核酸に対して相補的である伸長鎖への、ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体の連続的な取り込みを支持する、前記パルス励起エネルギーを方向付ける工程と、
前記単一の固有波長における前記パルス励起エネルギーによって誘発される蛍光発光を表す信号を受信する工程であって、前記信号は、ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体の前記伸長鎖への連続的な取り込みに対応する、蛍光発光を表す信号を受信する工程と、
前記伸長鎖に取り込まれている４つの異なるヌクレオチド又はヌクレオチド類似体のアイデンティティを決定するために、受信した前記信号を処理する工程と、
を備えるＤＮＡをシーケンシングするための方法。
【請求項２２】
前記パルス励起エネルギーを生成する工程は、単一の固有波長において動作するモードロックレーザによって光パルスを生成する工程を備える請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記パルス励起エネルギーを生成する工程は、単一の固有波長において動作する利得切換レーザによって光パルスを生成する工程を備える請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記受信信号を処理する工程は、前記４つのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体のうちの少なくとも２つの異なるヌクレオチド又はヌクレオチド類似体を識別するために、少なくとも２つの異なる蛍光発光減衰値の間で区別する工程を備える、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
前記パルス励起エネルギーに同期される電子トリガ信号を生成する工程と、
前記バイオ光電子チップ上の蛍光発光を表す前記信号の収集のタイミングをとるために前記電子トリガ信号を与える工程とをさらに備える、請求項２１乃至２４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２６】
前記パルス励起エネルギーがオン状態に続いてオフ状態にあるときに行われるように、前記蛍光発光を表す信号の収集のタイミングをとる工程をさらに備える、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記パルス励起エネルギーを方向付ける工程は、前記パルス励起エネルギーを前記バイオ光電子チップ上の導波路に結合する工程を備える請求項２１乃至２４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２８】
前記結合する工程は、
前記パルス励起エネルギーのビームの、前記導波路に接続されている入力ポートに対する位置合わせの度合いを示す第１のフィードバック信号を、前記バイオ光電子チップから受信する工程と、
前記第１のフィードバック信号に基づいて前記ビームを方向制御する工程とを備える、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記結合する工程は、
前記標的核酸に送達されるパワーの量を示す第２のフィードバック信号を、前記バイオ光電子チップから受信する工程と、
前記第２のフィードバック信号に基づいて前記パルス励起エネルギー内のエネルギーの量を調整する工程とをさらに備える、請求項２７に記載の方法。
【請求項３０】
単一の固有波長にある光励起パルスを生成するように構成されているパルスレーザシステムと、
バイオ光電子チップを受け入れ、前記バイオ光電子チップとの電気的接続及び光結合を行うためのレセプタクルであって、前記バイオ光電子チップは、標的核酸に対して相補的である伸長鎖への、ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体の連続的な取り込みを支持する、レセプタクルと、
前記励起パルスを前記レセプタクルに向けて方向付けるビーム・ステアリング光学素子と、
前記単一の固有波長にある前記励起パルスによって誘発される蛍光発光を表す信号を受信し、前記伸長鎖に取り込まれている４つの異なるヌクレオチド又はヌクレオチド類似体のアイデンティティを決定するために、前記受信信号を処理する信号プロセッサと、
を備え、前記受信信号は、前記伸長鎖へのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体の連続的な取り込みに対応する生物分析機器。
【請求項３１】
前記パルスレーザシステムはモードロックレーザを備える、請求項３０に記載の生物分析機器。
【請求項３２】
前記モードロックレーザは、
ベースプレートと、
前記ベースプレート上に取り付けられている利得媒体と、
レーザキャビティの第１の端部に位置する、前記ベースプレート上に取り付けられている第１の端部ミラーと、
前記ベースプレート上に取り付けられており、前記レーザキャビティの第２の端部ミラーを形成する可飽和吸収体ミラーとを備える、請求項３１に記載の生物分析機器。
【請求項３３】
前記モードロックレーザは、光ファイバを備える請求項３１に記載の生物分析機器。
【請求項３４】
前記モードロックレーザは、モードロックレーザダイオードを備える請求項３１に記載の生物分析機器。
【請求項３５】
前記モードロックレーザはキャビティ内周波数２倍化要素を有するダイオード・ポンプ・レーザを備える、請求項３１に記載の生物分析機器。
【請求項３６】
前記パルスレーザ・システムは利得切換レーザを備える請求項３０に記載の生物分析機器。
【請求項３７】
前記利得切換レーザは、レーザダイオードを備える請求項３６に記載の生物分析機器。
【請求項３８】
前記利得切換レーザは、
レーザダイオードと、
前記レーザダイオードにバイポーラ電流パルスを与えるように構成されている電流駆動回路とを備え、
前記バイポーラ電流パルスは、第１の振幅及び第１の極性を有する第１のパルスと、後続する、前記第１の振幅よりも小さい第２の振幅を有する、反対の極性の第２のパルスとを備える、請求項３６に記載の生物分析機器。
【請求項３９】
前記駆動回路は、前記レーザダイオードの端子に結合されているトランジスタを含んでなり、前記駆動回路は、ユニポーラパルスを受信し、前記ユニポーラパルスの受信に応答して半導体ダイオードにバイポーラ電気パルスを印加する、請求項３８に記載の生物分析機器。
【請求項４０】
前記パルスレーザシステムは、連続波レーザと、前記連続波レーザからの出力を変調する相互接続された光スイッチのアレイとを備える、請求項３０に記載の生物分析機器。
【請求項４１】
前記蛍光発光を表す信号の収集を、前記励起パルスが前記バイオ光電子チップにおいて基本的にオフ状態にあるときに行われるように制御する同期回路をさらに備える、請求項３０乃至４０のいずれか１項に記載の生物分析機器。
【請求項４２】
前記同期回路は、電子又は電気機械発振器からの第１のクロック信号を、前記励起パルスの検出から生成される第２のクロック信号に同期させ、前記生物分析機器によるデータ取得のタイミングをとるために、前記同期した第１のクロック信号を与えるクロック発生回路を備える、請求項４１に記載の生物分析機器。
【請求項４３】
前記クロック発生回路は、前記光パルスから発生する電子パルスの振幅をレベリングするための自動利得制御増幅部を含んでなる、請求項４２に記載の生物分析機器。
【請求項４４】
前記クロック発生回路は、前記光パルスから発生する電子パルスの振幅をレベリングするための飽和増幅部を含んでなる、請求項４２に記載の生物分析機器。
【請求項４５】
生物分析機器において、
単一の固有波長にあるパルス励起エネルギーを生成するように構成されているレーザと、
電子又は電気機械発振器からの第１のクロック信号を、前記レーザからの光パルスの検出から生成される第２のクロック信号に同期させ、前記生物分析機器によるデータ取得の
タイミングをとるために、前記同期した第１のクロック信号を与えるように構成されているクロック発生回路とを備える、生物分析機器。
【請求項４６】
前記クロック発生回路は、前記光パルスから発生する電子パルスの振幅をレベリングするための自動利得制御増幅部を含んでなる、請求項４５に記載の生物分析機器。
【請求項４７】
前記クロック発生回路は、前記光パルスから発生する電子パルスの振幅をレベリングするための飽和増幅部を含んでなる、請求項４５に記載の生物分析機器。
【請求項４８】
前記クロック発生回路は、前記第１のクロック信号の位相を前記第２のクロック信号にロックする位相ロックループを含んでなる、請求項４５に記載の生物分析機器。
【請求項４９】
前記クロック発生回路は、前記第１のクロック信号の位相を前記第２のクロック信号にロックする遅延ロックループを含んでなる、請求項４５に記載の生物分析機器。
【請求項５０】
パルスレーザと、
連続波レーザと、
第１の非線形光学素子と、
第２の非線形光学素子と、
を備えるシステムであって、
前記システムは、第１の固有波長にある、前記第１の非線形光学素子から発生する第１のパルス列、及び、第２の固有波長にある、前記第２の非線形光学素子から第２のパルス列を生成する、システム。
【請求項５１】
前記第２の非線形光学素子は、前記連続波レーザのレーザキャビティ内にある、請求項５０に記載のシステム。
【請求項５２】
前記第２のパルス列は前記第１のパルス列に同期される、請求項５０に記載のシステム。
【請求項５３】
前記第２のパルス列は、前記第２の非線形光学素子において和周波数発生によって生成される、請求項５０に記載のシステム。
【請求項５４】
前記第１の固有波長及び前記第２の固有波長は５００ｎｍ〜７００ｎｍである、請求項５０に記載のシステム。
【請求項５５】
試料を保持するように構成されている生物分析機器と、
前記第１のパルス列及び前記第２のパルス列からの放射を前記試料上へと方向付けるように構成されているビーム・ステアリング光学素子と、
をさらに備える、請求項５０乃至請求項５４のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項５６】
前記生物分析機器は、前記試料からの発光を検出し、蛍光寿命に基づいて２つ以上の蛍光色素分子を識別する、請求項５５に記載のシステム。
【請求項５７】
第１の固有波長においてパルスレーザを動作させる工程と、
第２の固有波長において連続波レーザを動作させる工程と、
前記パルスレーザからの第１のパルス列を、前記連続波レーザのレーザキャビティに結合する工程と、
前記連続波レーザの前記レーザキャビティ内で第３の固有波長にある第２のパルス列を発生させる工程とを備える、同期した光パルスを与えるための方法。
【請求項５８】
前記第２のパルス列を発生させる工程は、和周波数発生を備える、請求項５７に記載の方法。
【請求項５９】
第４の固有波長にある第３のパルス列を発生させるために、前記パルスレーザからのパルス列を周波数２倍化する工程をさらに備える、請求項５７又は５８に記載の方法。
【請求項６０】
前記第２のパルス列及び前記第３のパルス列を生物分析機器に与える工程をさらに備える、請求項５９に記載の方法。
【請求項６１】
前記生物分析機器において試料中の少なくとも２つの蛍光色素分子を、前記第２のパルス列及び前記第３のパルス列のパルスによって励起する工程と、
蛍光寿命に基づいて前記少なくとも２つの蛍光色素分子を区別する工程と、
をさらに備える、請求項６０に記載の方法。
【請求項６２】
第１のパルスレーザと、
第２のパルスレーザと、
第１の非線形光学素子と、
第２の非線形光学素子とを備えるシステムにおいて、
前記システムは、第１の固有波長にある、前記第１の非線形光学素子から発生する第１のパルス列、及び、第２の固有波長にある、前記第２の非線形光学素子から和周波数発生によって第２のパルス列を生成する、システム。
【請求項６３】
前記第２のパルス列は前記第１のパルス列に同期される、請求項６２に記載のシステム。
【請求項６４】
試料を保持し、前記第１のパルス列及び前記第２のパルス列からの放射を前記試料上へと方向付けるように構成されている生物分析機器をさらに備える、請求項６２又は６３に記載のシステム。
【請求項６５】
前記生物分析機器は、前記試料からの発光を検出し、蛍光寿命に基づいて２つ以上の蛍光色素分子を識別する、請求項６４に記載のシステム。
【請求項６６】
第３の非線形光学素子をさらに備え、前記システムは、第３の固有波長にある、前記第３の非線形光学素子から発生する第３のパルス列を生成する、請求項６２又は６３に記載のシステム。
【請求項６７】
前記第３のパルス列は前記第１のパルス列及び前記第２のパルス列に同期される、請求項６６に記載のシステム。
【請求項６８】
前記第１の固有波長、前記第２の固有波長、及び前記第３の固有波長は、５００ｎｍ〜７００ｎｍである、請求項６６に記載のシステム。
【請求項６９】
第１の固有波長において第１のパルスレーザを動作させる工程と、
第２の固有波長において第２のパルスレーザを動作させる工程と、
前記第１のパルスレーザを、前記第２のパルスレーザに同期させる工程と、
第３の固有波長にある第１のパルス列を生成するために、前記第１のパルスレーザからのパルスを周波数２倍化する工程と、
前記第１のパルスレーザ及び前記第２のパルスレーザからのパルスを非線形光学素子に結合する工程と、
和周波発生によって、第４の固有波長にある第２のパルス列を発生させる工程とを備える、同期した光パルスを与えるための方法。
【請求項７０】
前記第１のパルス列及び前記第２のパルス列を生物分析機器に与える工程をさらに備える、請求項６９に記載の方法。
【請求項７１】
前記生物分析機器において試料中の少なくとも２つの蛍光色素分子を、前記第１のパルス列及び前記第２のパルス列のパルスによって励起する工程と、
蛍光寿命に基づいて前記少なくとも２つの蛍光色素分子を区別する工程と、
をさらに備える、請求項７０に記載の方法。
【請求項７２】
第５の固有波長にある第３のパルス列を生成するために、前記第２のパルスレーザからのパルスを周波数２倍化する工程をさらに備える、請求項６９に記載の方法。
【請求項７３】
前記第３の固有波長、前記第４の固有波長、及び前記第５の固有波長は、５００ｎｍ〜７００ｎｍである、請求項７２に記載の方法。
【請求項７４】
第１のパルスレーザと、
キャビティ内可飽和吸収体ミラーを含む第２のパルスレーザと、
を備えるシステムにおいて、
前記システムは、前記第１のパルスレーザからのパルスを、前記第２のパルスレーザの前記可飽和吸収体ミラー上へと方向付ける、システム。
【請求項７５】
前記第２のパルスレーザは受動モード・ロックされる請求項７４に記載のシステム。
【請求項７６】
第１の非線形光学素子と、
第２の非線形光学素子と、
をさらに備え、
前記システムは、第１の固有波長にある、前記第１の非線形光学素子から発生する第１のパルス列、及び、第２の固有波長にある、前記第２の非線形光学素子から第２のパルス列を生成する、請求項７４に記載のシステム。
【請求項７７】
試料を保持し、前記第１のパルス列及び前記第２のパルス列からの放射を前記試料上へと方向付けるように構成されている生物分析機器をさらに備える、請求項７４又は７５に記載のシステム。
【請求項７８】
前記生物分析機器は、前記試料からの発光を検出し、蛍光寿命に基づいて２つ以上の蛍光色素分子を識別する、請求項７７に記載のシステム。
【請求項７９】
第１の固有波長において第１のパルスレーザを動作させる工程と、
前記第１のパルスレーザからのパルス列を、第２のパルスレーザのレーザキャビティ内の可飽和吸収体ミラー上に結合する工程とを備える、２つのレーザのモードロック方法。
【請求項８０】
第２の固有波長にある前記第２のパルスレーザを受動モードロックする工程をさらに備える、請求項７９に記載の方法。
【請求項８１】
第３の固有波長にある第１のパルス列を生成するために、前記第１のパルスレーザからのパルスを周波数２倍化する工程と、
第４の固有波長にある第２のパルス列を生成するために、前記第２のパルスレーザからのパルスを周波数２倍化する工程とをさらに備える請求項８０に記載の方法。
【請求項８２】
生物分析機器において試料中の少なくとも２つの蛍光色素分子を、前記第１のパルス列及び前記第２のパルス列のパルスによって励起する工程と、
蛍光寿命に基づいて前記少なくとも２つの蛍光色素分子を区別する工程とをさらに備える、請求項８１に記載の方法。
【請求項８３】
第１の繰り返し数において第１の固有波長を有するパルスを生成するように構成されている第１のレーザキャビティを有する第１のモードロックレーザと、
連続波放射を生成するように構成されている第２のレーザキャビティを有する第２のレーザと、
前記第２のレーザキャビティ内の非線形光学素子と、
前記第１のモードロックレーザからの出力を前記非線形光学素子へと方向付ける光学素子と、を備える、パルスレーザシステム。
【請求項８４】
試料を保持し、第２の固有波長にある前記第２のレーザからの出力を前記試料上へと方向付ける生物分析機器をさらに備える、請求項８３に記載のパルスレーザ・システム。
【請求項８５】
前記第２の固有波長は５００ｎｍ〜７００ｎｍである、請求項８４に記載のシステム。
【請求項８６】
前記生物分析機器は、前記試料からの発光を検出し、蛍光寿命に基づいて２つ以上の蛍光色素分子を識別する、請求項８４又は８５に記載のシステム。
【請求項８７】
前記第１のモードロックレーザ及び前記第２のレーザが取り付けられる基部構造と、
前記第１のレーザキャビティの光路長を、前記基部構造の任意の横方向寸法よりも大きい長さまで延長する、前記第１のモードロックレーザ内に位置する光学遅延要素と、
をさらに備える、請求項８３又は８４に記載のパルスレーザ・システム。
【請求項８８】
前記光学遅延要素は、２つのミラーを備え、前記２つのミラーは、キャビティ内レーザビームを、前記光学遅延要素を１回通過するときに前記２つのミラーの間を３回以上反射させる、請求項８７に記載のパルスレーザ・システム。
【請求項８９】
前記光学遅延要素は、キャビティ内レーザビームが、前記光学遅延要素を１回通過するときに３回以上反射される、中実光学材料ブロックを備える請求項８７に記載のパルスレーザ・システム。
【請求項９０】
前記光学遅延要素は、一定の長さの光ファイバを備える請求項８７に記載のパルスレーザ・システム。
【請求項９１】
前記第１のモードロックレーザ及び前記第２のレーザが取り付けられる基部構造と、
前記基部構造内のプラットフォーム上に取り付けられており、前記第１のモードロックレーザ内の利得媒体を励起するように構成されているダイオード・ポンプ・ソースと、
をさらに備え、前記ダイオード・ポンプ・ソースは、約４５０ｎｍ〜約１１００ｎｍのポンプ放射を与える、請求項８３又は８４に記載のパルスレーザ・システム。
【請求項９２】
前記プラットフォームは、前記基部構造を通じて延在する１つ又は複数のトレンチによって前記基部構造から部分的に分離されている、前記基部構造のエリアを備える請求項９１に記載のパルスレーザ・システム。
【請求項９３】
前記プラットフォームを前記基部構造に接続する曲げ部材をさらに備える請求項９１に記載のパルスレーザ・システム。
【請求項９４】
前記第１のレーザキャビティのキャビティ内レーザビームを反射するように構成されている可飽和吸収体ミラーと、
前記レーザキャビティの端部に位置する出力カプラとをさらに備える請求項８３又は８４に記載のパルスレーザ・システム。
【請求項９５】
前記基部構造内に取り付けられている波長変換要素をさらに含み、前記波長変換要素は、レージング波長を、前記第１のモードロックレーザから周波数２倍化出力波長へと変換する請求項９４に記載のパルスレーザ・システム。
【請求項９６】
前記出力波長は約５００ｎｍ〜約７００ｎｍであり、出力パルス持続時間は約１００ピコ秒未満である、請求項９５に記載のパルスレーザ・システム。
【請求項９７】
前記基部構造は、前記レーザキャビティが配置されるキャビティを備え、前記基部構造の端部寸法は、約２００ｍｍ以下であり、高さ寸法は、約６０ｍｍ以下である請求項９５に記載のパルスレーザ・システム。
【請求項９８】
前記第１のモードロックレーザは約１０６４ｎｍにおいてレージングするように構成されており、前記第２のレーザは、約１３４２ｎｍにおいてレージングするように構成されている請求項８３又は８４に記載のパルスレーザ・システム。
【請求項９９】
前記非線形光学素子は、和周波数発生によって約５９４ｎｍの波長にあるパルスを発生させるために、前記第２のレーザキャビティ内で位置合わせされる請求項９８に記載のパルスレーザ・システム。
【請求項１００】
第１の固有波長において、第１のレーザキャビティを有する第１のモードロックレーザ内で光パルスを生成する工程と、
第２の固有波長において、連続波モードにおいて第２のレーザキャビティを有する第２のレーザを動作させる工程と、
前記第１のモードロックレーザからのパルスを、前記第２のレーザキャビティ内の非線形光学素子に注入する工程と、
和周波発生によって、第３の固有波長において前記非線形光学素子内で光パルスを発生させる工程とを備える、複数の固有波長を有した光パルスを生成する方法。
【請求項１０１】
前記第１のモードロックレーザと前記第２のレーザの両方において同じ利得媒体が使用される請求項１００に記載の方法。
【請求項１０２】
各レーザ内の前記利得媒体をダイオード・ポンピングする工程をさらに含む請求項１０１に記載の方法。
【請求項１０３】
前記利得媒体はＮｄ：ＹＶＯ４である請求項１０１に記載の方法。
【請求項１０４】
試料を保持し、光パルスを前記試料上へと方向付ける生物分析機器に、前記第２のレーザからの光パルスを与える工程をさらに備える、請求項１００乃至１０３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０５】
前記第３の固有波長は５００ｎｍ〜７００ｎｍである、請求項１０４に記載の方法。
【請求項１０６】
前記生物分析機器によって、前記試料からの発光を検出する工程と、
蛍光寿命に基づいて２つ以上の蛍光色素分子を識別する工程と、
をさらに含む請求項１０４に記載の方法。
【請求項１０７】
前記第１のモードロックレーザからの前記光パルスからクロック信号を導出する工程と、前記生物分析機器に前記クロック信号を与える工程とをさらに備える、請求項１０４に記載の方法。
【請求項１０８】
第１のモードロックレーザにおいて光パルスを生成する工程は、前記第１のモードロックレーザを受動モード・ロックする工程を備える、請求項１００乃至１０３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０９】
前記第１の固有波長は約１０６４ｎｍであり、前記第２の固有波長は約１３４２ｎｍであり、前記第３の固有波長は約５９４ｎｍである、請求項１００乃至１０３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１０】
前記第１のモードロックレーザからの光パルスを周波数２倍化する工程をさらに備える、請求項１００乃至１０３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１１】
基部構造と、
前記基部構造内に取り付けられているダイオードポンプソースと、
利得媒体を含み、光パルスを生成するように構成されている、前記基部構造内のレーザキャビティとを備えるパルスレーザにおいて、
前記ダイオードポンプソース及び前記利得媒体は各々、前記基部構造から部分的に、熱的に及び機械的に分離されているプラットフォーム上に取り付けられている、パルスレーザ。
【請求項１１２】
前記レーザキャビティの光路長を、前記基部構造の横方向寸法よりも大きい長さまで延長する、前記パルスレーザキャビティ内に位置する光学遅延要素をさらに備える、請求項１１１に記載のパルスレーザ。
【請求項１１３】
前記光学遅延要素は、２つのミラーを備え、前記２つのミラーは、キャビティ内レーザビームを、前記２つのミラーの間を複数回反射させる、請求項１１２に記載のパルスレーザ。
【請求項１１４】
前記光学遅延要素は、キャビティ内レーザビームが複数回反射される、中実の光学材料のブロックを含んでなる、請求項１１２に記載のパルスレーザ。
【請求項１１５】
前記光学遅延要素は、一定の長さの光ファイバを備える請求項１１２に記載のパルスレーザ。
【請求項１１６】
前記ダイオードポンプソースは、約４５０ｎｍ〜約１１００ｎｍのポンプ放射を与える請求項１１１又は１１２に記載のパルスレーザ。
【請求項１１７】
前記ダイオードポンプソースからのビームを再成形する、一対の交差した円柱レンズをさらに備える請求項１１１又は１１２に記載のパルスレーザ。
【請求項１１８】
前記基部構造内にあり、キャビティ内レーザビームを反射するように構成されている可飽和吸収体ミラーと、
前記レーザキャビティの端部に位置する出力カプラとをさらに備える、請求項１１１又は１１２に記載のパルスレーザ。
【請求項１１９】
前記基部構造内に取り付けられている波長変換要素をさらに備え、前記波長変換要素は、レージング波長を、前記利得媒体から出力波長へと変換する請求項１１８に記載のパルスレーザ。
【請求項１２０】
前記出力波長は約５００ｎｍ〜約７００ｎｍであり、出力パルス持続時間は、約１０ピコ秒未満である請求項１１９に記載のパルスレーザ。
【請求項１２１】
試料を保持し、前記出力波長にある前記パルスレーザからの出力を前記試料上へと方向付ける生物分析機器をさらに備える請求項１１９に記載のパルスレーザ。
【請求項１２２】
前記生物分析機器は、前記試料からの発光を検出し、蛍光寿命に基づいて２つ以上の蛍光色素分子を識別する請求項１２１に記載のパルスレーザ。
【請求項１２３】
前記基部構造は、前記レーザキャビティが配置されるキャビティを備え、前記基部構造の端部寸法は、約２００ｍｍ以下であり、高さ寸法は、約６０ｍｍ以下である、請求項１１９に記載のパルスレーザ。
【請求項１２４】
前記プラットフォームは、前記基部構造を通じて延在する１つ又は複数のトレンチによって前記基部構造から部分的に分離されている、前記基部構造のエリアを備える請求項１１１又は１１２に記載のパルスレーザ。
【請求項１２５】
前記プラットフォームを前記基部構造に接続する曲げ部材をさらに備える請求項１２４に記載のパルスレーザ。
【請求項１２６】
前記基部構造はアルミニウムを備える請求項１２４に記載のパルスレーザ。
【請求項１２７】
前記パルスレーザキャビティは、２つの波長におけるレージングを支持する利得媒体を含み、前記可飽和吸収体ミラーは、前記２つの波長における可飽和吸収を可能にする請求項１１１又は１１２に記載のパルスレーザ。
【請求項１２８】
第１のレージング波長は約１０６４ｎｍであり、第２のレージング波長は約１３４２ｎｍである請求項１２７に記載のパルスレーザ。
【請求項１２９】
前記可飽和吸収体ミラーは、
反射器と、
前記反射器から第１の距離だけ離間されており、第１のエネルギーバンドギャップを有する第１の多重量子井戸構造と、
前記反射器から前記第１の距離よりも大きい第２の距離だけ離間されており、第２のエネルギーバンドギャップを有する第２の多重量子井戸構造と、
を備える請求項１２７に記載のパルスレーザ。
【請求項１３０】
前記第２のエネルギーバンドギャップは前記第１のエネルギーバンドギャップよりも大きい請求項１２９に記載のパルスレーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、光パルスを生成するための装置及び方法、ならびに、化学及び生物試料を分析するために光パルスを使用するための機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
時間領域分析を含む様々な研究開発の分野及び商業用途において、超短光パルス（すなわち、約１００ピコ秒未満の光パルス）が有用である。例えば、超短光パルスは、時間領域分光法、光学式測距、時間領域イメージング（ＴＤＩ）、光コヒーレンス・トモグラフィ（ＯＣＴ）、蛍光寿命イメージング（ＦＬＩ）、及び遺伝子シーケンシングのための寿命分解蛍光検出に有用であり得る。超短パルスはまた、光通信システム、医療用途、及び光電子デバイスの試験を含む商業用途にも有用であり得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来のモードロックレーザは、超短光パルスを生成するように開発されており、様々なそのようなレーザが現在市販されている。例えば、いくつかの固体レーザ及びファイバ・レーザは、２００フェムト秒を十分に下回る持続時間を有するパルスを送達するように開発されている。しかしながら、いくつかの用途について、これらのパルス持続時間は、必要とされるよりも短い場合があり、これらのレージング・システムの費用は、特定の用途にとっては法外に高い場合がある。加えて、これらのレージング・システムは、相当に大きいフットプリント（例えば、０．０９２９ｍ２（１ｆｔ２）程度以上）を有し、容易に携帯可能ではなく、他のポータブル・システム内にモジュールとして組み込まれる独立型システムであり得る。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本明細書において説明されている技術は、超短光パルスを生成するための装置及び方法に関する。約１００ＭＨｚのパルス繰り返し数において１００ピコ秒未満のパルスを生成することが可能なコンパクトで低コストのレーザとして実装することができるモードロックレーザ・システムが説明される。光パルスは、化学又は生物分析システムの反応室に送達することができる。レーザからの光パルスは、電子的に検出することができ、システムのデータ取得電子機器を同期及び駆動する電子クロック信号を生成するために処理される信号であり得る。本発明者らは、コンパクトで低コストのパルスレーザ・システムは、機器（例えば、飛行時間イメージング機器、寿命分解蛍光検出を利用する生物分析機器、遺伝子シーケンシング機器、光コヒーレンス・トモグラフィ機器など）に組み込むことができ、そのような機器が容易に携帯可能になり、超短パルスレーザを必要とする従来の機器の場合よりもかなり低いコストで製造されることを可能にすることができると認識し、諒解するに至った。高い可搬性は、そのような機器を、研究、開発、臨床使用、現場開発、及び商業用途により有用なものにすることができる。
【０００５】
いくつかの実施形態は、３５０ｍｍ以下の最大エッジ長を有するベースプレートと、ベースプレート上に取り付けられている利得媒体と、レーザキャビティの第１の端部に位置する、ベースプレート上に取り付けられている第１の端部ミラーと、ベースプレート上に取り付けられており、レーザキャビティの第２の端部ミラーを形成する可飽和吸収体ミラーとを備えるモードロックレーザに関し、モードロックレーザは、５０ＭＨｚと２００ＭＨｚとの間の繰り返し数における受動モード・ロックによって光パルスを生成するように構成されている。
【０００６】
いくつかの実施形態は、ＤＮＡをシーケンシングするための方法に関する。方法は、単一の固有波長にあるパルス励起エネルギーを生成する工程と、パルス励起エネルギーをバイオ光電子チップに向けて方向付ける工程であって、バイオ光電子チップは、標的核酸に対して相補的である伸長鎖への、ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体の連続的な取り込みを支持する、方向付ける工程と、単一の固有波長におけるパルス励起エネルギーによって誘発される蛍光発光を表す信号を受信する工程であって、信号は、ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体の伸長鎖への連続的な取り込みに対応する、受信する工程と、伸長鎖に取り込まれている４つの異なるヌクレオチド又はヌクレオチド類似体のアイデンティティを決定するために、受信信号を処理する工程とを含むことができる。
【０００７】
いくつかの実施形態は、単一の固有波長にある光励起パルスを生成するように構成されているパルスレーザ・システムと、バイオ光電子チップを受け入れ、バイオ光電子チップとの電気的接続及び光結合を行うためのレセプタクルであって、バイオ光電子チップは、標的核酸に対して相補的である伸長鎖への、ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体の連続的な取り込みを支持する、レセプタクルと、励起パルスをレセプタクルに向けて方向付けるように構成されているビーム・ステアリング光学素子と、単一の固有波長における励起パルスによって誘発される蛍光発光を表す信号を受信し、伸長鎖に取り込まれている４つの異なるヌクレオチド又はヌクレオチド類似体のアイデンティティを決定するために、受信信号を処理するように構成されている信号プロセッサであって、受信信号は、ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体の伸長鎖への連続的な取り込みに対応する、信号プロセッサとを備える生物分析機器に関する。
【０００８】
いくつかの実施形態は、単一の固有波長におけるパルス励起エネルギーを生成するように構成されているレーザと、電子又は電気機械発振器からの第１のクロック信号を、レーザからの光パルスの検出から生成される第２のクロック信号に同期させ、生物分析機器による時間データ取得に、同期した第１のクロック信号を与えるように構成されているクロック生成回路とを備える、生物分析機器に関する。
【０００９】
いくつかの実施形態は、パルスレーザと、連続波レーザと、第１の非線形光学素子と、第２の非線形光学素子とを備えるシステムであって、システムは、第１の固有波長にある、第１の非線形光学素子から発生する第１のパルス列、及び、第２の固有波長にある、第２の非線形光学素子からの第２のパルス列を生成するように構成されている、システムに関する。
【００１０】
いくつかの実施形態は、同期光パルスを与える方法に関する。方法は、第１の固有波長においてパルスレーザを動作させる工程と、第２の固有波長において連続波レーザを動作させる工程と、パルスレーザからの第１のパルス列を、連続波レーザのレーザキャビティに結合する工程と、連続波レーザのレーザキャビティ内で第３の固有波長にある第２のパルス列を発生させる工程とを含むことができる。
【００１１】
いくつかの実施形態は、第１のパルスレーザと、第２のパルスレーザと、第１の非線形光学素子と、第２の非線形光学素子とを備えるシステムであって、システムは、第１の固有波長にある、第１の非線形光学素子から発生する第１のパルス列、及び、第２の固有波長ある、第２の非線形光学素子から和周波発生によって第２のパルス列を発生させるように構成されている、システムに関する。
【００１２】
いくつかの実施形態は、同期光パルスを与える方法に関する。方法は、第１の固有波長において第１のパルスレーザを動作させる工程と、第２の固有波長において第２のパルスレーザを動作させる工程と、第１のパルスレーザを、第２のパルスレーザに同期させる工程と、第３の固有波長にある第１のパルス列を生成するために、第１のパルスレーザから
のパルスを周波数倍増する工程と、第１のパルスレーザ及び第２のパルスレーザからのパルスを非線形光学素子に結合する工程と、和周波発生によって、第４の固有波長にある第２のパルス列を発生させる工程とを含むことができる。
【００１３】
いくつかの実施形態は、第１のパルスレーザと、キャビティ内可飽和吸収体ミラーを含む第２のパルスレーザとを備えるシステムであって、システムは、第１のパルスレーザからのパルスを、第２のパルスレーザの可飽和吸収体ミラー上へと方向付けるように構成されている、システムに関する。
【００１４】
いくつかの実施形態は、２つのレーザをモード・ロックするための方法に関する。方法は、第１の固有波長において第１のパルスレーザを動作させる工程と、第１のパルスレーザからのパルス列を、第２のパルスレーザのレーザキャビティ内の可飽和吸収体ミラー上に結合する工程とを含むことができる。
【００１５】
いくつかの実施形態は、第１の繰り返し数において第１の固有波長を有するパルスを生成するように構成されている第１のレーザキャビティを有する第１のモードロックレーザと、連続波放射を生成するように構成されている第２のレーザキャビティを有する第２のレーザと、第２のレーザキャビティ内の非線形光学素子と、第１のモードロックレーザからの出力を非線形光学素子へと方向付ける光学素子とを備えるパルスレーザ・システムに関する。
【００１６】
いくつかの実施形態は、複数の固有周波数において光パルスを生成する方法に関する。方法は、第１の固有波長において、第１のレーザキャビティを有する第１のモードロックレーザ内で光パルスを生成する工程と、第２の固有波長において、連続波モードにおいて第２のレーザキャビティを有する第２のレーザを動作させる工程と、第１のモードロックレーザからのパルスを、第２のレーザキャビティ内の非線形光学素子に注入する工程と、和周波発生によって、第３の固有波長において非線形光学素子内で光パルスを発生させる工程とを含むことができる。
【００１７】
いくつかの実施形態は、基部構造と、基部構造内に取り付けられているダイオード・ポンプ・ソースと、利得媒体を含み、光パルスを生成するように構成されている、基部構造内のレーザキャビティとを備えるパルスレーザであって、ダイオード・ポンプ・ソース及び利得媒体は各々、基部構造から部分的に、熱的に及び機械的に分離されているプラットフォーム上に取り付けられている、パルスレーザに関する。
【００１８】
本教示の上記の及び他の態様、実施態様、動作、機能、特徴及び実施形態は、添付の図面とともに以下の説明からより十分に理解することができる。
本明細書において記載されている図は、例示を目的としたものにすぎないことを、当業者は理解しよう。いくつかの事例において、本発明の様々な態様は、本発明の理解を容易にするために、誇張又は拡大されて示されている場合があることを理解されたい。図面において、同様の参照符号は、概して様々な図全体を通じて同様の特徴、機能的に類似する及び／又は構造的に類似する要素を参照する。図面は、必ずしも原寸に比例してはおらず、むしろ、本教示の原理を例示しているところが強調されている。図面は、決して本教示の範囲を限定するようには意図されていない。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１−１Ａ】いくつかの実施形態による分析機器を示すブロック図。
【図１−１Ｂ】いくつかの実施形態による分析機器に組み込まれているパルスレーザを示す図。
【図１−２】いくつかの実施形態による光パルスの列を示す図。
【図１−３】いくつかの実施形態による、１つ又は複数の導波路を介してパルスレーザによって光学的に励起することができる並列な反応室及び各室のための対応する検出器の１例を示す図。
【図１−４】いくつかの実施形態による、導波路からの反応室の光学的励起を示す図。
【図１−５】いくつかの実施形態による、集積反応室、光導波路、及び時間ビニング光検出器のさらなる詳細を示す図。
【図１−６】いくつかの実施形態による、反応室内で生じ得る生物学的反応の１例を示す図。
【図１−７】異なる減衰特性を有する２つの異なる蛍光色素分子の発光確率曲線を示す図。
【図１−８】いくつかの実施形態による蛍光発光の時間ビニング検出を示す図。
【図１−９】いくつかの実施形態による時間ビニング光検出器を示す図。
【図１−１０Ａ】いくつかの実施形態によるパルス励起及び試料からの蛍光発光の時間ビニング検出を示す図。
【図１−１０Ｂ】いくつかの実施形態による、試料の繰り返しのパルス励起後の様々な時間ビンにおける累積蛍光光子カウントのヒストグラムを示す図。
【図１−１１Ａ】いくつかの実施形態による、４つのうちの１つのヌクレオチド（Ｔ）又はヌクレオチド類似体に対応し得るヒストグラムを示す図。
【図１−１１Ｂ】いくつかの実施形態による、４つのうちの１つのヌクレオチド（Ａ）又はヌクレオチド類似体に対応し得るヒストグラムを示す図。
【図１−１１Ｃ】いくつかの実施形態による、４つのうちの１つのヌクレオチド（Ｃ）又はヌクレオチド類似体に対応し得るヒストグラムを示す図。
【図１−１１Ｄ】いくつかの実施形態による、４つのうちの１つのヌクレオチド（Ｇ）又はヌクレオチド類似体に対応し得るヒストグラムを示す図。
【図２−１Ａ】いくつかの実施形態によるパルスレーザ・システムを示す図。
【図２−１Ｂ】いくつかの実施形態によるポータブル機器に組み込まれているパルスレーザ・システムを示す図。
【図２−２Ａ】いくつかの実施形態による、集積光学台を示す図。
【図２−２Ｂ】いくつかの実施形態による、集積光学台内に取り付けられている光学素子を示す図。
【図３−１】いくつかの実施形態による、ダイオード・ポンピングされる固体モードロックレーザを示す図。
【図３−２Ａ】いくつかの実施態様による、レーザキャビティの一部分として組み込むことができる光路長延長器の様々な実施形態のうちの１つを示す図。
【図３−２Ｂ】いくつかの実施態様による、レーザキャビティの一部分として組み込むことができる光路長延長器の様々な実施形態のうちの１つを示す図。
【図３−２Ｃ】いくつかの実施態様による、レーザキャビティの一部分として組み込むことができる光路長延長器の様々な実施形態のうちの１つを示す図。
【図３−２Ｄ】いくつかの実施態様による、レーザキャビティの一部分として組み込むことができる光路長延長器の様々な実施形態のうちの１つを示す図。
【図３−３Ａ】いくつかの実施形態による、そのための周波数倍増がレーザキャビティの外部で行われる、ダイオード・ポンピングされる固体モードロックレーザを示す図。
【図３−３Ｂ】いくつかの実施形態による、ダイオード・ポンピングされる固体非線形ミラー・モードロックレーザを示す図。
【図３−３Ｃ】いくつかの実施形態による、ダイオード・ポンピングされる固体多波長モードロックレーザを示す図。
【図３−４Ａ】いくつかの実施態様による可飽和吸収体ミラーの一部分を示す図。
【図３−４Ｂ】いくつかの実施形態による、図３−４Ａの可飽和吸収体ミラーのバンドギャップ図。
【図３−４Ｃ】いくつかの実施形態による、可飽和吸収体ミラー内の量子井戸吸収体の位置における強度プロファイルを示す図。
【図３−５Ａ】いくつかの実施形態による、多波長モードロックレーザの出力カプラを示す図。
【図３−５Ｂ】いくつかの実施形態による、多波長モードロックレーザの出力カプラを示す図。
【図３−６】いくつかの実施形態による、コンパクトなモードロックレーザに使用することができる利得媒体又は他の高出力光学構成要素のためのマウントを示す図。
【図３−７Ａ】いくつかの実施形態による、コンパクトなモードロックレーザに使用することができる利得媒体又は他の高出力光学システムを取り付けるためのプラットフォーム示す平面図。
【図３−７Ｂ】いくつかの実施形態による、図３−７Ａに示すプラットフォームの立面図。
【図３−７Ｃ】いくつかの実施形態による、図３−７Ａに示すプラットフォームの立面図。
【図３−８Ａ】いくつかの実施形態による、１つのレーザが連続波モードにおいて動作する、２つの波長において同期パルス列を生成するための２レーザ・システムを示す図。
【図３−８Ｂ】いくつかの実施形態による、１つのレーザが連続波モードにおいて動作する、２つの波長において同期パルス列を生成するための２レーザ・システムを示す図。
【図３−９】いくつかの実施形態による、１つのレーザが第２のレーザの可飽和吸収体を部分的に白化する、２つの波長において同期パルス列を生成するための２レーザ・システムを示す図。
【図３−１０】いくつかの実施形態による、同期レーザ・システム内のレーザキャビティ長を制御するための電気機械制御回路を示す図。
【図４−１】いくつかの実施形態による、モードロックレーザダイオードを示す図。
【図４−２】いくつかの実施形態による、モードロックレーザダイオードを示す図。
【図４−３】いくつかの実施態様による、一定の長さの光ファイバを光学遅延要素として含むモードロックレーザダイオードを示す図。
【図５−１】いくつかの実施形態による、モード・ロック・ファイバ・レーザを示す図。
【図５−２】いくつかの実施形態による、モード・ロック・ファイバ・レーザを示す図。
【図５−３】いくつかの実施形態による、モード・ロック・ファイバ・レーザを示す図。
【図６−１Ａ】いくつかの実施形態による、利得切換のための光学ポンプ及び出力パルスを示す図。
【図６−１Ｂ】いくつかの実施形態による、緩和振動を示す図である。
【図６−１Ｃ】いくつかの実施形態による、テールを示している光出力パルスを示す図。
【図６−２Ａ】いくつかの実施形態によるパルス半導体レーザダイオードを示す図。
【図６−２Ｂ】１実施形態による、レーザダイオード又は発光ダイオードをパルス化するためのパルサ回路の概略図。
【図６−２Ｃ】いくつかの実施形態による、レーザダイオードに送達される電流の改善を示す図。
【図６−３】いくつかの実施形態による、レーザダイオードを利得切換するための駆動波形を示す図。
【図６−４Ａ】いくつかの実施形態による、レーザダイオード又は発光ダイオードを駆動するためのパルサ回路を示す図。
【図６−４Ｂ】いくつかの実施形態による、レーザダイオード又は発光ダイオードを駆動するためのパルサ回路の概略図。
【図６−４Ｃ】いくつかの実施形態による、レーザダイオード又は発光ダイオードを駆動するためのパルサ回路の概略図。
【図６−４Ｄ】いくつかの実施形態による、レーザダイオード又は発光ダイオードをパルス化するためのＲＦドライバを示す図。
【図６−４Ｅ】いくつかの実施形態による、図６−４Ｄの回路によって生成される駆動波形を示す図。
【図６−４Ｆ】いくつかの実施形態による、レーザダイオード又は発光ダイオードをパルス化するためのＲＦドライバを示す図。
【図６−４Ｇ】いくつかの実施形態による、図６−４Ｆの回路によって生成される駆動波形を示す図。
【図６−４Ｈ】いくつかの実施形態による、レーザダイオード又は発光ダイオードを駆動するためのパルサ回路の概略図。
【図６−４Ｉ】いくつかの実施形態による、レーザダイオードへのパワー結合の効率を示す図。
【図６−４Ｊ】いくつかの実施形態による、レーザダイオード又は発光ダイオードからの光学的発光をパルス化するためのパルサ及びドライバ回路を示す図。
【図６−４Ｋ】いくつかの実施形態による、パルスの列を生成するためのパルサ回路を示す図。
【図６−４Ｌ】いくつかの実施形態による、パルサ回路内の論理ゲートへのデータ入力を示す図。
【図６−４Ｍ】いくつかの実施形態による、電気パルスによってレーザダイオード又は発光ダイオードを駆動するためのドライバ回路を示す図。
【図６−５Ａ】いくつかの実施形態による、レーザダイオードを利得切換するためのパルサ回路を示す図。
【図６−５Ｂ】いくつかの実施形態による、パルサ回路の駆動電圧を示す図。
【図６−５Ｃ】いくつかの実施形態による、利得切換レーザダイオードから生成される超高速光パルスの例示的な測定値を示す図。
【図６−５Ｄ】いくつかの実施形態による、利得切換レーザダイオードから生成される超高速光パルスの例示的な測定値を示す図。
【図６−６Ａ】いくつかの実施形態による、利得切換又はＱ切換することができる、スラブ結合光導波路半導体レーザを示す図。
【図６−６Ｂ】いくつかの実施形態による、スラブ結合光導波路レーザにおける光学モード・プロファイルを示す図。
【図６−６Ｃ】いくつかの実施形態による、集積された利得切換半導体レーザ及び結合されている可飽和吸収体を示す図。
【図７−１Ａ】いくつかの実施形態による、連続波レーザからパルスを生成するように構成されている光スイッチ・アレイを示す図。
【図７−１Ｂ−Ｃ】図７−１Ｂは、いくつかの実施態様による、図７−１Ａに示す光スイッチ・アレイのスイッチのための駆動波形を示す図、図７−１Ｃは、いくつかの実施態様による、図７−１Ａに示す光スイッチ・アレイのいくつかのポートの光強度を示す図（並べて表記する必要があるので２つの図面を１つの図面として示している）。
【図７−１Ｄ−Ｅ】図７−１Ｄは、いくつかの実施態様による、図７−１Ａに示す光スイッチ・アレイのスイッチのための駆動波形を示す図であり、図７−１Ｅは、いくつかの実施態様による、図７−１Ａに示す光スイッチ・アレイのいくつかのポートの光強度を示す図である（並べて表記する必要があるので２つの図面を１つの図面として示している）。
【図８−１】いくつかの実施形態によるビーム・ステアリング・モジュールを示す図。
【図８−２】いくつかの実施形態によるビーム・ステアリング・モジュールの光学的詳細を示す図。
【図８−３】いくつかの実施形態による、チップ上の光カプラに対するパルスレーザビームの位置合わせを示す図。
【図８−４】いくつかの実施形態による、パルスレーザからの光パルスをバイオ光電子チップの複数の導波路に結合するための検出及び制御回路を示す図。
【図８−５】いくつかの実施形態による、パルスレーザからの光パルスをバイオ光電子チップの複数の導波路に結合する方法に関連する工程を示す図。
【図９−１】いくつかの実施形態による、光パルスのタイミングを機器電子装置に同期させるためのシステムを示す図。
【図９−２】いくつかの実施形態による、光パルスのタイミングを機器電子装置に同期させるためのシステムを示す図。
【図９−３】いくつかの実施形態による、パルス光源を組み込んでいる分析機器のクロック発生回路を示す図。
【図９−４】いくつかの実施形態による、２つのパルス源からの光パルスのタイミングを機器電子装置に同期させるためのシステムを示す図。
【図９−５Ａ】いくつかの実施形態による、２つのパルス源からの光パルスのインターリーブされたタイミングを機器電子装置に同期させるためのシステムを示す図。
【図９−５Ｂ】いくつかの実施形態による、２つのパルス光源からのインターリーブ及び同期されたパルス列を示す図。
【図９−６Ａ】いくつかの実施形態による、２つ以上の波長において同期パルス列を生成するための２レーザ・システムを示す図。
【図９−６Ｂ】いくつかの実施形態による、２つの波長において同期パルス列を生成するための２レーザ・システムを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の特徴及び利点は、図面とともに取り上げられるときに下記に記載される詳細な説明からより明らかとなろう。図面を参照して実施形態を説明するとき、方向に関する参照（「上（ａｂｏｖｅ）」、「下（ｂｅｌｏｗ）」、「上部（ｔｏｐ）」、「下部（ｂｏｔｔｏｍ）」、「左（ｌｅｆｔ）」、「右（ｒｉｇｈｔ）」、「水平（ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）」、「垂直（ｖｅｒｔｉｃａｌ）」など）が使用される場合がある。そのような参照は、読者が図面を通常の向きで見るのを補助するものとしてのみ意図している。これらの方向に関する記載は、具現化されるデバイスの特徴の好適な向き又は唯一の向きを説明することを意図していない。デバイスは、他の向きを使用して具現化されてもよい。
Ｉ．導入
本発明者らは、従来の超短パルスレーザは一般的に大きく、高価で、多くのモバイル用途、及び／又は、イメージング、測距、もしくは生物分析用途に適合することができるポータブル機器への組み込みには適していないことを認識し、諒解するに至った。したがって、本発明者らは、選択された波長において、また最大約４００ミリワット（ｍＷ）の平均光パワーにおいて１００ピコ秒未満のパルスを与えることができるコンパクトな超短パルス・レージング・システムを着想した。レージング・システムは、約５０ＭＨｚと約２００ＭＨｚとの間の光パルス繰り返し数を与えるように構成することができる。いくつかの実施形態において、パルスレーザ及びその光学素子によって専有される面積はおおよそ、約４０ｍｍ以下の厚さを有するＡ４用紙のサイズであり得る。いくつかの実施態様において、パルス半導体レーザは、実質的にこのサイズよりも小さいものであり得る。
【００２１】
「光学的（ｏｐｔｉｃａｌ）」という用語は、紫外線、可視光、近赤外線及び短波長赤外線のスペクトル帯域を参照し得る。
遺伝子シーケンシング又は大規模並列アッセイのようないくつかの生物分析用途において、光励起エネルギーをチップ上に集積されている複数の反応室に送達するために、コン
パクトなパルス・レージング・システムを使用することができる。いくつかの実施態様によれば、チップ上の反応室の数は、約１０，０００と約１０，０００，０００との間であり得、室は、一定期間にわたって複数の生化学反応を受け得る試料を含むことができる。他の実施態様において、チップ上にはより少ない又はより多い反応室があってもよい。いくつかの実施形態によれば、パルスレーザからの光パルスによる励起後に、試料もしくは試料と相互作用する分子が、蛍光を発する１つもしくは複数の蛍光色素分子によって標識化されてもよく、又は、試料自体が蛍光を発してもよい。反応室からの蛍光発光の検出及び分析は、室内の試料に関する情報をもたらす。
【００２２】
そのような多数の反応室を含み、複数の異なる蛍光色素分子を使用するポータブル機器を作成するためには、いくつかの技術的課題が存在する。パルス・レージング・システムは小型かつ軽量でなければならず、すべての反応室内の蛍光色素分子を励起するのに十分な光パワーを与える必要がある。加えて、種々の蛍光色素分子をパルスレーザによって励起し（例えば、ＤＮＡシーケンシングのためには異なる発光特性を有する４つの蛍光色素分子）、各蛍光色素分子を他の蛍光色素分子から区別することができるように、蛍光色素分子からの各反応室における異なる発光特性を検出するための何らかの方法がなければならない。
【００２３】
概観すると、図１−１Ａに示すように、分析機器１−１００は、機器内に取り付けられているか、又は、他の様態で結合されている、１つ又は複数のパルスレーザ１−１１０を備えることができる。いくつかの実施形態によれば、パルスレーザ１−１１０は、モードロックレーザであってもよい。モードロックレーザは、レーザキャビティ内にあるか、又は、レーザキャビティに結合されている、レーザの長手方向周波数モードの位相ロックを誘発する要素（例えば可飽和吸収体、音響光学変調器、カー・レンズ）を含むことができる。他の実施形態では、パルスレーザ１−１１０は、利得切換レーザであってもよい。利得切換レーザは、レーザの利得媒体における光学利得を変調する外部変調器を備えることができる。
【００２４】
機器１−１００は、光学系１−１１５及び分析システム１−１６０を含むことができる。工学システム１−１１５は、１つ又は複数の光学構成要素（例えば、レンズ、ミラー、光学フィルタ、減衰器）を含むことができ、パルスレーザ１−１１０からの光パルス１−１２２に対して動作し、及び／又は、この光パルスを分析システム１−１６０に送達するように構成することができる。分析システムは、光パルスを、分析されるべきである少なくとも１つの試料へと方向付け、少なくとも１つの試料から１つ又は複数の光信号（例えば、蛍光発光、後方散乱放射）を受信し、受信光信号を表す１つ又は複数の電気信号を生成するように構成されている多くの構成要素を含むことができる。いくつかの実施形態において、分析システム１−１６０は、１つ又は複数の光検出器と、光検出器からの電気信号を処理するように構成されている信号処理電子装置（例えば、１つ又は複数のマイクロコントローラ、１つ又は複数のフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ、１つ又は複数のマイクロプロセッサ、１つ又は複数のデジタル信号プロセッサ、論理ゲートなど）とを含むことができ、データ通信リンクを介して外部デバイスにデータを伝送し、外部デバイスからデータを受信するように構成されているデータ伝送ハードウェアをも含むことができる。いくつかの実施形態において、分析システム１−１６０は、分析されるべき１つ又は複数の試料を保持するバイオ光電子チップ１−１４０を受け入れるように構成することができる。
【００２５】
光パルス１−１２２は、単一の横方向光モードを有するものとして示されているが、いくつかの実施形態において、パルスレーザ１−１１０からの光出力はマルチモードであってもよい。例えば、横方向出力ビーム・プロファイルは、レーザのマルチモード動作に起因して、複数の強度ピーク及び最小値を有してもよい。いくつかの実施形態において、マ
ルチモード出力は、分析システム１−１６０に結合されるときに（例えば、拡散光学素子によって）均質化することができる。いくつかの実施形態において、マルチモード出力は、分析システム１−１６０内の複数のファイバ又は導波路に結合することができる。例えば、マルチモード出力の各強度ピークが、バイオ光電子チップ１−１４０に接続する別個の導波路に結合されてもよい。パルスレーザがマルチモード状態で動作することを可能にすることによって、パルスレーザからの出力パワーをより高くすることが可能になり得る。
【００２６】
図１−１Ｂは、機器の機器シャーシ又はフレーム１−１０２に取り付けることができる、パルスレーザ１−１１０を含む分析機器１−１００のさらなる詳細な例を示す。分析機器は、取り外し可能な、パッケージされたバイオ光電子チップ１−１４０を受け入れるように構成することができる。チップは、複数の反応室と、光励起エネルギーを反応室に送達するように構成されている集積光学構成要素と、反応室から蛍光発光を検出するように構成されている集積光検出器とを含むことができる。いくつかの実施態様において、チップ１−１４０は、使い捨てであってもよく、一方で、他の実施態様では、チップは再使用可能であってもよい。チップが機器によって受け入れられると、チップは、パルスレーザと電気的及び光学的に通信することができ、分析システム１−１６０と電気的及び光学的に通信することができる。
【００２７】
いくつかの実施形態において、バイオ光電子チップは、追加の機器電子装置を含むことができるプリント回路基板（ＰＣＢ）のような電子回路基板１−１３０上に（例えば、ソケット接続を介して）取り付けることができる。例えば、ＰＣＢ１−１３０は、電力、１つ又は複数のクロック信号、及び制御信号をバイオ光電子チップ１−１４０に与えるように構成されている回路と、反応室から検出される蛍光発光を表す信号を受信するように構成されている信号処理回路とを含むことができる。ＰＣＢ１−１３０はまた、バイオ光電子チップ１−１４０の導波路に結合されている光パルス１−１２２の光結合及びパワー・レベルに関するフィードバック信号を受信するように構成されている回路をも含むことができる。バイオ光電子チップから戻されるデータは、部分的に又は全体的に機器によって処理することができるが、データは、いくつかの実施態様では、ネットワーク接続を介して１つ又は複数の遠隔データ・プロセッサに伝送されてもよい。
【００２８】
いくつかの実施形態によれば、超短パルスレーザ１−１１０は、利得媒体１−１０５（いくつかの実施形態では固体材料であってもよい）と、利得媒体を励起するためのポンプ・ソース（例えばレーザダイオード、図示せず）と、出力カプラ１−１１１と、レーザキャビティ端部ミラー１−１１９とを備えることができる。レーザの光学キャビティは、出力カプラ及び端部ミラーによって境界することができる。レーザキャビティの光軸１−１２５は、レーザキャビティの長さを増大させるための１つ又は複数の折り返し（巻き）を有することができる。いくつかの実施形態において、ビーム成形、波長選択、及び／又はパルス形成のための追加の光学素子（図示せず）がレーザキャビティ内にあってもよい。いくつかの事例において、端部ミラー１−１１９は、長手方向キャビティ・モードの受動モード・ロックを誘発し、レーザ１−１１０のパルス動作をもたらす可飽和吸収体ミラー（ＳＡＭ）を備えてもよい。
【００２９】
受動モード・ロックされると、キャビティ内パルス１−１２０は、端部ミラー１−１１９と出力カプラ１−１１１との間で循環することができ、キャビティ内パルスの一部分は、出力パルス１−１２２として出力カプラ１−１１１を通じて伝送することができる。したがって、キャビティ内パルス１−１２０がレーザキャビティ内の出力カプラ１−１１１と端部ミラー１−１１９との間で前後に跳ねるため、図１−２のグラフに示すような、出力パルス１−１２２の列を、出力カプラにおいて検出することができる。
【００３０】
図１−２は、出力パルス１−１２２の時間的強度プロファイルを示す。いくつかの実施形態において、放出されるパルスのピーク強度値は、ほぼ等しくなり得、プロファイルはガウス時間プロファイルを有してもよいが、ｓｅｃｈ２プロファイルのような他のプロファイルが可能であり得る。いくつかの事例において、パルスは、対称時間プロファイルを有しなくてもよく、他の時間的形状を有してもよい。各パルスの持続時間は、図１−２に示すような、半値全幅（ＦＷＨＭ）値によって特性化することができる。パルスレーザのいくつかの実施形態によれば、超短光パルスは、１００ピコ秒（ｐｓ）未満のＦＷＨＭ値を有することができる。いくつかの事例において、ＦＷＨＭ値は、３０ｐｓ未満であってもよい。
【００３１】
出力パルス１−１２２は、周期的な間隔Ｔによって分離され得る。いくつかの実施形態において（例えば、モードロックレーザについて）、Ｔは、出力カプラ１−１１１とキャビティ端部ミラー１−１１９との間の往復進行時間によって決定することができる。いくつかの実施形態によれば、パルス分離間隔Ｔは、約１ｎｓと約３０ｎｓとの間であってもよい。いくつかの事例において、パルス分離間隔Ｔは、約０．７メートルと約３メートルとの間のレーザキャビティ長（レーザキャビティ内の光軸１−１２５のおおよその長さ）に対応する、約５ｎｓと約２０ｎｓとの間であってもよい。
【００３２】
いくつかの実施形態によれば、チップ１−１４０上の反応室の数、蛍光発光特性、及び、バイオ光電子チップ１−１４０からデータを読み出すためのデータ処理回路の速度の組み合わせによって、所望のパルス分離間隔Ｔ及びレーザキャビティ長を決定することができる。本発明者らは、異なる蛍光色素分子を、それらの異なる蛍光減衰率によって識別することができることを認識し、諒解するに至った。したがって、選択される蛍光色素分子がそれらの異なる減衰率の間を識別するために、十分な統計値を収集するのに十分なパルス分離間隔Ｔがある必要がある。加えて、パルス分離間隔Ｔが短すぎる場合、データ処理回路は、大量のデータが多数の反応室によって収集されるのについていくことができない。本発明者らは、約５ｎｓと約２０ｎｓとの間のパルス分離間隔Ｔが、最大約２ｎｓの減衰率を有する蛍光色素分子に、及び、約６０，０００個と６００，０００個との間の反応室からのデータの処理に適していることを認識し、諒解するに至った。
【００３３】
いくつかの実施態様によれば、ビーム・ステアリング・モジュール１−１５０は、パルスレーザ１−１１０から出力パルスを受信することができ、光パルスの位置、及び、光パルスのバイオ光電子チップ１−１４０の光カプラへの入射角を調整するように構成することができる。いくつかの実施形態によれば、パルスレーザからの出力パルスは、ビーム・ステアリング・モジュール１−１５０によって操作することができ、ビーム・ステアリング・モジュール１−１５０は、出力パルスのビームを、バイオ光電子チップ１−１４０上の光カプラに位置合わせするように構成されている。ビーム・ステアリング・モジュールは、光カプラにおける光ビームの位置及び入射角の調整を可能にすることができる。いくつかの実施態様において、ビーム・ステアリング・モジュールは、出力パルスのビームの、光カプラへの集束をさらに可能にすることができる。
【００３４】
図１−３を参照すると、出力パルス１−１２２を、バイオ光電子チップ上の１つ又は複数の光導波路１−３１２に結合することができる。いくつかの実施形態において、光パルスは、格子カプラ１−３１０を介して１つ又は複数の導波路に結合することができるが、いくつかの実施形態において、バイオ光電子チップ上の光導波路の端部への結合が使用されてもよい。いくつかの実施形態によれば、光パルス１−１２２のビームの格子カプラ１−３１０への位置合わせを補助するために、クワッド検出器１−３２０が半導体基板１−３０５（例えば、シリコン基板）上に位置してもよい。１つ又は複数の導波路１−３１２及び反応室１−３３０が、基板、導波路、反応室、及び光検出器１−３２２の間に誘電体層（例えば、二酸化ケイ素層）を介在させて、同じ半導体基板上に集積されてもよい。
【００３５】
各導波路１−３１２は、導波路に沿って反応室に結合される光パワーを均質化するために、反応室１−３３０の下の先細り部分１−３１５を含むことができる。狭まる先細りによって、より多くの光エネルギーを導波路のコアの外側に押しやることができ、反応室への結合が増大し、反応室に結合する光の損失を含む、導波路に沿った光学的損失が補償される。光エネルギーを集積フォトダイオード１−３２４に方向付けるために、各導波路の端部に第２の格子カプラ１−３１７が位置することができる。集積フォトダイオードは、導波路を下って結合されるパワーの量を検出することができ、例えば、ビーム・ステアリング・モジュール１−１５０を制御するフィードバック回路に、検出された信号を与えることができる。
【００３６】
反応室１−３３０は、導波路の先細り部分１−３１５と位置合わせすることができ、タブ１−３４０において陥凹することができる。各反応室１−３３０に対して、半導体基板１−３０５上に位置する時間ビニング光検出器１−３２２があり得る。反応室内にない蛍光色素分子（例えば、反応室の上で溶液中に分散している）の光励起を防止するために、反応室の周囲及び導波路の上に、金属コーティング及び／又は多層コーティング１−３５０を形成することができる。金属コーティング及び／又は多層コーティング１−３５０は、各導波路の入力端及び出力端における導波路１−３１２内の光エネルギーの吸収損失を低減するために、タブ１−３４０の縁部を越えて隆起することができる。
【００３７】
バイオ光電子チップ１−１４０上に、複数列の導波路、反応室、及び時間ビニング光検出器があってもよい。例えば、いくつかの実施態様において、各々が５１２個の反応室を有する１２８列があてもよく、反応室は合計で６５，５３６個になる。他の実施態様は、より少ない又はより多い反応室を含んでもよく、他のレイアウト構成を含んでもよい。パルスレーザ１−１１０からの光パワーは、チップ１−１４０への光カプラと複数の導波路との間に位置する、１つ又は複数のスター・カプラもしくはマルチ・モード干渉カプラ、又は任意の他の手段を介して複数の導波路に分配することができる。
【００３８】
図１−４は、導波路１−３１５内の光パルス１−１２２から反応室１−３３０への光エネルギー結合を示す。図面は、導波路寸法、反応室寸法、種々の材料の光学特性、及び、反応室１−３３０からの導波路１−３１５の距離を考慮する、光波の電磁場シミュレーションから生成されている。導波路は、例えば、周囲にある二酸化ケイ素の媒体１−４１０内の窒化ケイ素から形成されてもよい。導波路、周囲の媒体、及び反応室は、「分子を調査、検出及び分析するための統合デバイス（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ  ｆｏｒ  Ｐｒｏｂｉｎｇ，  Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ  ａｎｄ  Ａｎａｌｙｚｉｎｇ  Ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ）」と題する、２０１５年８月７日に出願された米国特許出願第１４／８２１，６８８号に記載されている微細加工工程によって形成されてもよい。いくつかの実施形態によれば、エバネセント光場１−４２０が、導波路によって運ばれる光エネルギーを反応室１−３３０に結合する。
【００３９】
反応室１−３３０内で行われる生物学的反応の非限定例が、図１−５に示されている。この例において、標的核酸に対して相補的である伸長鎖へのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体の連続的な取り込みが、反応室内で行われている。連続的な取り込みは、ＤＮＡをシーケンシングするために検出することができる。反応室は、約１５０ｎｍ〜約２５０ｎｍの深さ、及び、約８０ｎｍ〜約１６０ｎｍの直径を有することができる。隣接する反応室及び他の望ましくない光源からの迷光を阻害する開口部を設けるために、金属化層１−５４０（例えば基準電位のための金属化）を、光検出器の上にパターニングすることができる。いくつかの実施形態によれば、ポリメラーゼ１−５２０が、反応室１−３３０内に位置する（例えば、室の基部に付着する）ことができる。ポリメラーゼは、標的核酸１−５１０（例えば、ＤＮＡから導出される核酸の一部分）に作用し、相補的な核酸の伸長
鎖をシーケンシングして、ＤＮＡ１−５１２の伸長鎖を生成することができる。異なる蛍光色素分子を用いて標識化されたヌクレオチド又はヌクレオチド類似体は、反応室の上又は中の溶液中に分散され得る。
【００４０】
図１−６に示すように、標識化されたヌクレオチド又はヌクレオチド類似体１−６１０が相補的な核酸の伸長鎖に取り込まれると、１つ又は複数の付着した蛍光色素分子１−６３０を、導波路１−３１５から反応室１−３３０に結合されている光エネルギーのパルスによって繰り返し励起することができる。いくつかの実施形態において、１つ又は複数の蛍光色素分子１−６３０は、任意の適切なリンカ１−６２０を用いて１つ又は複数のヌクレオチド又はヌクレオチド類似体１−６１０に付着することができる。取り込み事象は、最大約１００ｍｓの期間にわたって継続し得る。この時間の間、蛍光色素分子（複数可）の励起からもたらされる蛍光発光のパルスを、時間ビニング光検出器１−３２２を用いて検出することができる。異なる発光特性（例えば、蛍光減衰率、強度、蛍光波長）を有する蛍光色素分子を異なるヌクレオチド（Ａ、Ｃ、Ｇ、Ｔ）に付着させ、ＤＮＡ１−５１２のストランドが核酸を取り込んでいる間に異なる発光特性を検出及び識別することによって、ＤＮＡの伸長鎖の遺伝子配列を決定することが可能である。
【００４１】
いくつかの実施形態によれば、蛍光発光特性に基づいて試料を分析するように構成されている分析機器１−１００は、異なる蛍光分子の間の蛍光寿命及び／もしくは強度の差、ならびに／又は、異なる環境における同じ蛍光分子の寿命及び／もしくは強度の間の差を検出することができる。説明として、図１−７は、例えば、２つの異なる蛍光分子からの蛍光発光を表すことができる、２つの異なる蛍光発光確率曲線（Ａ及びＢ）をプロットしている。曲線Ａ（破線）を参照すると、短パルス又は超短光パルスによって励起された後、第１の分子からの蛍光発光の確率ｐＡ（ｔ）は、示されているように、時間とともに減衰し得る。いくつかの事例において、経時的な光子が放出される確率の低減は、指数減衰関数
【００４２】
【数１】
2018518836.tif 000003
によって表すことができ、式中、ＰＡ０は初期発光確率であり、τＡは、発光減衰確率を特性化する、第１の蛍光分子と関連付けられる時間パラメータである。τＡは、第１の蛍光分子の「蛍光寿命」、「発光寿命」又は「寿命」と称されてもよい。いくつかの事例において、τＡの値は、蛍光分子のローカル環境によって変更されてもよい。他の蛍光分子は、曲線Ａに示すものとは異なる発光特性を有し得る。例えば、別の蛍光分子は、単一の指数関数的減衰とは異なる減衰プロファイルを有する場合があり、その寿命は、半減期値又は何らかの他の測定基準によって特性化することができる。
【００４３】
第２の蛍光分子は、図１−７の曲線Ｂについて示すように、指数関数的ではあるが、測定可能に異なる寿命τＢを有する減衰プロファイルを有し得る。図示されている例において、曲線Ｂの第２の蛍光分子の寿命は曲線Ａの寿命よりも短く、発光の確率は、第２の分子の励起直後では、曲線Ａよりも高い。いくつかの実施形態において、種々の蛍光分子は、約０．１ｎｓ〜約２０ｎｓに及ぶ範囲の寿命又は半減期値を有し得る。
【００４４】
本発明者らは、蛍光発光寿命の差を使用して、異なる蛍光分子の存否を判別し、及び／又は、蛍光分子がさらされる異なる環境もしくは条件の間で判別することができることを認識し、諒解するに至った。いくつかの事例において、寿命（例えば、発光波長ではなく）に基づいて蛍光分子を判別することによって、分析機器１−１００の態様を単純化する
ことができる。１例として、寿命に基づいて蛍光分子を判別する場合、波長弁別光学素子（波長フィルタ、各波長の専用検出器、異なる波長における専用パルス光源、及び／又は回折光学素子）の数を低減することができるか、又は、なくすことができる。いくつかの事例において、単一の固有波長において動作する単一のパルス光源を使用して、光学スペクトルの同じ波長領域内で発光するが、測定可能に異なる寿命を有する異なる蛍光分子を励起することができる。同じ波長領域内で発光する異なる蛍光分子を励起及び判別するために、異なる波長における複数の光源ではなく、単一のパルス光源を使用する分析システムは、動作及び保守管理の複雑さを低減することができ、よりコンパクトにすることができ、より低いコストで製造することができる。
【００４５】
蛍光寿命分析に基づく分析システムは、一定の利点を有することができるが、追加の検出技法を可能にすることによって、分析システムによって得られる情報の量及び／又は検出精度を増大することができる。例えば、いくつかの分析システム１−１６０は、蛍光波長及び／又は蛍光強度に基づいて試料の１つ又は複数の特性を判別するようにさらに構成されてもよい。
【００４６】
再び図１−７を参照すると、いくつかの実施形態によれば、蛍光分子の励起後の蛍光発光事象を時間ビニングするように構成されている光検出器を用いて、異なる蛍光寿命を区別することができる。時間ビニングは、光検出器の単一の電荷蓄積サイクルの間に行われ得る。電荷蓄積サイクルは、読み出し事象の間の間隔であり、その間に光発生キャリアが時間ビニング光検出器のビン内に蓄積される。発光事象の時間ビニングによって蛍光寿命を決定するという概念は、図１−８にグラフで紹介されている。ｔ１の直前の時刻ｔｅにおいて、蛍光分子又は同じタイプ（例えば、図１−７の曲線Ｂに対応するタイプ）の蛍光分子の集合が、短パルス又は超短光パルスによって励起される。分子の大きい集合について、発光の強度は、図１−８に示すように、曲線Ｂと同様の時間プロファイルを有し得る。
【００４７】
一方、単一の分子又は少数の分子について、蛍光光子の放出は、この例については、図１−７の曲線Ｂの統計値に従って生じる。時間ビニング光検出器１−３２２は、発光事象から発生するキャリアを、蛍光分子（複数可）の励起時間に関して時間分解されている個別の時間ビン（図１−８には３つが示されている）に蓄積することができる。多数の発光事象が合計される場合、結果もたらされる時間ビンは、図１−８に示す減衰強度曲線を近似することができ、ビニングされた信号を使用して、異なる蛍光分子又は蛍光分子が位置している異なる環境の間で区別することができる。
【００４８】
時間ビニング光検出器１−３２２の例は、参照により本願明細書に援用する、「受け取られる光子の時間ビニングのための統合デバイス（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ
ｆｏｒ  Ｔｅｍｐｏｒａｌ  Ｂｉｎｎｉｎｇ  ｏｆ  Ｒｅｃｅｉｖｅｄ  Ｐｈｏｔｏｎｓ）」と題する、２０１５年８月７日に出願された米国特許出願第１４／８２１，６５６号に記載されている。説明を目的として、時間ビニング光検出器の非限定的な実施形態が、図１−９に示されている。単一の時間ビニング光検出器１−９００は、すべて半導体基板上に形成される、光子吸収／キャリア発生領域１−９０２、キャリア移動領域１−９０６、及び複数のキャリア貯蔵ビン１−９０８ａ、１−９０８ｂ、１−９０８ｃを備えることができる。キャリア移動領域は、キャリア輸送チャネル１−９０７によって複数のキャリア貯蔵ビンに接続することができる。３つのキャリア貯蔵ビンのみが図示されているが、より多くのビンがあってもよい。キャリア貯蔵ビンに接続されている読み出しチャネル１−９１０があり得る。光子吸収／キャリア発生領域１−９０２、キャリア移動領域１−９０６、キャリア貯蔵ビン１−９０８ａ、１−９０８ｂ、１−９０８ｃ、及び読み出しチャネル１−９１０は、半導体を局所的にドーピングすること、及び／又は、調整絶縁領域を形成して光検出機能をもたらし、キャリアを閉じ込めることによって形成することがで
きる。時間ビニング光検出器１−９００はまた、デバイスを通じてキャリアを輸送するための電場をデバイス内に発生させるように構成されている、基板上に形成されている複数の電極１−９２０、１−９２２、１−９３２、１−９３４、１−９３６、１−９４０をも含むことができる。
【００４９】
動作時、蛍光光子が、異なる複数の時点において光子吸収／キャリア発生領域１−９０２において受け取られ、キャリアを発生させることができる。例えば、ほぼ時刻ｔ１において、３つの蛍光光子が、光子吸収／キャリア発生領域１−９０２の空乏領域において３つのキャリア電子を発生させることができる。デバイス内の電場（電極１−９２０及び１−９２２及び任意選択的に又は代替的に１−９３２、１−９３４、１−９３６に対するドーピング及び／又は外部印加バイアスに起因する）が、キャリアをキャリア移動領域１−９０６に移動させることができる。キャリア移動領域において、移動距離が、蛍光分子の励起後の時間に変換される。後の時刻ｔ５において、別の蛍光光子が、光子吸収／キャリア発生領域１−９０２において受け取られ、追加のキャリアを発生させることができる。この時点において、最初の３つのキャリアは、第２の貯蔵ビン１−９０８ｂに隣接するキャリア移動領域１−９０６内の位置に移動している。後の時刻ｔ７において、電気的バイアスを電極１−９３２、１−９３４、１−９３６と電極１−９４０との間に印加して、キャリア移動領域１−９０６から貯蔵ビンへとキャリアを横方向に輸送することができる。最初の３つのキャリアはその後、第１のビン１−９０８ａに輸送して保持することができ、後に発生したキャリアは、第３のビン１−９０８ｃに輸送して保持することができる。いくつかの実施態様において、各貯蔵ビンに対応する時間間隔は、ナノ秒未満の時間スケールにあるが、いくつかの実施形態（例えば、蛍光色素分子がより長い減衰時間を有する実施形態）では、より長い時間スケールが使用されてもよい。
【００５０】
励起事象（例えば、パルス光源からの励起パルス）後にキャリアを発生及び時間ビニングする工程は、単一の励起パルスの後に１度行われてもよく、又は、光検出器１−９００の単一の電荷蓄積サイクルの間に複数の励起パルス後に複数回繰り返されてもよい。電荷蓄積が完了した後、キャリアは、読み出しチャネル１−９１０を介して貯蔵ビンから読み出すことができる。例えば、適切なバイアス・シーケンスを少なくとも電極１−９４０及び下流の電極（図示せず）に印加して、貯蔵ビン１−９０８ａ、１−９０８ｂ、１−９０８ｃからキャリアを除去することができる。
【００５１】
複数の励起事象の後、各電子貯蔵ビン内の蓄積された信号を読み出して、例えば、蛍光発光減衰率を表す対応するビンを有するヒストグラムをもたらすことができる。そのような工程は、図１−１０Ａ及び図１−１０Ｂに示されている。ヒストグラムのビンは、反応室内の蛍光色素分子（複数可）の励起後の時間間隔中に検出される光子の数を示すことができる。いくつかの実施形態において、ビンの信号は、図１−１０Ａに示すように、多数の励起パルス後に蓄積される。励起パルスは、パルス間隔時間Ｔによって分離されている時刻ｔｅ１、ｔｅ２、ｔｅ３、．．．、ｔｅＮにおいて生じ得る。電子貯蔵ビン内の信号の蓄積の間に反応室に印加される１０５個と１０７個との間の励起パルスがあり得る。いくつかの実施形態において、１つのビン（ビン０）は、各光パルスによって送達される励起エネルギーの大きさを検出するように構成することができ、（例えばデータを正規化するための）基準信号として使用することができる。
【００５２】
いくつかの実施態様において、図１−１０Ａに示すように、平均して単一の光子のみが、励起事象後に蛍光色素分子から放出され得る。時刻ｔｅ１における最初の励起事象の後、時刻ｔｆ１において放出される光子が、第１の時間間隔内に生じ得、それによって、もたらされる電子信号が、第１の電子貯蔵ビン内に蓄積される（ビン１に寄与する）。時刻ｔｅ２における後続の励起事象において、時刻ｔｆ２において放出される光子が、第２の時間間隔内に生じ得、それによって、もたらされる電子信号が、ビン２に寄与する。
【００５３】
多数の励起事象及び信号蓄積の後、時間ビニング光検出器１−３２２の電子貯蔵ビンを読み出して、反応室に関する多値信号（例えば、２つ以上の値を備えるヒストグラム、Ｎ次元ベクトルなど）を与えることができる。各ビンの信号値は、蛍光色素分子の減衰率に依存し得る。例えば、再び図１−８を参照すると、減衰曲線Ｂを有する蛍光色素分子は、減衰曲線Ａを有する蛍光色素分子よりも高い、ビン１内の信号のビン２内の信号に対する比を有することになる。ビンからの値は、較正値及び／又は互いに対して分析及び比較して、特定の蛍光色素分子を決定することができ、この蛍光色素分子が、反応室内にあるときに蛍光色素分子に結合されているヌクレオチド又はヌクレオチド類似体（又は対象の任意の他の分子もしくは試料）を同定する。
【００５４】
信号分析の理解をさらに補助するために、蓄積されたマルチ・ビン値を、例えば図１−１０Ｂに示すようにヒストグラムとしてプロットすることができ、又は、Ｎ次元空間内のベクトルもしくは位置として記録することができる。較正ランを別個に実施して、４つのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体に結合されている４つの異なる蛍光色素分子の多値信号（例えば、較正ヒストグラム）の較正値を取得することができる。１例として、較正ヒストグラムを、図１−１１Ａ（Ｔヌクレオチドに関連付けられている蛍光標識）、図１−１１Ｂ（Ａヌクレオチドに関連付けられている蛍光標識）、図１−１１Ｃ（Ｃヌクレオチドに関連付けられている蛍光標識）、及び図１−１１Ｄ（Ｇヌクレオチドに関連付けられている蛍光標識）に示されているように見ることができる。測定された多値信号（図１−１０Ｂのヒストグラムに対応する）を、較正多値信号と比較することによって、ＤＮＡの伸長鎖に取り込まれているヌクレオチド又はヌクレオチド類似体のアイデンティティ「Ｔ」（図１−１１Ａ）を決定することができる。
【００５５】
いくつかの実施態様において、異なる蛍光色素分子の間で区別するために、蛍光強度が追加的に又は代替的に使用されてもよい。例えば、いくつかの蛍光色素分子は、たとえそれらの減衰率が類似し得ても、大きく異なる強度において発光する場合があるか、又は、それらの励起の確率に著しい差（例えば、少なくとも約３５％の差）を有する場合がある。ビニングされている信号（ビン１〜３）を、測定された励起エネルギービン０に対して参照することによって、強度レベルに基づいて異なる蛍光色素分子を区別することが可能であり得る。
【００５６】
いくつかの実施形態において、同じタイプの異なる数の蛍光色素分子を異なるヌクレオチド又はヌクレオチド類似体に結合することができ、それによって、蛍光強度に基づいてヌクレオチドを同定することができる。例えば、２つの蛍光色素分子を第１のヌクレオチド（例えば、「Ｃ」）又はヌクレオチド類似体に結合することができ、４つ以上の蛍光色素分子を第２のヌクレオチド（例えば、「Ｔ」）又はヌクレオチド類似体に結合することができる。蛍光色素分子の数が異なるため、異なるヌクレオチドに関連付けられる異なる励起及び蛍光色素分子発光確率があり得る。例えば、信号蓄積間隔中に、「Ｔ」ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体についてより多くの発光事象があり得、それによって、これらのビンの見かけの強度は、「Ｃ」ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体よりも大幅に高い。
【００５７】
本発明者らは、蛍光色素分子減衰率及び／又は蛍光色素分子強度に基づいてヌクレオチド又は任意の他の生物又は化学試料を区別することによって、分析機器１−１００内の光励起及び検出システムを単純化することが可能になることを認識し、諒解するに至った。例えば、光励起は、単一波長源（例えば、複数の光源又は複数の異なる固有波長において動作する光源ではなく、１つの固有波長を生成する光源）を用いて実施することができる。加えて、波長弁別光学素子及びフィルタは、検出システムに必要ない場合がある。また、単一の光検出器を各反応室に使用して、異なる蛍光色素分子からの発光を検出すること
ができる。
【００５８】
「固有波長」又は「波長」という語句は、限定された放射の帯域幅内の中心波長又は主波長（例えば、パルス光源によって出力される２０ｎｍ帯域幅内の中心波長又はピーク波長）を参照するために使用される。いくつかの事例において、「固有周波数」又は「波長」は、光源によって出力される放射の全帯域幅内のピーク波長を参照するために使用されてもよい。
【００５９】
本発明者らは、約５６０ｎｍと約９００ｎｍとの間の範囲内の発光波長を有する蛍光色素分子が、時間ビニング光検出器（ＣＭＯＳ工程を使用してシリコン・ウェハ上に作製することができる）によって検出されるのに十分な量の蛍光発光を与え得ることを認識し、諒解するに至った。これらの蛍光色素分子は、ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体のような、対象の生体分子に結合することができる。この波長範囲内の蛍光発光は、シリコン・ベースの光検出器内で、より長い波長の蛍光発光よりも高い応答度で検出することができる。加えて、蛍光色素分子及び関連付けられるリンカはこの波長範囲において、ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体の、ＤＮＡの伸長鎖への取り込みに干渉しないことができる。本発明者らはまた、約５６０ｎｍと約６６０ｎｍとの間の範囲内の発光波長を有する蛍光色素分子を、単一波長源を用いて光励起することができることを認識し、諒解するに至った。この範囲内の例示的な蛍光色素分子は、サーモ・フィッシャー・サイエンティフィック・インコーポレイテッド社（Ｔｈｅｒｍｏ  Ｆｉｓｈｅｒ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ
Ｉｎｃ．）［米国マサチューセッツ州ウォルサム（Ｗａｌｔｈａｍ）所在］から入手可能なＡｌｅｘａ  Ｆｌｕｏｒ  ６４７である。本発明者らはまた、より短い波長（例えば、約５００ｎｍと約６５０ｎｍとの間）における励起エネルギーが、パルスレーザから、約５６０ｎｍと約９００ｎｍとの間の波長を発光する蛍光色素分子を励起するために必要とされ得ることを認識し、諒解するに至った。いくつかの実施形態において、時間ビニング光検出器は、例えば、Ｇｅのような他の材料を光検出器活性領域に組み込むことによって、試料からより長い波長の発光を効率的に検出することができる。
【００６０】
本発明者らは、パルスレーザからの光パルスは、励起エネルギーが後続して検出される蛍光信号を圧倒しないように、又は、それと干渉しないように、上述した検出方式のために迅速に消滅すべきであるということを認識し、諒解するに至った。いくつかの実施形態において、再び図１−５を参照すると、導波路１−３１５と時間ビニング光検出器１−３２２との間に波長フィルタはなくてもよい。後続の信号収集との励起エネルギーの干渉を避けるために、励起パルスの強度は、励起パルスのピークから約１００ｐｓ以内に、少なくとも５０ｄＢだけ低減する必要があり得る。いくつかの実施形態において、励起パルスの強度は、励起パルスのピークから約１００ｐｓ以内に、少なくとも８０ｄＢだけ低減する必要があり得る。本発明者らは、モードロックレーザが、そのような急速なターン・オフ特性をもたらすことができることを認識し、諒解するに至った。いくつかの事例において、発光波長が励起波長よりも著しく長い場合、単純な光学フィルタを光検出器の上に組み込んで、時間ビニング光検出器に対する励起パルスの影響をさらに低減することができる。いくつかの実施形態によれば、パルス間の励起エネルギーの強度の低減は、励起エネルギーが蛍光信号の検出装置から離れる方向に向けられる場合、さらに２０ｄＢ以上だけ低減することができる。例えば、励起エネルギーは、図１−３に示すように、蛍光検出経路とは異なる方向（例えば、２つの経路の方向は、図面に示すように、ほぼ直行していてもよい）に伝播する導波路内で送達されてもよい。パルス間の励起エネルギーの低減はまた、導波路材料開発及びデバイス作製（例えば散乱損失の低減及び蛍光発光の低減を呈する導波路材料、ならびに、滑らかな導波路側壁を生成するエッチング工程）を通じて達成することもできる。さらに、反応室から離れた励起エネルギーの散乱は、電磁的シミュレーションからの結果に基づいて、室幾何形状、材料、及び周囲の構造の気化形状を選択することによって低減することができる。
【００６１】
本発明者らはまた、パルスレーザは、各励起パルスについてバイオ光電子チップ上の反応室の各々の中の少なくとも１つの蛍光色素分子を励起するのに十分なパルスあたりのエネルギーを与えるべきであることを認識し、諒解するに至った。約６５，０００個の反応室を含むチップについて、また、システム全体を通じた光学的損失を考慮に入れて、本発明者らは、パルスレーザが、励起波長において約３００ｍＷ以上の平均光パワーをもたらすべきであると決定した。
【００６２】
本発明者らはさらに、バイオ光電子チップ１−１４０の光カプラ及び導波路への効率的な結合を達成することができるように、パルスレーザのビーム品質は高くなるべきである（例えば、１．５未満のＭ２値）ことを認識し、諒解するに至った。
【００６３】
上記の特性を有し、コンパクトなパッケージ（例えば、占有する体積が約０．０１４１６ｍ３（０．５ｆｔ３）未満である）において動作可能なパルスレーザ・システムが、上述したようにＤＮＡをシーケンシングするように構成されている機器のような、ポータブル分析機器１−１００にとって有用であろう。
ＩＩ．パルスレーザ実施形態
ＩＩ．Ａ．モードロックレーザ
本発明者らは、平均パワー、コンパクトさ、ビーム品質、パルス繰り返し数、動作波長、及び光パルスのターン・オフ速度に関する上述した性能仕様を達成するパルスレーザ・システム１−１１０を着想し、構築した。いくつかの実施形態によれば、パルスレーザは、図２−１Ａに示すような固体モードロックレーザを含む。レージング・システムの光学構成要素は、約２０ｃｍと約４０ｃｍとの間の長さと、約１０ｃｍと約３０ｃｍとの間の高さがあり、約１０ｍｍと約１８ｍｍとの間の厚さを有するベースプレート２−１０５上に取り付けることができる。いくつかの実施形態において、ベースプレートの寸法は、約３０ｃｍの長さ、約１８ｃｍの高さ、及び約１２ｍｍの厚さであってもよい。いくつかの実施形態において、１２ｍｍ径の（又はより小さい）光学構成要素をレーザ・システムに使用することができ、光学構成要素及び関連する光学台を含むレージング・システムの厚さ全体が４ｃｍと約６ｃｍとの間になり得るように、ベースプレート（図２−２Ａに関連して後述する）内へと部分的に陥凹することができる。いくつかの実施形態によれば、レージング・システムが占有する体積は、約３０ｃｍ×１８ｃｍ×５ｃｍ又は約０．００２８３２ｍ３（０．１ｆｔ３）であってもよい。
【００６４】
パルスレーザは、レーザキャビティの出力端部にある出力カプラ１−１１１と、利得媒体１−１０５と、レーザキャビティの反対の端部にある可飽和吸収体ミラー（ＳＡＭ）１−１１９とを備えることができる。所望のパルス繰り返し数を達成するために、光軸１−１２５を折り返し、レーザキャビティの長さを延長するために、レーザキャビティ内に複数のミラーがあり得る。また、キャビティ内レーザビームのサイズ及び／又は形状を変更するために、レーザキャビティ内にビーム成形光学素子（例えば、レンズ及び／又はカーブ・ミラー）もあり得る。
【００６５】
いくつかの実施形態によれば、出力カプラ１−１１１は、１０−５の表面品質（スクラッチ及びディグ）及び最大λ／１０の波面誤差を有する高品質レーザ光学素子であってもよい。出力カプラの１つの表面は、レージング波長λ１について約７５％と約９０％との間の反射率をもたらすために、多層誘電体でコーティングすることができる。出力カプラの第２の表面は、反射防止コーティングでコーティングすることができ、反射面に対して一定の角度に向けることができる。出力カプラ上のコーティングは、利得媒体１−１０５を励起するために使用することができるダイオード・ポンプ・レーザからのポンプ波長λｐを無視できる反射で透過するように、２色性であり得る。出力カプラは、２つの直交する軸を中心とした入射光軸１−１２５に対する角度調整を可能にする２軸調整可能マウン
ト内に取り付けることができる。いくつかの実施形態において、出力カプラは、非調整可能マウント上に取り付けられてもよい。
【００６６】
利得媒体１−１０５は、熱をベースプレート２−１０５へと散逸させる熱伝導性マウント（例えば、銅ブロック）内に取り付けられるネオジム・ドープ材料を含んでもよい。利得媒体から銅ブロックへの熱伝達を改善するために、利得媒体は、インジウム箔又は熱伝導性マウントへの熱伝達を改善する任意の他の適切な材料に巻かれてもよい。いくつかの事例において、利得媒体及び熱伝導性マウントは、ベースプレート２−１０５へとヒート・シンクすることができる熱電クーラ（ＴＥＣ）上に取り付けられてもよい。ＴＥＣは、利得媒体の温度制御を可能にすることができる。いくつかの実施態様において、利得媒体は、約３ｍｍと約１０ｍｍとの間の長さを有するバナジン酸ネオジム（例えば、Ｎｄ３＋：ＹＶＯ４）を含んでもよい。ネオジム・ドーパント・レベルは、約０．１０％と約１％との間であってもよい。結晶の端面は、バナジン酸ネオジムについては約１０６４ｎｍであり得るレージング波長λ１に対して反射防止コーティングされてもよい。利得媒体１−１０５は、利得媒体の端面が、レーザキャビティの光軸１−１２５に対して約１度と約３度との間の角度に向けられている法線ベクトルを有する向きにおいて、非調整可能マウント（微細な角度又は位置の調整を可能にしないマウント）内に取り付けられてもよい。
【００６７】
可飽和吸収体ミラー１−１１９は、多層半導体構造（例えば、複数の量子井戸）及び高反射器を含むことができる。半導体構造は、非線形光吸収を呈することができる。例えば、ＳＡＭは、低い光強度においてより高い吸収を呈することができ、高い光強度において白化するか、又は、ほとんど吸収を呈しないものであり得る。半導体構造は、半導体構造が高反射器に入射し、ほぼ、高反射器から反射される光場によって作成される光定在波のピーク強度に位置するように、ＳＡＭ内の高反射器から離間され得る。ＳＡＭの１例は、ＢＡＴＯＰオプトエレクトロニクス有限責任会社（ＢＡＴＯＰ  Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  ＧｍｂＨ）［独国イェナ（Ｊｅｎａ）所在］から入手可能な品番ＳＡＭ−１０６４−５−１０ｐｓ−ｘである。ＳＡＭの非線形光吸収のために、レーザは優先的に、パルス動作モードにおいて動作する（受動的にモード・ロックされる）。いくつかの実施態様において、ＳＡＭは、ＳＡＭの表面を光軸１−１２５に対して横方向に動かすことができるように、回転及び／又は横方向位置決めマウント上に取り付けることができる。ＳＡＭが損傷した場合、ＳＡＭは、キャビティ内ビームがＳＡＭの損傷していない領域へと集束されるように、移動及び／又は回転することができる。他の実施形態において、ＳＡＭは、非調整可能マウント上に取り付けられてもよい。
【００６８】
利得媒体１−１０５を励起するために、ポンプ・モジュール２−１４０内のレーザダイオードからの連続波出力（図２−１Ａにおいて黒い点線によって示される）を、結合レンズ２−１４２を使用して利得媒体へと集束させることができる。いくつかの実施形態において、レーザダイオードからのビームは、矩形又は正方形の断面を有してもよく、わずかに（例えば、約５度と約１０度との間で）発散してもよい。いくつかの実施態様において、結合レンズ２−１４２の焦点距離は、約２０ｍｍと約３０ｍｍとの間であってもよい。吸収されないポンプ放射は、レーザキャビティ変向ミラー２−１１５を通過することができ、ビーム・ダンプ２−１１６内に吸収され得る。
【００６９】
他の実施形態では利得媒体１−１０５をポンピングするために他の励起源が使用されてもよく、本発明はレーザダイオードには限定されない。いくつかの実施形態において、パルスレーザ１−１１０の利得媒体１−１０５をポンピングするために、ファイバ・レーザ又はファイバ結合レーザが使用されてもよい。ファイバ・レーザは、１つ又は複数のレーザダイオードによってポンピングされるファイバ・レーザキャビティの一部分としてアクティブ光ファイバを含むことができる。ファイバ結合レーザは、出力が光ファイバに結合されている１つ又は複数のレーザダイオードを含むことができる。ファイバ・レーザ又は
ファイバ結合レーザからの光エネルギーを担持するファイバからの出力ビームを、レーザダイオードに使用されるものと同じ又は同様の光学素子を使用して、利得媒体に方向付け、集束させることができる。ファイバからの光ビームは、高出力レーザダイオード・ポンプ・ソースから直接のビームよりも円形で、均質で、かつ／又はガウスの（又はシルクハット形状の）空間プロファイルを有することができる。ポンプ・ソースは、いくつかの実施形態において、ベースプレート２−１０５以外の固定具に取り付けられてもよく、又は取り付けられなくてもよく、ポンプ・エネルギーを担持するファイバの端部は、ベースプレートの、利得媒体１−１０５と同じ側又は反対側に位置する、パルスレーザ上のマウントに付着してもよく、又は、レーザキャビティ構造から遠隔して取り付けられてもよい。
【００７０】
結合レンズ２−１４２の焦点距離、ポンプ・ビームのサイズ、及び利得媒体１−１０５からのレンズの距離が、利得媒体内のポンプ・ビームのサイズ（断面寸法）を決定する。実施形態において、利得媒体内のポンプ・ビームのサイズは、利得媒体内のレーザビームのモード・フィールド・サイズにほぼ（例えば、１５％以内で）一致する。利得媒体内のレーザビームのモード・フィールド・サイズは、主に、レーザキャビティ内のカーブ・ミラー２−１１７の焦点距離、利得媒体内のポンプ・ビームのウェスト、及び、カーブ・ミラーからの利得媒体の距離によって決定され得る。いくつかの実施形態において、カーブ・ミラー２−１１７の焦点距離は、約２００ｍｍと約３００ｍｍとの間であってもよい。
【００７１】
いくつかの実施形態によれば、利得媒体１−１０５内のポンプ・ビームの位置は、ポンプ・モジュール２−１４０内の調整可能マウントによって、２自由度で（レーザキャビティの光軸１−１２５に対して横方向で）調整される。これらの調整可能マウントは、パルスレーザキャビティの外部にある。ポンプ・ビームの調整可能マウントは、利得媒体１−１０５内のレーザビームと重なり合うようにポンプ・ビームを方向制御し、レーザのポンピング効率を改善するために使用することができる。
【００７２】
ＳＡＭ１−１１９内の非線形光吸収を利用するために、集束レンズ２−１２３が、ＳＡＭ付近でレーザキャビティ内に組み込まれる。いくつかの実施形態によれば、集束レンズ２−１２３の焦点距離は、約７０ｍｍと約１３０ｍｍとの間であり、ＳＡＭは、ほぼ、集束レンズ２−１２３の焦点距離に位置する。集束レンズは、ＳＡＭ上のキャビティ内レーザビームのスポット・サイズを低減し、その強度を引き上げる。
【００７３】
本発明者らは、やや驚くべきことに、いくつかのレーザキャビティ構成について、ＳＡＭ上のレーザビームのスポット・サイズが、集束レンズ２−１２３とＳＡＭ１−１１９との間の距離の変化よりも、カーブ・ミラー２−１１７とレーザの出力カプラ１−１１１との間の距離の変化の影響をより受けやすいことを発見した。この結果は、カーブ・ミラー２−１１７と集束レンズ２−１２３との間の延長されたキャビティ長に関係する。延長されたキャビティ長は、光パルスをベースプレート２−１０５上で前後に跳ねさせる複数の高反射性光学素子２−１２１（例えば、約９９．９％と約９９．９９９％との間の反射率を有する）を含み、これによって、カーブ・ミラー２−１１７と集束レンズ２−１２３との間の移動距離が増大する。この延長されたキャビティ長に沿って、レーザビームを概ねコリメートすることができる。カーブ・ミラー２−１１７と出力カプラ１−１１１との間の距離の変化が、延長されたキャビティにおけるコリメートに影響を及ぼすことができ、増大したキャビティ長は、集束レンズ２−１２３におけるビーム・サイズの変化を増幅する。この増幅が、今度はＳＡＭ内のスポット・サイズに、集束レンズ２−１２３とＳＡＭ１−１１９との間の距離の変化よりも強く影響を及ぼす。
【００７４】
いくつかの実施形態において、出力カプラとカーブ・ミラーとの間の距離の動作中の調節を可能にするために、微細位置制御部（例えば、微細位置決め段）が出力カプラ１−１１１及び／又はカーブ・ミラー２−１１７に含まれてもよい。カーブ・ミラー２−１１７
の焦点距離は、指定の許容誤差（例えば、±２ｍｍ）を有し得るため、微細位置制御部の範囲は、少なくとも、カーブ・ミラーの指定の焦点距離許容誤差を含む範囲にわたって延在することができる。いくつかの実施態様において、微細位置制御部は、出力カプラ１−１１１及び／又はカーブ・ミラー２−１１７に含まれなくてもよい。代わりに、カーブ・ミラーの焦点距離は、設置前に決定され、それに従って、キャビティ内に位置するカーブ・ミラーの焦点距離が決定されてもよい。いくつかの事例において、出力カプラ１−１１１は、非調整可能マウント上に取り付けられてもよく、カーブ・ミラー２−１１７は、２軸傾斜調整マウント上に取り付けられてもよい。いくつかの実施形態において、カーブ・ミラーの調整可能マウントは、レーザが動作している間に調整することができ、レーザビームの調整に２自由度をもたらすことができる、パルスレーザキャビティ内の唯一の調整可能マウントであってもよい。それゆえ、パルスレーザは、キャビティ端部ミラーの間に位置するカーブ・ミラー・マウントを介して２自由度のみにわたって動作調整を有するのみであってもよい。図２−１に示すレーザキャビティの残りの光学構成要素は、非調整可能マウントに取り付けられてもよい。非調整可能マウント及び１つのみの調整可能マウントを使用することによって、動作中にパルスレーザをより信頼可能に、かつ堅牢にすることができ、パルスレーザ内の光学構成要素のドリフト及び不整合を低減することができる。
【００７５】
いくつかの実施形態において、レーザキャビティ内に追加の要素が含まれてもよい。例えば、集束レンズ２−１２３の前及び／又は後ろに、キャビティ内ビーム・ステアリング・モジュール２−１３０が含まれてもよい（図２−１Ａでは集束レンズの前に示されている）。キャビティ内ビーム・ステアリング・モジュールは、レーザビームを２方向に並進させるために、２つの直交する軸を中心としてレーザビームに対して角度をつけることができる反射防止コーティング・オプチカル・フラットを備えることができる。キャビティ内ビーム・ステアリング・モジュール２−１３０のオプチカル・フラットが集束レンズ２−１２３の前に位置するとき、レーザビームが並進する結果として、主に、ＳＡＭ１−１１９に対するレーザビームの入射角が変化する。集束レンズの後ろに位置するオプチカル・フラットについて、レーザビームが並進する結果として、主に、ＳＡＭ上のレーザビームの位置が変化する。いくつかの実施態様において、キャビティ内ビーム・ステアリング・モジュール２−１３０は、キャビティ位置合わせの自動的な微調節（例えば、レーザの平均パワー又は他のパルス動作特性から導出されるフィードバック信号に基づく自動調節及び／又は位置合わせ）を可能にするために使用することができる。いくつかの事例において、キャビティ内ビーム・ステアリング・モジュールは、ＳＡＭ上でレーザビームを位置決めし直すために使用することができる（例えば、ＳＡＭが焦点において損傷した場合のレーザビームの移動）。
【００７６】
いくつかの実施形態によれば、レーザビームのキャビティ内再位置合わせのために回転オプチカル・フラットを使用するのではなく、別の可能性は、利得媒体内の熱レンジングに影響を及ぼすことができる、利得媒体１−１０５内の非対称熱勾配を誘発することである。利得媒体１−１０５内の非対称熱勾配によって、キャビティ内レーザビームが利得媒体を通過するときに、キャビティ内レーザビームにおける小さい各偏向が引き起こされ得る。いくつかの実施態様において、１つ又は複数の温度制御デバイス（例えば、抵抗性加熱要素、ＴＥＣクーラ、又はそれらの組み合わせ）を、利得媒体内の１つ又は複数の側に結合することができる。いくつかの実施形態によれば、利得媒体１−１０５は、利得媒体の４つの面（４つの長手方向縁部）に熱的に結合されている４つの独立して動作可能な加熱要素を有することができる。熱結合は、温度制御デバイスと利得媒体の面との間に位置する熱エポキシ又はインジウム箔を含むことができる。各温度制御デバイスはまた、温度制御デバイスの反対側のヒート・シンク（レーザ・ブロックなど）への熱的結合をも含むことができる。いくつかの事例において、利得媒体の第１の対向する面に位置する第１の対の温度制御デバイスのうちの１つ又は複数は、２つの第１の対向する面に垂直な方向（
例えば、±ｘ方向）にビーム偏向をもたらすことができる。利得媒体の第２の対向する面の直交する対に位置する第２の対の温度制御デバイスのうちの１つ又は複数は、直交する方向（例えば、±ｙ方向）にビーム偏向をもたらすことができる。温度制御デバイスにおける温度を選択的に変更することによって、キャビティ内レーザビームを方向制御及び再位置合わせすることができる。方向制御及び再位置合わせによって、ＳＡＭ１−１１９上のキャビティ内ビームの位置を変化させることができる。いくつかの事例において、カーブ・ミラー２−１１７又はキャビティ端部ミラーは、追加的に、キャビティ内レーザビームを再位置合わせするように調整することができる。
【００７７】
いくつかの実施形態において、パルスレーザ１−１１０は、レーザ内の光学構成要素のうちの１つ又は数個のための調整可能マウントを与えることができる。調整可能マウントは、レーザがレージングしている間に、オペレータが、光学構成要素の位置及び／又は向きを微調整することを可能にすることができ、それによって、安定性、ビーム品質、出力パワー、及び／又はパルス特性について、レーザの動作を調節することができる。微調節は、例えば、ミラー・マウント上でのマイクロメートル及び／又は微細にねじ切りされたねじ調整によって達成することができる。いくつかの実施形態において、パルスレーザ１−１１０は、出力カプラ１−１１１（角度調整）、カーブ・ミラー２−１１７（位置及び角度の調整）、及びＳＡＭ１−１１９（角度調整）のうちの１つ又は複数のみのための調整可能マウントを含むことができる。いくつかの実施態様において、結合レンズ２−１４２は、調整可能位置決めマウントを含むことができる。レーザキャビティの残りの光学構成要素は、固定非調整可能マウントにおいて製造中に位置合わせすることができる。集積自己整合非調整可能マウントの１例が、図２−２Ａに関連して下記に説明される。
【００７８】
本発明者らは、利得媒体１−１０５内及びＳＡＭ１−１１９上のキャビティ内レーザビームの一定範囲の相対スポット・サイズについて、レーザ１−１１０の安定したパルス動作が行われ得ることを認識し、諒解するに至った。例えば、利得媒体内の最小ビーム・ウェストのＳＡＭ上の集束ビーム・ウェストに対する比は、約４：１と約１：２との間であってもよい。いくつかの実施形態によれば、利得媒体内のビーム半径（強度の１／ｅ２値）は、約２０μｍと約２００μｍとの間であってもよく、ＳＡＭ上のビーム半径（強度の１／ｅ２値）は、約５０μｍと約２００μｍとの間であってもよい。これらの範囲外の比及びビーム半径では、パルス動作は不安定になる場合があり、レーザはＱスイッチする場合があり、これによってＳＡＭが損傷する可能性がある。いくつかの実施形態によれば、ＳＡＭの仕様は、その飽和フルエンスであり得、ＳＡＭ上の集束レーザビームの強度は、飽和フルエンスに比例し得る。例えば、集束レーザビームの強度は、ＳＡＭの飽和フルエンスの約１倍と１０倍との間であってもよい。
【００７９】
本発明者らは、パルスレーザの平均パワー及び／又はスペクトル特性が、安定したモード・ロック動作を決定づけ得ることを認識し、諒解するに至った。例えば、モード・ロック動作中のレーザの平均パワーが一定の値を下回って降下した場合、モード・ロックを支持するのに十分な非線形光吸収がＳＡＭ内にない場合がある。レーザはこのとき、Ｑスイッチし、ＳＡＭを損傷する場合がある。いくつかの事例において、レーザの平均出力パワーの急速な変動は、レーザがモード・ロックに加えてＱスイッチしており、ＳＡＭを損傷する可能性があることを示し得る。いくつかの実施形態において、センサ２−１５４（例えば、フォトダイオード）が含まれ、レーザ１−１１０によって生成される光パワーを検知するように構成されてもよい。検知された平均レーザ・パワーが予め設定されているレベルを下回ってドリフトするか、又は、パワー変動が検出される場合、パワーを回復するために自動キャビティ位置合わせルーチンを実行することができ、かつ／又は、レーザを補修のために止めることができる。
【００８０】
諒解され得るように、レーザキャビティ光学素子の位置合わせは、多数のミラーのため
に困難であり得る。いくつかの実施形態において、パルスレーザは、レーザキャビティの光軸に沿って、例えば、カーブ・ミラー２−１１７と集束レンズ２−１２３との間に位置する取り付け特徴部２−１１８（例えば、ねじ穴及び／又は見当合わせ特徴部）を含むことができる。取り付け特徴部２−１１８は、第２の出力カプラを中に取り付けることができる光学台を受け入れるように構成することができる。光学台及び第２の出力カプラが適当な位置にあるとき、レーザは、短縮されたレーザキャビティによって連続波モードでレージングするように位置合わせすることができる。第２の出力カプラは、少量のパワー（例えば２％又は任意の他の適切な値）を伝送し得、挿入された光学台とＳＡＭ１−１１９との間でレーザの光学構成要素を位置合わせするために使用することができるレーザビームをもたらすことができる。これらの残りの構成要素が位置合わせされると、挿入された光学台を取り外すことができ、それによって、レーザ１−１１０を、全キャビティ長によるパルス・モードで動作するように調整することができる。
【００８１】
本発明者らは、ダイオード・ポンプ・モジュール２−１４０からの熱がパルスレーザ１−１１０の動作に悪影響を及ぼす可能性があることを認識し、諒解するに至った。例えば、ダイオード・ポンプ・モジュール２−１４０からの熱が、ベースプレート２−１０５の相当の面積を加熱し、レーザキャビティ光学素子の位置合わせを経時的に変化させる可能性がある。ダイオード・ポンプ・レーザからの熱によって引き起こされる有害な影響を回避するために、ダイオード・ポンプ・モジュール２−１４０は、ベースプレート２−１０５内の穴２−１４５を通じて取り付けることができる。いくつかの実施形態によれば、レーザダイオードからのビームは、（紙面から外に出る方向において）ダイオード・ポンプ・モジュール２−１４０内で４５度に向けられており、パルスレーザの出力ビーム経路２−１２５上にあるダイクロイック・ミラーに方向付けることができる。ダイクロイック・ミラーは、レーザダイオードのポンプ・ビームを利得媒体１−１０５及びレーザキャビティの光軸に位置合わせすることができる調整部を含むことができる。
【００８２】
いくつかの実施形態において、ダイオード・ポンプ・モジュール２−１４０は、熱絶縁取り付けハードウェアを使用してベースプレート２−１０５に付着することができる。例えば、ナイロンねじを使用してダイオード・ポンプ・モジュールを付着させることができ、ナイロン又はセラミック・ワッシャを、ベースプレートとダイオード・ポンプ・モジュールの取り付け面との間に設置することができる。いくつかの実施態様において、小さいステンレス鋼ねじ（例えば、４−４０以下のねじサイズ）を、ナイロン又はセラミック・ワッシャとともに使用することができる。加えて、ＴＥＣ、冷却フィン、及び／又はダイオード・ポンプ・モジュールの強制空冷をベースプレート２−１０５の裏側に実装することができ、それによって、ベースプレート及びレーザキャビティ光学素子から離れて熱が伝導される。いくつかの実施形態によれば、ダイオード・ポンプ・モジュール２−１４０は、ベースプレート２−１０５の縁部約２ｃｍ以内に位置することができ、散逸される熱は、例えば、ファンによって縁部に向けて、かつベースプレートから離れる方向に向けることができる。ベースプレート２−１０５は加えて、ベースプレートの一方の側のレーザ光学素子及びレーザキャビティを、熱が除去されるプレートの裏側に対する空気流又は乱流から保護するウィンド・スクリーンとしての役割を果たすことができる。いくつかの実施態様において、ＴＥＣは、フィードバック及び制御回路に接続することができ、ダイオード・ポンプ・レーザを所望の動作温度に維持するために使用することができる。
【００８３】
パルスレーザ１−１１０を含む、部分的に組み立てられたポータブル機器１−１００の１例が、図２−１Ｂに示されている。写真には、バイオ光電子チップ１−１４０が取り付けられるプリント回路基板１−１３０も見えている。ビーム・ステアリング・モジュール１−１５０も、ＰＣＢ１−１３０に付着することができる。この実施形態において、パルスレーザの光学素子は、多くのねじ穴を有する光学ブレッドボード上に取り付けられる。いくつかの実施形態において、パルスレーザのいくつかの光学素子は、ベースプレート２
−１０５内に形成される集積自己整合光学台内に取り付けることができる。
【００８４】
集積自己整合光学台２−２１０の１例が、図２−２Ａに示されている。集積光学台２−２１０は、パルスレーザ１−１１０のベースプレート２−１０５に機械加工又は他の様態で形成されている軸方向トレンチ２−２２０を備えることができる。軸方向トレンチ２−２２０は、パルスレーザキャビティの光軸に平行な方向に延在することができる。集積光学台は、軸方向トレンチ２−２２０に対してほぼ横方向に形成されている共平面２−２３０をさらに備えることができる。共平面は、軸方向トレンチ２−２２０にほぼ直交する方向に短いトレンチを機械加工又はフライス加工することによって形成することができる。いくつかの事例において、共平面は、取り付けられた光学素子からの後方反射がレーザキャビティの光軸からずらされるように、小さい角度に向けることができる。軸方向トレンチ２−２２０の基部には、傾斜面２−２４０（図２−２Ａでは１つだけが見えている）があり得る。傾斜面２−２４０は、軸方向トレンチの基部付近に機械加工、フライス加工、又は他の様態で形成することができ、軸方向トレンチ２−２２０の反対側に位置することができる。傾斜面は、共平面２−２３０に向かう方向に傾き、その上に取り付けられている光学素子に対する支持を可能にすることができる。
【００８５】
パルスレーザの光学構成要素２−２５０は、例えば、図２−２Ｂに示すように、集積光学台２−２１０によって支持することができる。光学素子２−２５０は、例えば、キャビティ・ミラー、レーザキャビティ内のレンズ、又は利得媒体１−１０５を含んでもよい。いくつかの事例において、光学素子２−２５０は、図面に示すように、単独で集積光学台２−２１０内に取り付けることができる。他の実施形態において、光学素子は、集積光学台２−２１０内に設置することができる支持固定具（例えば、環状プレート、調整可能マウント）内に取り付けることができる。
【００８６】
いくつかの実施形態によれば、光学構成要素２−２５０、又は支持固定具は、集積光学台２−２１０の共平面２−２３０に見当合わせし、それに対して寄りかかる平坦な表面を含むことができる。光学素子又は固定具は、対応する保持デバイス（例えば、ベースプレートに固定することができるバーの上に取り付けられるＯリング、可撓性プラスチック・バー又はアームなど）によって集積台内に保持することができる。対応する保持デバイスは、光学素子２−２５０又は支持固定具の上縁に接することができ、傾斜面２−２４０及び共平面２−２３０に向かう方向において光学素子又は固定具に力を与えることができる。光学素子２−２５０又は支持固定具の下端は、傾斜面２−２４０上の点に接することができる。傾斜面２−２４０もまた、部分的に共平面２−２３０に向かって方向付けられる成分を有する力を、光学素子又は固定具に対して与えることができる。傾斜面２−２４０にある接点及び共平面２−２３０に向かって方向付けられる力は、光学素子又は固定具を、レーザキャビティ内の所望の向き及び位置に自己整合させることができる。いくつかの実施態様において、光学素子又は支持固定具は、位置合わせされた向きにおいて集積光学台内に（例えば、接着剤を用いて）接合することができる。
【００８７】
１つ又は複数の集積光学台２−２１０は、いくつかの実施形態によれば、パルスレーザ１−１１０のベースプレート内に形成されてもよい。いくつかの事例において、軸方向トレンチ２−２２０は、図２−２Ａに示すように、いくつかの集積光学台を通じて延在することができる。集積光学台の有利な特徴の中でも、パルスレーザの光軸を下げられるということがある。これによって、そうでなければベースプレートの表面から延在する光学台に結合され、それによって増幅される場合がある機械的振動の影響を低減することができ、そうでなければベースプレートの表面から延在する光学台の動きによって増幅される場合がある熱膨張（例えば、ベースプレート２−１０５がわずかに反る）の影響を低減することができる。
【００８８】
再び図２−１を参照すると、パルスレーザ１−１１０の出力は、レンズ２−１６４を通じて周波数２倍化結晶２−１７０に集束して、出力パルスの光学波長を半分にすることができる。例えば、パルスレーザ１−１１０は、約１０６４ｎｍの固有波長を有するパルスを生成することができ、周波数２倍化結晶２−１７０は、この波長を約５３２ｎｍに変換することができる。周波数２倍化出力は、バイオ光電子チップ１−１４０において異なる発光特性を有する蛍光色素分子を励起するために使用することができる。
【００８９】
いくつかの実施形態において、半波長板２−１６０は、回転可能マウント内にその回転角度をアクチュエータ２−１６２によって制御されて取り付けられることができ、パルスレーザの出力光路内で周波数２倍化結晶２−１７０の前に位置することができる。いくつかの実施形態によれば、アクチュエータ２−１６２は、ステッパ・モータ、圧電モータ、精密軸受を有し、光学構成要素を回転させるように構成されている検流計、ＤＣモータ、又は、任意の他の適切な作動機構を含むことができる。半波長板２−１６０を回転させることによって、レーザの出力パルスの偏光を変化させることができ、周波数２倍化結晶２−１７０における第２高調波変換効率を変化させることができる。このとき、半波長板の制御部を使用して、バイオ光電子チップ１−１４０に送達される周波数２倍化波長におけるパワーの量を制御することができる。半波長板（又は周波数２倍化結晶）を回転させることによって、基本波長におけるレーザの動作に影響を及ぼすことなく、周波数２倍化波長における光パワーを、大きい範囲にわたって（例えば、１桁以上にわたって）少量ずつ精密に変化させることができる。すなわち、周波数２倍化波長におけるパワーは、モード・ロック安定性、熱散逸、及びパルスレーザ１−１１０の他の特性に影響を及ぼすことなく変化させることができる。いくつかの実施形態において、他の調整部を使用して、付加的に又は代替的に、基本レーザ動作に影響を及ぼすことなく、周波数２倍化パワーを制御することができる。例えば、周波数２倍化結晶２−１７０に対するパルスレーザビームの入射角及び／又はレンズ２−１６４と周波数２倍化結晶との間の距離を自動的に制御して、周波数２倍化効率を変更及び／又は最大化することができる。
【００９０】
いくつかの実施形態において、周波数２倍化出力パルスは、変向ミラー２−１８０によってビーム・ステアリング・モジュール１−１５０へと方向付けることができる。変向ミラー２−１８０は、周波数２倍化結晶２−１７０によってダウン・コンバートされていない光放射をビーム・ダンプ（図示せず）へと透過するように、２色性であってもよい。
【００９１】
動作時、７ｍｍの長さ及び０．２５％のドーピング・レベルを有する、利得媒体としてＮｄ３＋：ＹＶＯ４を利用するパルスレーザ１−１１０は、約２０ｐｓのＦＷＨＭ値を有する１０６４ｎｍのパルスを生成することができる。パルスは、パルスのピークから１００ｐｓ以内で約８０ｄＢで消滅する。パルス繰り返し数は約９０ＭＨｚであり、基本波長におけるパルスレーザの平均パワーは約９００ｍＷである。平均周波数２倍化パワーは約３００ｍＷである。レーザを動作させるのに必要なＡＣ電力は、約２０ワット未満である。レーザはコンパクトで、占有する体積は０．００２８３２ｍ３（０．１ｆｔ３）未満であり、重量は約４．５３６ｋｇ（１０ポンド）であり、モジュールとして、ＤＮＡをシーケンシングするための卓上機器のようなポータブル分析機器に容易に組み込むことができる。
【００９２】
追加のモードロックレーザ構成及び特徴が、いくつかの実施態様において、使用されてもよい。図３−１は、コンパクトなモードロックレーザ３−１００のほんの１例を示す。概観すると、コンパクトなモードロックレーザは、ダイオード・ポンプ・ソース３−１０５と、利得媒体３−１０７と、周波数２倍化要素３−１０９と、光学遅延要素３−１１０と、２つのレーザキャビティ端部ミラーＴＣ１と、可飽和吸収体ミラー３−１２０とを備えることができる。利得媒体３−１０７は、レージング波長λ１において光学的発光を生成するために、ダイオード・ポンプ・ソース３−１０５によって、波長λｐにおいて励起
することができる。周波数２倍化要素３−１０９は、レージング波長を、レージング波長の２分の１である周波数２倍化出力波長λ２に変換することができる。
【００９３】
いくつかの実施形態によれば、図示されている光学的にポンピングされるレージング・システムのいずれかのポンプ波長λｐは、約４５０ｎｍと約１１００ｎｍとの間であってもよい。図示されているレージング・システムのいずれかのレージング波長λ１は、いくつかの実施態様によれば、約８００ｎｍと約１５００ｎｍとの間であってもよい。いくつかの事例において、図示されているレージング・システムのいずれかの出力波長λ２は、約４００ｎｍと約７５０ｎｍとの間であってもよい。いくつかの事例において、出力波長λ２は、約５００ｎｍと約７００ｎｍとの間であってもよい。出力パルス持続時間は、いくつかの実施形態によれば、約１ピコ秒と約１００ピコ秒との間であってもよい。いくつかの事例において、出力パルス持続時間は、約１ピコ秒と約３０ピコ秒との間であってもよい。
【００９４】
いくつかの実施形態において、図示されているレージング・システムのいずれかの光ポンプ・ソース３−１０５、利得媒体３−１０７、及び周波数２倍化要素３−１０９は、所望の出力波長λ２を生成するように選択されてもよい。例えば、緑色出力波長が所望される場合、利得媒体は、１０６４ｎｍにおいてレージングするＮｄ：ＹＡＧ又は１０５３ｎｍにおいてレージングするＮｄ：ＹＬＦとすることができる。周波数２倍化要素３−１０９は、いくつかの実施態様において、ＫＴＰ又はＢＢＯであってもよく、ポンプ・ソースは、約８００ｎｍにおいてレージングする１つ又は複数のレーザダイオードを含んでもよい。他の所望の出力波長λ２のためには他の材料が選択されてもよい。例えば、１２８０ｎｍにおいてレージングすることができ、６４０ｎｍ（光スペクトルの赤色領域内）に周波数２倍化することができるＣｒ：Ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅが、利得媒体として使用されてもよい。いくつかの実施形態において、周波数２倍化することなく６４０ｎｍ（赤色）において直接レージングするために、Ｐｒ：ＬｉＹＦ４が利得媒体３−１０７として使用されてもよい。本発明者らは、５３２ｎｍ（緑色）及び／又は６７１ｎｍ（赤色）に２倍化することができる１つ又は２つの波長１０６４ｎｍ及び／又は１３４２ｎｍにおいてレージングするために、Ｎｄ：ＹＶＯ４を利得媒体として使用することができることを認識し、諒解するに至った。本発明者らはまた、和周波数発生を非線形結晶内で実施して、追加の波長を得ることができることを認識し、諒解するに至った。例えば、Ｎｄ：ＹＶＯ４からの２つのレージング波長にあるパルスは、非線形結晶内で混合して、約５９４ｎｍの放射を生成することができる。利得媒体、光ポンプ・ソース、非線形要素３−１０９、及び蛍光色素分子を励起するために対象となるものの選択を通じて生成することができる追加の波長は限定ではないが、５１５ｎｍ、５６３ｎｍ、６１２ｎｍ、６３２ｎｍ、及び６４７ｎｍを含む。種々の利得媒体は、限定ではないが、ネオジム・ドープ・イットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）、イッテルビウム・ドープＹＡＧ（Ｙｂ：ＹＡＧ）、イッテルビウム・ドープ・ガラス（Ｙｂ：ｇｌａｓｓ）、エルビウム・ドープＹＡＧ（Ｅｒ：ＹＡＧ）、又はチタン・ドープ・サファイア（Ｔｉ：ｓａｐｐｈｉｒｅ）を含む。
【００９５】
いくつかの実施態様において、コンパクトな、ダイオード・ポンピングされるモードロックレーザは、改質された高出力レーザ・ポインタを含む。高出力レーザ・ポインタは、高くない費用で入手可能であり、本発明者らは、そのようなレーザ・ポインタを改質して、コンパクトなモードロックレーザを作製することができることを認識し、諒解するに至った。例えば、ダイクロイック・ミラーＤＣ１が、ダイオード・ポンプ・ソース３−１０５とレーザ利得媒体３−１０７との間に挿入されてもよい。ダイクロイック・ミラーは、レーザキャビティの端部ミラーに置き換わってもよく、それによって、キャビティ長を増大して、追加の光学構成要素を組み込むことができる。ダイクロイック・ミラーＤＣ１は、レージング波長λ１のほぼすべてを反射し、ポンプ波長λｐのほぼすべてを透過するこ
とができる。
【００９６】
ダイクロイック・ミラーＤＣ１は、レーザキャビティからのビームが、光学遅延要素３−１１０へと方向付けられることを可能にすることができる。光学遅延要素からの出力は、可飽和吸収体ミラー３−１２０に送ることができる。可飽和吸収体ミラー３−１２０は、レーザ・ポインタをモード・ロックし、超高速光パルスを生成する、レーザキャビティ内の強度依存損失要素を与えるために追加することができる。
【００９７】
いくつかの実施形態によれば、ダイオード・ポンプ・ソース３−１０５は、光学系ＯＳ１の１つ又は複数のレンズ上で又はそれらによって動作し、利得媒体３−１０７へと方向付けられる、波長λｐの光ポンプ・ビームを与える。ポンプ波長は、いくつかの実施形態によれば、約７００ｎｍ〜約９００ｎｍであってもよい。レーザダイオード・ポンプ・ソースの１例は、フォーカスライト・コーポレーション（ＦｏｃｕｓＬｉｇｈｔ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）［中国陝西省（Ｓｈａａｎｘｉ）西安（Ｘｉ’ａｎ）所在］から入手可能なレーザダイオード・モデルＦＬ−ＦＭ０１−１０−８０８である。いくつかの実施形態において、ダイオード・ポンプ・ソース３−１０５は、ポンプ・ソースによって発生する熱を散逸するために熱的に冷却することができる。例えば、熱電クーラ（ＴＥＣ）が、ダイオード・アセンブリから熱を抽出するために、ダイオード・ポンプ・ソースに熱的に結合されてもよい。いくつかの実施態様において、利得媒体３−１０７及び／又は周波数２倍化要素３−１０９もまた、例えば、１つ又は複数の熱電クーラ３−１０３を使用して温度制御することができる。
【００９８】
いくつかの実施態様において、ＴＥＣは使用されなくてもよい。代わりに、熱レベルの上昇を受け得る光学構成要素（例えば、ダイオード・ポンプ・ソース、利得媒体、非線形光学素子）が、光学構成要素から熱を伝導及び／又は散逸することができる熱伝導シンク上に取り付けられてもよい。いくつかの実施形態において、熱シンクは、光学構成要素及び熱伝導及び／又は散逸支持プレートと熱的に接触している中実銅マウントを含んでもよい。いくつかの事例において、熱伝導性フィルム（例えば、可鍛性インジウム・フィルム）が、構成要素からマウントへの熱伝導を改善するために、熱シンクと光学構成要素との間に設置されてもよい。
【００９９】
モードロックレーザは、ポンプ・ソース３−１０５からのビームを再成形し、及び／又は、その発散を変化させるように構成されている第１の光学系ＯＳ１をさらに備えることができる。例えば、第１の光学系ＯＳ１は、ポンプ・ソース・ビーム・ウェストが、利得媒体におけるレーザビームのビーム・ウェストにほぼ一致するように、ポンプ・ソースからのビームのサイズを増大又は低減することができる。付加的に又は代替的に、第１の光学系は、ビームの断面形状を、例えば楕円形から円形又は正方形の形状のビームに変化させることができる。いくつかの実施形態において、本発明者らは、ダイオード・ポンプ・ソース３−１０５からの正方形又は矩形の形状のビームが、利得媒体３−１０７をポンピングするために所望され、モードロックレーザのポンピング効率を顕著に改善することができることを見出した。
【０１００】
第１の光学系ＯＳ１は、いくつかの実施形態において、１つ又は複数の円柱レンズを備えることができる。例えば、第１の光学系は、一対の交差した円柱レンズを備えることができる。第１の円柱レンズは、短い焦点距離（例えば、約５ｍｍ未満）を有することができ、第２の円柱レンズは、より長い焦点距離を有することができる。いくつかの実施態様において、第１の円柱レンズは、約１５０マイクロメートル（１５０ミクロン）未満の直径を有する一定の長さの光ファイバを含んでもよい。その焦点距離は、５００マイクロメートル（５００ミクロン）未満であってもよい。第２の円柱レンズは、約５ｍｍと約１０ｍｍとの間である焦点距離を有してもよい。
【０１０１】
いくつかの実施形態において、モードロックレーザキャビティは、図３−１に示すような複数の光学構成要素を備えることができる。レーザキャビティの１端は、いくつかの実施形態において、トリクロイック・ミラーＴＣ１を備えてもよい。トリクロイック・ミラーは、レージング波長λ１及びポンプ波長λｐを反射し、周波数２倍化出力波長λ２を通すように設計される多層コーティングを有することができる。レーザキャビティは、ポンプ・ソースからのビーム及び利得媒体３−１０７及び非線形光学素子３−１０９へのレーザビームを再成形し、及び／又は、その発散を変化させるように構成されている第２の光学系ＯＳ２をさらに含むことができる。いくつかの実施形態において、利得媒体と非線形光学素子との間に位置する第５の光学系（図示せず）があってもよい。レーザキャビティは、キャビティ内レーザビームを光学遅延要素３−１１０へと反射する、上述した２色性反射器ＤＣ１を含むことができる。光学遅延要素は、コンパクトな構成でレーザキャビティに光路長を追加するように構成することができる。例えば、光学遅延要素３−１１０は、各側で５ｃｍ未満になり、それでもなお、長さが約４０ｃｍよりも大きい要素内の光路長をもたらす光学系を備えることができる。いくつかの実施形態において、光学遅延要素は、その上又は中にレーザキャビティが配置される基部構造又はハウジングの任意の横方向寸法よりも大きい一定量の光路長を、レーザキャビティに追加することができる。レーザキャビティは、光学遅延要素から可飽和吸収体ミラー３−１２０上へのビームを再成形及び／又は集束するように構成されている、１つ又は複数のレンズを備える第３の光学系ＯＳ３をさらに含むことができる。レーザキャビティ内のレーザビーム３−１０１は、トリクロイック・ミラーＴＣ１と可飽和吸収体ミラー３−１２０との間で前後に反射することができる。
【０１０２】
いくつかの実施形態によれば、モードロックレーザ３−１００は、出力光学系ＯＳ４及び光学フィルタＦ１をさらに含むことができる。出力光学系は、レーザキャビティからの出力ビームを再成形し、及び／又は、その発散を変化させるように構成することができる。フィルタは、ポンプ波長λｐ及びレージング波長λ１の一方又は両方を吸収又は遮断するように構成することができる。
【０１０３】
動作時、ダイオード・ポンプ・ソースからのポンプ・ビームは、利得媒体３−１０７を効率的に励起するために、光学系１を用いて再成形することができる。可飽和吸収体ミラー３−１２０（その１例が下記にさらに詳細に説明される）は、低い強度がミラーによって吸収され、高い強度が低い損失でミラーによって反射されるような、強度依存損失を呈する。ミラーの強度依存損失のために、レーザは、短い高強度パルスを用いるモード・ロック状態で優先的に動作する。この状態において、高強度パルスは低い損失で可飽和吸収体ミラー３−１２０から反射される。パルス動作において、パルスは、２つの端部ミラーＴＣ１、３−１２０の間でレーザキャビティ内を前後に循環し、周波数２倍化要素３−１０９によって周波数２倍化される。このように、モードロックレーザは、２倍化周波数λ２において出力パルスの列を生成する。
【０１０４】
光学遅延要素３−１１０の例が、図３−２Ａ〜図３−２Ｄに示されている。ほんの１実施形態によれば、光学遅延要素は、図３−２Ａの平面図に示すような、アーガイル・ブロックを含んでもよい。アーガイル・ブロックは、第１の直角プリズム３−１１２及び第２の直角プリズム３−１１４を備えることができる。いくつかの実施形態によれば、プリズムの垂直な側面は、コーティングされていないものであり得るが、他の実施形態では、垂直面は、高反射性コーティングを含んでもよい。いくつかの実施態様において、プリズムの１つの垂直面の長さは、約２０ｍｍと約６０ｍｍとの間であってもよい。各プリズムは、任意の適切な光学品質ガラス、例えばＢＫ−７又は融着石英から形成されてもよい。高い熱的安定性のために、遅延要素は、コーニング（Ｃｏｒｎｉｎｇ）から入手可能なＵＬＥのような超低膨張ガラスから形成することができる。プリズムの側面は、例えば、λ／
１０以上の平面度を有する、高い光学品質になるように研磨することができる。
【０１０５】
第１のプリズム３−１１２及び第２のプリズム３−１１４は、図面に示すように、オフセットしてともに接着することができる。プリズムは、光学接合を介して又は光学接着剤を使用して接着することができる。いくつかの実施態様において、光学遅延要素３−１１０は、切断及び研磨によって、単一のガラス片から形成することができる。レーザキャビティ・ビーム３−１０１は、遅延要素の第１のポートを通じて入射し、点線として示す遠回りの光路に沿って内部反射された後、アーガイル・ブロックの第２のポートから出射する。いくつかの実施態様によれば、遅延要素は、レーザキャビティ内の要素における光路長を２倍にするために、ダブル・パスになっている。
【０１０６】
光学遅延要素３−２１２の別の実施形態が、図３−２Ｂに示されている。いくつかの実施形態によれば、光学遅延要素は、矩形形状に形成されている単一の光学ブロックを含むことができる。遅延要素３−２１２は、図面内で点線によって示すような、レーザビームを遅延要素内で前後に反射する垂直な端面３−２３０を備えることができる。遅延要素は、遅延要素の入射ポート３−２３２及び出射ポート２−２３４を与える２つの研磨面をさらに含むことができる。垂直側面は、いくつかの実施形態ではコーティングされなくてもよく、又は、他の実施形態では高反射性コーティング（例えば、多層コーティング）によってコーティングされてもよい。遅延要素３−２１２は、レーザキャビティ内の光路長を増大させるために、ダブル・パスにされてもよい。いくつかの実施態様において、遅延要素の縁部の最大長は、約２０ｍｍと約６０ｍｍとの間であってもよい。紙面に入る方向において測定されるブロックの厚さは、約５ｍｍと約２０ｍｍとの間であってもよい。遅延要素３−２１２は、上述したような、任意の適切な光学品質ガラスから形成されてもよい。反射性端面は、例えば、λ／１０以上の平面度を有する、高い光学品質になるように研磨することができる。
【０１０７】
図３−２Ｃは、光学遅延要素３−２１４のまた別の実施形態を示す。いくつかの実施形態によれば、遅延要素は、それらの中心において距離Ｄだけ離間されており、互いに対してわずかな角度αで傾斜している一対の平面ミラーＭ１、Ｍ２を含むことができる。各ミラーは、長さＬを有することができる。ミラーの間隔Ｄは、いくつかの実施形態によれば、約１０ｍｍと約５０ｍｍとの間であってもよい。ミラーの長さＬは、いくつかの実施形態によれば、約２０ｍｍと約６０ｍｍとの間であってもよい。角度αは、いくつかの実施形態によれば、約０度と約１０度との間であってもよい。紙面に入る方向に沿って測定されるミラーＭ１、Ｍ２の高さは、約５ｍｍと約２０ｍｍとの間であってもよい。ミラーＭ１、Ｍ２は、上述したような、任意の適切な光学品質ガラスから形成されてもよい。ミラーの反射面は、例えば、λ／１０以上の平面度を有する、高い光学品質になるように研磨することができる。反射面は、いくつかの実施態様において、高品質、高反射性の多層コーティングを用いてコーティングすることができ、約９９．５％を上回る反射率を有することができる。いくつかの実施形態において、反射率は、約９９．９％よりも大きくてもよい。いくつかの実施形態において、反射率は、約９９．９９％よりも大きくてもよい。いくつかの実施態様において、反射率は、約９９．９９９％よりも大きくてもよい。
【０１０８】
光学遅延要素３−２１６の別の実施形態が、図３−２Ｄに示されている。この実施形態は、図３−２Ｃに示す実施形態に類似した中実ブロックを含むことができる。いくつかの実施態様によれば、光学遅延要素３−２１６は、図面に示されているように、５つの表面を有する光学材料の中実ブロックを含むことができる。２つの表面３−２３４は、互いに対してわずかな角度αで傾斜することができる。これらの表面は、光ビーム３−１０１を、図面に示すような点線の経路に沿って表面の間で前後に反射するための高反射性コーティングを含むことができる。遅延要素３−２１６は、遅延要素への入射ポート及び遅延要素からの出射ポートを与える、２つのコーティングされていない又は反射防止コーティン
グされている表面３−２３２をさらに含むことができる。いくつかの実施形態によれば、遅延要素は、キャビティ内レーザビーム３−１０１がブルースター角において遅延要素に入射し、遅延要素を出射するように構成することができる。遅延要素３−２１６は、上述したような、任意の適切な光学品質ガラスから形成されてもよい。反射面３−２３４は、例えば、λ／１０以上の平面度を有する、高い光学品質になるように研磨することができる。反射面は、いくつかの実施態様において、高品質、高反射性の多層コーティングを用いてコーティングすることができ、約９９．５％を上回る反射率を有することができる。いくつかの実施形態において、反射率は、約９９．９％よりも大きくてもよい。いくつかの実施形態において、反射率は、約９９．９９％よりも大きくてもよい。いくつかの実施態様において、反射率は、約９９．９９９％よりも大きくてもよい。
【０１０９】
図３−２Ａ、図３−２Ｂ及び図３−２Ｄに示されている中実ブロック遅延要素３−１１０、３−２１２、３−２１６の利点は、これらの要素が、レーザキャビティに挿入されるときに、図３−２Ｃの２つのミラーのような多構成要素遅延要素ほど精密な位置合わせを必要としないことである。しかしながら、中実ブロック構成要素は、製造工程の間により多くの注意を要し、これによって製造費用が増大することになり得る。図３−２Ｃに示す多構成要素遅延要素３−２１４は、製造工程の間にそれほどの注意を要しないが、レーザキャビティに追加されるときには、より多くの注意及び互いに対するミラーのより精密な位置合わせを必要とする。
【０１１０】
光学遅延要素を組み込んでいる他のモードロックレーザは、コンパクトな超短パルスレーザ・システムにおいて実装することができる。図３−３Ａ〜図３−３Ｃは、コンパクトな超高速モードロックレーザの追加の実施形態を示している。図３−３Ａは、周波数２倍化要素３−１０９がレーザキャビティの外部に位置する、可飽和吸収体ミラー（ＳＡＭ）モードロックレーザ３−３００の実施形態を示している。図３−１に関連して説明されているモードロックレーザ３−１００の要素と同様である、モードロックレーザの要素は、同様の参照符号を付されており、それらの説明は繰り返されない。いくつかの実施形態によれば、ＳＡＭモードロックレーザは、出力カプラＴＣ１、及び、キャビティ端部ミラーとしての可飽和吸収体ミラー３−１２０を含むことができる。出力カプラは、ポンプ波長λｐを通し、レージング波長λ１及び周波数２倍化波長λ２に対しては高反射性であるように構成されているトリクロイック・ミラーを含むことができる。いくつかの実施形態において、出力カプラＴＣ１は、レージング波長λ１を、約２％と約１５％との間で透過することができる。ポンプ波長λｐを利得媒体３−１０７を通じて反射し戻し、レージング波長λ１を遅延要素３−１１０へと透過させるためのダイクロイック・ミラーＤＣ２が、レーザキャビティ内に位置し得る。レーザキャビティからの出力ビームは、レーザキャビティの外部に位置することができる周波数２倍化要素３−１０９へと方向付けることができる。レージング波長、及び、任意選択的にポンプ波長を遮断するためのフィルタＦ１が含まれ得る。
【０１１１】
図３−３Ｂは、いくつかの実施形態による、非線形ミラー・モード・ロック（ＮＭＭ：ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  ｍｉｒｒｏｒ  ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ）レーザ３−３０２の実施形態を示している。この実施形態は、可飽和吸収体を使用してもよいし、又は、使用しなくてもよい。代わりに、周波数２倍化要素３−１０９及びダイクロイック・ミラーＤＣ２が、レーザのモード・ロックを引き起こす強度依存損失メカニズムを設けることができる。図３−１に関連して説明されているモードロックレーザの要素と同様である、モードロックレーザの要素は、同様の参照符号を付されており、それらの説明は繰り返されない。
【０１１２】
いくつかの実施形態によれば、ＮＭＭレーザキャビティは、出力カプラとしての役割を果たすトリクロイックミラーＴＣ１と、周波数２倍化波長λ２のための高反射器としての役割を果たすダイクロイック・ミラーＤＣ２とを含むことができる。トリクロイック・ミ
ラーＴＣ１は、ポンプ波長λｐを通し、レージング波長λ１に対して高反射性であり、周波数２倍化波長λ２に対して高反射性であるように構成することができる。レーザキャビティは、利得媒体を通じてポンプ波長を反射し戻し、レージング波長及び周波数２倍化波長を通すように構成されている追加のトリクロイック反射器ＴＣ２を含むことができる。レージング波長λ１は、周波数２倍化要素３−１０９に入射することができ、ここで、当該波長は、レーザキャビティ内の周波数２倍化波長λ２に変換される。ダイクロイック反射器ＤＣ２は、周波数２倍化波長λ２に対して高い反射性を呈することができる。例えば、ダイクロイック反射器ＤＣ２は、周波数２倍化波長を約９５％と約１００％との間で反射することができ、レージング波長λ１を約６０％と約７５％との間で反射することができる。レージング波長に対する損失がより高いため、レーザは、高強度のパルスを有するモード・ロック状態において優先的に動作する。これは、これらの高強度パルスが、周波数２倍化要素３−１０９によってより効率的に２倍化周波数に変換され、ダイクロイック・ミラーＤＣ２からより効率的に反射され得るためである。周波数２倍化波長λ２はその後、モードロックレーザからダイクロイック・ミラーＤＣ１によって結合され得る。
【０１１３】
図３−３Ｃは、２つの周波数２倍化出力波長λ３、λ４を生成するように構成されているコンパクトなモードロックレーザのまた別の実施形態を示している。いくつかの実施態様において、利得媒体３−３０８は、Ｎｄ：ＹＶＯ４を含んでもよく、レーザキャビティ内の光学素子上のコーティングは、１０６４ｎｍ及び１３４２ｎｍの波長における同時のレージングを可能にする反射値及び透過値で設計することができる。これらの波長は、例えば、レーザキャビティの外部に位置する２倍化要素３−１０９によって周波数２倍化され得る。
【０１１４】
いくつかの実施形態によれば、２重波長モードロックレーザは、図３−３Ａに示すＳＡＭモードロックレーザと同様に構成することができる。しかしながら、第１のダイクロイック・ミラーがトリクロイック・ミラーＴＣ１に置き換えられており、第２のダイクロイック・ミラーが第３のトリクロイック・ミラーＴＣ３に置き換えられている。加えて、２つの波長λ１、λ２においてレージングすることができる利得媒体が選択されている。さらに、可飽和吸収体ミラー３−３２５は、２つのレージング波長において強度依存損失を呈するように改質されている。
【０１１５】
いくつかの実施形態によれば、トリクロイック・ミラーＴＣ１は、ポンプ波長を利得媒体３−３０８に効率的に反射し、２つのレージング波長λ１、λ２を周波数２倍化要素３−１０９に通すように構成することができる。トリクロイック・ミラーＴＣ３は、ポンプ波長λｐを利得媒体３−３０８を通じて反射し戻し、２つのレージング波長λ１、λ２を遅延要素３−１１０へ、及び、可飽和吸収体ミラー３−３２５上へと通すように構成することができる。ＳＡＭ３−３２５及びトリクロイック・ミラーＴＣ２は、レーザキャビティの端部ミラーであり得る。ポンプ・ソースによって励起されると、２重波長レーザは、２つのレージング波長に対してモード・ロックすることができる。
【０１１６】
図３−１及び図３−３Ａ〜図３−３Ｃに示すモードロックレーザは、図面に示すような直線構成で構成されてもよく、又は、構成されなくてもよい。いくつかの実施態様において、キャビティは、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な角度にあり、種々の幾何学的構成にある追加のミラーによって折り返すことができる。光学素子上に形成される反射性及び透過性コーティングは、コーティングがそのために設計される、対応するレージング、ポンプ、及び周波数２倍化ビームの入射角に従って設計される。例えば、垂直なビーム入射において特定の波長について高反射性にするように設計されるコーティングは、４５度でミラーに入射する同じ波長のビームに対しては異なる設計を有することになる。いくつかの実施形態において、コーティングは、特定のビーム入射角向けに調整することができる。
【０１１７】
ここで、２重波長可飽和吸収体ミラー３−３２５の詳細を説明する。いくつかの実施形態によれば、２重波長ＳＡＭは、半導体基板３−４０５上に形成することができ、図３−３Ａに示されている。基板３−４０５の表面は、高反射性コーティング３−４３０を含んでもよい。高反射性コーティングは、いくつかの実施態様において、多層誘電体コーティングを含んでもよい。いくつかの事例において、高反射性コーティングは、金属コーティングを含んでもよい。第１の複数の量子井戸構造３−４１２が、高反射性コーティングから距離ｄ１をおいて基板上に形成され得る。第２の複数の量子井戸構造３−４１０が、高反射性コーティング３−４３０から距離ｄ２をおいて形成され得る。いくつかの実施形態によれば、第１の複数の量子井戸構造及び第２の複数の量子井戸構造は、中間半導体層３−４０７によって分離され得る。第２の複数の量子井戸構造３−４１０に隣接して形成される、１つ又は複数の追加の層３−４０９があってもよいし、又は、なくてもよい。レーザキャビティからの光が、可飽和吸収体ミラーの第１の表面３−４０２に入射し得る。
【０１１８】
いくつかの実施形態によれば、基板３−４０５、中間層３−４０７及び１つ又は複数の追加の層３−４０９のうちの１つ又は複数は、シリコン又は他の半導体材料を含んでもよい。複数の量子井戸構造３−４１２、３−４１０は、いくつかの実施形態によれば、エピタキシャル成長又は原子層堆積によって形成されてもよい。複数の量子井戸構造は、以下の元素、すなわち、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｓ、Ａｌ、Ｐのうちの１つ又は複数を含む組成を有する材料の交互の層から形成されてもよい。
【０１１９】
図３−４Ｂは、いくつかの実施形態に従って、図３−４Ａに示す可飽和吸収体ミラー３−３２５の高反射面３−４３０からの距離の関数としてプロットされている、エネルギーバンドギャップ図を示している。図面に示すように、第１の複数の量子井戸構造３−４１２は、第１のエネルギーバンドギャップＢＧ２を作成することができ、第２の複数の量子井戸構造３−４１０は、第２のエネルギーバンドギャップＢＧ４を作成することができる。第１のエネルギーバンドギャップ及び第２のエネルギーバンドギャップは、周囲の領域のバンドギャップＢＧ１、ＢＧ３、及びＢＧ５よりも小さくなり得る。第１のエネルギーバンドギャップＢＧ２は、第１のレージング波長λ１を可飽和的に吸収するように設計することができ、第２のエネルギーバンドギャップＢＧ４は、第２のレージング波長λ２を可飽和的に吸収するように設計することができる。第１のレージング波長及び第２のレージング波長は、より大きいバンドギャップを有する周囲の領域を、ほとんど又はまったく減衰することなく通過することができる。
【０１２０】
第１の複数の量子井戸構造３−４１２及び第２の複数の量子井戸構造３−４１０の位置は、それぞれ、図３−４Ｃに示すように、反射面３−４３０から反射される第１のレージング波長λ１及び第２の波長λ２の強度波腹をおおよそ位置合わせするように位置することができる。図示されている強度波腹３−４４２、３−４４１は、高反射面３−４３０から距離ｄ１及びｄ２をおいて位置し得る。図示されている強度波腹は唯一の強度波腹ではなくてもよく、図示されている強度波腹と高反射面との間により多くの強度波腹があってもよく、高反射面からさらに離れた追加の強度波腹があってもよい。いくつかの実施形態によれば、より小さいバンドギャップＢＧ２を有する複数の量子井戸構造３−４１２が、高反射面３−４３０のより近くに位置することになる。これによって、より長い波長λ１が、相当に減衰されることなく、第２の複数の量子井戸構造３−４１０を通過することが可能になり得る。ほんの１例として、第１の複数の量子井戸構造３−４１２は、１３４２ｎｍの波長におおよそ対応するバンドギャップＢＧ２を有するように設計されてもよく、第２の複数の量子井戸構造３−４１０は、約１０６４ｎｍに対応するバンドギャップＢＧ４を有するように設計されてもよい。このように、２つのレージング波長におけるモード・ロックを生成するように、両方のレージング波長について強度依存損失をもたらすことができる。
【０１２１】
図３−３Ｃを再び参照すると、動作しているとき、２重波長レーザ３−３０４は、同時に２つのレージング波長λ１、λ２において超高速パルスを生成することができる。２つの異なる波長におけるパルスの繰り返し数は、レーザキャビティ内の各波長の光路長に依存する。レーザビームが通過しなければならない光学素子（例えば、利得媒体３−３０８、トリクロイック・ミラーＴＣ３、光学系ＯＳ２、光学遅延要素３−１１０）がレーザキャビティ内にあるため、かつ、各要素における屈折率は２つの波長について異なる場合があるため、レーザキャビティ内の第１のレージング波長及び第２のレージング波長の光路長は異なることになる。光路長の差は、２つの異なるパルス繰り返し数をもたらすことになり得、これは、いくつかの用途には望ましくない場合がある。
【０１２２】
いくつかの実施形態において、１つのレーザからの光放射が両方の量子井戸内のキャリア密度に影響を及ぼし得るように、２セットの多重量子井戸がともに近くに位置する。量子井戸は、λ１及びλ２に対応する吸収状態を有するように設計することができる。量子井戸の交差飽和が、両方のレーザ源からのパルスのタイミングの同期を助けることができる。
【０１２３】
２つの異なるパルス繰り返し数においてパルスの列が生成されることを回避するために、本発明者らは、２つのレージング波長の光路長をほぼ等しくするために、補償光学系をレーザキャビティ内に含めるべきであることを認識し、諒解するに至った。図３−５Ａを参照して、本発明者らは、端部ミラー又は出力カプラのような単一の経路長補償要素３−５００を、レーザキャビティ内の２つのレージング波長の光路長の差を補償するように設計することができることを認識し、諒解するに至った。いくつかの実施形態によれば、出力カプラは、出力カプラの第１の側の第１のレージング波長のための、第１の表面３−５５２における第１の２色性高反射コーティングを含むことができ、出力カプラの第２の側の第２の表面３−５５４における第２の２色性高反射コーティングを含むことができる。出力カプラについて、それぞれの波長の各コーティングの反射率は、約７０％と約９８％との間であってもよく、各コーティングは、他方の波長の９８％を超える波長を透過することができる。端部ミラーが補償要素として使用される実施形態において、各コーティングの反射率は、９８％を超えてもよい。
【０１２４】
補償要素３−５００の材料及び厚さｔは、第１のレージング波長と第２のレージング波長とのレーザキャビティの光路長の差を補償するように選択することができる。例として、いかなる特定の理論に束縛されることもなく、補償要素の厚さｔは、以下の関係に従って選択することができる。
【０１２５】
【数２】
2018518836.tif 000004
式中、δｏｐｌ（λ１，λ２）は、第１のレージング波長λ１及び第２のレージング波長λ２におけるパルスの、レーザキャビティ内の光路の差を表し、ｎλ１及びｎλ２は、それぞれ第１のレージング波長及び第２のレージング波長の補償要素の基板（反射性コーティングの間）の群指数の値を表す。光路差δｏｐｄ（λ１，λ２）は、最初に、レーザキャビティについて、出力カプラ３−５００の第１の表面３−５５２に対する測定によって推定することができる。パルス分離間隔Ｔを使用して、キャビティ長をより正確に決定することができる。第１の表面は、レーザキャビティに向けることができる。レーザキャビティ内でより短い光路差を有するいずれかのレージング波長が、補償要素の基板を通じて
第２の表面３−５５４までダブル・パスにするように選択される。例えば、波長λ２におけるパルスがキャビティ内でより短い光路を有する場合、ｎλ２の値が式１において使用される。第２の表面３−５５４から反射するパルスは、カプラ３−５００内で追加の光路をとり、一方で、他方のレージング波長におけるパルスは、第１の表面３−５５２から反射する。一方のレージング波長におけるパルスについて加えられる追加の光路は、レーザキャビティ内の他方の光路差を補償することができる。
【０１２６】
いくつかの事例において、補償要素３−５００の厚さｔは、約１ｍｍ未満であってもよい。そのような薄い基板は、高品質レーザキャビティ・ミラーには適切でない場合がある。例えば、薄い基板上に光学的に平坦な面（例えば、λ／１０以上の平面度を有する）を作成又は保持することは困難である場合がある。いくつかの実施形態において、補償要素３−５０２は、図３−５Ｂに示すように、支持基板３−５５６上に形成し、又は、それに接合することができる。支持基板は、補償要素に隣接して、光学的に平坦な面（例えば、λ／１０以上の平面度を有する）を含むことができる。いくつかの実施態様において、補償要素は、支持基板３−５５６に光学的に接触するか、又は、光学接着剤を用いて接着することができる。
【０１２７】
いくつかの実施形態において、補償要素は、支持基板３−５５６上に形成することができる。例えば、第１の高反射性多層コーティング３−５６２は、支持基板３−５５６上に形成することができる。その後、中間層３−５６４を、厚さｔになるまで堆積することができる。中間層は、いくつかの実施形態では物理堆積工程によって、又は、いくつかの事例では蒸着工程によって堆積することができる。いくつかの実施態様において、中間層３−５６４は、堆積後に、光学的に平坦な面まで研磨されてもよく、又は、研磨されなくてもよい。その後、第２の高反射性多層コーティング３−５６６を、中間層３−５６４上に形成することができる。
【０１２８】
レーザキャビティ向けの補償要素の第１の反射コーティングは、第１のレージング波長を高反射し、第２のレージング波長を高透過する２色性コーティングであってもよい。例えば、第１の反射性コーティング３−５６６は、第１のレージング波長λ１を約８５％と約９８％との間で反射することができ、約９８％を超える第２のレージング波長λ２を透過することができる。第２の反射性コーティング３−５６２は、第２のレージング波長を高反射してもよく、第１のレージング波長を高透過してもよく、又はしなくてもよい。キャビティ端部ミラーとしての補償要素３−５００、３−５０２が使用される場合、第２の反射性コーティング（レーザキャビティの中心から最も遠いもの）は、両方のレージング波長に対して高反射性であり得る。そのようなコーティングは、より容易に、より低い費用で製造することができる。出力カプラとしての補償要素３−５００、３−５０２が使用される場合、第２の反射性コーティングは、一方のレージング波長に対して高反射性であり得、他方に対して高透過性であり得る。
【０１２９】
本発明者らは、レーザキャビティ内の光学素子に対する加熱効果及び／又は機械的応力が、コンパクトなモードロックレーザの性能に影響を及ぼし得る重要なファクタであり得ることを認識し、諒解するに至った。加熱は、いくつかの実施態様において、ポンプ・ソース３−１０５、利得媒体３−１０７、及び／又は周波数２倍化要素３−１０９において生じ得る。利得媒体に関して、本発明者らは、利得結晶を取り付けるときにさらに注意を払わなければならないことを認識し、諒解するに至った。マウントは、熱散逸を可能にし、さらに、結晶に機械的応力が加わるのを回避すべきである。いくつかの実施形態によれば、利得結晶のための取り付け構造３−６００の例が、図３−６に示されている。図示されているマウントは、正方形断面を有する利得媒体向けに設計されているが、マウントは、矩形又は多角形のような他の断面向けに設計されてもよい。利得媒体は、紙面内に向かう方向に沿って延在する長さＬを有する。
【０１３０】
いくつかの実施形態によれば、利得媒体のための取り付け構造３−６００は、締め付け構成においてともに接合されるように構成されている第１の部分３−６２０及び第２の部分３−６２２を備えることができる。例えば、第１の部分及び第２の部分は、２つの部分が支持ベースプレートに締結され、支持ベースプレートと熱的に接触して設置されることを可能にする、ねじのための貫通孔３−６４０を含むことができる。第１の部分３−６２０及び第２の部分３−６２２は、銅又はアルミニウムのような高熱伝導性材料から形成することができるが、他の実施形態においては他の材料が使用されてもよい。第１の部分及び第２の部分は、レーザキャビティの利得媒体と熱的に接触して設置されるように構成されているいくつかの内面３−６１５を有することができる。いくつかの実施形態によれば、利得媒体の隅が位置し得る（例えば、利得媒体が取り付け構造３−６００内に取り付けられているときに）マウントの領域に位置するトレンチ又は開口部３−６３０があってもよい。トレンチ又は開口部３−６３０は、そうでなければ利得媒体上で誘発される機械的及び／又は熱的応力を低減することができる。トレンチ又は開口部は、利得媒体の隅位置のいずれかの側で約１ｍｍと約３ｍｍとの間で延在してもよい。本発明者らは、利得媒体の隅にある開口部が、そうでなければ利得媒体を裂開し、及び／又は、レーザの光学モード・プロファイルに悪影響を及ぼす場合がある熱的及び機械的応力を軽減することができることを見出した。
【０１３１】
いくつかの実施態様において、取り付け構造３−６００の第１の部分３−６２０及び第２の部分３−６２２は、熱的に冷却する、例えば、熱電クーラに接触することができる。いくつかの実施形態によれば、利得媒体にわたって温度勾配を確立することができるように、第１の部分は、第２の部分とは異なる温度まで制御可能に冷却することができ、又は、逆も可能である。そのような差動制御を使用して、例えば、位置合わせのために、又は、パルス動作を調整するために、レーザキャビティ内でレーザビームを方向制御することができる。
【０１３２】
本発明者らは、熱を散逸させる取り付け構造が、レーザキャビティの光学的位置合わせに悪影響を与える場合があることをさらに認識し、諒解するに至った。例えば、利得媒体又はダイオード・ポンプ・ソース３−１０５のための取り付け構造３−６００は、パルスレーザの他の光学素子が締結されるベースプレートに締結され得る。取り付け構造は、ベースプレートへと熱を散逸させ得、この熱は、ベースプレートの膨張及び／又は反りもしくは他の歪みを引き起こす場合がある。結果として、ベースプレートが動いて、レーザキャビティの光学素子の不整合を生じ、レーザ性能に悪影響を与える可能性がある。
【０１３３】
いくつかの実施形態によれば、相当の熱散逸を必要とするパルスレーザの取り付け構造又は構成要素は、図３−７Ａの平面図に示すような、部分的に絶縁されたプラットフォーム３−７１０上に取り付けることができる。プラットフォームは、パルスレーザのベースプレートへの熱散逸を、部分的に絶縁することができる。プラットフォームの立面図が、図３−７Ｂ及び図３−７Ｃに示されている。部分的に絶縁されたプラットフォーム３−７１０は、いくつかの実施態様によれば、機械加工工程によってベースプレート３−７０５内に形成することができる。例えば、ベースプレート３−７０５は、コンパクトなモードロックレーザのハウジングを形成するために機械加工される、中実材料ブロックの一部分であってもよい。部分的に絶縁されたプラットフォーム３−７１０を形成するために、１つ又は複数のトレンチ又はトラフ３−７３０を、ベースプレート３−７０５を通じて機械加工することができる。これらのトラフは、図３−７Ｃに示すように、ベースプレート３−７０５を通じて延在し、プラットフォーム３−７１０をベースプレート３−７０５から部分的に分離し、熱的に絶縁することができる。例えば、熱は、プラットフォームからベースプレートへは容易に散逸することはできない。
【０１３４】
複数の支持タブ３−７２０が、トラフ３−７３０を形成する機械加工工程の後に残ることができる。支持タブは、プラットフォーム３−７１０の機械的支持を可能にし、ベースプレート３−７０５への部分的な熱伝導を可能にする。プラットフォーム３−７１０の下面は、いくつかの実施態様によれば、熱電クーラ（図示せず）に熱的に接触してもよい。様々な実施形態において、支持タブ３−７２０は、図３−７Ｂに示すように、プラットフォーム３−７１０の上面と下面との間で、プラットフォームの厚さに対して、中央に位置する。例えば、支持タブ３−７２０は、図３−７Ｂに示すように、ベースプレート３−７０５の中立機械平面内に位置することができる。支持タブ３−７２０をプラットフォーム及びベースプレートの厚さに対して中央に配置することによって、ベースプレート３−７０５とプラットフォーム３−７１０との間に与えられる面外熱機械応力の量を低減することができる。ベースプレートへと散逸される熱の量を低減し、面外応力を低減することによって、ベースプレートの反り、及び、レーザキャビティ内の他の光学構成要素の望ましくない相対運動を低減することができる。いくつかの実施形態において、支持タブは、例えば、プラットフォームによって誘発される熱機械応力に対応するために、プラットフォームがベースプレート３−７０５に対して相対的に動くことを可能にする曲げ部材を含む。いくつかのレーザ構成要素（例えば、利得媒体３−１０７）の動きは、他の構成要素（例えば、キャビティ・ミラー）ほど、レーザの動作に影響を与えないものであり得、それゆえ、許容することができる。プラットフォーム３−７１０の部分的な熱機械的絶縁によって、レーザの安定性が向上し、熟練のオペレータによる調整の必要が低減する。
【０１３５】
いくつかの実施形態によれば、１つ又は複数のプラットフォーム３−７１０を使用して、パルスレーザ内の高温要素を支持することができる。例えば、第１のプラットフォーム３−７１０は、ダイオード・ポンプ・ソース３−１０５又はポンプ・モジュール２−１４０を支持するために使用されてもよく、第２のプラットフォームは、レーザ利得媒体３−１０７、１−１０５を支持するために使用されてもよい。いくつかの実施態様において、第３のプラットフォームが、非線形要素３−１０９、２−１７０を支持するために使用されてもよい。
【０１３６】
いくつかの実施形態において、異なる固有波長において動作する複数のパルスレーザが使用されてもよい。本発明者らは、２つのレーザからのパルス列を、電気機械フィードバック制御回路を用いずに同期することができることを認識し、諒解するに至った。いくつかの実施形態において、図３−８Ａに示すように、第１のモードロックレーザからのパルス列を使用して、第２の連続波レーザからのパルスを発生させることができる。第１のレーザ１−１１０ａは、第１の固有波長λ１にある第１のパルスの列３−８２０ａを生成することができる。パルスからのいくらかのエネルギーを、第１の非線形光学素子３−８３０における第２高調波発生（ＳＨＧ：ｓｅｃｏｎｄ−ｈａｒｍｏｎｉｃ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）を介して、第２高調波に変換することができる。基本波長における残りのエネルギーは、第１のダイクロイック・ミラーＤＣ１によって、第２のレーザ３−８００へと方向付けることができ、第２のレーザは、第１の端部ミラーＤＣ２と、和周波数発生（ＳＦＧ：ｓｕｍ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）のための第２の非線形光学素子３−８４０と、利得媒体３−８１０と、第２の端部ミラーＤＣ３とを備える。端部ミラーは、第２のレージング波長λ２に対して高反射性であり、他の波長は透過することができるダイクロイック・ミラーであってもよい。例えば、端部ミラーは、第２のレージング波長に対しては９９％を超える反射率値を有することができ、第１のレージング波長λ１を透過することができる。第２のレーザ３−８００はまた、それを通じて利得媒体のためのポンプ波長λｐをキャビティ内に導入することができる、３色性反射器ＴＣ１をも含むことができる。
【０１３７】
いくつかの実施形態によれば、第２のレーザ３−８００は、連続波モードで動作することができる。したがって、第２のレーザはそれ自体では、パルスを生成しない。加えて、
第２のレーザのキャビティ・ミラーは高い反射率値を有するため、キャビティ内パワーは非常に高い。これは、レーザがその動作波長λ２においてキャビティの外部にパワーを与える必要がないためである。その後、高いキャビティ内パワーを、第３の波長λ３にあるパルス列３−８２０ｃを生成するための、第１のレーザ１−１１０ａからキャビティに注入されるパルスを用いた和周波数発生に使用することができる。第２のレーザ３−８００は連続波モードにおいて動作するため、第２のレーザのキャビティ長はパルス繰り返し数に関連付けられず、そのため、キャビティ長制御は必要ないものであり得る。さらに、ＳＦＧを介したパルス生成は、第１のレーザ１−１１０ａからのパルスによって決定され、和周波数波長λ３にある、発生したパルスは自動的に、第１のレーザからのパルスに同期され、２つのパルス列の電子的同期は必要ない。機器電子装置に対する同期は依然として必要になる。
【０１３８】
図３−８Ｂは、１つのレーザが連続波モードにおいて動作する、２レーザ・システムの代替的な実施形態を示す。このシステムにおいて、ＳＦＧがＳＨＧの前に行われる。いくつかの事例において、和周波数発生の効率は、第２高調波発生よりも劣る場合があり、そのため、第１のレーザ・パルスの強度がより高くなるように、まずＳＦＧを実施することが有利であり得る。
【０１３９】
所望の波長を得るために非線形光学素子を介した波長変換を利用するレーザ実施形態について、非線形光学素子は、光学素子を通過する光ビーム軸に対する光学素子の角度調整を可能にするマウント内に支持することができる。角度調整は、非線形要素が、高い変換効率のための位相整合角度まで回転することを可能にすることができる。角度調整は、例えば、製造時にねじを調整することによって手動で行うことができ、その後、接着剤、樹脂、又は他の方法を介して固定することができる。いくつかの実施形態において、角度調整は固定されなくてもよく、それによって、ユーザ又は技術者が、必要なときにさらなる調整を行うことができる。
【０１４０】
本発明者らは、少なくとも１つのレーザが可飽和吸収体を含む、２つのレーザからのパルス列の同期を助けるためのさらなる方法を着想した。図３−９は、第１のモードロックレーザ１−１１０ａからの白化パルス列３−８２０ｂが、第２のモードロックレーザ３−９１０の可飽和吸収体ミラー３−１２０へと方向付けられる２レーザ・システム３−９００を示す。第２のモードロックレーザは、利得媒体３−８１０及び出力カプラＯＣ１を備えることができる。第２のレーザの利得媒体は、第１のレーザの利得媒体と同じであってもよい。
【０１４１】
白化パルス列３−８２０ｂは、いくつかの実施形態によれば、ビームスプリッタＢＳ１によって、第１のレーザの主出力パルス列３−８２０ａから分割することができる。白化パルス列が可飽和吸収体ミラーに衝突すると、これは、各パルスの間、可飽和吸収体ミラーの白化（光学損失の低減）を補助することになる。この短い損失低減は、第２のレーザ３−９１０内の光パルス３−８２０ｃの形成及びタイミングに影響を及ぼす。様々な実施形態において、白化パルスは、可飽和吸収体ミラーの、第２のレーザビームによって照射される領域に空間的に位置合わせされるべきである。第２のレーザ３−９１０の光パルスはまた、形成されると、可飽和吸収体をも白化するため、２つのレーザが定常状態において動作しているときに、それらのパルスは、第１のレーザからのパルスと同時に、可飽和吸収体ミラー３−１２０に衝突することが望ましい。したがって、電気機械制御回路３−９２０を使用して、第２のレーザのキャビティ長（及びパルス繰り返し数）を制御することができる。
【０１４２】
キャビティ長を制御するための電気機械制御回路３−１０００の例が、図３−１０に示されている。他の実施形態は、異なる信号処理回路を使用してもよい。いくつかの実施態
様において、２つのレーザからのパルスを、２つの光検出器３−１０１０、３−１０１２を用いて検出することができる。光パルスは、ビームスプリッタから取り出されるレーザビームの部分、又は、例えば、迷反射、散乱、又は、レーザキャビティ内の光学構成要素からの残留透過であってもよい。光検出器からの信号は、増幅器３−１０２０、３−１０２２によって増幅することができ、ロー・パス・フィルタ又はバンド・パス・フィルタ３−１０３０、３−１０３２によってフィルタリングすることができる。２つの信号が直交して混合されることを可能にするために、可変位相遅延３−１０３４を、１つの信号経路内に含むことができる。増幅器は、オペ・アンプ又は無線周波数増幅器を含んでもよく、デジタル又はアナログであってもよい。フィルタは、デジタル・フィルタ又はアナログ・フィルタであってもよく、実質的に、２つのレーザのパルス繰り返し数の基本又は高調波周波数に対応する正弦波出力を発生させることができる。２つのフィルタからの出力はその後、和周波数及び差周波数を生成するために、混合器３−１０４０において混合することができる。
【０１４３】
いくつかの実施形態によれば、混合器からの出力をロー・パス・フィルタ３−１０４０を用いてフィルタリングしてＤＣ信号を生成することができ、ＤＣ信号は、２つの周波数の間の位相シフトに比例する誤差信号を与える。ＤＣ信号レベルは、電気機械制御回路３−９２０に与えることができ、キャビティ長がどの程度良好に一致するかを決定するために監視される。キャビティ長が一致するとき、ＤＣ信号レベルはほぼゼロ値付近になり得る。キャビティ長が一致しないとき、ＤＣ信号レベルの大きさは増大し得、制御回路３−９２０は、例えばＤＣ信号レベルの大きさを低減するために、キャビティ端部ミラーを動かすアクチュエータ３−９３０に対する制御信号を発生させることができる。
【０１４４】
いくつかの実施形態において、位相ロック・ループが、電気機械制御回路において混合器３−１０４０の代わりに使用されてもよい。例えば、フィルタ３−１０３０、３−１０３２からの正弦波信号又はデジタル化方形波信号が、位相ロック・ループの位相検出器に印加されてもよい。位相検出器からの出力は、フィルタリングして、電気機械制御回路３−９２０に与えることができる。
ＩＩ．Ｂ．モード・ロック半導体レーザ
いくつかの実施態様において、半導体レーザダイオードは、低コストの超高速パルス源を与えるためにモード・ロックすることができる。モードロックレーザダイオードは、いくつかの実施形態に従って、試料を調査し、又は、測定を行うために直接使用されることになる所望の波長（例えば、青色、緑色、又は赤色の波長）にあるパルスを生成することができる。いくつかの事例において、レーザダイオードによって生成されるパルスは、調査又は測定用途に使用するための別の波長に変換（例えば、周波数２倍化）することができる。例えば、モードロックレーザダイオードは、赤外線波長にあるパルスを生成してもよく、これらのパルスが、光スペクトルの青色、緑色、又は赤色の領域まで周波数２倍化されてもよい。
【０１４５】
モードロックレーザダイオード４−１００の１実施形態が、図４−１に示されている。モード・ロック半導体レーザは、レーザダイオード４−１０５及び可飽和吸収体ミラー３−１２０を備えることができる。レーザキャビティの端部は、いくつかの実施形態によれば、半導体レーザダイオード４−１０５の１端に形成される反射性コーティング４−１１２及び可飽和吸収体ミラー３−１２０によって規定することができる。レーザキャビティは、レーザダイオードからの光ビームを再成形し、及び／又は、その発散を変化させる第１の光学系ＯＳ１を含むことができる。レーザキャビティは、キャビティ内ビームを再成形し、及び／又は、可飽和吸収体ミラー上に集束することができる第２の光学系ＯＳ２をさらに含むことができる。いくつかの実施形態において、レーザキャビティは、光学遅延要素３−１１０を含むことができる。光学遅延要素は、図３−２Ａから図３−２Ｄに関連して上述した遅延要素の任意の実施形態であってもよい。モードロックレーザダイオード
は、波長λ１においてレージングし、約１００ｐｓよりも短い持続時間を有する超高速パルスの列を生成することができる。
【０１４６】
いくつかの実施態様において、レーザダイオード４−１０５は、光導波路構造のいずれかの端部上に光学コーティングを含むことができる。光学コーティング４−１１０、４−１１２は、蒸着工程又は物理堆積工程のような、任意の適切な堆積工程によって形成されてもよい。いくつかの実施態様において、レーザダイオードの第１の端部は、レーザキャビティの出力カプラとしての役割を果たす部分透過性コーティング４−１１２を含むことができる。透過性コーティング４−１１２は、超高速パルスの列を与えるために、レージング・ビームの一部分をキャビティの外部に透過することができる。コーティング４−１１２の透過率は、いくつかの実施形態によれば、約２％と約１５％との間であってもよく、その反射率は、約９８％と約８５％との間であってもよい。レーザダイオード４−１０５の反対の端部は、レーザダイオードからの放射のほとんどが著しく反射されることなくレーザキャビティに入ることを可能にするように、反射防止コーティング４−１１０でコーティングすることができる。例えば、反射防止コーティング４−１１０は、レージング波長λ１の１％未満を反射し得る。
【０１４７】
いくつかの実施形態において、図４−２に示すように、モードロックレーザダイオード４−２００の可飽和吸収体は、同じチップ上に、半導体レーザダイオードとともに集積することができる。例えば、可飽和吸収体４−６６５は、レーザダイオード４−６２０が形成される基板上に集積することができる。レーザキャビティは、レーザダイオードからのビームを再成形し、及び／又は、その発散を変化させる光学系ＯＳ１を含むことができる。いくつかの実施形態において、光学系ＯＳ１は、キャビティ内のビームの形状及び／又は発散を変化させるために使用される、レーザキャビティ内の唯一の光学系であってもよい。レーザキャビティはまた、光学遅延要素３−１１０及び出力カプラＯＣ１をも含むことができる。出力カプラは、レージング・ビームの一部分をキャビティの外部に透過し、レージング・ビームのほとんどをレーザキャビティ内に反射し戻すビームスプリッタを含むことができる。出力カプラＯＣ１の透過率は、いくつかの実施形態によれば、約２％と約１５％との間であってもよい。上述したように、レーザダイオード４−６２０の、可飽和吸収体４−６６５の反対にある１端は、反射防止コーティングを含むことができる。可飽和吸収体は、放射の大部分をレーザダイオードからレーザキャビティ内へと反射し戻す高反射性コーティングを含んでもよい。
【０１４８】
モードロックレーザダイオード４−３００の別の実施形態が、図４−３に示されている。この実施形態において、光ファイバ４−３２０が、レーザキャビティの光学遅延要素として使用される。レーザキャビティは、いくつかの実施形態によれば、レーザダイオード４−６２０と同じ基板上に集積される、可飽和吸収体４−６６５及び可飽吸収体に隣接する高反射性コーティングを含むことができる。レーザキャビティは、レーザダイオード４−６２０からの放射を光ファイバ４−３２０へと結合するために使用される光学結合構成要素４−３１０をさらに含むことができる。光学出力結合要素４−３３０は、いくつかの実施形態によれば、ファイバ４−３２０の第２の端部に位置することができ、レーザキャビティの出力カプラとして構成することができる。
【０１４９】
いくつかの実施態様において、光結合要素４−３１０は、光学接着剤を含んでもよい。例えば、光ファイバ４−３２０は、レーザダイオードの端部に位置合わせして、光学接着剤を使用してそれに接着することができる。ファイバ端部は、レーザダイオードの導波領域からの放射がより効率的にファイバに結合する位置において接合することができる。いくつかの実施形態において、光学結合要素４−３１０は、ボール・レンズ又は屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズを含んでもよい。いくつかの実施形態によれば、光ファイバの反対の端部にある、出力光学結合要素４−３３０の表面は、レーザキャビティからの出力結合
を可能にするように、反射性コーティング４−３３２を含むことができる。出力結合要素４−３３０は、いくつかの実施態様において、ボール・レンズ又はＧＲＩＮレンズを含んでもよい。いくつかの実施形態において、出力結合要素４−３３０は、光ファイバ４−３２０の１端付近に取り付けられているレンズを含んでもよい。
【０１５０】
図４−１から図４−３に示されているモードロックレーザダイオードの図示されている実施形態のいずれかは、波長変換要素３−１０９を含んでもよく、又は、含まなくてもよい。いくつかの実施形態によれば、波長変換要素は、レーザキャビティからのビームに位置合わせされる周波数２倍化結晶を含んでもよく、又は、パラメトリック変換もしくは４波混合のために利用される非線形要素を含んでもよい。いくつかの実施形態において、非線形要素は、レーザダイオードと同じ基板上に集積することができる、ニオブ酸リチウムのような、周期分極反転材料を含んでもよい。
【０１５１】
モードロックレーザダイオードを使用することは、大量のパワー、例えば、約３００ｍＷを超えるパワー・レベルを必要としないいくつかの実施形態にとっては有利であり得る。モードロックレーザダイオードの１つの利点は、それらのサイズがコンパクトであること、及び、レーザ内で使用される光学素子の数が低減されることである。レージング媒体は非常に小さく（例えば、幅を５ｍｍ未満に）することができるため、いくつかの実施形態において、モードロックレーザダイオードのアレイを使用することが可能であり得る。いくつかの実施態様において、モードロックレーザダイオードのアレイは、共通の光学素子を共有することができる。例えば、２つ以上のレーザダイオードが、１つ又は複数の光学素子（例えば、光学遅延要素３−１１０、光学系ＯＳ１、ＯＳ２、及び可飽和吸収体ミラー３−１２０のうちの１つ又は複数）を共有することができる。
ＩＩ．Ｃ．モード・ロック・ファイバ・レーザ
いくつかの実施形態によれば、モード・ロック・ファイバ・レーザを使用しても、超高速パルスを生成することができる。モード・ロック・ファイバ・レーザのいくつかの例が、図５−１から図５−３に示されている。モード・ロック・ファイバ・レーザは、上述され図３−３Ａから図３−３Ｃに示されている様な、ダイオード・ポンピングされる固体レーザに使用されている光学素子を含んでもよい。しかしながら、モード・ロック・ファイバ・レーザにおいて、利得媒体は、同じくレーザキャビティの光学遅延要素を与えることができる一定の長さの光ファイバ５−１２０を含む。いくつかの実施形態によれば、図５−１に示すように、ダイオード・ポンプ・ソース３−１０５は、ファイバ５−１２０の１端に結合されるポンピング波長λｐを与えることができる。いくつかの実施態様において、第１のダイクロイック端部ミラーＤＣ１、及び、ファイバ・レーザの受動モード・ロックを引き起こす可飽和吸収体ミラー３−１２０によって、ファイバ・レーザキャビティを画定することができる。
【０１５２】
図５−１を参照し、いくつかの実施形態に従って、モード・ロック・ファイバ・レーザ５−１００は、ダイオード・ポンプ・ソース３−１０５からの出力ビームを、レーザの利得媒体としての役割を果たす光ファイバ５−１２０に結合するように構成されている第１の光学系ＯＳ１を備えることができる。いくつかの実施態様において、ダイオード・ポンプ・ソース３−１０５からのビームを光ファイバのクラッディングに結合して、光ファイバ５−１２０のコア及び利得媒体を励起することができる。例えば、第２の光学系ＯＳ２は、レージング波長λ１にあるビームを形成するために、光ファイバからの放射を結合するように構成することができる。レーザキャビティは、図面に示されているように、光ファイバ５−１２０の付近又はその１端に位置付けられているダイクロイック・ミラーＤＣ２をさらに含むことができる。第２のダイクロイック・ミラーＤＣ２は、レージング波長λ１の大部分を可飽和吸収体ミラー３−１２０に透過し、ポンプ波長λｐのほとんどを、光ファイバを通じて反射し戻すことができる。例えば、第２のダイクロイック・ミラーＤＣ２は、約９８％を超えるレージング波長を透過し、約９８％を超えるポンプ波長を反射
することができる。ポンプ・ソースと光ファイバとの間で、レーザキャビティの外部に第３のダイクロイック・ミラーＤＣ３が含まれてもよく、ファイバ・レーザ５−１００からの出力レーザビームを方向付けるために使用することができる。第３のダイクロイック・ミラーは、いくつかの実施態様によれば、ポンプ波長λｐの大部分（例えば、約９８％を超える）を透過し、レージング波長λ１の大部分（例えば、約９８％を超える）を反射することができる。
【０１５３】
モード・ロック・ファイバ・レーザ５−２００の別の実施形態が、図５−２に示されている。いくつかの実施態様によれば、光学結合要素を、光ファイバ５−１２０の対向する端部に作製又は接合することができる。例えば、第１の光学素子５−２１０を、光ファイバの第１の端部に接合し、又はその上に形成することができる。第１の光学素子は、光ファイバの端部に直接付着されるか、又は、支持構造を用いて付着されるボール・レンズ又は屈折率分布型レンズを含んでもよい。加えて、第１の光学素子５−２１０は、ポンプ波長λｐの大部分（例えば、約９８％を超える）を透過し、レージング波長λ１の大部分（例えば、約９８％と約８５％との間）を反射する２色性コーティングを含むことができる。したがって、第１の光学素子５−２１０は、ファイバ・レーザ５−２００の出力カプラを含むことができる。
【０１５４】
第２の光学素子５−２２０は、いくつかの実施形態において、レージング波長λ１の大部分（例えば、約９８％を超える）を透過し、ポンプ波長λｐの大部分（例えば、約９８％を超える）を光ファイバに反射し戻すように設計されている、光ファイバの１端に形成される２色性コーティングを含むことができる。いくつかの実施形態において、第２の光学素子５−２２０は、光ファイバの端部に直接付着されるか、又は、支持構造を用いて結合されるボール・レンズ又はＧＲＩＮレンズを含んでもよい。例えば、ＧＲＩＮレンズは、光学接着剤を用いてファイバの１端に接着することができ、ＧＲＩＮレンズの露出した端部は、レージング波長λ１の大部分（例えば、約９８％を超える）を透過し、ポンプ波長λｐの大部分（例えば、約９８％を超える）を光ファイバに反射し戻すように設計されている、２色性コーティングでコーティングすることができる。いくつかの実施形態によれば、レーザダイオード３−１０５からのポンプ放射を光ファイバに結合するために使用される第１の光学レンズシステムＯＳ１、及び、光ファイバからの放射を可飽和吸収体ミラー３−１２０上に集束させるために使用される第２の光学レンズシステムＯＳ２があってもよい。
【０１５５】
図５−３は、モード・ロック・ファイバ・レーザ５−３００のまた別の実施形態を示す。そのような実施形態は、上述したファイバ・レーザの先行する実施形態よりも、備える光学素子を少なくすることができる。いくつかの実施態様によれば、ファイバ・レーザキャビティは、光ファイバ５−１２０の１端に位置する光学プリズム５−３１０、及び、光ファイバの反対の端部に位置する可飽和吸収体ミラー３−１２０によって画定することができる。光学プリズム５−３１０は、第１の２色性コーティング５−３１２によって被覆されている第１の表面を含むことができる。第１の２色性コーティングは、ポンプ・ソース波長λｐの大部分（例えば、約９８％を超える）を透過し、レージング波長λ１の大部分（例えば、約９８％を超える）を反射することができる。光学プリズム５−３１０の第２の表面は、ポンプ波長λｐの大部分（例えば、約９８％を超える）を透過し、レージング波長λ１の大部分（例えば、約８５％と約９８％との間）を光ファイバに反射し戻すように構成されている第２の２色性コーティング５−３１４を含むことができる。第２の２色性コーティング５−３１４は、ファイバ・レーザの出力カプラとしての役割を果たすことができる。例えば、第２の２色性コーティング５−３１４は、レージング波長λ１を約２％と約１５％との間で透過し得る。いくつかの実施形態によれば、光ファイバ５−１２０の反対の端部に位置する出力結合要素５−２２０があってもよい。出力結合要素５−２２０は、レーザ放射を、ファイバから可飽和吸収体ミラー３−１２０へと結合することが
できる。いくつかの実施形態において、ファイバ出力結合要素は、光ファイバの端部に接着されるボール・レンズ又は屈折率分布型レンズを含んでもよい。いくつかの実施態様において、出力光学結合要素５−２２０は、レージング放射λ１の大部分を透過し、ポンプ放射λｐの大部分をファイバに反射し戻すように設計されている２色性コーティングを含むことができる。出力光学結合要素５−２２０は、可飽和吸収体ミラー３−１２０へと、及び、可飽和吸収体ミラー３−１２０から、レージング放射λ１を結合することができ、ＳＡＭと接触していてもよいし、又は、接触していなくてもよい。
ＩＩ．Ｄ．利得切換レーザ
いくつかの実施形態において、利得切換レーザが、分析機器１−１００のためのパルスレーザ１−１１０として利用されてもよい。利得切換レーザは、一般的にモードロックレーザよりも長いパルスを有するが、複雑度がより低く、より低い費用で製造することができる。利得切換レーザは、試料の蛍光寿命がより長い減衰率（例えば、約５ｎｓよりも長い）ときに有用であり得る。
【０１５６】
本発明者らは、レーザダイオード及び発光ダイオードから短及び超短光パルスを生成するためのパルサ回路及び技法を着想した。パルス化回路及び技法は、いくつかの実施態様においては、半導体レーザを利得切換し、最大１００ＭＨｚの繰り返し数（１０ナノ秒程度と短いＴ）において約１Ｗのピーク・パワーを有する、約８５ピコ秒（ｐｓ）パルスの列（ＦＷＨＭ）を生成するために利用されている。いくつかの実施形態において、ユニポーラ又はバイポーラ電流波形を、パルサ回路によって生成することができ、光パルスを励起し、パルスのテールにおける発光を抑制するように、レーザダイオードの利得媒体を駆動するために使用することができる。いくつかの実施形態において、ユニポーラ又はバイポーラ電流波形を、パルサ回路によって生成することができ、短又は超短光パルスを出力するように１つ又は複数の発光ダイオードを駆動するために使用することができる。
【０１５７】
レーザダイオードにおける利得切換を説明する目的で、利得切換と関連付けられるレーザ動態を示すために、図６−１Ａから図６−１Ｃが含まれている。図６−１Ａは、いくつかの実施形態によれば、利得切換レーザの利得媒体に印加されるポンプ・パワーを表すポンプ・パワー曲線６−１１０を示す。図示されているように、ポンプ・パワーは、レーザキャビティ内の利得媒体に、短い持続時間（約０．６マイクロ秒として示されている）にわたって印加することができる。半導体レーザダイオードについて、ポンプ・パワーの印加は、レーザダイオードのｐ−ｎ接合又は多重量子井戸（ＭＱＷ）にわたってバイアス電流を印加することを含むことができる。ポンプ・パワー・パルスは、周期的に離間された時間間隔で、例えば、パルス分離間隔又はパルス繰り返し時間Ｔで、繰り返し印加することができる。
【０１５８】
ポンプ・パワー・パルスが印加されている間、レーザキャビティ内の光学利得は、利得がキャビティにおける光学損失を超え始めるまで増大する。この時点の後、レーザはレージング（すなわち、誘導放出の工程によって利得媒体を通過する光子を増幅）し始めることができる。増幅工程の結果として、レーザ光が急速に増大し、利得媒体内の励起状態が空乏して、少なくとも１つの出力パルス６−１３０が図示のように生成される。いくつかの実施形態において、ポンプ・パワー・パルス６−１１０は、出力パルスのピークが生じるのとほぼ同時にオフになるように、タイミングをとられる。ポンプ・パワー・パルスがオフになることによって、さらなるレージングが終了し、それによって、出力パルス６−１３０が消える。いくつかの実施形態において、出力パルス６−１３０は、図面に示すように、ポンプ・パルス６−１１０よりも短い持続時間を有し得る。例えば、利得切換によって生成される出力パルス６−１３０は、ポンプ・パルス６−１１０の持続時間の１／５よりも小さくてもよい。
【０１５９】
ポンプ・パワー・パルスがオフにされない場合、図６−１Ｂに示す動態が生じ得る。こ
の事例において、階段関数として示されているポンプ・パワー曲線（ポンプ電流密度として示されている）６−１４０は、半導体レーザに印加される電流密度を表す。グラフは、利得媒体がポンピング電流密度によって励起され、それによって、レーザダイオードの利得領域におけるキャリア密度Ｎが生成されることを示している。レージング閾値電流密度Ｉｔｈの約２倍のポンプ電流密度Ｉが時刻ｔ＝０において印加され、その後、そのままにされる。グラフは、レーザの光学利得がキャビティ内の損失を超えるまで、半導体利得領域のキャリア密度Ｎが増大することを示している。この時点の後、キャリア密度及び光学利得をキャビティ損失を下回る値まで空乏させる第１のパルス６−１６１が増大し、放出される。その後、第２のパルス６−１６２が増大し、キャリア密度Ｎを空乏させ、放出される。キャリア密度の増大及び空乏は、レーザが安定して連続波動作になる（例えば、この例では約７ナノ秒後）まで、数サイクルにわたって繰り返す。パルス（パルス６−１６１、パルス６−１６２、及び後続のパルス）のサイクルは、レーザの緩和振動と称される。
【０１６０】
本発明者らは、超短パルスを生成するためにレーザを利得切換するときの課題は、緩和振動が継続することの有害な影響を回避することであることを認識し、諒解するに至った。例えば、図６−１Ｃに示すように、ポンプ・パワー・パルス６−１１０が十分迅速に終端しない場合、少なくとも第２の光パルス６−１６２（緩和振動に起因する）がレーザキャビティ内で増大し始め、利得切換出力パルス６−１７０にテール６−１７２を付加する場合がある。本発明者らは、そのようなテールは、蛍光寿命に基づいて蛍光分子を区別することを目標とする用途のようないくつかの用途にとっては望ましくない可能性があることを認識し、諒解するに至った。励起パルスのテールが十分迅速に低減されない場合、波長フィルタリングが利用されない限り、励起放射は、検出器を圧倒する場合がある。代替的に又は付加的に、励起パルス上のテールは、蛍光分子を励起し続ける場合があり、蛍光寿命の検出を複雑にする場合がある。
【０１６１】
励起パルスのテールが十分迅速に低減される場合、蛍光発光中に存在する励起放射は、無視できるものであり得る。そのような実施態様において、蛍光発光の検出中に励起放射をフィルタリングすることは、蛍光発光を検出し、蛍光分子寿命を区別するためには必要ない場合がある。いくつかの事例において、励起フィルタリングをなくすことによって、分析システム１−１６０を大幅に単純化し、その費用を低減することができ、システムの構成をよりコンパクトにすることを可能にすることができる。例えば、蛍光発光中の励起波長を抑制するためにフィルタが必要ない場合、励起源及び蛍光検出器は密に近接して（例えば、同じ回路基板又は集積デバイス上に、またさらには互いの数マイクロメートル（数ミクロン）以内に）位置することができる。
【０１６２】
本発明者らはまた、いくつかの事例において、励起パルス上のテールは許容することができることも認識し、諒解するに至った。例えば、分析システム１−１６０は、波長フィルタを検出光路に組み込むことを容易に可能にする光学的構成を有することができる。波長フィルタは、検出器が生物学的試料から定量化可能な蛍光を受信するように、励起波長を拒絶するように選択することができる。結果として、パルス光源からの励起放射は、検出される蛍光を圧倒しない。
【０１６３】
いくつかの実施形態において、蛍光分子の発光寿命τは、いくつかの実施形態によれば、１／ｅ強度値によって特性化することができるが、いくつかの実施形態では、他の測定基準が使用されてもよい（例えば１／ｅ２、発光半減期など）。蛍光分子の寿命を決定する正確度は、蛍光分子を励起するために使用される励起パルスが、蛍光分子の寿命よりも短い持続時間を有する場合に改善される。好ましくは、励起パルスは、蛍光分子の発光寿命よりも少なくとも３倍だけ短いＦＷＨＭ持続時間を有する。より長い持続時間を有する励起パルス、又は、相当のエネルギーを有するテール６−１７２は、減衰する発光が評価
されている間に蛍光分子を励起し続け、蛍光分子寿命の分析を複雑にする場合がある。そのような事例における蛍光寿命決定を改善するために、デコンボリューション技法を使用して、検出されている蛍光から、励起パルス・プロファイルの畳み込みを解くことができる。
【０１６４】
いくつかの事例において、蛍光分子又は試料の消光を低減するために、超短パルスを使用して蛍光分子を励起することが好ましい場合がある。蛍光分子のポンピングが延長することによって、蛍光分子が経時的に白化及び／又は損傷する場合があり、一方で、より短い持続時間にわたって強度をより高くすることは、（たとえ分子にかかる全エネルギー量が同じであったとしても）より低い強度での長時間の曝露ほどには、蛍光分子を損傷しない場合があることが分かっている。曝露時間を低減することによって、蛍光分子に対する、光によって誘発される損傷を回避又は低減し、蛍光分子が分析システム１−１６０内でそのために使用される測定の時間又は回数を増大することができる。
【０１６５】
いくつかの用途において、本発明者らは、励起パルスが、パルスのピーク・パワー・レベルを少なくとも約４０ｄＢ下回るパワー・レベルまで、迅速に（例えば、パルスのピークから約２５０ｐｓ以内に）終端することが望ましいことを見出した。いくつかの実施形態は、より少量のパワー低減、例えば、約２５０ｐｓ以内で約２０ｄＢと約４０ｄＢとの間のパワー低減を許容することができる。いくつかの実施形態は、２５０ｐｓ以内で、例えばいくつかの実施形態において約４０ｄＢと約８０ｄｂとの間、又は、いくつかの実施形態において約８０ｄＢと約１２０ｄｂとの間の、同様の又はより大量のパワー低減を必要とする場合がある。いくつかの実施形態において、これらのパワー低減レベルは、ポンピング・パルスのピークから約１００ｐｓ以内に必要とされ得る。
【０１６６】
いくつかの実施形態によれば、パルス分離間隔Ｔ（図１−２参照）もまた、パルスレーザ・システムの重要な態様になり得る。例えば、蛍光分子の発光寿命を評価及び／又は区別するためにパルスレーザを使用するとき、励起パルスの間の時間は好ましくは、発光寿命を十分に正確に決定することを可能にするために、試験されている蛍光種の任意の発光寿命よりも長い。例えば、後続のパルスは、先行するパルスから励起される蛍光分子又は励起される蛍光分子の集合が、蛍光を発するために妥当な時間を得る前に到来するべきではない。いくつかの実施形態において、間隔Ｔは、蛍光分子を励起する励起パルスと、励起パルスの終端後で、かつ次の励起パルスの前に、蛍光分子によって放出される後続の光子との間の時間を決定するのに十分に長い必要がある。
【０１６７】
励起パルス間の間隔Ｔは、蛍光種の減衰特性を決定するのに十分に長くなるべきであるが、パルス分離間隔Ｔが、短期間に多くの測定が行われることを可能にするのに十分に短いことも望ましい。限定ではなく例として、いくつかの用途において使用される蛍光分子の発光寿命（１／ｅ値）は、約１００ピコ秒〜約１０ナノ秒の範囲内であり得る。それゆえ、使用される蛍光分子に応じて、約２００ｐｓ程度と短いパルス分離間隔を使用することができ、一方で、より寿命の長い蛍光分子については、約２０ナノ秒よりも長いパルス分離間隔Ｔを使用することができる。したがって、蛍光寿命分析のために蛍光発光を励起するために使用される励起パルスは、いくつかの実施形態によれば、約２５ピコ秒と約２ナノ秒との間のＦＷＨＭ持続時間を有することができる。
【０１６８】
蛍光発光を検出し、寿命分析に関するデータ及び視覚表示を与えるために積分時間領域イメージング・アレイが使用されるいくつかの用途において、パルス分離間隔Ｔは、イメージング・システムのフレーム・レートよりも短くなる必要はない場合がある。例えば、単一の励起パルス後に十分な蛍光信号がある場合、イメージング・フレームの複数の励起パルスにわたる信号累積は必要ない場合がある。いくつかの実施形態において、パルス光源１−１１０のパルス繰り返し数Ｒｐは、イメージング・システムのフレーム・レートＲ
ｆに同期することができ、それによって、パルス繰り返し数は、約３０Ｈｚ程度に遅くすることができる。他の実施形態において、パルス繰り返し数は、フレーム・レートよりも相当に高くなり得、画像内の各画素の蛍光遅延信号は、複数の励起パルス後の積分値であり得る。
【０１６９】
利得切換パルスレーザ６−２００の１例が、図６−２Ａに示されている。いくつかの実施形態によれば、パルスレーザ６−２００は、基板６−２０８上に形成されている市販の又はカスタム半導体レーザダイオード６−２０１を備えることができる。レーザダイオードは、電気コネクタ６−２２４を含むハウジング６−２１２内にパッケージすることができる。レーザからの出力ビームを再成形し、及び／又は、その発散を変化させるためにパッケージに含まれる、１つ又は複数の光学素子６−２０５（例えば、１つ又は複数のレンズ）があり得る。レーザダイオード６−２０１は、接続ケーブル６−２２６及び少なくとも１本のワイヤ６−２２０を介してダイオード６−２０１へと１連の電流パルスを与えることができるパルサ回路６−２１０によって駆動することができる。パルサ回路６−２１０からの駆動電流は、レーザダイオードからの放出される光パルスの列６−２２２を生成することができる。
【０１７０】
いくつかの実施形態によれば、レーザダイオード６−２０１は、第１の導電型（例えば、ｐ型）を有する第１の層６−２０２と、反対の導電型を有する第２の層６−２０６とを備える半導体接合を含むことができる。第１の層と第２の層との間には、１つ又は複数の中間層６−２０４が形成されてもよい。例えば、中間層は、第１の層及び第２の層から注入されるキャリアが再結合して光子を生成する多重量子井戸（ＭＱＷ）層を含んでもよい。いくつかの実施形態において、中間層は、電子及び／又は正孔ブロック層を含んでもよい。レーザダイオードは、いくつかの実施態様において、無機材料及び／又は有機半導体材料を含んでもよい。材料は、所望の発光波長が得られるように選択することができる。例えば、無機半導体について、ＩＩＩ族窒化物組成が約５００ｎｍ未満の波長において発光するレーザに使用されてもよく、ＩＩＩ族ヒ化物組成又はＩＩＩ族リン化物組成が、約５００ｎｍを超える波長において発光するレーザに使用されてもよい。限定ではないが、垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、端面発光レーザダイオード、又は、スラブ結合光導波路レーザ（ＳＣＯＷＬ）を含む、任意の適切なタイプのレーザダイオード６−２０１が使用されてもよい。
【０１７１】
いくつかの実施形態によれば、１つ又は複数のパルスＬＥＤが、利得切換レーザダイオードの代わりに使用されてもよい。パルスＬＥＤは、飛行時間３Ｄイメージング、及び蛍光イメージング用途に有用であり得る。ＬＥＤは、ＬＤよりも低い強度を有し得るため、複数のＬＥＤが使用されてもよい。ＬＥＤは緩和振動又はレージング動作に関連付けられる動態を受けないため、その出力パルスは、レーザについて生じるよりも持続時間が長く、スペクトル帯域幅がより広くなり得る。例えば、出力パルスは、約１００ｐｓと約２ｎｓとの間であってもよく、スペクトル帯域幅は、約２０ｎｍ以上であってもよい。いくつかの実施態様において、ＬＥＤからの出力パルスは、約１００ｐｓと約５００ｐｓとの間であってもよい。より長い減衰時間を有する蛍光分子を励起するために、より長い励起パルスが許容可能であり得る。加えて、ＬＥＤは、非偏光又は部分偏光出力ビームを生成することができる。パルス光源のいくつかの実施態様において、後述するパルサ回路の実施形態を使用して、１つ又は複数のＬＥＤを駆動することができる。
【０１７２】
ＬＥＤを使用することの１つの利点は、それらの費用がレーザダイオードと比較してより低いことである。加えて、ＬＥＤは、イメージング用途により良好に適し得る、より広い、一般的にインコヒーレントなスペクトル出力を与える（例えば、ＬＥＤは、より少ない光学干渉アーチファクトを生成し得る）。レーザダイオードについて、収集される画像内のスペックルを回避するための方策がとられない限り、コヒーレント放射は、イメージ
ング用途においてスペックルを導入し得る。また、ＬＥＤは、励起波長を紫外線（例えば、約２４０ｎｍまで下げる）へと拡張することができ、生物試料における自己蛍光を励起するために使用することができる。
【０１７３】
本発明者らは、いくつかの従来のレーザダイオード・システムが、図６−２Ｂに示すようにモデル化することができる電流ドライバ回路を備えることを認識するに至った。例えば、電流ドライバ６−２１０は、レーザダイオードに電流パルスを送達するように構成されているパルス電圧源６−２３０を備えることができる。レーザダイオードへの接続は、一般的に、ケーブル６−２２６、アダプタ又はコネクタ６−２２４、及び、レーザダイオード６−２１０上のコンタクト・パッドに接合されている単一のワイヤ６−２２０を通じて行われる。アダプタ６−２２４とレーザダイオードとの間の接続は、直列インダクタンスＬ１及び直列抵抗Ｒ１を含むことができる。接続はまた、コンタクト及び／又はダイオード接合と関連付けられる小さい接合静電容量（図示せず）をも含むことができる。
【０１７４】
本発明者らは、ワイヤ・ボンド（例えばコネクタ６−２２４とレーザダイオード６−２０１との間）の数を増大することによって、レーザダイオード６−２０１への接続のインダクタンス及び／又は抵抗を低減することができることを認識し、諒解するに至った。そのようなインダクタンス及び／又は抵抗の低減は、レーザダイオードの電流変調をより高速にし、出力パルスをより短くすることを可能にすることができる。いくつかの実施形態によれば、レーザダイオードの速度を向上させるために、単一のワイヤ・ボンド６−２２０が、複数の並列ワイヤ・ボンドに置き換えられてもよい。例えば、ワイヤ・ボンドの数は、３本以上に増大することができる。いくつかの実施態様において、レーザダイオードに対する最大５０本のワイヤ・ボンドがあってもよい。
【０１７５】
本発明者らは、市販のレーザダイオードに対する、ワイヤ・ボンド６−２２０の数の増大の影響を調査した。考慮された１例の市販のレーザは、現在ウシオ（Ｕｓｈｉｏ）［米国カリフォルニア州サイプレス（Ｃｙｐｒｅｓｓ）所在］から入手可能なオクラロ（Ｏｃｌａｒｏ）レーザダイオード、モデルＨＬ６３１３３ＤＧであった。ワイヤ・ボンドの数を増大させる数値シミュレーションの結果が、図６−２Ｃに示されている。シミュレーションは、ワイヤ・ボンドの数を、市販のデバイスの単一のボンド（曲線６−２５０）から、３本のワイヤ・ボンド（曲線６−２５２）及び３６本のワイヤ・ボンド（曲線６−２５４）へと増大させた。固定１８Ｖパルスについてレーザダイオードへと送達される平均駆動電流が、３つの異なる事例について、一定範囲の周波数にわたって決定された。結果は、ワイヤ・ボンドの数が多くなるほど、より多くの電流がより高い周波数においてレーザダイオードに送達されることが可能になることを示している。例えば、１ＧＨｚにおいて、３本だけのワイヤ・ボンドを使用することによって（曲線６−２５２）、単一のワイヤ・ボンドの場合よりも４倍を超える量の電流が、レーザダイオードに送達されることが可能になる。短パルス及び超短パルスは、より広い帯域幅（短パルスを形成するためのより高い周波数成分）を必要とするため、複数のワイヤ・ボンドを加えることによって、より高い周波数成分が、単一のワイヤ・ボンドよりも短いパルスにおいてレーザダイオードを駆動することを可能にする。いくつかの実施態様において、複数のワイヤ・ボンドは、レーザダイオード上の単一のコンタクト・パッド又は複数のコンタクト・パッドと、レーザダイオード・パッケージ上のアダプタ又はコネクタ６−２２４との間に延在することができる。コネクタは、外部標準ケーブルへ（例えば、５０オームＢＮＣ又はＳＭＡケーブルへ）接続するように構成することができる。
【０１７６】
いくつかの実施形態において、ワイヤ・ボンドの数及びワイヤ・ボンド構成は、レーザダイオードに接続されているアダプタ及び／又はケーブルのインピーダンスに整合するように選択することができる。例えば、ワイヤ・ボンドのインピーダンスは、いくつかの実施形態によれば、レーザダイオードから電流ドライバへのパワー反射を低減するために、
コネクタ６−２２４のインピーダンスに整合することができる。他の実施形態において、ワイヤ・ボンドのインピーダンスは、ダイオードの入力インピーダンスと意図的に不整合になってもよい。不整合は、正の電流駆動パルスの間の負のパルスを発生させることができる。レーザダイオードのパッケージング方法を選択すること（例えば、アダプタからレーザダイオードへのワイヤ・ボンドの数を選択すること）によって、より高い周波数においてレーザダイオードに供給される電流変調を改善することができる。これは、高速利得切換信号に対するレーザダイオードの応答性を高めることができ、光パルスをより短くすること、パルス・ピーク後の光パワーの低減をより高速にすること、及び／又は、パルス繰り返し数を増大することを可能にすることができる。
【０１７７】
ここで、図６−３を参照して、本発明者らは、バイポーラ・パルス波形６−３００をレーザダイオードに印加することによって、生成される光パルス上の望ましくない発光テール６−１７２（図６−１Ｃを参照）を抑制することができることをさらに認識し、諒解するに至った。バイポーラ・パルスはまた、ＬＥＤからの光パルスを短縮するために使用することもできる。バイポーラ・パルスは、第１の極性の第１のパルス６−３１０、及び、後続する、反対の極性の第２のパルス６−３１２を含むことができる。第２のパルス６−３１２の大きさは、第１のパルスの大きさとは異なってもよい。いくつかの実施形態において、第２のパルスは、第１のパルス６−３１０とほぼ等しい又はそれよりも小さい大きさを有してもよい。他の実施形態において、第２のパルス６−３１２は、第１のパルス６−３１０よりも大きい大きさを有してもよい。
【０１７８】
いくつかの実施形態において、第２のパルスの大きさは、第１のパルスの大きさの約１０％と、第１のパルスの大きさの約９０％との間であってもよい。いくつかの実施態様において、第２のパルスの大きさは、第１のパルスの大きさの約２５％と、第１のパルスの大きさの約９０％との間であってもよい。いくつかの事例において、第２のパルスの大きさは、第１のパルスの大きさの約５０％と、第１のパルスの大きさの約９０％との間であってもよい。いくつかの実施形態において、第２のパルスのエネルギー量は、第１のパルスのエネルギー量の約２５％と、第１のパルスのエネルギーの約９０％との間であってもよい。いくつかの実施態様において、第２のパルスのエネルギー量は、第１のパルスのエネルギー量の約５０％と、第１のパルスのエネルギーの約９０％との間であってもよい。
【０１７９】
第１の駆動パルスは、レーザダイオード接合を順方向バイアスし、それによって、ダイオード活性領域内にキャリアを発生させることができ、キャリアは再結合して、光パルスを生成することができる。反対の極性にある第２の駆動パルス６−３１２は、ダイオード接合を逆方向バイアスし、活性領域からのキャリアの除去を加速して、光子発生を終了させることができる。第２の電気パルス６−３１２が、第２の緩和振動パルス（図６−１Ｂのパルス６−１６２を参照）とほぼ同時、又はその直前（例えば、約２００ｐｓ以内）に生じるようにタイミングをとられる場合、そうでない場合に第２の光パルスを生成するキャリア濃度は、発光テール６−１７２が抑制されるように減少する。
【０１８０】
様々な回路構成を使用して、バイポーラ・パルス波形を生成することができる。図６−４Ａは、バイポーラ・パルス波形を有するレーザダイオード又は１つもしくは複数のＬＥＤを駆動するために使用することができる回路のほんの１例を示す。いくつかの実施形態において、伝送線路６−４１０（例えば、ストリップ・ライン又は同軸導体アセンブリ）をパルス回路６−４００内に構成して、バイポーラ・パルスを半導体レーザダイオード６−４２０又は少なくとも１つのＬＥＤに送達することができる。伝送線路６−４１０は、Ｕ字形構成に形成することができ、第１の導体上で、充電抵抗器ＲＣｈを通じてＤＣ電圧源ＶＤＤによってバイアスすることができる。伝送線路は、いくつかの実施形態によれば、レーザダイオードのインピーダンスにほぼ整合するインピーダンスを有することができる。いくつかの実施形態において、伝送線路のインピーダンスは、約５０オームであって
もよい。いくつかの実施態様において、伝送線路のインピーダンスは、約２０オームと約１００オームとの間であってもよい。いくつかの実施態様において、伝送線路のインピーダンスは、約１オームと約２０オームとの間であってもよい。
【０１８１】
パルサ６−４００は、伝送線路の１端にある伝送線路の第２の導体と、基準電位（例えば図示されている例では接地）との間に接続されている終端抵抗器Ｚｔｅｒｍをさらに含むことができる。伝送線路の第２の導体の他端は、レーザダイオード６−４２０に接続することができる。伝送線路の第１の導体の端部は、第１の導体の端部を基準電位（例えば、接地）に周期的に分路するように起動することができるスイッチＭ１（例えば、電界効果トランジスタ又はバイポーラ接合トランジスタ）に接続することができる。
【０１８２】
いくつかの事例において、終端インピーダンスＺｔｅｒｍは、線路に戻る反射を低減するために、伝送線路６−４１０のインピーダンスにほぼ等しくすることができる。代替的に、終端インピーダンスＺｔｅｒｍは、負のパルスを（スイッチＭ１による分路の後に）線路内及びレーザダイオード６−４２０に反射するために、線路のインピーダンスよりも小さくてもよい。いくつかの実施態様において、終端インピーダンスＺｔｅｒｍは、反射される負のパルスの形状を制御するように選択される、容量性及び／又は誘導性構成要素を含んでもよい。図６−４Ａに示すような伝送線路パルサを使用して、約３０Ｈｚから約２００ＭＨｚまでの範囲内の繰り返し数を有する電気バイポーラ・パルスを生成することができる。いくつかの実施形態によれば、伝送線路パルサのための伝送線路６−４１０は、図６−５Ａに示すように、プリント回路基板（ＰＣＢ）上に形成されてもよい。
【０１８３】
図６−４Ｂは、別個の構成要素を使用して形成することができ、基板（チップ又はＰＣＢなど）に集積することができる半導体光ダイオード６−４２３（例えば、レーザダイオード又は１つもしくは複数のＬＥＤ）に接続されているドライバ回路６−４０１の実施形態を示す。いくつかの実施形態において、回路は、レーザダイオード又はＬＥＤ６−４２３と同じ基板に集積されてもよい。レーザ・ドライバ回路６−４０１は、トランジスタＭ１のゲート又はベースに接続されている制御入力６−４０５を備えることができる。トランジスタは、ＣＭＯＳ  ＦＥＴ、バイポーラ接合トランジスタ、又は高電子移動度トランジスタ（ＧａＮ  ｐＨＥＭＴなど）であってもよいが、他の高速の、大電流を処理するトランジスタが使用されてもよい。トランジスタは、電流源６−４３０と、基準電位（例えば、接地電位、ただし、他の基準電位値が使用されてもよい）との間に接続することができる。トランジスタＭ１は、電流源６−４３０と基準電位との間で、レーザダイオード６−４２３（又は１つもしくは複数のＬＥＤ）、及び、当該レーザダイオードと直列に接続されている抵抗器Ｒ１と並列に接続することができる。いくつかの実施形態によれば、ドライバ回路６−４０１は、レーザダイオードと基準電位との間で抵抗器Ｒ１と並列に接続されているキャパシタＣ１をさらに含むことができる。トランジスタＭ１が記載されているが、ハイ伝導状態及びロー伝導状態を有する任意の適切な制御可能スイッチが使用されてもよい。
【０１８４】
動作時、ドライバ回路６−４０１は、トランジスタＭ１がオンである、すなわち、伝導状態にあるときに、レーザダイオード６−４２３をバイパスする電流をもたらすことができる。それゆえ、レーザダイオードからの光出力はない。トランジスタＭ１がオフになると、電流はトランジスタにおける抵抗経路の増大に起因して、レーザダイオードを通じて流れることができる。トランジスタが再びオンにされるまで、電流はレーザダイオードをオンにする。光パルスは、レーザダイオードに電流パルスを与えるためにトランジスタの制御ゲートをオン状態とオフ状態との間で変調することによって発生させることができる。この手法は、レーザを駆動するために必要とされる電源上の電圧及びトランジスタ上の電圧の量を、いくつかのパルス技法と比較して低減することができ、これは、そのような高速回路を実装するために重要な態様である。
【０１８５】
抵抗器Ｒ１及び並列キャパシタＣ１が存在することに起因して、ダイオードが順方向に伝導されているとき、キャパシタ上に電荷が蓄積する。これは、トランジスタＭ１が「オフ」状態、例えば、ロー又は非伝導状態にあるときに生じ得る。トランジスタがオンにされると、キャパシタにわたって貯蔵されている電圧がレーザダイオードを逆方向にバイアスする。逆方向バイアスは、実効的に、レーザダイオードにわたって負のパルスを生成し、これによって、そうでなく負のパルスがない場合に生じることになる発光テール６−１７２が低減し、又は、なくなり得る。抵抗器Ｒ１の値は、スイッチがその後開き、及び／又は、その後の光パルスがレーザダイオードによって発生する前に、キャパシタ上の実質的にすべての電荷が放電するように、選択することができる。例えば、時定数ｔ１＝Ｒ１Ｃ１は、パルス繰り返し間隔Ｔの約２分の１又は３分の１よりも小さくなるように設計されてもよい。いくつかの実施態様において、時定数ｔ１＝Ｒ１Ｃ１は、約０．２ｎｓと約１０ｎｓとの間であってもよい。
【０１８６】
いくつかの実施態様において、トランジスタＭ１は、レーザダイオードからの出力光パルスの第１のピークの後に伝導状態に切り替わるように構成することができる。例えば、図６−１Ｂを参照すると、光検出及び論理回路は、第１のパルス６−１６１の減衰する強度を検知することができ、伝導状態に切り替わるようにトランジスタＭ１をトリガすることができる。いくつかの実施形態において、トランジスタＭ１は、安定したクロック信号に基づいて伝導状態に切り替わるようにトリガされてもよい（例えば、同期クロック・エッジを基準にしてトリガされる）。いくつかの実施態様において、トランジスタＭ１は、トランジスタＭ１が非伝導状態に切り替わる時点から測定される所定の遅延時間に従って、伝導状態に切り替わるようにトリガされてもよい。選択された時点においてトランジスタＭ１を伝導状態に切り替えることによって、ピーク光パルスの直後にレーザ・パワーを低減することができ、レーザ・パルスを短縮することができ、及び／又は、パルスのテール発光を低減することができる。
【０１８７】
図６−４Ｂに示す駆動回路は、レーザのアノード側に位置する電流源６−４３０を示しているが、いくつかの実施形態において、電流源は代替的に又は付加的に、レーザのカソード側に位置してもよい（例えば、トランジスタＭ１、抵抗器Ｒ１、及び接地のような基準電位の間に接続されてもよい）。
【０１８８】
超短パルスを生成するための駆動回路の他の実施形態が可能である。例えば、レーザダイオード又はＬＥＤの電流パルス駆動回路６−４０２は、図６−４Ｃに示すように、レーザダイオードのノードに接続されている複数の電流駆動分岐を備えてもよい。ドライバ回路６−４０２は、個別の又は集積構成要素を使用して形成することができ、基板（例えばＡＳＩＣチップ又はＰＣＢ）上に集積することができる。いくつかの実施形態において、ドライバ回路は、１つもしくは複数の半導体光ダイオード６−４２５（例えば、レーザダイオード又は１つもしくは複数の発光ダイオード）と同じ基板上に集積されてもよい。図面は、ドライバ回路を、レーザダイオード６−４２５のアノードに接続されているものとして示しているが、いくつかの実施形態において、同様の駆動回路が代替的に又は付加的に、レーザダイオードのカソードに接続されてもよい。レーザダイオードのカソード側に接続されている駆動回路は、レーザダイオードのアノード側で使用されるものとは反対の型のトランジスタ、及び、反対の極性の電圧源を利用することができる。
【０１８９】
いくつかの実施態様によれば、Ｎ個の順方向バイアス電流パルスをレーザダイオード６−４２５又はＬＥＤに印加するように構成されているＮ個の回路分岐（例えば、回路分岐６−４３２、６−４３４、６−４３６）、及び、Ｍ個の逆方向バイアス電流パルスをレーザダイオードに印加するように構成されているＭ個の回路分岐（例えば回路分岐６−４３８）があってもよい。図６−４Ｃにおいては、Ｎ＝３かつＭ＝１であるが、他の値が使用
されてもよい。各順方向バイアス電流分岐は、順方向バイアス電流をレーザダイオードに送達するように構成されている電圧源Ｖｉを備えることができる。各逆方向バイアス電流分岐は、逆方向バイアス電流をレーザダイオードに送達するように構成されている電圧源Ｖｊを備えることができる。各回路分岐は、スイッチ又はトランジスタＭ１と直列に接続されている抵抗器Ｒ１をさらに含むことができる。各回路分岐は、一方の側でトランジスタＭ１と抵抗器Ｒ１との間のノードに接続されており、他方の側で固定基準電位に接続されているキャパシタＣｉを含むことができる。いくつかの実施形態において、キャパシタＣｉは、トランジスタＭ１と関連付けられる接合静電容量（例えばソース−ボディ静電容量）であってもよく、別個の個別的なキャパシタは設けられなくてもよい。いくつかの実施態様において、回路分岐から送達される総電流量を制限するために、少なくとも１つの追加の抵抗器がダイオード６−４２５と直列に含まれてもよい。
【０１９０】
動作時、合計され、レーザダイオード接合にわたって印加される、回路分岐の各々からの一連の電流パルスを発生させるために、タイミングをとられたパルス制御信号が、スイッチ又はトランジスタＭｉの制御入力Ｓｉに印加され得る。各分岐内の構成要素（Ｖｉ、Ｖｊ、Ｒｉ、Ｃｉ）ならびに制御入力Ｓｉに印加される制御パルスのタイミング及びパルス持続時間の値は、レーザダイオード６−４２５に印加される所望のバイポーラ電流パルス波形を生成するように、独立して選択することができる。ほんの１例として、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の値は、異なる値を有するように選択することができる。Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の値は同じであってもよく、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３の値は同じであってもよい。この例において、パルス信号を制御入力Ｓｉに対してずらすことによって、パルス持続時間は同様であるが，パルス振幅は異なる、順方向バイアス回路分岐からのずれて重なり合う電流パルス系列を生成することができる。逆方向バイアス回路分岐からのタイミングをとられたパルスは、順方向バイアス・パルスを消滅させるか、又は、迅速にオフにすることができる反対の極性の電流パルスを生成することができ、レーザダイオードからのテール発光を抑制することができる逆方向バイアス・パルスをさらに生成することができる。逆方向バイアス・パルスは、順方向バイアス・パルスのうちの１つもしくは複数と時間的に少なくとも部分的に重なり合うように、慎重にタイミングをとることができる。したがって、図６−４Ｃに示す回路を使用して、図６−３に示すようにバイポーラ電流パルスを同期させることができる。
【０１９１】
図６−４Ｄは、無線周波数（ＲＦ）構成要素を使用して製造することができる、パルス・ドライバ６−４０３の別の実施形態を示す。ＲＦ構成要素は、いくつかの実施形態によれば、約５０ＭＨｚと約１ＧＨｚとの間の周波数にある信号を処理するように設計することができる。いくつかの実施態様において、パルス・ドライバ６−４０３は、入力波形（例えば、方形波又は正弦波）をドライバにＡＣ結合する入力ＤＣブロック６−４３５を備えることができる。ＤＣブロックに、増幅器６−４４０を後置することができ、増幅器６−４４０は、それぞれ別個の回路経路６−４４０ａ、６−４４０ｂに沿って進む非反転及び反転出力波形を生成する。第１の回路経路６−４４０ａは、１つもしくは複数のアダプタ６−４４２を含むことができる。第１の経路内の信号に対して第２の経路内の信号を選択的に位相シフトするために、可変位相調整器６−４４５を、第２の回路経路６−４４０ｂ内に含むことができる。
【０１９２】
第１の回路経路及び第２の回路経路は、ＲＦ論理ゲート６−４５０（例えば、ＡＮＤゲート又は他の論理ゲート）の非反転入力に接続することができる。論理ゲート６−４５０の反転入力は、ゲートにおけるスプリアス・パワー反射を回避するために、適切なインピーダンス整合ターミネータ６−４４６によって終端することができる。論理ゲート６−４５０の非反転出力及び反転出力は、２つの回路経路６−４５０ａ、６−４５０ｂに沿って結合器６−４６０に接続することができる。反転回路経路６−４５０ｂは、遅延要素６−４５４及び減衰器６−４５６を含むことができ、これらのいずれか又は両方は、調整可能
であってもよい。遅延要素を使用して、反転信号を非反転信号に対して遅延させることができ、減衰器を使用して、反転信号の振幅を調整することができる。
【０１９３】
論理ゲートから結果もたらされる反転信号及び非反転信号はその後、結合器６−４６０において合計される。結合器６−４６０からの出力は、レーザダイオード又は１つもしくは複数のＬＥＤを駆動するための出力バイポーラ・パルスを与えるＲＦ増幅器６−４７０に接続することができる。出力バイポーラ・パルスは、図６−４Ｅに示すような波形を有することができる。
【０１９４】
動作時、入力方形波又は正弦波は、ドライバにＡＣ結合することができ、非反転バージョン及び反転バージョンとして２つの回路経路６−４４０ａ、６−４４０ｂに分割することができる。第１の増幅器６−４４０は、いくつかの実施形態によれば、正弦波形を整える制限増幅器であってもよい。第２の回路経路６−４４０ｂにおいて、反転波形が、調整可能位相調整器６−４４５によって位相シフトされて、反転波形を非反転波形に対して時間的に遅延させることができる。第１の増幅器６−４４０から結果もたらされる波形はその後、ＲＦ論理ゲート６−４５０（例えば、ＡＮＤゲート）によって処理されて、論理ゲートの非反転出力及び反転出力において短ＲＦパルスを生成することができる。短ＲＦパルスの持続時間は、いくつかの実施形態によれば、位相調整器６−４４５を使用して調整することができる。例えば、位相調整器は、論理ＡＮＤゲート６−４５０に対する入力における非反転波形と反転波形の両方が同時に「オン」状態にある期間を調整することができ、これによって出力パルスの長さが決定される。
【０１９５】
図６−４Ｅを参照すると、論理ゲート６−４５０からの短反転パルス６−４１７は、非反転パルスと結合する前に、遅延要素６−４５４によって非反転パルス６−４１５に対して量δだけ遅延され、減衰器６−４５６によって所望の振幅まで減衰され得る。いくつかの実施形態において、負のパルス振幅｜ＶＰ−｜は、正のパルス振幅Ｖｐ＋未満であり得る。パルス分離間隔Ｔは、パルス・ドライバ６−４０３への正弦波又は方形波入力の周波数によって決定することができる。出力パルス波形は、ＤＣオフセットを含んでもよく、又は、含まなくてもよい。出力波形は方形波波形を有するものとして示されているが、ＲＦ構成要素及び／又はケーブルにおける静電容量及びインダクタンスは、むしろ図６−３に示す波形に近い、より丸みを帯びた波形を有する出力パルスを生成してもよい。
【０１９６】
図６−４Ｃ及び図６−４Ｂに関連して前述したように、レーザダイオード又はＬＥＤに対する電流又は電圧の印加は、いくつかの実施形態において、アノードとカソードの両方に対するものであり得る。分割又は差動電圧又は電流パルスをカソードとアノードの両方に印加することができる無線周波数パルス・ドライバ回路６−４０４が図６−４Ｆに示されている。回路の前端は、いくつかの実施形態によれば、図６−４Ｄに示すパルス・ドライバ回路６−４０３の前端と同様であってもよい。しかしながら、パルス・ドライバ回路６−４０４においては、論理ゲート６−４５０からの非反転出力及び反転出力は結合されなくてもよく、代わりに、差動駆動として、レーザダイオードのアノード及びカソードに印加することができる。単純にするために、後続の負又は逆バイアス・パルスの生成に関連する回路は、図６−４Ｆには示されていない。
【０１９７】
差動パルス・ドライバ回路６−４０４によって生成される分割又は差動駆動の例が、図６−４Ｇに示されている。論理ゲート６−４５０からの第１の出力は、振幅＋Ｖｐの正のパルス６−４１６を生成することができ、論理ゲート６−４５０からの第２の反転出力は、反対の振幅−Ｖｐの負のパルス６−４１８を生成することができる。パルス列は、いくつかの実施形態において、小さいＤＣオフセットを有してもよく、又は、有しなくてもよい。正のパルス６−４１６及び負のパルス６−４１８が存在することによって、実効的な振幅２Ｖｐを有する順方向バイアス・パルスが、レーザダイオードにわたって生成される
。バイアスをレーザダイオードにわたって分割し、アノード及びカソードに部分バイアスを印加することによって、パルス・ドライバ６−４０４が処理する電圧パルスの振幅は、実効的に２分の１に低減することができる。したがって、パルス・ドライバ６−４０４は、そうでない場合により振幅の大きいパルスについて達成することが可能であり得るよりも高い周波数において動作することができ、より短いパルスを生成することができる。代替的に、パルス・ドライバ回路６−４０４は、バイアス・パルス＋Ｖｐをレーザダイオードのアノードに与えるのみである駆動回路と比較して、レーザダイオードにわたって印加される駆動パルスの振幅を実効的に倍増することができる。そのような実施形態において、レーザダイオードからのパワー出力を増大することができる。
【０１９８】
レーザダイオードに印加されるパワー及び／又は駆動速度を増大することができる別の方法が、図６−４Ｈに示されている。いくつかの実施形態によれば、複数のパルス・ドライバ出力６−４７０は、レーザダイオード６−４２５又はＬＥＤのアノードに接続することができる。この例においては、４つのパルス・ドライバがレーザダイオードのアノードに接続されている。差動パルス・ドライバ回路が使用されるいくつかの実施形態においては、レーザダイオードのカソードに接続されている複数のドライバもあってもよい。各ドライバ及びその関連するケーブルは、インピーダンスＺ０を有することができ、レーザダイオード６−４２５は、インピーダンスＺＬになっているものであり得る。それらが並列に接続しているために、ドライバの出力インピーダンスは、レーザダイオードに接続されているドライバの数で分割される。ダイオードへと送達されるパワーは、パルス・ドライバの結合インピーダンスがレーザダイオード６−４２５のインピーダンスにほぼ一致する、又は、逆が成り立つときに、増大することができる。
【０１９９】
図６−４Ｉのグラフは、４つの駆動ソースに関するレーザダイオード６−４２５に結合されるパワーの効率の増大を、レーザダイオード及びレーザダイオード回路のインピーダンスの関数として示す。この例において、４つのパルス・ドライバは各々、約５０オームの線路インピーダンスを有し、約１００ｍＡの最大電流で５Ｖ振幅の出力パルスを送達するように構成されている。このプロットは、レーザダイオードのインピーダンスが約１０オームであるときに、レーザダイオードに結合されるパワーが最大値に達することを示している。この値は、４つのパルス・ドライバ出力６−４７０の並列出力インピーダンスにほぼ等しい。したがって、レーザダイオード６−４２５及びその関連する回路のインピーダンスは、いくつかの実施形態によれば、レーザダイオードを駆動するのに使用される１つもしくは複数のパルス・ドライバの結合インピーダンスにほぼ一致するように設計することができる。
【０２００】
他の回路ドライバ構成が、レーザダイオード又は発光ダイオードをパルシングするために使用されてもよい。いくつかの実施形態によれば、発光ダイオードへの電流注入は、「高い繰り返し数及びピーク・パワーを有する単純なナノ秒未満紫外線光パルス発生器（Ａ
ｓｉｍｐｌｅ  ｓｕｂ−ｎａｎｏｓｅｃｏｎｄ  ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ  ｌｉｇｈｔ
ｐｕｌｓｅ  ｇｅｎｅｒａｔｏｒ  ｗｉｔｈ  ｈｉｇｈ  ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ  ｒａｔｅ  ａｎｄ  ｐｅａｋ  ｐｏｗｅｒ）」，Ｐ．Ｈ．ビン（Ｐ．Ｈ．Ｂｉｎｈ）ら著，Ｒｅｖ．  Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒ．  Ｖｏｌ．  ８４，  ０８３１０２  （２０１３）、又は、「光検出器の試験のための発光ダイオードを使用した紫外線ナノ秒光パルス発生器（Ａｎ  ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ  ｎａｎｏｓｅｃｏｎｄ  ｌｉｇｈｔ  ｐｕｌｓｅ  ｇｅｎｅｒａｔｏｒ  ｕｓｉｎｇ  ａ  ｌｉｇｈｔ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅ  ｆｏｒ  ｔｅｓｔ  ｏｆ  ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓ）」，荒木勉（Ｔ．  Ａｒａｋｉ）ら著，Ｒｅｖ．  Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒ．  Ｖｏｌ．  ６８，  １３６５  （１９９７）に記載されているパルサ回路を使用してナノ秒未満のパルスを生成するようにパルス化することができる。
【０２０１】
パルサ回路の別の例が、図６−４Ｊに示されている。いくつかの実施形態によれば、パルサ回路は、パルス発生器６−４８０を備えることができ、パルス発生器６−４８０は、例えば、システム・クロックからの１つもしくは複数のクロック信号を受信し、ドライバ回路６−４９０に電気パルスの列を出力することができ、ドライバ回路６−４９０は、パルス発生器から電気パルスが受信されるのに応答して、レーザダイオード又は発光ダイオードに電流パルスを注入する。したがって、出力光パルスは、システム・クロックに同期することができる。システム・クロックはまた、検出電子装置（例えば、イメージング・アレイ）を動作させるために使用することもできる。
【０２０２】
いくつかの実施形態によれば、パルス発生器６−４８０は、受動電子構成要素とデジタル電子構成要素との組み合わせから形成することができ、第１の回路基板上に形成することができる。いくつかの事例において、パルス発生器は、アナログ回路構成要素を含んでもよい。他の実施形態では、パルス発生器の一部分が、ドライバ回路６−４９０と同じ基板上に形成されてもよく、パルス発生器の一部分が、ドライバ回路から遠隔した別個の基板上に形成されてもよい。ドライバ回路６−４９０は、受動、アナログ、及びデジタル電子構成要素から形成されてもよく、パルス発生器又はパルス発生器の一部分と同じ又は異なる回路基板上に形成されてもよい。光源（レーザダイオード又は発光ダイオード）は、ドライバ回路を有する回路基板上に含まれてもよく、又は、システム内に位置して、高速ケーブル（例えばＳＭＡケーブル）によってドライバ回路６−４９０に接続されてもよい。いくつかの実施態様において、パルス発生器６−４８０及びドライバ回路６−４９０は、エミッタ結合論理要素を含むことができる。いくつかの実施形態によれば、パルス発生器６−４８０、ドライバ回路６−４９０、及び半導体光ダイオード６−４２３は、同じプリント回路基板、ラミネート、又は集積回路に集積することができる。
【０２０３】
パルス発生器６−４８０の１例が、図６−４Ｋに示されている。いくつかの実施態様において、パルス発生器は、一方が他方に対して遅延されている、２つの差動クロック出力を生成する第１の段を含むことができる。第１の段は、クロック入力を受信することができ、ファン・アウト６−４８１と、遅延６−４８３とを含むことができる。ファン・アウトは、クロック信号の２つのコピー及びクロック信号の２つの反転コピーを生成するように構成されている論理ドライバ及び論理インバータを含むことができる。いくつかの実施形態によれば、クロックは、対称デューティ・サイクルを有してもよいが、他の実施形態では、非対称デューティ・サイクルが使用されてもよい。１つのコピー及び１つの反転コピーが、差動クロック出力（ＣＫ１、
【０２０４】
【数３】
2018518836.tif 000005
）を形成することができ、遅延要素６−４８３によって、第２のコピー及び第２の反転コピー（ＣＫ２、
【０２０５】
【数４】
2018518836.tif 000006
）に対して遅延させることができる。遅延要素は、任意の適切な可変又は固定遅延要素を含んでもよい。遅延要素の例は、ＲＦ遅延線及び論理ゲート遅延を含む。いくつかの実施態様において、第１の対のクロック信号（ＣＫ１、
【０２０６】
【数５】
2018518836.tif 000007
）は、第２の対のクロック信号（ＣＫ２、
【０２０７】
【数６】
2018518836.tif 000008
）に対して１クロックサイクルのうちの少なくとも一部分だけ遅延される。遅延は、部分サイクルに加えて、１つもしくは複数の全サイクルを含んでもよい。各対のクロック信号の中で、反転信号は、クロックの立ち上がりエッジ及び立ち下がりエッジが基本的に同時に生じるように、その対応する一方に同期することができる。
【０２０８】
本発明者らは、パルス発生器６−４８０からの電流駆動パルスの長さを調整し、超短電流駆動パルスの振幅を調整するのではなく、固定振幅を維持することによって、レーザダイオード又はＬＥＤの超短パルス化をより確実に制御することができることを見出した。電流駆動パルスの長さを調整することによって、パルスあたりにレーザダイオードに送達されるエネルギーの量が調整される。いくつかの実施形態において、高速回路は、（例えば、アナログ又はデジタル遅延要素６−４８３を用いて遅延又は位相を調整することによって）信号位相を高分解能に制御することを可能にし、これは、いくつかの実施態様によれば、パルス長の高分解能制御を達成するために使用することができる。
【０２０９】
いくつかの事例において、パルス発生器６−４８０の第１の段は、ファン・アウト６−４８１及び遅延６−４８３の代わりに、２重出力クロックを含んでもよい。２重出力クロックは、２つの差動クロック信号を発生させることができ、２つの差動クロック信号の間に調整可能な位相遅延をもたらすことができる。いくつかの実施態様において、調整可能な位相遅延は、３ｐｓものわずかな対応する時間分解能を有することができる。
【０２１０】
遅延クロック信号ＣＫ１、ＣＫ２及びそれらの反転信号がどのように生成されるかにかかわらず、信号は、高速伝送線路を介して高速論理ゲート６−４８５に伝送することができる。基板間のケーブルを介した信号伝送について、クロック・パルスはケーブルに起因して劣化する場合がある。例えば、伝送線路の制限された帯域幅が、クロック・パルスを別様に歪ませる場合があり、結果としてタイミングを不均等にする場合がある。いくつかの実施態様において、伝送歪みが４つのクロック信号に等しく影響を及ぼすように、同じタイプのケーブル又は伝送線路をすべてのクロック信号に使用することができる。例えば、信号歪み及びタイミング・オフセットが、４つのクロック信号について基本的に同じであるとき、結果として受信論理ゲート６−４８５によって生成される駆動パルスは、基本的に、クロック信号の伝送からの信号歪みがない場合と同じになる。したがって、数フィートの距離を介したクロック信号の伝送は、駆動パルス持続時間に影響を及ぼすことなく、許容することができる。これは、システム・クロックに同期され、精密に調整可能なパルス持続時間（例えば約３ｐｓの増分で調整可能）を有する超短駆動パルスを生成するのに有用であり得る。クロック信号がローカルに（例えば、ドライバ回路６−４９０と同じ基板上に）生成される場合、クロック信号の伝送に関連する信号歪みは、重大でない場合があり、伝送線路はある程度異なってもよい。
【０２１１】
いくつかの実施形態によれば、クロック信号は、キャパシタＣ１とＡＣ結合することが
でき、高速論理ゲート６−４８５のデータ入力に与えることができる。キャパシタＣ１は、約１０ｎＦと約１μＦとの間の静電容量を有することができる。いくつかの実施形態によれば、論理ゲートは、エミッタ結合論理（ＥＣＬ）２入力差動ＡＮＤ／ＮＡＮＤゲートを含んでもよい。論理ゲート６−４８５の例は、オン・セミコンダクタ（ＯＮ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）［米国ロード・アイランド州イースト・グリニッジ（Ｅａｓｔ  Ｇｒｅｅｎｗｉｃｈ）所在］から入手可能なモデルＭＣ１００ＥＰ０５を含む。論理ゲートへのデータ入力におけるＡＣ結合信号は、図６−４Ｌに示す信号と同様に見え得、図面において、水平破線はゼロ電圧レベルを示す。図６−４Ｌの図示は、伝送線路によって導入される歪みを含まない。歪みは、信号プロファイルの形状を丸め、変化させ得るが、同じタイプ及び長さのケーブルが各クロック信号に使用されるときは、クロック信号の相対位相に影響を及ぼさないものであり得る。遅延要素６−４８３は、垂直破線によって示される遅延Δｔを設けることができ、この遅延は、３ｐｓと小さい増分で調整可能であり得る。いくつかの実施態様において、遅延要素６−４８３は、１ｐｓと１０ｐｓとの間の値を有する増分で調整可能な遅延を設けることができる。論理ゲート６−４８５は、受信クロック信号を処理し、遅延要素６−４８３によって導入される遅延に対応する出力ポートＱにおいて出力信号を生成することができる。小さい遅延によって、出力は、短パルス又は超短パルス系列を含む。高速論理ゲート６−４８５を用いると、パルス持続時間は、いくつかの実施形態においては約５０ｐｓと約２ｎｓとの間（ＦＷＨＭ）であってもよく、いくつかの実施形態においては約５０ｐｓと約０．５ｎｓとの間であってもよく、いくつかの実施形態においては約５０ｐｓと約２００ｐｓとの間であってもよく、さらには、いくつかの実施形態においては約５０ｐｓと約１００ｐｓとの間であってもよい。ポートＱからの駆動パルスは、ＥＣＬ論理ゲート６−４８５の高速スルー・レートに起因して、実質的に方形のプロファイルを有することができる。バイアス回路６−４８７を、出力ポートに接続することができ、正のエミッタ結合論理に対して電圧Ｖ１が印加され得る。パルス発生器６−４８０の出力端子Ｐｏｕｔから与えられる出力パルスは、いくつかの実施形態によれば、ＤＣオフセットを含み得る。
【０２１２】
いくつかの実施態様において、２つ以上の高速論理ゲート６−４８５を、キャパシタＣ１及びバイアス回路６−４８７の間に並列に接続することができる。これらの論理ゲートは同じであってもよく、並列に動作して、パルス発生器の出力においてより大きい電流駆動機能を与えることができる。本発明者らは、論理ゲート６−４８５又はゲートが、高速切り換え（例えば、超短駆動パルスを生成するための速やかな立ち上がり及び立ち下がり時間）を可能にする必要があり、ドライバ回路６−４９０内の高電流トランジスタＭ１を駆動するのに十分な出力電流を与える必要があることを認識し、諒解するに至った。いくつかの実施態様において、論理ゲート６−４８５を並列に接続することによって、パルス回路の性能を改善することができ、１００ｐｓ未満の光パルスを生成することが可能になる。
【０２１３】
図６−４Ｍは、レーザダイオード又はＬＥＤ６−４２３に接続することができる、ドライバ回路６−４９０の実施形態を示す。ドライバ回路は、高速トランジスタＭ１のゲートに接続されている、抵抗器Ｒ３と直列のキャパシタＣ２を有するＡＣ結合入力を含むことができる。Ｃ２の静電容量は、いくつかの実施形態によれば、約０．１μＦと約１０μＦとの間であってもよく、Ｒ３は、約１０オームと約１００オームとの間の値を有してもよい。トランジスタＭ１は、いくつかの実施形態によれば、高電流（例えば、少なくとも１アンペア、場合によっては、最大４アンペア以上）を切り換えることが可能な高電子移動度電界効果トランジスタ（ＨＥＭＴ  ＦＥＴ）を含んでもよい。トランジスタＭ１は、マルチ・ギガヘルツ速度においてそのような大電流を切り換えることが可能な高速トランジスタであってもよい。いくつかの実施形態によれば、トランジスタＭ１は、３０Ｈｚと約２００ＭＨｚとの間の繰り返し数において、約５０ｐｓと約２ｎｓとの間の電気パルス持続時間にわたって、１アンペアを超える電流を切り換えることができる。トランジスタＭ
１の例は、アバゴ・テクノロジー（Ａｖａｇｏ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）［米国カリフォルニア州サンノゼ（Ｓａｎ  Ｊｏｓｅ）所在］から入手可能なモデルＡＴＦ−５０１８９−ＢＬＫを含む。バイアス及びフィルタリング回路要素（例えば、抵抗器Ｒ４、Ｒ７、及びＣ３）を、キャパシタＣ２とトランジスタＭ１のゲートとの間に接続することができる。トランジスタＭ１のドレインは、レーザダイオード又は発光ダイオード６−４２３のカソードに直に接続することができ、トランジスタＭ１のソースは、基準電位（例えば、接地）に接続することができる。ダイオード６−４２３のアノードは、ダイオード電圧源ＶＬＤに接続することができる。抵抗器Ｒ６及びキャパシタ４を、ダイオード６−４２３にわたって並列に接続することができる。いくつかの実施形態によれば、抵抗器Ｒ６は、約５０オームと約２００オームとの間の値を有してもよく、Ｃ４は、約５ｐＦと約５０ｐＦとの間の静電容量を有してもよい。キャパシタＣ５（約１μＦと約５μＦとの間の値を有する）もまた、ダイオード６−４２３及びトランジスタＭ１と並列に、ダイオード電圧源ＶＬＤと基準電位（例えば、接地）との間に接続することができる。
【０２１４】
いくつかの実施形態において、保護ダイオード（図示せず）が、レーザダイオード６−４２３のカソード及びアノードにわたって逆方向に接続されてもよい。保護ダイオードは、レーザダイオード接合を破壊し得る過剰な逆バイアス電位からレーザダイオードを保護することができる。
【０２１５】
動作時、パルス発生器６−４８０からのパルスがトランジスタＭ１を一時的にオンにし、レーザダイオード又は発光ダイオード６−４２３の活性領域に電流が注入されることを可能にする。いくつかの実施態様において、大量の順方向電流（例えば、最大４アンペア）が一時的にトランジスタＭ１を流れる。順方向電流は、レーザダイオード接合にキャリアを注入し、光放射の短パルス又は超短パルスを生成する。トランジスタＭ１がオフになると、寄生インダクタンスが発光ダイオード又はレーザダイオードにわたって電流を流し続け、レーザダイオードと並列に接続されているＲＣネットワークによって消散され得るまで、ダイオードのカソード側に電荷が蓄積される。カソードにおける電荷のこの一時的な蓄積は、レーザダイオードに逆方向バイアス・パルスをもたらし、活性領域からのキャリアの除去を加速する。これによって、光パルスの終端が加速される。
【０２１６】
本発明者らは、図６−４Ｍの実施形態について説明されている光パルス化技法は、レーザダイオードをオンにするために必要とされ得るより高く、より短い電流パルスをもたらすことができるため、方形波パルスの微分に基づくパルス化技法よりも優れていることを見出した。
【０２１７】
本発明者らは、様々なパルス駆動回路を組み立て、それらを使用して、レーザダイオードを駆動した。図６−５Ａは、組み立てられたパルサ回路６−５００の別の実施形態を示す。この実施形態は、図６−４Ａに示すようなパルサ６−４００を実装する。組み立てられた回路において、伝送線路６−４１０が、図に示すように、プリント回路基板上にＵ字形構成でパターン化された平行板ストリップ・ラインとして形成される。ＧａＮ  ｐＨＥＭＴトランジスタがＵ字形伝送線路の２つの端部を短絡するための分路スイッチＭ１として使用された。パルサ回路６−５００は、最大１００ＭＨｚの繰り返し数において動作することができ、５０オームの負荷を駆動するために使用することができる。いくつかの実施形態において、パルサ回路は、約１０ＭＨｚと約１ＧＨｚとの間の繰り返し数において動作することができる。
【０２１８】
パルサ６−５００からの測定波形が、図６−５Ｂに示されている。波形は、約１９．５Ｖの振幅を有する正のパルス、及び、それに後続する、正のパルスに後続する、約−５Ｖの振幅に達する負のパルスを示す。正のパルスの持続時間は、約１．５ナノ秒である。再び図６−４Ａを参照すると、パルサ６−５００は、約５０オームの終端抵抗器Ｚｔｅｒｍ
と、約２００オームのプル・アップ又は充電抵抗器Ｒｃｈを有するように構築された。Ｚｔｅｒｍの値は、終端抵抗から伝送線路に戻るパワー反射を低減するように選択された。伝送線路６−４１０に印加されるバイアスは、１００Ｖであり、スイッチＭ１は、１００ＭＨｚの繰り返し数において駆動された。０Ｖバイアスからの相対オフセットを調節するために、約−１．３ＶのＤＣバイアスがバイアス・ティーを介してダイオードに結合された。スイッチＭ１の駆動パルスは、約０Ｖと約２Ｖとの間で振動する方形波信号であった。
【０２１９】
市販のレーザダイオード（ウシオ・モデルＨＬ６３１３３ＤＧ）を駆動して１００ｐｓ未満の光パルスを生成するために、市販のテスト・ベッド・ドライバが使用された。光パルス測定値が、図６−５Ｃ及び図６−５Ｄに示されている。図６−５Ｃに示すように、テール発光が低減したパルスが、１００ＭＨｚの繰り返し数において生成された。レーザダイオードからの平均パワーは、約８．３ミリワットであるものとして測定された。図６−５Ｄに示すパルス持続時間が、約８４ピコ秒であるものとして測定された。レーザダイオードからの光学的発光の強度は、パルスのピークの約２５０ｐｓ後に、約２４．３ｄＢだけ低減されることが分かった。レーザダイオードは単一のボンド・ワイヤを有していたにもかかわらず、１００ｐｓ未満のパルスが生成された。複数のボンド・ワイヤ又はパルス回路に対するさらなる改善によって、より短いパルス（例えば、約２５ｐｓと約７５ｐｓとの間）が生成され得る。
【０２２０】
図６−６Ａは、上述の利得切換装置及び技法のいずれかに従って、利得切換によって光パルスを生成するために使用することができる半導体レーザ６−６００の例を示す。レーザ及びパルス駆動回路は、大量生産することができ、低コストで製造することができる。例えば、レーザは、平面集積回路技術を使用して端面発光デバイスとして微細加工することができる。そのようなレーザは、スラブ結合光導波路レーザ（ＳＣＯＷＬ）と称される場合がある。図面は、レーザの立断面図を示す。レーザは、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ材料系（例えば、光スペクトルの緑色、赤色、又は赤外線領域における放射を放出するため）から形成されてもよいが、他の実施態様においては（例えば、スペクトルの緑色、青色、又は紫外線領域における放射を放出するために）他の材料系（ＧａＮ／ＡｌＧａＮなど）が使用されてもよい。レーザダイオードは、限定ではないが、ＩｎＰ、ＡｌＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＰ、及びＩｎＧａＮを含む他の半導体材料系から製造されてもよい。
【０２２１】
いくつかの実施形態によれば、ＳＣＯＷＬは、ｎ型基板又はバッファ層６−６２７（例えば、Ａｌを含んでもよいＧａＡｓ基板又はＧａＡｓ層）の上に形成されてもよい。例えば、バッファ層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓを含んでもよく、ｘは約０．２５と約０．３０との間である。基板又はベース層の屈折率は、いくつかの実施形態によれば、約３．４と３．５との間である第１の値ｎ１を有してもよい。低ドープｎ型半導体材料の電子輸送層６−６１７を、基板６−６２７上に形成することができる。いくつかの実施形態において、電子輸送層６−６１７は、エピタキシャル成長によって、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓを含むように形成することができ、ｘは約０．２０と約０．２５との間であり、約５×１０１６ｃｍ−３のｎ型ドーパント濃度を有する。電子輸送層の厚さｈは、約１マイクロメートル（１ミクロン）と約２マイクロメートル（２ミクロン）との間であってもよい。輸送層６−６１７は、ｎ１よりも大きい第２の反射率値ｎ２を有することができる。その後、多重量子井戸領域６−６２０を、電子輸送層６−６１７上に形成することができる。多重量子井戸領域は、ＭＱＷ領域内のエネルギーバンドギャップを変調する異なるドーピング濃度を有する材料が交互になった（例えば、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓの層が交互になった）層を含むことができる。量子井戸領域６−６２０内の層（約２０ｎｍと約２００ｎｍとの間の厚さを有し得る）は、エピタキシ、原子層堆積、又は適切な蒸着工程によって堆積することができる。多重量子井戸領域は、ｎ２よりも大きい実効的な第３の反射率値ｎ３を有することができる。ｐ型ドープ材料の正孔輸送層６−６１５が、量子井戸領域に隣接して
形成され得、ｎ２未満の反射率値ｎ４を有し得る。いくつかの実施形態において、ＳＣＯＷＬの異なる複数の領域の反射率の値は、いくつかの実施形態に従って、図６−６Ｂに示されているようなものであり得る。いくつかの実施形態において、ＳＣＯＷＬは、ＧａＮ半導体及びその合金、又は、ＩｎＰ半導体及びその合金を含んでもよい。
【０２２２】
レーザ・デバイスの層が堆積された後、トレンチ６−６０７を層内にエッチングして、約０．２５マイクロメートル（０．２５ミクロン）と約１．５マイクロメートル（１．５ミクロン）との間である幅ｗを有するレーザの活性領域を形成することができる。デバイスの第１の表面上にｎ−コンタクト６−６３０を形成することができ、ｐ型輸送層６−６１５上に、活性領域に隣接してｐ−コンタクト６−６１０を形成することができる。半導体層の露出面は、いくつかの実施形態によれば、酸化物又は他の電気絶縁層によって不動態化することができる。
【０２２３】
活性領域に隣接するトレンチ６−６０７、及び、屈折率値ｎ１，ｎ２，ｎ３，ｎ４が、レーザの光学モードを、図面に示すように、量子井戸に隣接し、デバイス中央リブの下にあるレージング領域６−６２５に制限する。ＳＣＯＷＬは、そうでなければレージング領域６−６２５において形成及びレージングし得るより高次の横方向モードを、隣接する領域内の損失の多いより高次のスラブモードに結合するように設計することができる。適切に設計されると、レージング領域６−６２５からのすべてのより高次の横方向モードは、そのレージング領域内の基本モードと比較して相対的に損失が高く、レージングしなくなる。いくつかの実施態様において、ＳＣＯＷＬ６−６００の横方向光学モードは、単一横方向モードであってもよい。光学モードの幅は、約０．５マイクロメートル（０．５ミクロン）と約６マイクロメートル（６ミクロン）との間であってもよい。ｘ方向にとられたモード・プロファイル６−６２２は、いくつかの実施形態によれば、図６−６Ｂに示すように成形することができる。他の実施態様において、ＳＣＯＷＬは、分析機器１−１００に与えられる複数の光学横方向モードを生成することができる。いくつかの実施形態において、活性領域の長さ（紙面に入る寸法に沿った）は、約２０マイクロメートル（２０ミクロン）と約１０ｍｍとの間であってもよい。ＳＣＯＷＬの出力パワーは、より長い活性領域の長さを選択することによって増大することができる。いくつかの実施形態において、ＳＣＯＷＬは、３００ｍＷを超える平均出力パワーを送達することができる。
【０２２４】
半導体レーザ（例えば、ＳＣＯＷＬ）及びパルサ回路は、結合させて、多くの用途に適した低コスト超高速パルスレーザを作成することができるが、図６−５Ｄに示すターン・オフ・レートは、いくつかの蛍光寿命分析には適さない場合がある。いくつかの事例において、より迅速なターン・オフが必要とされる場合がある。例えば、本発明者らは、蛍光寿命に基づくいくつかの測定は、パルスのテールが、パルス・ピーク後の２５０ｐｓ以内に、パルス・ピークを約２５ｄＢと約４０ｄＢとの間で下回るレベルまで消滅することを必要とし得ることを見出した。いくつかの事例において、パルス・パワーは、パルス・ピーク後の１００ｐｓ以内に、この値の範囲まで降下する必要があり得る。いくつかの実施態様において、パルス・テールは、パルス・ピーク後の２５０ｐｓ以内に、パルス・ピークを約４０ｄＢと約８０ｄＢとの間で下回るレベルまで降下する必要があり得る。いくつかの実施態様において、パルス・テールは、パルス・ピーク後の２５０ｐｓ以内に、パルス・ピークを約８０ｄＢと約１２０ｄＢとの間で下回るレベルまで降下する必要があり得る。
【０２２５】
パルスの発光テールをさらに抑制するための１つの手法は、パルスレーザ又は高輝度ＬＥＤシステムに、可飽和吸収体を含めることである。いくつかの実施形態によれば、半導体可飽和吸収体６−６６５を、図６−６Ｃに示すように、半導体レーザ６−６００又は高輝度ＬＥＤと同じ基板上に組み込むことができる。半導体レーザは、いくつかの実施形態によれば、量子井戸領域６−６２０を含むＳＣＯＷＬ構造を備えることができる。ＳＣＯ
ＷＬは、パルサ回路６−４００又は上述した他のパルス化回路のような、パルス源６−６７０によって駆動することができる。
【０２２６】
ＳＣＯＷＬの１端に隣接して、可飽和吸収体６−６６５を形成することができる。可飽和吸収体６−６６５は、半導体レーザからの光子を吸収するように調整されているバンドギャップを有する領域を含むことができる。例えば、可飽和吸収体は、レーザの光学的発光の固有エネルギーにほぼ等しい少なくとも１つのエネルギーバンドギャップを有する単一の量子井戸又は複数の量子井戸を含むことができる。いくつかの実施形態において、可飽和吸収体は、レーザダイオード・キャビティ内の領域を電気的に絶縁するように、レーザダイオードの領域にイオン注入することによって形成することができる。この領域に負のバイアスを印加して、同じレーザダイオード構造の利得よりもむしろ、吸収を促進することができる。レーザ６−６００からの高いフルエンスにおいて、可飽和吸収体の価電子帯はキャリアが空乏し得、伝導帯が満たされ得、可飽和吸収体によるさらなる吸収が妨げられる。結果として、可飽和吸収体は白化し、レーザから吸収される放射の量が低減する。このように、レーザ・パルスのピークは、パルスのテール又はウィングよりも小さい強度の減衰で、可飽和吸収体を「突き抜ける」ことができる。したがって、パルスのピークに対して、パルスのテールがさらに抑制され得る。
【０２２７】
いくつかの実施形態によれば、高反射器（図示せず）がデバイスの１端に形成され、又は位置することができる。例えば、高反射器は、可飽和吸収体からのレーザ放出を方向転換し、出力パワーを増大させるように、可飽和吸収体から最も遠い、レーザの１端に位置してもよい。いくつかの実施形態によれば、デバイスからの抽出を増大させるために、可飽和吸収体及び／又はＳＣＯＷＬの１端に、反射防止コーティングを被着させることができる。
【０２２８】
いくつかの実施形態によれば、可飽和吸収体は、バイアス供給源６−６６０を含むことができる。バイアス供給源は、各パルス後に活性領域からキャリアを掃引し、可飽和吸収体の応答を改善するために使用することができる。いくつかの実施形態において、バイアスは、可飽和回復時間を時間依存にするように（例えば、パルス繰り返し数において）変調することができる。この変調は、パルス特性をさらに改善することができる。例えば、可飽和吸収体は、可飽和吸収体の回復時間が十分である場合は、低い強度において別様により大きく吸収することによって、パルス・テールを抑制することができる。そのような差動吸収はまた、パルス長をも低減することができる。可飽和吸収体の回復時間は、可飽和吸収体に対する逆方向バイアスを印加又は増大することによって調整することができる。
ＩＩ．Ｅ．レーザ出力の直接変調
本発明者らは、レーザの出力を直接変調することによって、連続波レーザから超高速パルスを作成することも可能であることを認識し、諒解するに至った。レーザの出力の直接変調は、いくつかの実施形態において、図７−１Ａに示すような、カスケード接続された光スイッチから成るスイッチング・アレイ７−１００を使用して行うことができる。いくつかの実施形態によれば、光スイッチ７−１０５は、光ファイバ又は光導波路７−１０２によって接続することができ、光スイッチの制御入力７−１０３に制御信号を印加することができる。いくつかの実施態様において、スイッチング・アレイ７−１００は、例えば、導波路、及び、ニオブ酸リチウムスイッチのような電気光スイッチから成る集積アレイとして、単一の基板上に集積することができる。
【０２２９】
スイッチング・アレイ内の光スイッチ７−１０５は、入力ポート７−１０１において光信号を受信し、第１のスイッチＳ１において、第１の出力ポートＰ１と第２の出力ポートＰ２との間で光信号を切り換えるように構成することができる。いくつかの実施形態において、光信号の切り換えは、光スイッチＳ１の制御入力７−１０３において駆動信号を印
加することによって実施することができる。例えば、駆動信号は、スイッチの電気光学素子に電界を印加することができる。図面には１つだけの入力ポート７−１０１が示されているが、いくつかの実施形態において、光スイッチ７−１０５は、２つの入力ポートを含んでもよい。
【０２３０】
いくつかの実施態様において、光スイッチ７−１０５は、入力ポート７−１０３に印加される制御入力信号に応答して電気光学的に制御することができるマッハ・ツェンダー干渉型スイッチを含んでもよい。例えば、マッハ・ツェンダー干渉計の１つの光路は、制御信号に応答して電界が印加される、一定の長さのニオブ酸リチウムを含んでもよい。印加される電界は、ニオブ酸リチウムの屈折率を変化させ、それによって、干渉計のそのアーム内の光路長を変化させることができる。したがって、印加される電界の印加によって、出力信号を第１のポートＰ１から第２のポートＰ２へと変化させることができ、それによって、これを使用して、入力光エネルギーを、２つの出力ポートの間で前後に迅速に切り換えることができる。
【０２３１】
いくつかの実施形態によれば、制御入力７−１０３に印加される制御信号は、例えば、方形波であってもよいが、いくつかの実施形態において、正弦波制御信号が使用されてもよい。方形波を光スイッチに印加することによって、（例えば、光がそのポートへと、及び、そのポートから離れる方向に向けられるときに）その出力ポートのうちの１つから流れる出力パワーを実効的に変調することができる。言い換えると、図７−１Ｂを参照して、出力ポートを通して見たスイッチの挿入損失が、印加される制御信号に応答して、ロー値（例えばオン状態７−１３１）とハイ値（例えば、オフ状態７−１３２）との間で変調する。出力ポートから見たそのような損失の変調が、アレイ７−１００の上方の分岐に沿った光スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ４、Ｓ８、Ｓ９について、図７−１Ｂに示されている。この例において、スイッチＳ４、Ｓ８、及びＳ９は、ともに制御され、スイッチＳ１及びＳ２の変調から時間的にずれるものとして示されている。
【０２３２】
いくつかの実施形態において、オン状態７−１３１にある光スイッチは、約０ｄＢと約３ｄＢとの間の挿入損失を呈し得る。いくつかの実施態様において、オフ状態７−１３２にある光スイッチは、約２０ｄＢ以上だけ、挿入損失を増大させ得る。いくつかの実施形態によれば、オフ状態７−１３２にある光スイッチは、約１５ｄＢと約２５ｄＢとの間の挿入損失を呈し得る。
【０２３３】
スイッチの挿入損失の変調は、図７−１Ｃに示すように、スイッチング・アレイ７−１００のポートからの出力強度の対応する変調をもたらす。例えば、図７−１Ｃの上部のトレースに示すように、第１のスイッチＳ１に方形波を印加することによって、その第１のポートＰ１からの強度出力を、ロー値とハイ値との間で変調することができる。動作時、第１のスイッチＳ１の入力ポート７−１０１において受け取られる強度は、切り換え動作に起因して、出力パルス７−１３５として２つの出力ポートＰ１とＰ２との間で交互になる。いくつかの実施態様によれば、カスケード接続経路に沿った連続するスイッチに対する制御信号のタイミングは、先行するスイッチに対するタイミングとは異なり得る。例えば、図７−１Ｂに示すように、第２のスイッチＳ２に対する制御信号のタイミングは、第１のスイッチＳ１に対する制御信号に対して、時間的に遅延されてもよい。第２のスイッチＳ２は、第１のスイッチと同様に動作し得るが、その切り換え動作は、第１のスイッチＳ１に対して時間的にオフセットされ得る。結果として、第２のスイッチＳ２は、その入力において（スイッチＳ１の出力ポートＰ１から）受け取られるパワーを、その出力ポートＰ３とＰ４との間に交互にする。
【０２３４】
第２のスイッチＳ２の（ポートＰ３を通して見た）損失変調のタイミングが、図７−１Ｂの中央のトレースに示されており、これは、第１のスイッチＳ１の変調からのタイミン
グ・オフセットを示している。第２のスイッチの出力ポートＰ３から受け取られる光の対応する強度が、図７−１Ｃの中央のトレースに示されている。同様に、光路内の第３のスイッチＳ４に印加される制御信号のタイミングは、図７−１Ｂで下側のトレースに示されているように、時間的にオフセットされている。したがって、スイッチング・アレイ７−１００の出力ポートＰ８から受信される光パルスは、図７−１Ｃで下側のトレースに示されているように、さらに短縮される。図面に示されているように、オフセット制御信号及び変調によって２つのスイッチをカスケード接続することによって、均等なデューティ・サイクルで動作するスイッチについて、受信入力パルスのパルス長が、光路内の各連続するスイッチの約２分の１だけ低減する。
【０２３５】
図７−１Ｂ及び図７−１Ｃの図において、スイッチのオン対オフ比又は消光比は、背景雑音レベル７−１４０を示すために人工的に低減されている。実際には、光スイッチの消光比は、図面に示されているよりも相当に高いものであり得る。例えば、各光スイッチは、２０ｄＢ以上の消光比を呈してもよい。
【０２３６】
いくつかの実施形態において、スイッチ７−１０５の消光比は、パルスの所望のターン・オフ比をもたらすほど十分に高くなくてもよい。例えば、パルスのテール７−１５０における強度は、いくつかの用途にとっては、高すぎる場合がある。本発明者らは、出力ポート内に減衰スイッチ７−１２０を加えることによって、出力ポートにおけるテール７−１５０の強度をさらに低減することができることを認識し、諒解するに至った。減衰光スイッチ７−１２０は、上流の光スイッチ７−１０５と一致して切り換えられる同じタイプの光スイッチ（例えば、マッハ・ツェンダー光スイッチ）を含んでもよい。減衰光スイッチは、例えば、ビーム・ブロック７−１１０にダンプされる出力ポートを有することができる。出力ポートに減衰光スイッチ７−１２０を加えることによって、上流の光スイッチ（例えば、スイッチＳ４）の消光比を、一致して切り換えられる光スイッチ（Ｓ４、Ｓ８、Ｓ９）の消光比の積として増大することができる。
【０２３７】
図７−１Ｂ及び図７−１Ｃに関連して説明されている例は、スイッチ・アレイ７−１００内のすべての光スイッチについて同じ周波数で動作するが、時間的に互いに対してずれている制御信号入力を利用する。いくつかの実施形態において、切換制御信号のタイミングは、マスタ発振器、例えば、切換周波数の倍数である周波数において作動するクロックからトリガ及び／又は同期することができる。いくつかの実施形態において、異なる周波数が、各光路に沿った異なる光スイッチに印加されてもよい。例えば、アレイ７−１００の光路に沿った連続するスイッチに対して、制御信号の周波数２倍化が実施されてもよい。
【０２３８】
異なる周波数における切り換えの例として、第１の光スイッチＳ１は、図７−１Ｄの上側のトレースに示すように、第１の切換周波数ｆ１において駆動することができる。光路内の第２の光スイッチＳ２は、第１の周波数の２倍である周波数ｆ２において駆動することができる。光路内の第３の光スイッチＳ４は、第２の光スイッチＳ２の周波数の２倍である周波数ｆ３において駆動することができる。いくつかの実施態様において、光路に沿ったすべての光スイッチの駆動信号は、第１のスイッチの駆動信号に同期することができる。そのような実施形態の連続する出力ポートＰ１、Ｐ３、Ｐ８からの対応する出力パルスが、図７−１Ｅに示されている。ここでも、出力パルスは、各連続するスイッチについて２分の１だけ低減されるが、この実施形態は、連続するスイッチに対してより高いクロック周波数を必要とする。
【０２３９】
異なる周波数において光スイッチ７−１０５を駆動することの１つの利点は、図７−１Ｂ及び図７−１Ｃに関連して上述した方法と比較して、パルスのターン・オフを増大することができることである。例えば、図７−１Ｅを参照すると、出力ポートＰ８からの出力
パルスのテール７−１５０は、上流経路内の光スイッチＳ１、Ｓ２、及びＳ４の結合したターン・オフ（消光比の積）によって抑制することができる。この効果は、スイッチＳ１、Ｓ２、及びＳ４の各々が、出力ポートＰ７からのパルスのテールにおいてオフ状態に切り換えられることを示している、図７−１Ｄのトレースの損失変調から分かる。追加の減衰スイッチ７−１２０が、いくつかの実施形態において、出力Ｐ７に加えられてもよく、又は、加えられなくてもよい。異なる光スイッチに異なる周波数を印加することの欠点は、より周波数の高い駆動信号がスイッチング・アレイ７−１００に必要となることである。例えば、最後の光スイッチにおいて必要とされる周波数は、いくつかの実施態様において、出力パルス持続時間程度であり得る。
【０２４０】
いくつかの実施形態において、図７−１Ｂ、図７−１Ｃ及び図７−１Ｄ、図７−１Ｅに関連して説明されている技法の組み合わせが利用されてもよい。例えば、光路内の第１のセットの光スイッチが、図７−１Ｄに示すような異なる周波数によって駆動されてもよい。その後、同じ光路内の第２のセットの光スイッチ７−１０５が、同じ駆動周波数によって駆動されてもよく、各駆動信号は、図７−１Ｂに示すように、先行する光スイッチに対する先行する駆動信号に対して、時間的にずれている。
ＩＩＩ．バイオ光電子チップに対する光パルスの結合
いくつかの実施態様によれば、パルスレーザ１−１１０は、ポータブル分析機器１−１００に取り付けることができ、パルスレーザの出力を使用して、機器内に位置する１つ又は複数の反応室内の生物及び化学試料を励起することができる。機器は、パルスレーザと反応室との間に、パルスレーザからの出力ビームを１つ又は複数の反応室へと方向制御するように構成されている追加の光学構成要素を有してもよい。上述したように、機器は、１つ又は複数の導波路と、光パルスを１つ又は複数の導波路に結合するための、チップ上に配置されている少なくとも１つの光カプラ（例えば、格子カプラ）とを含む、バイオ光電子チップ１−１４０を受け入れるように構成することができる。導波路は、図１−３に示すように、光パルスからの放射を、複数の反応室に送達することができる。チップ上の光導波路に光を結合するには、レーザビームをチップ上の光カプラに精密に位置合わせする必要があり得る。いくつかの事例において、ビーム・ステアリング・モジュールを使用して、レーザビームをバイオ光電子チップ上の光カプラに、自動的に位置合わせすることができる。
【０２４１】
ビーム・ステアリング・モジュール１−１５０の例が、図８−１に示されている。いくつかの実施形態によれば、ビーム・ステアリング・モジュールは、ビーム・ステアリング・モジュールのアクチュエータ及び光学構成要素を支持するように構成されている中実シャーシ８−１１０を備えることができる。シャーシは、金属及び／又は低熱膨張率複合材から形成又は組み立てすることができる。いくつかの事例において、シャーシは、アルミニウムから機械加工又は鋳造することができる。シャーシ８−１１０は、直線形であっても、又は、角度をつけられていてもよく（図示のとおり）、パルスレーザ１−１１０が組み込まれている機器のフレーム又はシャーシ１−１０２に取り付けることができる。
【０２４２】
本発明者らは、ビーム・ステアリング・モジュールのシャーシ８−１１０が、バイオ光電子チップ１−１４０を取り付けることができるＰＣＢ１−１３０を支持することをさらに可能にすることができることを認識し、諒解するに至った。例えば、シャーシ８−１１０は、数箇所において機器のシャーシ又はフレーム１−１０２に付着することができ、ＰＣＢ１−１３０の中央領域は、ビーム・ステアリング・モジュールとバイオ光電子チップ１−１４０との間の相対運動（例えば、機械的振動からの運動）を低減するために、ビーム・ステアリング・モジュールのシャーシ８−１１０に固定することができる。
【０２４３】
いくつかの実施形態において、ビーム・ステアリング・モジュールのアクチュエータは、ビーム・ステアリング・モジュールの光学構成要素を回転させるように構成されている
ステッパ・モータを含むことができる。ビーム・ステアリング・モジュールの高さを低減するために、アクチュエータは、図面に示されているように、それらのシャフトが、ほぼ同じ平面内にあるように取り付けることができる。いくつかの実施態様において、部分的にＰＣＢ１−１３０、又は、ＰＣＢ１−１３０に取り付けられる別個のＰＣＢ上に作製されるステッパ・モータ（例えば、米国仮特許出願第６２／２８９，０１９号に記載されているようなもの）を使用して、ビーム・ステアリング・モジュールの光学構成要素を、ＰＣＢ１−１３０に垂直である軸を中心として回転させることができる。
【０２４４】
いくつかの実施形態によれば、ビーム・ステアリング・モジュール１−１５０は、第１のオプチカル・フラット８−１３１と、集束レンズ８−１３３と、第２のオプチカル・フラット８−１３５と、第３のオプチカル・フラット８−１３７とを含むことができる。オプチカル・フラット及びレンズは、光学素子からの望ましくないフレネル反射を低減するために反射防止コーティングすることができる。いくつかの実施形態において、ビーム・ステアリング・モジュール内に位置する変向ミラー８−１３４があってもよいが、いくつかの事例において、ビーム・ステアリング・モジュールを通るビーム経路は直線形であってもよく、変向ミラーは使用されなくてもよい。いくつかの実施態様によれば、変向ミラー８−１３４は、基本波長をパルスレーザ１−１１０からビーム・ダンプ及び／又は光検出器へと通し、周波数２倍化波長をバイオ光電子チップ１−１４０に反射するように、２色性であってもよい。
【０２４５】
第１のオプチカル・フラット８−１３１は、第１のアクチュエータ８−１２１によって、ｘ方向においてレーザビームをシフトさせるために、ＰＣＢ１−１３０に平行な軸を中心として回転することができる。第２のオプチカル・フラット８−１３５は、第２のアクチュエータ８−１２２によって、ｙ方向においてレーザビームをシフトさせるために、ＰＣＢ１−１３０に垂直な軸を中心として回転することができる。曲げ接続部（図示せず）が、第２のオプチカル・フラットを回転させるために、第２のアクチュエータ８−１２２から第２のオプチカル・フラット８−１３５まで延在してもよい。第３のオプチカル・フラット８−１３７は、第３のアクチュエータ８−１２３によって、ｘ方向においてレーザビームをシフトさせるために、ＰＣＢ１−１３０に平行な軸を中心として回転することができる。いくつかの実施形態において、レンズ８−１３３の前に取り付けられる第４のオプチカル・フラット、及び、ｚ方向においてレーザビームをシフトさせるために、ＰＣＢ１−１３０に垂直な軸を中心として第４のオプチカル・フラットを回転させるように構成されているアクチュエータがあってもよい。オプチカル・フラットを回転させることによって、ビーム・ステアリング・モジュールを通過する光ビームは、横方向及び垂直方向に並進することができ、チップ１−１４０におけるその入射角を変化させることができる。
【０２４６】
ビーム・ステアリング・モジュール１−１５０内で光ビームを並進させることの効果は、図８−２から理解することができる。集束レンズ８−１３３の後ろに位置する光学素子を回転させることによって光ビームが並進する結果として、レンズ８−１３３の焦点に位置し得る表面８−２４０（例えば、バイオ光電子チップの表面）におけるｘ、ｙ並進がもたらされる。例えば、レーザビーム８−２５０は、集束レンズ８−１３３を通過することができ、バイオ光電子チップ１−１４０にある光カプラ上に集束することができる（例えば、格子カプラ１−３１０上に集束することができる）。図面に示されているｙ軸に平行な軸を中心として第２のオプチカル・フラット８−１３５を回転させることによって、表面８−２４０における集束ビームを、ｘ軸に平行な方向において並進させることができる。ｘ軸に平行な軸を中心として第３のオプチカル・フラット８−１３７を回転させることによって、表面８−２４０における集束ビームを、ｙ軸に平行な方向において並進させることができる。
【０２４７】
集束レンズ８−１３３の前に位置する光学素子を回転させることによって光ビーム８−
２５０を並進させる結果として、表面８−２４０におけるビームのｘ−ｙ位置をそれほど変化させることなく、表面８−２４０におけるビームの入射角が変化する。例えば、ｙ軸に平行な軸を中心として第１のオプチカル・フラット８−１３１を回転させることによって、集束レンズ８−１３３において、ｘ軸に平行な方向においてレーザビームを変位することができる。集束レンズにおけるそのようなレーザビームの動きは、表面８−２４０において、ｘ−ｚ平面内で、ｘ軸に関するレーザビームの入射角θｉを変化させる。いくつかの実施形態において、ｘ軸に平行な軸を中心として第４のオプチカル・フラット８−１３２（図８−１には示されていない）を回転させることによって、ｙ−ｚ平面上の方向において、表面８−２４０における入射角φｉを変化させることができる。表面８−２４０は概ね、レンズ８−１３３の焦点距離ｆに位置するため、レンズの前でビーム８−２５０を並進させることによる入射角の変化は、表面８−２４０における集束ビームのｘ−ｙ位置にそれほど影響を及ぼさない。
【０２４８】
いくつかの実施形態において、チップ１−１４０が、その表面８−２４０で入来するレーザビーム８−２５０に平行に向けられ得るように、ビームを−ｘ方向において偏向させるために、バイオ光電子チップ１−１４０の表面８−２４０とビーム・ステアリング・モジュール１−１５０との間に位置する変向ミラー（図８−２には示されていない）があってもよい。これによって、図８−１に示すように、チップ１−１４０が下にあるＰＣＢ１−１３０に平行に取り付けられることが可能である。いくつかの事例において、変向ミラーは、シリコン・ウェハの小さい部分（例えば、５平方ｍｍ未満）から低コストで形成し、反射材料でコーティングし、バイオ光電子チップ１−１４０を含むパッケージ内に取り付けることができる。
【０２４９】
再び図１−３及び図８−１を参照すると、バイオ光電子チップの表面における格子カプラ１−３１０上のレーザビームのｘ−ｙ位置を、集束レンズ８−１３３の後ろに位置するオプチカル・フラット８−１３５，８−１３７を回転させるようにアクチュエータ８−１２２，８−１２３を動作させることによって調整することができる。光入力を複数の導波路に分配するためにスター・カプラ又はＭＭＩカプラが使用されるとき、スター・カプラ又はＭＭＩカプラに接続されているすべての導波路に光がほぼ均等に結合するまで、格子カプラ１−３１０上の入力ビームのｘ−ｙ位置を調整することができる。その後、第１のオプチカル・フラット８−１３１を回転させるようにアクチュエータ８−１２１を動作させることによって、ｘ−ｚ平面におけるビームの入射角θｉを調整することができる。この調整は、導波路１−３１２に結合されるエネルギーの量を増大することができる。
【０２５０】
当初、ｙ−ｚ平面（格子カプラ２−３１０の格子歯に平行に延在する平面）におけるビームの入射角θｉの変化は、導波路１−３１２への結合効率にそれほど影響を及ぼさないであろうと予期されていた。しかしながら、本発明者らは、驚くべきことに、この入射角の変化が、結合効率に影響を与えるほど大きい変化をθｉに与え得ることを発見した。予測よりも大きい感度は、格子カプラと下にある反射層（図１−３には示されていない）との間の光学干渉効果が、導波路１−３１２への結合効率の増大に加わる結果もたらされると考えられる。いくつかの実施形態において、ビーム・ステアリング・モジュールは、格子カプラにおけるビームの入射角φｉの変化に影響を及ぼすように構成されている、集束レンズ８−１３３の前に位置する第４のオプチカル・フラット８−１３２を含むことができる。
【０２５１】
ビーム・ステアリング・モジュール１−１５０の有利な態様は、θｉ，φｉへの入射角調整を、表面８−２４０における集束ビームの位置に対するｘ、ｙ調整とは実質的に無関係に行うことができることである。例えば、格子カプラ１−３１０を介して１つ又は複数の導波路１−３１２に結合される入射レーザビーム８−２５０からの光エネルギーは、ビーム位置を最適化する位置合わせ手順の間に１つ又は複数の導波路の反対の端部にある１
つ又は複数のフォトダイオード１−３２４によって監視することができる。その後、格子カプラ上のビームの位置をそれほど変化させることなく、ビーム入射角を最適化することができる。
【０２５２】
いくつかの実施形態によれば、自動位置合わせ手順を使用して、パルスレーザ１−１１０からのレーザビームを、バイオ光電子チップ１−１４０上のカプラ１−３１０に対して位置合わせすることができる。位置合わせ手順は、図８−３に示すように、格子カプラ１−３１０に対する螺旋探索を実行することを含むことができる。螺旋探索は、集束ビーム８−２５０を、チップの表面上でｘ及びｙ方向に並進させるために、第２のオプチカル・フラット８−１３５及び第３のオプチカル・フラット８−１３７を回転させることによって実行することができる。例えば、チップ１−１４０が機器１−１００に装填されてパルスレーザがオンにされた後、レーザビームは、図８−３において「Ａ」とマークされた位置においてチップの表面に衝突し得る。この位置において、クワッド検出器１−３２０によって信号は検出され得ない。クワッド検出器からの信号が監視されている間に、螺旋探索経路８−３１０が実行され得る。位置「Ｂ」において、クワッド検出器は、その検出器からのビームのｘ、ｙ位置信号を見当合わせし始めることができる。その後、制御回路が、クワッド検出器の中心に対するビームの位置を決定し、螺旋経路の実行を取り消し、ビームをクワッド検出器１−３２０の中心、すなわち点「Ｃ」へと方向制御するように、アクチュエータ８−１２２，８−１２３を動作させることができる。格子カプラ１−３１０は、クワッド検出器の上でほぼ中心に位置することができる。その後、導波路１−３１２又は複数の導波路に結合される光エネルギーの量を増大させるために、位置及び入射角の微調整を行うことができる。いくつかの実施形態において、複数の導波路１−３１２の端部における複数の集積光検出器１−３２４からの光パワーが監視され、それによって、複数の光導波路に結合されるパワーの均一性を増大させるために、格子カプラにおいてレーザビームに微調整を行うことができる。
【０２５３】
他の方法及び装置を使用して、クワッド検出器１−３２０を探索し、集束ビーム８−２５０を格子カプラ１−３１０に位置合わせすることができる。いくつかの実施形態において、レーザビームを検出することができる範囲を拡大するために、クワッド検出器１−３２０の感度を改善することができる。例えば、高いパワー（例えば、完全にオン）にあるレーザ・パワーを有するクワッド検出器からの信号を、低い設定（例えば、オフ）にあるレーザ・パワーを有するクワッド検出器からの信号に対して比較することができる。加えて、レーザビームがクワッド検出器から相当の距離に位置し得るときは、クワッド検出器の位置検出感度を改善するために、より長い期間にわたって信号を積分することができる。
【０２５４】
いくつかの実施形態において、光散乱素子（図８−３には示されていない）を、チップ１−１４０上でクワッド検出器１−３２０の周囲に作製することができる。集束ビームが不整合になっており、周縁位置においてクワッド検出器から離れているとき、散乱素子は、集束ビームからの光をクワッド検出器１−３２０に向けて散乱させることができる。このとき、検出される散乱光は、ビームの位置を示す。
【０２５５】
いくつかの実施態様において、幅が予期される集束ビームサイズと同様である、狭い線形散乱素子又はライン検出器が、クワッド検出器の中心を通じて（又はクワッド検出器に対して任意の適切な向きにおいて）設置され、クワッド検出器の対向する辺を大きく越えて（例えば、妥当に予測される初期ビーム・オフセット誤差よりも大きい距離まで）延在することができる。この素子又は検出器の向きは設計によって分かるため、集束ビーム８−２５０は最初に、クワッド検出器１−３２０への散乱によって、又は、直にライン検出器によってのいずれかで、ビームが素子又は検出器に衝突され、肯定的に検出されるまで、素子に垂直な方向において走査することができる。その後、ビームは、クワッド検出器
１−３２０を発見するために他の方向において走査することができる。
【０２５６】
いくつかの実施形態によれば、レーザビームは最初に、チップ１−１４０の表面８−２４０において拡張され得る（例えばレンズ８−１３３をアクチュエータによって、又は、他の手段を使用して動かすことによってビームの集束を解く）。このとき、チップに対するビームのフットプリントが大きく増大され得（例えば、１０倍以上）、それによって、任意の走査工程が、クワッド検出器１−３２０を探索するときに、ビーム位置の間でより大きい刻み幅（例えば、螺旋走査における放射ループ間のより大きいオフセット）を使用することができる。この探索方法及び上記の代替的な探索方法は、集束ビーム８−２５０を格子カプラ１−３１０に位置合わせすることに関連する探索時間を低減することができる。
【０２５７】
位置合わせの後、入射レーザビームを能動的に位置合わせされた位置にあるままにすることができる。例えば、クワッド検出器１−３２０に対する初期位置合わせ後に決定されるビームのｘ、ｙ位置を、クワッド検出器からのフィードバックならびにアクチュエータ８−１２２，８−１２３の起動を使用して能動的に維持して、ビームをほぼ固定の位置に維持することができる。いくつかの実施形態において、表面における光ビームの入射角は、初期位置合わせの後、導波路に結合されるパワーを最適化するために調整されなくてもよい。加えて、導波路に結合されるパワーの量は、測定全体を通じてほぼ一定のレベルに維持することができる。
【０２５８】
導波路に送達されるパワーは、導波路の対向する端部からのフォトダイオード１−３２４の信号を監視し、パルスレーザ・システム１−１１０の半波長板２−１６０の向きを制御するアクチュエータ２−１６２を動作させるコントローラ（図２−１Ａ参照）にその信号を供給することによって、ほぼ一定のレベルに維持することができる。半波長板２−１６０の回転は、周波数２倍化結晶２−１７０に入る光パルスの偏光を変化させ、それゆえ、反応室内の蛍光色素分子を励起するために使用されるより短い波長に対する変換効率を変化させる。
【０２５９】
ビーム位置合わせ及びパワー安定化のための例示的な回路が、いくつかの実施形態に従って、図８−４に示されている。クワッド検出器１−３２０は４つのフォトダイオードとして表されており、導波路フォトダイオード１−３２４は、第５のフォトダイオードとして表されている。いくつかの実施態様において、光パワーが単一の格子カプラから結合される、多数の導波路があってもよい。したがって、導波路の端部に、制御回路８−４３０に接続される信号出力を有する多数の導波路フォトダイオード１−３２４があってもよい。ダイオードの光伝導によって生成される電圧を検出するために、増幅回路８−４１０が配置され得る。増幅回路８−４１０は、いくつかの実施形態によれば、アナログ信号をデジタル信号に変換するＣＭＯＳ電子装置（例えばＦＥＴ、サンプリング回路、アナログ−デジタル変換器）を備えることができる。他の実施形態では、アナログ信号が、増幅回路から制御回路８−４３０に与えられてもよい。
【０２６０】
いくつかの実施形態において、制御回路は、アナログ及びデジタル回路、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、ＤＳＰ、マイクロコントローラ、及びマイクロプロセッサのうちの１つ又は組み合わせを含んでもよい。制御回路８−４３０は、１つ又は複数の導波路フォトダイオードからの受信信号を処理して、各導波路における光パワーのレベルを決定するように構成することができる。制御回路８−４３０は、クワッド検出器１−３２０からの受信信号を処理して、クワッド検出器に対する光ビームのｘ、ｙ位置を決定するように、さらに構成することができる。いくつかの実施態様において、制御回路８−４３０は、各導波路に結合されるパワーを検出し、パワーが導波路内で均質化され、導波路にわたって最も高い均一性を有するようにレーザビームを動かすためのアクチュエータに対する制御信号を与える
ように構成されている。
【０２６１】
ｘ方向におけるレーザビームの位置は、例えば、以下のアルゴリズムを実行するように適合されている制御回路８−４３０によって決定することができる：
Ｓｘ＝［（ＶＱ２＋ＶＱ３）−（ＶＱ１＋ＶＱ４）］／ＶＴ
式中、Ｓｘはｘ方向に対応する正規化信号レベルであり、ＶＱｎは、クワッド検出器のｎ番目のフォトダイオードから受信される信号レベル（例えば、電圧）であり、ＶＴは、４つすべてのフォトダイオードからの信号を合計することによって受信される総信号レベルである。加えて、ｙ方向におけるレーザビームの位置は、例えば、以下のアルゴリズムを使用して決定することができる：
Ｓｙ＝［（ＶＱ３＋ＶＱ４）−（ＶＱ１＋ＶＱ２）］／ＶＴ。
【０２６２】
チップ１−１４０上のすべての導波路に結合される平均パワーは、チップ上の導波路の各々におけるパワーを検出するように構成されているすべてのフォトダイオード１−３２４からの信号を合計することによって決定することができる。
【０２６３】
ｘ，ｙにおける検出されるビーム位置に応答して、ならびに、バイオ光電子チップ１−１４０の１つ又は複数の導波路内で検出されるパワー・レベルに応答して、制御回路８−４３０によって制御信号を発生させることができる。制御信号は、デジタル信号として、ビーム・ステアリング・モジュール１−１５０のアクチュエータへの通信リンク（ＳＭ１、ＳＭ２、ＳＭ３）、及び、半波長板２−１６０の回転を制御するパルスレーザ・システム１−１１０のアクチュエータ１−１６２への通信リンクＷＰを介して与えることができる。
【０２６４】
パルスレーザ１−１１０及び機器１−１００の動作をさらに示すために、バイオ光電子チップ１−１４０上の光カプラ（例えば、格子カプラ）に対するパルスレーザビームの位置合わせ及び位置合わせの維持のための例示的な方法８−５００が、図８−５に示されている。いくつかの実施形態によれば、機器１−１００内の制御回路８−４３０は、バイオ光電子チップが機器内に装填されていることを検出する（動作８−５０５）ように構成することができる。新たなチップが装填されるとき、その光カプラは、パルスレーザからのレーザビームに位置合わせされないものであり得る。装填が検出されるのに応答して、制御回路８−４３０は、例えば、図８−３に示すように、バイオ光電子チップの表面にわたってパルスレーザビームの螺旋走査（又は上述した任意の他の適切な走査方法）を実行する（動作８−５１０）ように、ビーム・ステアリング・モジュール１−１５０を動作させることができる。制御回路は、螺旋経路８−３１０又は任意の他の適切な経路においてビームを動かすように、ビーム・ステアリング・モジュール１−１５０のアクチュエータ８−１２２、８−１２３を動作させることができる。パルスレーザビームがチップの表面にわたって走査されている間、レーザビームの位置が検出されるか否かを判定するために、制御回路８−４３０によって、クワッド検出器１−３２０からの信号を監視することができる（動作８−５１５）。
【０２６５】
クワッド検出器からの信号が、パルスレーザビームの位置が検出されていないことを示す場合（動作８−５２０）、制御回路は、バイオ光電子チップの表面にわたってレーザビームを走査し続けることができる（動作８−５１０）。代替的に、ビームの位置が検出された場合、螺旋走査を停止することができ、ビーム・ステアリング・モジュールのアクチュエータを駆動して、パルスレーザビームを、クワッド検出器１−３２０に対してほぼ中心に合わせることができる（動作８−５２５）。いくつかの実施形態によれば、格子カプラ１−３１０は、クワッド検出器に対してほぼ中心に合わせることができ、それによって、レーザビームをクワッド検出器に対して中心に合わせることによって、ビームが格子カプラにほぼ位置合わせする。おおよそ格子カプラの位置にあるパルスレーザビームによっ
て、制御回路は、格子カプラのすぐ近傍でｘ−ｙ走査を実行する（動作８−５３０）ように、ビーム・ステアリング・モジュール１−１５０のアクチュエータ８−１２２、８−１２３を駆動することができる。例えば、ビーム・ステアリング・モジュールは、第１の最適な結合値を発見するためのｘ方向における連続的な線形走査を実行し、その後、第２の最適な結合値を発見するためのｙ方向における線形走査を実行することができる。レーザビームが走査されている間、クワッド検出器１−３２０及び１つ又は複数の導波路フォトダイオード１−３２４からの出力信号を監視することができる（動作８−５３５）。
【０２６６】
パルスレーザビームが格子カプラの近傍で走査されるとき、１つ又は複数の導波路フォトダイオード１−３２４から検出されるパワーは増大及び低減し得る。いくつかの実施形態において、（クワッド検出器１−３２０によって決定されるものとしての）パルスレーザビームの第１のｘ１、ｙ１位置に対応する（１つ又は複数の導波路フォトダイオード１−３２４によって検出される）導波路に結合される総パワー内の最大値があり得る。いくつかの事例において、格子カプラに接続されている複数の導波路において検出されるパワー・レベルがほぼ（例えば±２０％以内又はさらには±１０％以内で）等しい、パルスレーザビームの第２のｘ２、ｙ２位置があり得る。第２の位置において、導波路に結合される総パワーは、第１の位置において導波路に結合される量未満であり得る。
【０２６７】
いくつかの実施形態において、制御回路８−４３０は、導波路にわたって所定の均一性（例えば、±１５％）以内で導波路に結合される最高の総パワーが達成されるまで、パルスレーザビームを動かすように適合することができる。対応する位置は、第１の位置ｘ１、ｙ１及び第２の位置ｘ２、ｙ２とは異なり得る、第１の最適化位置ｘ３、ｙ３であってもよい。いくつかの実施態様において、導波路にわたるより大きいパワー変動を許容することができる（結果もたらされるデータから正規化することができる）。そのような実施態様において、第１の最適化位置ｘ３、ｙ３は、導波路への総パワーが最大化される位置であり得る。
【０２６８】
第１の最適化位置ｘ３、ｙ３が発見されていないと制御回路８−４３０が判定する（動作８−５４０）場合、制御回路は、ビーム・ステアリング・モジュールのアクチュエータを、格子カプラ１−３１０の近傍におけるパルスレーザビームのｘ−ｙ走査を実行する（動作８−５３０）ように動作させ続けることができる。第１の最適化結合位置が発見されている場合、制御回路８−４３０は、クワッド検出器１−３２０によって検知される固定位置にレーザビームを維持するようにアクチュエータ８−１２２，８−１２３を動作させることによって、レーザビームの位置を保持することができる（動作８−５４５）。制御回路はその後、バイオ光電子チップ上の光カプラにおける入射ビーム角を走査する（動作８−５５０）ように、ビーム・ステアリング・モジュールのアクチュエータ８−１２１及び任意選択的に追加のアクチュエータを作動させることができる。入射ビーム角が走査されているとき、１つ又は複数の導波路内の導波路フォトダイオード１−３２４からの信号レベルを監視することができる（動作８−５５５）。入射ビーム角は、第２の最適化結合向きが発見されていると制御回路８−４３０が判定する（動作８−５６０）まで、走査することができる。第２の最適化結合向きは、バイオ光電子チップ１−１４０上の１つ又は複数の導波路に結合される最高のパワーの量、又は、導波路にわたる所定のパワー均一性で導波路に結合する最高のパワーを与えるビーム入射角に対応し得る。
【０２６９】
第２の最適化結合向きが識別されていない場合（動作８−５６０）、制御回路は、入射ビーム角の走査（動作８−５５０）を継続することができる。第２の最適化結合向きが識別されている場合、制御回路８−４３０は、パルスレーザビームのｘ−ｙ位置及びその入射角を維持することができる（動作８−５６５）。パルスレーザビームの位置及び入射角が維持されることによって、バイオ光電子チップ１−１４０上での測定を開始することができる。
【０２７０】
いくつかの実施形態において、パルスレーザビームの位置は、数十分以上にわたって継続し得る測定の間に、クワッド検出器１−３２０に対して維持することができる。例えば、アクティブ・フィードバックを利用して、光カプラにおけるビームの位置を（クワッド検出器１−３２０を用いて）検知することができ、パルスレーザビームを検知された位置に（例えば、システム内のドリフト又は変動を補償するようにアクチュエータ８−１２２，８−１２３を動作させることによって）維持することができる。
【０２７１】
測定が開始すると、反応室内の光パワー・レベルも維持することができる（動作８−５７０）。いくつかの実施形態によれば、光パワー・レベルを維持することは、１つ又は複数の導波路の端部に位置する１つ又は複数の導波路フォトダイオード１−３２４を用いて導波路パワー・レベルを監視することと、パルスレーザ・システム１−１１０のアクチュエータ２−１６２を作動させることによって、光パワーの変化を補償することとを含むことができる。アクチュエータの動作は、半波長板２−１６０を回転させ、半波長板２−１６０は、周波数２倍化結晶２−１７０内の偏光を回転させ、周波数２倍化波長への変換効率を変化させる。このように、そうでなければ反応室内に生じることになるパワー変動を、大きく低減することができる。
【０２７２】
いくつかの実施形態において、制御回路８−４３０は、測定の終わりに、バイオ光電子チップ１−１４０から測定終了信号を受信することができる。制御回路が測定終了信号を検出しない（動作８−５７５）場合、ビームの向き及びパワー・レベルは維持され得る。制御回路が測定終了信号を検出する（動作８−５７５）場合、工程は終了することができる。いくつかの実施形態において、工程を終了することは、パルスレーザ１−１１０及びビーム・ステアリング・モジュールのアクチュエータの電源を切ることを含むことができる。
ＩＶ．クロック発生及びシステム同期
図１−１を再び参照すると、短パルス又は超短パルスを生成するために使用される方法及び装置にかかわらず、システム１−１００は、分析システム１−１６０の少なくともいくつかの電子的動作（例えば、データ取得及び信号処理）を、光源１−１１０からの光パルス１−１２２の繰り返し数と同期させるように構成されている回路を含むことができる。パルス繰り返し数を分析システム１−１６０上の電子装置に同期させるための少なくとも２つの方法が存在する。第１の技法によれば、マスタ・クロックをタイミング・ソースとして使用して、パルス光源におけるパルスの発生と機器電子装置の両方をトリガすることができる。第２の技法において、パルス光源からタイミング信号を導出し、機器電子装置をトリガするために使用することができる。
【０２７３】
図９−１は、クロック９−１１０が同期周波数ｆｓｙｎｃにおけるタイミング信号を、パルス光源１−１１０（例えば、利得切換パルスレーザ又はＬＥＤ）と、各励起パルス１−１２０と生物学的物質、化学物質、又は他の物理的物質との間の相互作用からもたらされる信号を検出及び処理するように構成することができる分析システム１−１６０の両方に与える。ほんの１例として、各励起パルスは、生物試料の特性（例えば、ＤＮＡシーケンシングのためのヌクレオチド取り込み、がん性又は非がん性、ウイルス又は細菌感染、血糖値）を分析するために使用される、生物試料の１つ又は複数の蛍光分子を励起することができる。例えば、非がん性細胞は、第１の値の固有蛍光寿命τ１を呈し得、一方で、がん性細胞は、第１の寿命値とは異なり、区別することができる第２の値の寿命τ２を呈し得る。別の例として、血液の試料から検出される蛍光寿命は、血糖値に依存する寿命値及び／又は強度値（別の安定したマーカに対する）を有することができる。各パルス又はいくつかのパルスから成る系列の後、分析システム１−１６０は、蛍光信号を検出及び処理して、試料の特性を決定することができる。いくつかの実施形態において、分析システムは、イメージングされるエリア内の領域の１つ又は複数の特性を示す、エリアの２次元
又は３次元マップを含む、励起パルスによって調査されるエリアの画像を生成することができる。
【０２７４】
行われる分析のタイプにかかわらず、分析システム１−１６０上の検出及び処理電子装置は、各光励起パルスの到来と慎重に同期される必要があり得る。例えば、蛍光寿命を評価するとき、発光事象のタイミングを正確に記録することができるように、試料の励起の時間を正確に知ることが有益である。
【０２７５】
図９−１に示す同期構成は、光パルスが能動的方法（例えば、外部制御）によって生成されるシステムに適し得る。能動パルス・システムは、限定ではないが、利得切換レーザ及びパルスＬＥＤを含むことができる。そのようなシステムにおいて、クロック９−１１０が、パルス光源１−１１０におけるパルス生成（例えば、利得切換又はＬＥＤ接合への電流注入）をトリガするために使用されるデジタル・クロック信号を与えることができる。機器上での電子的動作が、機器におけるパルス到来時間に同期することができるように、同じクロックがまた、同じ又は同期したデジタル信号を分析システム１−１６０に与えることもできる。
【０２７６】
クロック９−１１０は、任意の適切なクロッキング・デバイスであってもよい。いくつかの実施形態において、クロックは、水晶発振器又はＭＥＭＳベースの発振器を含んでもよい。いくつかの実施態様において、クロックは、トランジスタ・リング発振器を含んでもよい。
【０２７７】
クロック９−１１０によって与えられるクロック信号の周波数ｆｓｙｎｃは、パルス繰り返し数Ｒと同じ周波数である必要はない。パルス繰り返し数は、Ｒ＝１／Ｔによって与えることができ、Ｔはパルス分離間隔である。図９−１において、光パルス１−１２０は、距離Ｄだけ空間的に分離されるものとして示されている。この分離距離は、関係Ｔ＝Ｄ／ｃ、ｃは光速、による分析システム１−１６０におけるパルスの到来の間の時間Ｔに対応する。実際には、パルス間の時間Ｔは、フォトダイオード及びオシロスコープによって決定することができる。いくつかの実施形態によれば、Ｔ＝ｆｓｙｎｃ／Ｎであり、Ｎは１以上の整数である。いくつかの実施態様において、Ｔ＝Ｎｆｓｙｎｃであり、Ｎは１以上の整数である。
【０２７８】
図９−２は、タイマ９−２２０が分析システム１−１６０に同期信号を与えるシステムを示す。いくつかの実施形態において、タイマ９−２２０は、パルス光源１−１１０から同期信号を導出することができ、導出された信号は、分析システム１−１６０に同期信号を与えるために使用される。
【０２７９】
いくつかの実施形態によれば、タイマ９−２２０は、パルス光源１−１１０から光パルスを検出するフォトダイオードからアナログ又はデジタル化信号を受信することができる。タイマ９−２２０は、受信したアナログ又はデジタル化信号から同期信号を形成又はトリガするための任意の適切な方法を使用することができる。例えば、タイマは、シュミット・トリガ又は比較器を使用して、検出された光パルスからデジタル・パルスの列を形成することができる。いくつかの実施態様において、タイマ９−２２０はさらに、遅延ロック・ループ又は位相ロック・ループを使用して、安定したクロック信号を、検出される光パルスから生成されるデジタル・パルスの列に同期させることができる。デジタル・パルスの列又はロックされている安定したクロック信号は、機器上の電子装置を光パルスと同期させるために、分析システム１−１６０に与えることができる。
【０２８０】
本発明者らは、パルスレーザ１−１１０の（例えば、反応室１−３３０に励起光パルスを送達する）動作、信号取得電子装置の動作（例えば、時間ビニング光検出器１−３２２
の動作）、及びバイオ光電子チップ１−１４０からのデータ読み出しの動作を協調させることが、技術的課題を課すことを認識し、諒解するに至った。例えば、反応室において収集される時間ビニング信号が、蛍光減衰特性の正確な表現であるために、時間ビニング光検出器１−３２２の各々は、反応室における各励起光パルスの到来後に精密なタイミングでトリガされなければならない。加えて、データは、データの超過及び見過ごしを回避するために、反応室におけるデータ取得とほぼ同期して、バイオ光電子チップ１−１４０から読み出されなければならない。データの見過ごしは、いくつかの事例においては有害であり得、例えば、遺伝子配列の誤認を引き起こす。本発明者らは、システム・タイミングが、例えば、パルス振幅の変動、パルス間間隔Ｔの変動、及び偶発的なパルス脱落の影響を受けやすい、受動モードロックレーザの自然動作特性によってさらに複雑になることを認識し、諒解するに至った。
【０２８１】
本発明者らは、クロック信号を発生し、ポータブル機器１−１００内のデータ取得電子装置を駆動するために使用することができるクロック発生回路を着想し、開発した。クロック発生回路９−３００の例が、図９−３に示されている。いくつかの実施形態によれば、クロック発生回路は、パルス検出、自動利得制御による信号増幅、クロック・デジタル化、及びクロック位相ロックの段を含むことができる。
【０２８２】
パルス検出段は、いくつかの実施形態によれば、逆バイアスされ、バイアス電位と基準電位（例えば、接地電位）との間に接続される高速フォトダイオード９−３１０を備えることができる。フォトダイオードに対する逆バイアスは、任意の適切な値であってもよく、固定値抵抗器を使用して固定されてもよく、又は、調整可能であってもよい。いくつかの事例において、キャパシタＣが、フォトダイオード９−３１０のカソードと、基準電位との間に接続されてもよい。フォトダイオードのアノードからの信号が、増幅段に与えられ得る。いくつかの実施形態において、パルス検出段は、約１００マイクロワットと約２５ミリワットとの間の平均パワー・レベルを有する光パルスを検出するように構成することができる。クロック発生回路９−３００のパルス検出段は、パルスレーザ１−１１０上又はその付近に取り付けることができ、レーザから光パルスを検出するように構成することができる。
【０２８３】
増幅段は、可変利得調整又は調整可能減衰を含むことができる１つ又は複数のアナログ増幅器９−３２０を備えることができ、それによって、アナログ利得増幅器からのパルス出力レベルは、所定の範囲内に設定することができる。クロック発生回路９−３００の増幅段は、自動利得制御増幅器９−３４０をさらに含むことができる。いくつかの事例において、アナログ・フィルタリング回路９−３３０を、アナログ増幅器９−３２０の出力に接続することができる（例えば、高周波数（例えば、約５００ＭＨｚを超えるもの）及び／又は低周波数雑音（例えば、約１００Ｈｚ未満のもの）を除去するため）。いくつかの実施形態によれば、アナログ利得増幅器９−３２０からのフィルタリングされた又はフィルタリングされていない出力を、自動利得制御増幅器９−３４０に与えることができる。
【０２８４】
いくつかの実施形態によれば、１つ又は複数のアナログ増幅器からの最終的な出力信号は、正極性であり得る。本発明者らは、後続の自動利得制御（ＡＧＣ）増幅器が、負電圧ではなく正電圧にパルスを入力するときに、より信頼可能に動作することを認識し、諒解するに至った。自動利得制御増幅器は、受信される電子パルス列の振幅変動を補償するように、その内部利得を変化させることができる。自動利得制御増幅器９−３４０からの出力パルス列は、図面に示すように、ほぼ一定の振幅を有することができ、一方で、自動利得制御増幅器９−３４０への入力は、パルス間振幅の変動を有し得る。例示的な自動利得制御増幅器は、アナログ・デバイセズ・インコーポレイテッド社（Ａｎａｌｏｇ  Ｄｅｖｉｃｅｓ，  Ｉｎｃ．）［米国マサチューセッツ州ノーウッド（Ｎｏｒｗｏｏｄ）所在］から入手可能なモデルＡＤ８３６８である。
【０２８５】
クロック・デジタル化段において、いくつかの実施態様によれば、自動利得制御増幅器からの出力を、比較器９−３５０に与えて、デジタル・パルス列を生成することができる。例えば、ＡＧＣからのパルス列を、比較器９−３５０の第１の入力に与えることができ、基準電位（いくつかの実施形態ではユーザが設定可能であり得る）を、比較器の第２の入力に接続することができる。基準電位は、各生成されるデジタル・パルスの立ち上がりエッジのトリガ・ポイントを確立することができる。
【０２８６】
諒解され得るように、光パルス振幅の変動が、ＡＧＣ増幅器９−３４０の前の電子パルスの振幅の変動をもたらすことになる。ＡＧＣ増幅器がなければ、これらの振幅変動は、比較器９−３５０からのデジタル化パルス列内のパルスの立ち上がりエッジにタイミング・ジッタをもたらすことになる。ＡＧＣ増幅器によってパルス振幅をレベリングすることによって、比較器の後のパルス・ジッタが大きく低減される。例えば、タイミング・ジッタは、ＡＧＣ増幅器によって約５０ピコ秒未満に低減することができる。いくつかの実施態様において、比較器からの出力は、論理回路９−３７０に与えることができ、論理回路９−３７０は、デジタル化パルス列のデューティ・サイクルを、約５０％に変化させるように構成されている。
【０２８７】
クロック発生回路９−３００の位相ロック段は、タイミング及び同期機器動作のための１つ又は複数の安定した出力クロック信号を生成するために使用される位相ロック・ループ（ＰＬＬ）回路９−３８０を備えることができる。いくつかの実施形態によれば、クロック・デジタル化段からの出力を、ＰＬＬ回路９−３８０の第１の入力（例えば、フィードバック入力）に与えることができ、電子又は電気機械発振器９−３６０からの信号を、ＰＬＬへの第２の入力（例えば、基準入力）に与えることができる。電子又は電気機械発振器は、いくつかの事例において、機械的摂動及び温度変動に対して高度に安定性であり得る。いくつかの実施形態によれば、電子又は電気機械発振器９−３６０からの安定したクロック信号の位相は、ＰＬＬによって、安定性に劣り得る、モードロックレーザから導出されるデジタル化クロック信号の位相に対してロックされる。このように、電子又は電気機械発振器９−３６０は、パルスレーザ１−１１０の短期的な不安定性（例えば、パルス・ジッタ、パルス脱落）を乗り切ることができ、さらに、光パルス列にほぼ同期することができる。位相ロック・ループ回路９−３８０は、電子又は電気機械発振器９−３６０からの位相ロック信号から導出される１つ又は複数の安定した出力クロック信号を生成するように構成することができる。ＰＬＬを実装するために使用することができる例示的な回路は、シリコン・ラボラトリーズ・インコーポレイテッド社（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ  Ｉｎｃ．）［米国テキサス州オースティン（Ａｕｓｔｉｎ）所在］から入手可能である、ＩＣチップＳｉ５３３８である。
【０２８８】
いくつかの実施形態によれば、ＰＬＬ回路９−３８０から出力される１つ又は複数のクロック信号は、チップ上のデータ取得電子装置とタイミングを合わせるために、バイオ光電子チップ１−１４０に与えることができる。いくつかの事例において、ＰＬＬ回路９−３８０は、そのクロック出力上に位相調整回路９−３８２、９−３８４を含むことができ、又は、別個の位相調整回路が、位相ロック・ループのクロック出力に接続されてもよい。いくつかの実施態様において、バイオ光電子チップ１−１４０は、チップ上の１つ又は複数の光検出器から、パルスレーザ１−１１０からの光励起パルスの到来を示すパルス到来信号１−１４２を与えることができる。パルス到来信号を評価及び使用して、バイオ光電子チップ１−１４０に与えられるクロック信号の１つ又は複数の位相を設定することができる。いくつかの実施形態において、パルス到来信号は、位相ロック・ループ回路９−３８０に戻すことができ、チップに与えられるクロック信号（複数可）の位相を自動的に調整するために処理することができ、それによって、バイオ光電子チップ１−１４０上でのデータ取得を駆動するために与えられるクロック信号のトリガ・エッジ（例えば、時間
ビニング光検出器１−３２２による信号取得のタイミング）が、反応室における光励起パルスの到来後の所定の時点に生じるように調整される。
【０２８９】
いくつかの実施形態によれば、ＰＬＬ回路９−３８０からのクロック信号は、機器１−１００内に含まれる１つ又は複数のフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）９−３９０にも与えることができる。ＦＰＧＡは、バイオ光電子チップ１−１４０から読み出されたデータの駆動、データ処理、データ伝送、データ記憶などのような、機器上の様々な機能に使用することができる。
【０２９０】
本発明者らは、ＡＧＣ増幅器９−３４０のループ帯域幅と、位相ロック・ループ９−３９０のループ帯域幅との間には、相互作用があり得ることを認識し、諒解するに至った。例えば、位相ロック・ループのループ帯域幅が高すぎる場合、ＰＬＬは、ＡＧＣ増幅器及び比較器によってデジタル化パルス列に導入されるジッタに応答し、光パルス・タイミングを正確に追跡しない場合がある。他方、ＡＧＣとＰＬＬのいずれか又は両方のループ帯域幅が低すぎる場合、結果としてＰＬＬから出力されるクロック信号は、光パルス・タイミングを正確に追跡しないことになる。本発明者らは、ＰＬＬ９−３９０のループ帯域幅と関連付けられる積分時定数は、モードロックレーザ１−１１０からの光パルス列の約３０パルスと約８０パルスとの間であるべきであることを見出した。加えて、ＡＧＣ増幅器９−３４０のループ帯域幅と関連付けられる積分時定数は、ＰＬＬの積分時定数の約２０％を超えるべきではない。
【０２９１】
いくつかの実施態様において、増幅段からの１つ又は複数の信号は、機器１−１００内で別の目的に使用されてもよい。例えば、アナログ信号９−３３２は、ＡＧＣ増幅器９−３４０の前で分割され得、パルスレーザ１−１１０におけるモード・ロックの品質を監視するために使用することができる。例えば、アナログ信号９−３３２は、パルスレーザによるＱスイッチングの始まりを示す特性を検出するために、周波数及び／又は時間領域において電子的に分析することができる。特性（及びＱスイッチングの始まり）が検出される場合、システムは、Ｑスイッチングを回避するためにモードロックレーザ内の光学素子（例えば、キャビティ位置合わせ光学素子）に対する調整を自動的に行うことができ、又は、システムは、エラーを示し、かつ／もしくは、パルスレーザを停止することができる。
【０２９２】
いくつかの実施形態において、ＡＧＣ増幅器は、出力パルスの振幅をレベリングするために必要とされるリアルタイム利得調整を表す出力信号９−３４２（アナログ又はデジタル）を与えることができる。本発明者らは、この出力信号９−３４２を使用して、パルスレーザのモード・ロック品質を評価することができることを認識し、諒解するに至った。例えば、そのスペクトルを分析して、Ｑスイッチングの始まりを検出することができる。
【０２９３】
クロック発生及び同期は、自動利得制御増幅器及び位相ロック・ループを使用して説明されているが、他の実施形態においては、より大量のクロック・ジッタ（例えば、最大約３００ｐｓ）を許容することができる代替的な装置が使用されてもよい。いくつかの実施態様において、パルス増幅段内の増幅器は、立ち上がりエッジ・トリガ信号を与えるために、飽和状態まで駆動することができる。クロックのトリガ・ポイントは、立ち上がりエッジ上の何らかの値に設定することができる。増幅器は飽和しているため、パルス振幅の変動の、トリガ・タイミングに対する影響は、非飽和増幅器よりも小さい。立ち上がりエッジを使用して、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）において実装されるもののような、フリップ・フロップ・クロッキング回路を切り替えることができる。ゼロに戻る飽和増幅器からの立ち下がりエッジは、増幅器の出力がいつ飽和から解放されるかに応じて、相当により大きいタイミング変動性を有し得る。しかしながら、立ち下がりエッジは、フリップ・フロップ・クロッキング回路によっては検出されず、クロッ
キングには影響を及ぼさない。
【０２９４】
多くのＦＰＧＡは、ＰＬＬの代わりに、安定した発振器をフリップ・フロップからのレーザによって発生するクロッキング信号にロックするために使用することができるデジタル遅延ロック・ループ（ＤＬＬ）を含む。いくつかの実施態様において、受信フリップ・フロップ・デバイスは、光パルス列からのクロッキング・レートを２で除算し、それによって、パルス繰り返し数の２分の１においてＤＬＬに５０％のデューティ・サイクルのクロック信号を与えることができる。ＤＬＬは、光パルス列と同期される周波数２倍化クロックを発生するように構成することができる。追加の同期される、より高周波数のクロックも、ＤＬＬ及びＦＰＧＡによって発生してもよい。
【０２９５】
いくつかの実施形態において、図９−４に示すように、２つ以上のパルス光源１−１１０ａ、１−１１０ｂが、２つ以上の異なる波長にある光パルスを分析システム１−１６０に供給するために必要とされ得る。そのような実施形態においては、光源のパルス繰り返し数及び分析システム１−１６０上の電子的動作を同期させる必要があり得る。いくつかの実施態様において、２つのパルス光源がパルスを生成する能動的方法（例えば、利得切り換え）を使用する場合、図９−１に関連して上述した技法を使用することができる。例えば、クロック９−１１０が、同期周波数ｆｓｙｎｃにあるクロック又は同期信号を、両方のパルス光源１−１１０ａ、１−１１０ｂの駆動回路及び分析システム１−１６０に供給することができる。１つのパルス光源１−１１０ｂが受動的方法を使用してパルスを生成する場合、図９−２に関連して説明した技法を使用して、受動パルス源から同期信号を導出することができる。その後、同期信号を、その光源によるパルス生成を同期させるために能動パルス源１−１１０ａに与えることができ、機器電子装置及び動作を同期させるために機器１−１６０に与えることができる。
【０２９６】
各光源においてパルスが能動的に生成されるとき、安定的な同期したパルス生成のために、フィードバック制御システムを使用して、レーザキャビティ長を動的に調整する必要がある場合があり、又は、必要ない場合もある。レーザの利得媒体の利得切り換えによってパルスが生成される場合、レーザキャビティ長調整は必要ない場合がある。能動的モード・ロック技法によってパルスが生成される場合、安定した光パルスの列を生成するために、動的なレーザキャビティ長調整が必要であり得る。レーザキャビティ長調整を行うことができるいくつかの電気機械的技法が存在する。例えば、フィードバック信号に従って制御される圧電トランスデューサを使用して、キャビティ・ミラー（キャビティ端部ミラー又は変向ミラー対など）を位置決めすることができる。フィードバック信号は、レーザキャビティによって生成されるパルス繰り返し数と別のパルス繰り返し数との間の差、又は外部で生成されるクロック信号から導出することができる。いくつかの事例において、フィードバック信号に従って、圧電材料を使用してファイバ・レーザ長を伸長することができる。いくつかの実施態様において、キャビティ・ミラーは、フィードバック信号に従って制御される微小電気機械ベースのミラーであってもよい。
【０２９７】
いくつかの実施形態によれば、２つのパルス光源１−１１０ａ、１−１１０ｂは両方とも、受動的に（例えば、受動モード・ロックによって）光パルスを生成し得る。そのような実施形態において、同期信号は、レーザ間パルス及び電子的同期について、図９−３に関連して説明したように、パルス光源のうちの１つから導出することができる。第２のパルス光源からのパルスを、第１の光源からのパルスに同期させるために、追加の方策が必要とされ得る。例えば、第２のパルス光源からタイミング信号も導出して、電気機械フィードバック回路によって使用して、第２のパルス光源のキャビティ長を制御することができる。第２のパルス光源のキャビティ長を制御することによって、第２のパルス光源から導出されるタイミング信号を、周波数及び位相において（例えば、位相ロック・ループを介して）第１のパルス光源から導出されるクロック信号に対してロックすることができる
。このように、第２のパルス光源からのパルス列を、第１のパルス光源のパルス列に同期することができ、機器動作及び電子装置も、第１のパルス光源に同期することができる。
【０２９８】
いくつかの実施態様において、図９−５Ａ及び図９−５Ｂに示すように、２つのパルス光源からのパルスを時間的にインターリーブすることが有益であり得る。パルスがインターリーブされると、第１の供給源１−１１０ａからのパルス９−１２０ａが、第１の時刻ｔ１において第１の固有波長λ１によって分析システム１−１６０にある１つ又は複数の試料を励起することができる。その後、１つ又は複数の試料との第１のパルスの相互作用を表すデータを、機器によって収集することができる。後の時刻ｔ２において、第２の供給源１−１１０ｂからのパルス９−１２０ｂが、第２の固有波長λ２によって分析システム１−１６０にある１つ又は複数の試料を励起することができる。その後、１つ又は複数の試料との第２のパルスの相互作用を表すデータを、機器によって収集することができる。パルスをインターリーブすることによって、１つの波長におけるパルスと試料との相互作用の効果が、第２の波長におけるパルスと試料との相互作用の効果と混じり合わないようにすることができる。さらに、２つ以上の蛍光マーカと関連付けられる特性を検出することができる。
【０２９９】
パルスは、図９−５Ａに示すように、タイミング及び同期回路によってインターリーブすることができる。図９−４に関連して説明した方法を使用して、２つのパルス光源１−１１０ａ、１−１１０ｂからのパルス列を同期させ、分析システム１−１６０上の電子装置及び動作を、パルスの到来と同期させることができる。パルスをインターリーブするために、１つのパルス光源のパルスを他方のパルス光源からのパルスと位相ロックするか、又は、位相がずれるようにトリガすることができる。例えば、第１のパルス光源１−１１０ａのパルスは、第２のパルス光源１−１１０ｂからのパルスと（位相ロック・ループもしくは遅延ロック・ループを使用して）位相ロックするか、又は、１８０度位相がずれるようにトリガすることができるが、いくつかの実施形態において、他の位相又は角度関係が使用されてもよい。いくつかの実施態様において、パルス光源のうちの１つに与えられるトリガ信号に、タイミング遅延を加えることができる。タイミング遅延は、トリガ・エッジを、パルス分離間隔Ｔのほぼ２分の１だけ遅延させることができる。いくつかの実施形態によれば、周波数２倍化同期信号を、タイマ９−２２０によって発生させることができ、機器電子装置及び動作をパルス光源からのインターリーブされたパルスの到来と同期させるために、機器９−１６０に与えることができる。
【０３００】
本発明者らは、２つ以上の異なる固有波長にある光パルス列を生成し、同期することができるさらなる方法及び技法を着想した。図９−６Ａは、所望の固有波長λ１／２及びλ３にある２つの同期したパルス列９−１２０ｃ、９−１２０ｄを発生させるために非線形光学材料を利用する２レーザ・システム９−６００を示す。いくつかの実施形態によれば、第１のレーザ１−１１０ａは、第１の固有波長λ１にある第１の光パルスの列９−１２０ａを生成することができる。例えば、第１のレーザは、１０６４ｎｍにあるパルスを生成する受動モードロックレーザ（例えば、Ｎｄ：ＹＶＯ４又はＮｄ：ＧｄＶＯ４レーザ）であってもよい。第１のレーザ１−１１０ａは、図３−３Ａ又は図５−１から図５−３に関連して説明した任意のレーザキャビティ・システムを備えてもよい。第１の光パルスの列９−１２０ａは、第１の非線形光学素子９−６１０（例えば、ＫＴＰ又はＢＢＯ結晶）における第２高調波発生（ＳＨＧ）によって周波数２倍化して、第１のレーザのパルス列の波長の２分の１（例えば、λ１／２＝５３２ｎｍ）にある第３の光パルスの列９−１２０ｃを生成することができる。第２高調波発生は、パルス・エネルギーのすべてを第２高調波周波数に変換するのではなく、それによって、基本波長λ１にある減衰したパルス列が、第１の非線形光学素子９−６１０から現われる。
【０３０１】
加えて、第２の受動モードロックレーザ１−１１０ｂは、第２の固有波長λ２にある第
２の光パルスの列９−１２０ｂを生成することができる。いくつかの実施形態において、第２のレーザもまた、同じタイプの利得媒体によって支持される第２のレージング遷移である第２の波長（例えば、１３４２ｎｍ）にあるパルスを生成する受動モードロックレーザ（例えば、Ｎｄ：ＹＶＯ４又はＮｄ：ＧｄＶＯ４）を含んでもよいが、他の実施形態においては、他のレージング材料が使用されてもよい。第１のダイクロイック・ミラーＤＣ１を使用して、第１のレーザ１−１１０ａからのパルスを第２のダイクロイック・ミラーＤＣ２へと方向付けることができ、第２のダイクロイック・ミラーＤＣ２において、２つのレーザからのパルス列が結合されて、第２の非線形光学素子９−６２０（例えばＫＴＰ又はＢＢＯ結晶）へと方向付けられる。第２の非線形素子において、パルスがともに到来することを条件として、２つのパルス列からの光場が相互作用して、和周波数発生（ＳＦＧ）として知られる工程によって第３の波長λ３が発生する。この工程において、結果としてもたらされる波長は、以下の関係によって与えられる。
【０３０２】
λ３＝λ１λ２／（｜λ１＋λ２｜）                  （２）
上記の例によれば、第３の波長λ３は、約５９３．５ｎｍにおいて生成することができる。結果として、２レーザ・システムは、５３２ｎｍにある第３のパルス列９−１２０ｃ及び５９３．５ｎｍにある第４のパルス列９−１２０ｄを生成することができる。いくつかの実施形態において、第４のパルス列は、基本波長λ１，λ２にあるパルスを含み得るが、この放射は、例えば、赤外線フィルタを使用してパルス列からフィルタリング除外することができる。
【０３０３】
いくつかの実施態様において、第４の固有波長λ４にある第５のパルス列（図示せず）が生成されてもよい。例えば、その基本波長λ２にある第２のレーザ１−１１０ｂからの放射が、第２の非線形光学素子９−６２０から現われ、第３の非線形光学素子（図示せず）において周波数２倍化されてもよい。上記の例によれば、第４の固有波長は、約６７０ｎｍになる。加えて、これらのパルスは、第３のパルス列及び第４のパルス列において、他の光パルスと時間的に同期される。
【０３０４】
上述したように、２つのレーザ１−１１０ａ、１−１１０ｂからのパルスは、第２の非線形光学素子９−６２０に同時に到来すべきであり、素子内で空間的に可能な限り重なり合うべきである。したがって、２つのレーザは同期されるべきである。２つのレーザの、及び、機器電子装置に対する同期は、例えば、図９−４に関連して説明したように、タイミング及び電気機械制御回路９−２２０を使用して行うことができる。制御回路９−２２０は、いくつかの実施形態において、２つのレーザからのパルス繰り返し数を比較して、１つのレーザのキャビティ長を制御するのに使用されるフィードバック信号を生成することができる。キャビティ長は、圧電トランスデューサのような、電気機械式アクチュエータを介して制御することができる。制御回路９−２２０はさらに、パルスの物質との相互作用を分析する機器１−１６０の電子的動作を同期させるために使用されるクロッキング信号を発生させるか、又は、当該信号に位相ロックすることができる。
【０３０５】
図９−６Ａのレージング・システム、又は他のレージング・システム、又は、本明細書において説明されているレージング・システムの組み合わせによって発生する複数の固有波長にある同期されたパルスは、生物分析システムのために蛍光色素分子を励起するのに望ましいものであり得る。いくつかの実施態様において、励起された蛍光色素分子から検出される光学的発光を表す信号を、関連する用途において説明されている方法に従って処理して、蛍光色素分子のタイプを区別することができる。いくつかの事例において、検出される信号の分析は、それらの寿命及び／又はスペクトル特性に基づいて、蛍光色素分子を区別することができる。いくつかの実施形態において、寿命に基づく蛍光色素分子の区別は、区別されるべき異なる蛍光色素分子は異なる吸収帯を有し得るため、試料において複数の励起波長を使用するのに都合がよい。複数の波長にある励起パルスは、試料に存在
するとき、各蛍光色素分子が励起されることを保証することができる。
【０３０６】
いくつかの事例において、複数の励起波長が利用可能であるとき、励起源が蛍光色素分子を励起するか否かに基づいて、蛍光色素分子を区別することができる。ほんの１例として、単一分子遺伝子シーケンシング装置において４つの蛍光色素分子を使用して、遺伝子又は遺伝子断片へのヌクレオチド取り込みを検出することができる。４つの蛍光色素分子は、それらの吸収帯における重なりが低減されるように選択することができる。２つ以上のパルスレーザ源からの、吸収帯に一致する４つの励起波長を使用して、蛍光色素分子を励起することができる。パルスは時間的にインターリーブすることができ、それによって、パルスは、各固有波長について異なる時間間隔内で試料に到来する。励起波長に一致する吸収帯を有する蛍光色素分子が存在する場合、蛍光色素分子は、一致する励起波長にあるパルスと関連付けられる時間間隔の間に発光することになる。したがって、試料から検出される信号のタイミング又は位相が、存在する蛍光色素分子のタイプを識別することができる。
【０３０７】
いくつかの実施形態において、蛍光色素分子弁別方法の組み合わせが使用されてもよい。例えば、同じ試料分析において、いくつかの蛍光色素分子を寿命に基づいて区別することができ、いくつかの蛍光色素分子は、励起波長と吸収帯との一致に基づいて区別することができる。図９−６Ａに関連して説明したような、単一レーザ・システム、又は、レーザ・システムの組み合わせ（例えば、利得切換半導体レーザ及び受動モードロックレーザ）によって、複数の励起波長を生成することができる。
【０３０８】
２レーザ・システム９−６０２の別の実施形態が、図９−６Ｂに示されている。このシステムにおいては、第２高調波発生の前に、和周波数発生が実行される。例えば、第１のレーザ１−１１０ａ及び第２のレーザ１−１１０ｂからの出力パルス列９−１２０ａ、９−１２０ｂが、ダイクロイック・ミラーＤＣ１において結合され、ＳＦＧが行われる第１の非線形光学素子へと方向付けられる。その後、少なくとも第１の波長を、ＳＨＧが行われる第２の非線形光学素子へと方向付けるために、出力パルス列が（トリクロイックＴＣ１又は２色性スプリッタを使用して）分割され得る。したがって、λ１／２にある第３のパルス列９−１２０ｃ及びλ３にある第４のパルス列９−１２０ｄを発生させることができる。２つのパルス列の同期は、タイミング及び電気機械フィードバック制御回路９−２２０を使用して行うことができる。
Ｖ．構成
諒解され得るように、パルスレーザ１−１１０及び分析機器１−１００及び動作方法の多くの異なる構成及び実施形態があり得る。いくつかの構成及び実施形態を下記に与えるが、本発明は、リストされている構成及び実施形態には限定されない。
【０３０９】
（１）３５０ｍｍ以下の最大エッジ長を有するベースプレートと、ベースプレート上に取り付けられている利得媒体と、レーザキャビティの第１の端部に位置する、ベースプレート上に取り付けられている第１の端部ミラーと、ベースプレート上に取り付けられており、レーザキャビティの第２の端部ミラーを形成する可飽和吸収体ミラーとを備えるモードロックレーザであって、モードロックレーザは、５０ＭＨｚと２００ＭＨｚとの間の繰り返し数における受動モード・ロックによって光パルスを生成するように構成されている、モードロックレーザ。
【０３１０】
（２）モードロックレーザから励起パルスを受信するように構成されているバイオ光電子チップであって、バイオ光電子チップは、標的核酸に対して相補的な伸長鎖へのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体の連続的な取り込みを支持する、バイオ光電子チップと、単一の固有波長にある励起パルスをバイオ光電子チップに向けて方向付けるように構成されているビーム・ステアリング光学素子と、単一の固有波長にある励起パルスによって誘
発される蛍光発光を表す信号を受信し、伸長鎖に取り込まれている４つの異なるヌクレオチド又はヌクレオチド類似体のアイデンティティを決定するために、受信信号を処理するように構成されている信号プロセッサとをさらに備え、受信信号は、伸長鎖へのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体の連続的な取り込みに対応する、構成（１）のモードロックレーザ。
【０３１１】
（３）モードロックレーザが動作している間に、レーザキャビティ内で２のみの自由度のレーザビームの調整を可能にするように構成されている、レーザキャビティ内の調整可能ミラー・マウントをさらに備え、当該自由度は、モードロックレーザが動作している間にレーザビームを調整するためにレーザキャビティ内の光学台によって与えられる２のみの自由度である（１）又は（２）のモードロックレーザ。
【０３１２】
（４）ベースプレート上に取り付けられており、利得媒体と可飽和吸収体ミラーとの間でキャビティ内光軸に沿って位置している第１の集束光学素子と、ベースプレート上に取り付けられており第１の集束光学素子と可飽和吸収体ミラーとの間でキャビティ内光軸に沿って位置している第２の集束光学素子とをさらに備え、キャビティ内光軸に沿った第１の集束光学素子の位置に対する調整が、キャビティ内光軸に沿った第２の集束光学素子の位置に対する同じ量の調整よりも大きく、可飽和吸収体ミラー上でのキャビティ内レーザビームの焦点サイズを変化させる（１）乃至（３）のいずれか１つのモードロックレーザ。
【０３１３】
（５）利得媒体の少なくとも２つの側に結合されており、キャビティ内レーザビームを方向制御する、利得媒体にわたる非対称熱勾配を生成するように構成されている温度制御要素をさらに備える（１）乃至（４）のいずれか１つのモードロックレーザ。
【０３１４】
（６）ベースプレート上に取り付けられており、利得媒体と可飽和吸収体ミラーとの間でキャビティ内光軸に沿って位置している第１の集束光学素子と、ベースプレート上に取り付けられており第１の集束光学素子と可飽和吸収体ミラーとの間でキャビティ内光軸に沿って位置している第２の集束光学素子と、第１の集束光学素子と可飽和吸収体ミラーとの間に取り付けられているキャビティ内ビーム・ステアリング・モジュールとをさらに備える（１）乃至（５）のいずれか１つのモードロックレーザ。
【０３１５】
（７）モードロックレーザの平均パワーを検出するように構成されている光検出器と、光検出器及びキャビティ内ビーム・ステアリング・モジュールと通信する制御回路とをさらに備え、制御回路は、光検出器によって検出される信号レベルに基づいて、可飽和吸収体ミラー上でキャビティ内レーザビームを再位置合わせするための信号を与えるように構成されている（６）のモードロックレーザ。
【０３１６】
（８）パルスレーザのＱスイッチングと関連付けられる１つ又は複数の特性を検出するように構成されている光検出器及び信号プロセッサと、信号プロセッサ及びキャビティ内ビーム・ステアリング・モジュールと通信する制御回路とをさらに備え、制御回路は、Ｑスイッチングと関連付けられる１つ又は複数の特性の検出に応答して、可飽和吸収体ミラー上でキャビティ内レーザビームを再位置合わせするための信号を与えるように構成されている（６）のモードロックレーザ。
【０３１７】
（９）レーザキャビティの長さを延長し、利得媒体と可飽和吸収体ミラーとの間に位置している複数のミラーと、ベースプレート内に形成されており、利得媒体と複数のミラーとの間に位置している取り付け特徴部とをさらに備え、取り付け特徴部は、レーザキャビティを短縮する端部ミラーを保持するために端部ミラー又は固定具を受け入れるように構成されている（１）乃至（８）のいずれか１つのモードロックレーザ。
【０３１８】
（１０）キャビティ内光軸の方向に延在し、モードロックレーザの１つ又は複数の光学構成要素を受け入れるように構成されている、ベースプレート内に形成されている少なくとも１つのトレンチをさらに備える（１）乃至（９）のいずれか１つのモードロックレーザ。
【０３１９】
（１１）ベースプレートに形成されている集積光学台をさらに含み、集積光学台は、少なくとも１つのトレンチの対向する側に当接し、基本的にキャビティ内光軸に垂直に向けられている２つの共平面と、少なくとも１つのトレンチの対向する側に形成されており、２つの共平面に向かって傾斜している２つの傾斜面とを備える（１０）のモードロックレーザ。
【０３２０】
（１２）モードロックレーザからの光パルスを検出するように構成されている光検出器と、安定した発振器からの電子クロック信号を、モードロックレーザによって生成される光パルスに同期させるように構成されているクロック発生回路とをさらに備える（１）乃至（１１）のいずれか１つのモードロックレーザ。
【０３２１】
（１３）第１の端部ミラーは、約１０％と約２５％との間の透過率を有する出力カプラを備える（１）乃至（１２）のいずれか１つのモードロックレーザ。
（１４）光パルスの半値全幅持続時間は、約５ｐｓと約３０ｐｓとの間である（１）乃至（１３）のいずれか１つのモードロックレーザ。
【０３２２】
（１５）光パルスのテール強度は、光パルスのピーク強度から２５０ｐｓ後に、光パルスのピーク強度を２０ｄＢ下回ったままである（１）乃至（１４）のいずれか１つのモードロックレーザ。
【０３２３】
（１６）レーザからの出力パルスを、第１のレージング波長から、当該レージング波長の２分の１の波長を有するパルスへと変換する、ベースプレート上に取り付けられている周波数２倍化構成要素をさらに備える（１）乃至（１５）のいずれか１つのモードロックレーザ。
【０３２４】
（１７）ベースプレート上に取り付けられており、モードロックレーザからの出力を受信するように構成されている周波数２倍化構成要素と、周波数２倍化構成要素からバイオ光電子チップへと送達される周波数２倍化波長におけるパワーの量を表す信号を受信し、受信信号のレベルに基づいて周波数２倍化波長におけるパワーの量を変化させるための信号を与えるように構成されているフィードバック回路とをさらに備える（１）乃至（１５）のいずれか１つのモードロックレーザ。
【０３２５】
（１８）周波数２倍化構成要素に送達されるモードロックレーザからの出力の偏光を変化させるように構成されている偏光回転器と、偏光回転器の向きを制御する、フィードバック回路に接続されているアクチュエータとをさらに備える（１６）又は（１７）のモードロックレーザ。
【０３２６】
（１９）熱絶縁締結具によってベースプレートに取り付けられているダイオード・ポンプ・ソース・モジュールをさらに備える（１）乃至（１８）のいずれか１つのモードロックレーザ。
【０３２７】
（２０）ダイオード・ポンプ・ソース・モジュールは、ベースプレート内の穴を通じて取り付けられており、ベースプレートの、レーザキャビティと反対の側に位置している、（１９）のモードロックレーザ。
【０３２８】
（２１）単一の固有波長にあるパルス励起エネルギーを生成する工程と、パルス励起エネルギーをバイオ光電子チップに向けて方向付ける工程であって、バイオ光電子チップは、標的核酸に対して相補的である伸長鎖への、ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体の連続的な取り込みを支持する、方向付ける工程と、単一の固有波長におけるパルス励起エネルギーによって誘発される蛍光発光を表す信号を受信する工程であって、信号は、ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体の伸長鎖への連続的な取り込みに対応する、受信する工程と、伸長鎖に取り込まれている４つの異なるヌクレオチド又はヌクレオチド類似体のアイデンティティを決定するために、受信信号を処理する工程とを備える、ＤＮＡをシーケンシングするための方法。
【０３２９】
（２２）パルス励起エネルギーを生成する工程は、単一の固有波長において動作するモードロックレーザによって光パルスを生成する工程を含む実施形態（２１）の方法。
（２３）パルス励起エネルギーを生成する工程は、単一の固有波長において動作する利得切換レーザによって光パルスを生成する工程を含む（２１）の方法。
【０３３０】
（２４）受信信号を処理する工程は、４つのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体のうちの少なくとも２つの異なるヌクレオチド又はヌクレオチド類似体を識別するために、少なくとも２つの異なる蛍光発光減衰値の間で区別する工程を含む（２１）乃至（２３）のいずれか１つの方法。
【０３３１】
（２５）パルス励起エネルギーに同期される電子トリガ信号を生成する工程と、バイオ光電子チップ上の蛍光発光を表す信号の収集のタイミングをとるために電子トリガ信号を与える工程とをさらに含む（２１）乃至（２４）のいずれか１つの方法。
【０３３２】
（２６）パルス励起エネルギーがオン状態に続いてオフ状態にあるときに行われるように、蛍光発光を表す信号の収集のタイミングをとる工程をさらに含む（２５）の方法。
（２７）パルス励起エネルギーを方向付ける工程は、パルス励起エネルギーをバイオ光電子チップ上の導波路に結合する工程を含む（２１）乃至（２６）のいずれか１つの方法。
【０３３３】
（２８）結合する工程は、パルス励起エネルギーのビームの、導波路に接続されている入力ポートに対する位置合わせの度合いを示す第１のフィードバック信号を、バイオ光電子チップから受信する工程と、第１のフィードバック信号に基づいてビームを方向制御する工程とを含む（２７）の方法。
【０３３４】
（２９）結合する工程は、標的核酸に送達されるパワーの量を示す第２のフィードバック信号を、バイオ光電子チップから受信する工程と、第２のフィードバック信号に基づいてパルス励起エネルギー内のエネルギーの量を調整する工程とを含む（２７）又は（２８）の方法。
【０３３５】
（３０）単一の固有波長にある光励起パルスを生成するように構成されているパルスレーザ・システムと、バイオ光電子チップを受け入れ、バイオ光電子チップとの電気的接続及び光結合を行うためのレセプタクルであって、バイオ光電子チップは、標的核酸に対して相補的である伸長鎖への、ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体の連続的な取り込みを支持する、レセプタクルと、励起パルスをレセプタクルに向けて方向付けるように構成されているビーム・ステアリング光学素子と、単一の固有波長における励起パルスによって誘発される蛍光発光を表す信号を受信し、伸長鎖に取り込まれている４つの異なるヌクレオチド又はヌクレオチド類似体のアイデンティティを決定するために、受信信号を処理するように構成されている信号プロセッサであって、受信信号は、ヌクレオチド又はヌクレ
オチド類似体の伸長鎖への連続的な取り込みに対応する、信号プロセッサとを備える生物分析機器。
【０３３６】
（３１）パルスレーザ・システムはモードロックレーザを含む構成（３０）の生物分析機器。
（３２）モードロックレーザは、ベースプレートと、ベースプレート上に取り付けられている利得媒体と、レーザキャビティの第１の端部に位置する、ベースプレート上に取り付けられている第１の端部ミラーと、ベースプレート上に取り付けられており、レーザキャビティの第２の端部ミラーを形成する可飽和吸収体ミラーとを備える（３１）の生物分析機器。
【０３３７】
（３３）モードロックレーザはファイバ・レーザを含む（３１）又は（３２）の生物分析機器。
（３４）モードロックレーザはモードロックレーザダイオードを含む（３１）又は（３２）の生物分析機器。
【０３３８】
（３５）モードロックレーザはキャビティ内周波数２倍化要素を有するダイオード・ポンプ・レーザを含む（３１）又は（３２）の生物分析機器。
（３６）パルスレーザ・システムは利得切換レーザを含む構成（３０）の生物分析機器。
【０３３９】
（３７）利得切換レーザはレーザダイオードを含む（３６）の生物分析機器。
（３８）利得切換レーザはレーザダイオードと、レーザダイオードにバイポーラ電流パルスを与えるように構成されている電流駆動回路とを備え、バイポーラ電流パルスは、第１の振幅及び第１の極性を有する第１のパルスと、後続する、第１の振幅よりも小さい第２の振幅を有する、反対の極性の第２のパルスとを備える（３６）の生物分析機器。
【０３４０】
（３９）駆動回路は、レーザダイオードの端子に結合されているトランジスタを含み、駆動回路は、ユニポーラ・パルスを受信し、ユニポーラ・パルスの受信に応答して半導体ダイオードにバイポーラ電気パルスを印加するように構成されている（３８）の生物分析機器。
【０３４１】
（４０）パルスレーザ・システムは、連続波レーザと、連続波レーザからの出力を変調する相互接続された光スイッチのアレイとを備える（３０）の生物分析機器。
（４１）蛍光発光を表す信号の収集を、励起パルスがバイオ光電子チップにおいて基本的にオフ状態にあるときに行われるように制御する同期回路をさらに備える（３０）乃至（４０）のいずれか１つの生物分析機器。
【０３４２】
（４２）同期回路は、電子又は電気機械発振器からの第１のクロック信号を、励起パルスの検出から生成される第２のクロック信号に同期させ、生物分析機器によるデータ取得のタイミングをとるために、同期した第１のクロック信号を与えるように構成されているクロック発生回路を含む（４１）の生物分析機器。
【０３４３】
（４３）クロック発生回路は、光パルスから発生する電子パルスの振幅をレベリングするための自動利得制御増幅部を含む（４２）の生物分析機器。
（４４）クロック発生回路は、光パルスから発生する電子パルスの振幅をレベリングするための飽和増幅部を含む（４２）の生物分析機器。
【０３４４】
（４５）単一の固有波長にあるパルス励起エネルギーを生成するように構成されているレーザと、電子又は電気機械発振器からの第１のクロック信号を、レーザからの光パルス
の検出から生成される第２のクロック信号に同期させ、生物分析機器によるデータ取得のタイミングをとるために、同期した第１のクロック信号を与えるように構成されているクロック発生回路とを備える、生物分析機器。
【０３４５】
（４６）クロック発生回路は、光パルスから発生する電子パルスの振幅をレベリングするための自動利得制御増幅部を含む構成（４５）の生物分析機器。
（４７）クロック発生回路は、光パルスから発生する電子パルスの振幅をレベリングするための飽和増幅部を含む（４５）の生物分析機器。
【０３４６】
（４８）クロック発生回路は、第１のクロック信号の位相を第２のクロック信号にロックする位相ロック・ループを含む（４５）乃至（４７）のいずれか１つの生物分析機器。
（４９）クロック発生回路は、第１のクロック信号の位相を第２のクロック信号にロックする遅延ロック・ループを含む（４５）乃至（４７）のいずれか１つの生物分析機器。
【０３４７】
（５０）パルスレーザと、連続波レーザと、第１の非線形光学素子と、第２の非線形光学素子とを備えるシステムであって、システムは、第１の固有波長にある、第１の非線形光学素子から発生する第１のパルス列、及び、第２の固有波長にある、第２の非線形光学素子からの第２のパルス列を生成するように構成されている、システム。
【０３４８】
（５１）第２の非線形光学素子は、連続波レーザのレーザキャビティ内にある構成（５０）のシステム。
（５２）第２のパルス列は第１のパルス列に同期される（５０）又は（５１）のシステム。
【０３４９】
（５３）第２のパルス列は、第２の非線形光学素子において和周波数発生によって生成される（５０）乃至（５２）のいずれか１つのシステム。
（５４）第１の固有波長及び第２の固有波長は、５００ｎｍと７００ｎｍとの間である（５０）乃至（５３）のいずれか１つのシステム。
【０３５０】
（５５）試料を保持するように構成されている生物分析機器と、第１のパルス列及び第２のパルス列からの放射を試料へと方向付けるように構成されているビーム・ステアリング光学素子とをさらに備える（５０）乃至（５４）のいずれか１つのシステム。
【０３５１】
（５６）生物分析機器は、試料からの発光を検出し、蛍光寿命に基づいて２つ以上の蛍光色素分子を区別するように構成されているシステム（５５）。
（５７）第１の固有波長においてパルスレーザを動作させる工程と、第２の固有波長において連続波レーザを動作させる工程と、パルスレーザからの第１のパルス列を、連続波レーザのレーザキャビティに結合する工程と、連続波レーザのレーザキャビティ内で第３の固有波長にある第２のパルス列を発生させる工程とを備える同期した光パルスを与える方法。
【０３５２】
（５８）第２のパルス列を発生させる工程は、和周波数発生を含む実施形態（５７）の方法。
（５９）第４の固有波長にある第３のパルス列を発生させるために、パルスレーザからのパルス列を周波数２倍化する工程をさらに含む（５７）又は（５８）の方法。
【０３５３】
（６０）第２のパルス列及び第３のパルス列を生物分析機器に与える工程をさらに含む（５９）の方法。
（６１）生物分析機器において試料中の少なくとも２つの蛍光色素分子を、第２のパルス列及び第３のパルス列のパルスによって励起する工程と、蛍光寿命に基づいて少なくと
も２つの蛍光色素分子を区別する工程とをさらに含む（６０）の方法。
【０３５４】
（６２）第１のパルスレーザと、第２のパルスレーザと、第１の非線形光学素子と、第２の非線形光学素子とを備えるシステムであって、システムは、第１の固有波長にある、第１の非線形光学素子から発生する第１のパルス列、及び、第２の固有波長にある、第２の非線形光学素子からの和周波数発生による第２のパルス列を生成するように構成されている、システム。
【０３５５】
（６３）第２のパルス列は第１のパルス列に同期される構成（６２）のシステム。
（６４）試料を保持し、第１のパルス列及び第２のパルス列からの放射を試料へと方向付けるように構成されている生物分析機器をさらに備える（６２）又は（６３）のシステム。
【０３５６】
（６５）生物分析機器は、試料からの発光を検出し、蛍光寿命に基づいて２つ以上の蛍光色素分子を区別するように構成されている（６４）のシステム。
（６６）第３の非線形光学素子をさらに備え、システムは、第３の固有波長にある、第３の非線形光学素子から発生する第３のパルス列を生成するように構成されている（６２）乃至（６５）のいずれかのシステム。
【０３５７】
（６７）第３のパルス列は第１のパルス列及び第２のパルス列に同期される（６６）のシステム。
（６８）第１の固有波長、第２の固有波長、及び第３の固有波長は、５００ｎｍと７００ｎｍとの間である（６２）乃至（６７）のいずれかのシステム。
【０３５８】
（６９）第１の固有波長において第１のパルスレーザを動作させる工程と、第２の固有波長において第２のパルスレーザを動作させる工程と、第１のパルスレーザを、第２のパルスレーザに同期させる工程と、第３の固有波長にある第１のパルス列を生成するために、第１のパルスレーザからのパルスを周波数２倍化する工程と、第１のパルスレーザ及び第２のパルスレーザからのパルスを非線形光学素子に結合する工程と、和周波発生によって、第４の固有波長にある第２のパルス列を発生させる工程とを備える同期した光パルスを与える方法。
【０３５９】
（７０）第１のパルス列及び第２のパルス列を生物分析機器に与える工程をさらに含む実施形態（６９）の方法。
（７１）生物分析機器において試料中の少なくとも２つの蛍光色素分子を、第１のパルス列及び第２のパルス列のパルスによって励起する工程と、蛍光寿命に基づいて少なくとも２つの蛍光色素分子を区別する工程とをさらに含む（７０）の方法。
【０３６０】
（７２）第５の固有波長にある第３のパルス列を生成するために、第２のパルスレーザからのパルスを周波数２倍化する工程をさらに含む（６９）乃至（７１）のいずれかの方法。
【０３６１】
（７３）第３の固有波長、第４の固有波長、及び第５の固有波長は、５００ｎｍと７００ｎｍとの間である（７２）の方法。
（７４）第１のパルスレーザと、キャビティ内可飽和吸収体ミラーを含む第２のパルスレーザとを備えるシステムであって、システムは、第１のパルスレーザからのパルスを、第２のパルスレーザの可飽和吸収体ミラー上へと方向付けるように構成されている、システム。
【０３６２】
（７５）第２のパルスレーザは受動モード・ロックされる構成（７４）のシステム。
（７６）第１の非線形光学素子と、第２の非線形光学素子とをさらに備え、システムは、第１の固有波長にある、第１の非線形光学素子から発生する第１のパルス列、及び、第２の固有波長にある、第２の非線形光学素子からの第２のパルス列を生成するように構成されている（７４）又は（７５）のシステム。
【０３６３】
（７７）試料を保持し、第１のパルス列及び第２のパルス列からの放射を試料上へと方向付けるように構成されている生物分析機器をさらに備える（７４）乃至（７６）のいずれか１つのシステム。
【０３６４】
（７８）生物分析機器は、試料からの発光を検出し、蛍光寿命に基づいて２つ以上の蛍光色素分子を区別するように構成されている（７７）のシステム。
（７９）第１の固有波長において第１のパルスレーザを動作させる工程と、第１のパルスレーザからのパルス列を、第２のパルスレーザのレーザキャビティ内の可飽和吸収体ミラー上に結合する工程とを備える２つのレーザをモード・ロックするための方法。
【０３６５】
（８０）第２の固有波長にある第２のパルスレーザを受動モード・ロックする工程をさらに含む実施形態（７９）の方法。
（８１）第３の固有波長にある第１のパルス列を生成するために、第１のパルスレーザからのパルスを周波数２倍化する工程と、第４の固有波長にある第２のパルス列を生成するために、第２のパルスレーザからのパルスを周波数２倍化する工程とをさらに含む（８０）又は（８１）の方法。
【０３６６】
（８２）生物分析機器において試料中の少なくとも２つの蛍光色素分子を、第１のパルス列及び第２のパルス列のパルスによって励起する工程と、蛍光寿命に基づいて少なくとも２つの蛍光色素分子を区別する工程とをさらに含む（８１）の方法。
【０３６７】
（８３）第１の繰り返し数において第１の固有波長を有するパルスを生成するように構成されている第１のレーザキャビティを有する第１のモードロックレーザと、連続波放射を生成するように構成されている第２のレーザキャビティを有する第２のレーザと、第２のレーザキャビティ内の非線形光学素子と、第１のモードロックレーザからの出力を非線形光学素子へと方向付ける光学素子とを備えるパルスレーザ・システム。
【０３６８】
（８４）試料を保持し、第２の固有波長にある第２のレーザからの出力を試料上へと方向付けるように構成されている生物分析機器をさらに備える構成（８３）のパルスレーザ・システム。
【０３６９】
（８５）第２の固有波長は、５００ｎｍと７００ｎｍとの間である（８４）のシステム。
（８６）生物分析機器は、試料からの発光を検出し、蛍光寿命に基づいて２つ以上の蛍光色素分子を区別するように構成されている（８４）又は（８５）のシステム。
【０３７０】
（８７）第１のモードロックレーザ及び第２のレーザが取り付けられる基部構造と、第１のレーザキャビティの光路長を、基部構造の任意の横方向寸法よりも大きい長さまで延長する、第１のモードロックレーザ内に位置する光学遅延要素とをさらに備える（８３）乃至（８６）のいずれかのパルスレーザ・システム。
【０３７１】
（８８）光学遅延要素は、２つのミラーを備え、２つのミラーは、キャビティ内レーザビームを、光学遅延要素を１回通過するときに２つのミラーの間を３回以上反射させるように構成されている（８７）のパルスレーザ・システム。
【０３７２】
（８９）光学遅延要素は、キャビティ内レーザビームが、光学遅延要素を１回通過するときに３回以上反射される、中実光学材料ブロックを備える（８７）のパルスレーザ・システム。
【０３７３】
（９０）光学遅延要素は、一定の長さの光ファイバを含む（８７）のパルスレーザ・システム。
（９１）第１のモードロックレーザ及び第２のレーザが取り付けられる基部構造と、基部構造内のプラットフォーム上に取り付けられており、第１のモードロックレーザ内の利得媒体を励起するように構成されているダイオード・ポンプ・ソースとをさらに備え、ダイオード・ポンプ・ソースは、約４５０ｎｍと約１１００ｎｍとの間のポンプ放射を与える（８３）乃至（８６）のいずれかのパルスレーザ・システム。
【０３７４】
（９２）プラットフォームは、基部構造を通じて延在する１つ又は複数のトレンチによって基部構造から部分的に分離されている、基部構造のエリアを含む（９１）のパルスレーザ・システム。
【０３７５】
（９３）プラットフォームを基部構造に接続する曲げ部材をさらに備える（９１）のパルスレーザ・システム。
（９４）第１のレーザキャビティのキャビティ内レーザビームを反射するように構成されている可飽和吸収体ミラーと、レーザキャビティの端部に位置する出力カプラとをさらに備える（８３）乃至（９０）のいずれかのパルスレーザ・システム。
【０３７６】
（９５）基部構造内に取り付けられている波長変換要素をさらに含み、波長変換要素は、レージング波長を、第１のモードロックレーザから周波数２倍化出力波長へと変換する（８３）乃至（９４）のいずれかのパルスレーザ・システム。
【０３７７】
（９６）出力波長は約５００ｎｍと約７００ｎｍとの間であり、出力パルス持続時間は、約１００ピコ秒未満である（９５）のパルスレーザ・システム。
（９７）基部構造は、レーザキャビティが配置されるキャビティを備え、基部構造の端部寸法は、約２００ｍｍ以下であり、高さ寸法は、約６０ｍｍ以下である（９５）のパルスレーザ・システム。
【０３７８】
（９８）第１のモードロックレーザは約１０６４ｎｍにおいてレージングするように構成されており、第２のレーザは、約１３４２ｎｍにおいてレージングするように構成されている（８３）乃至（９７）のいずれかのパルスレーザ・システム。
【０３７９】
（９９）非線形光学素子は、和周波数発生によって約５９４ｎｍの波長にあるパルスを発生させるために、第２のレーザキャビティ内で位置合わせされる（９８）のパルスレーザ・システム。
【０３８０】
（１００）第１の固有波長において、第１のレーザキャビティを有する第１のモードロックレーザ内で光パルスを生成する工程と、第２の固有波長において、連続波モードにおいて第２のレーザキャビティを有する第２のレーザを動作させる工程と、第１のモードロックレーザからのパルスを、第２のレーザキャビティ内の非線形光学素子に注入する工程と、和周波発生によって、第３の固有波長において非線形光学素子内で光パルスを発生させる工程とを備える複数の固有波長にある光パルスを生成する方法。
【０３８１】
（１０１）第１のモードロックレーザと第２のレーザの両方において同じ利得媒体が使用される実施形態（１００）の方法。
（１０２）各レーザ内の利得媒体をダイオード・ポンピングする工程をさらに含む（１
０１）の方法。
【０３８２】
（１０３）利得媒体はＮｄ：ＹＶＯ４である（１０１）又は（１０２）の方法。
（１０４）試料を保持し、光パルスを試料上へと方向付けるように構成されている生物分析機器に、第２のレーザからの光パルスを与える工程をさらに含む（１００）乃至（１０３）のいずれか１つの方法。
【０３８３】
（１０５）第３の固有波長は、５００ｎｍと７００ｎｍとの間である（１００）乃至（１０４）のいずれか１つの方法。
（１０６）生物分析機器によって、試料からの発光を検出する工程と、蛍光寿命に基づいて２つ以上の蛍光色素分子を区別する工程とをさらに含む（１０４）又は（１０５）の方法。
【０３８４】
（１０７）第１のモードロックレーザからの光パルスからクロック信号を導出する工程と、生物分析機器にクロック信号を与える工程とをさらに含む（１０４）乃至（１０６）のいずれかの方法。
【０３８５】
（１０８）第１のモードロックレーザにおいて光パルスを生成する工程は、第１のモードロックレーザを受動モード・ロックする工程を含む（１００）乃至（１０７）のいずれか１つの方法。
【０３８６】
（１０９）第１の固有波長は約１０６４ｎｍであり、第２の固有波長は約１３４２ｎｍであり、第３の固有波長は約５９４ｎｍである（１００）乃至（１０８）のいずれか１つの方法。
【０３８７】
（１１０）第１のモードロックレーザからの光パルスを周波数２倍化する工程をさらに含む（１００）乃至（１０９）のいずれか１つの方法。
（１１１）基部構造と、基部構造内に取り付けられているダイオード・ポンプ・ソースと、利得媒体を含み、光パルスを生成するように構成されている、基部構造内のレーザキャビティとを備えるパルスレーザであって、ダイオード・ポンプ・ソース及び利得媒体は各々、基部構造から部分的に、熱的に及び機械的に分離されているプラットフォーム上に取り付けられている、パルスレーザ。
【０３８８】
（１１２）レーザキャビティの光路長を、基部構造の横方向寸法よりも大きい長さまで延長する、パルスレーザキャビティ内に位置する光学遅延要素をさらに備える構成（１１１）のパルスレーザ。
【０３８９】
（１１３）光学遅延要素は、２つのミラーを備え、２つのミラーは、キャビティ内レーザビームを、２つのミラーの間を複数回反射させるように構成されている（１１２）のパルスレーザ。
【０３９０】
（１１４）光学遅延要素は、キャビティ内レーザビームが複数回反射される、中実光学材料ブロックを備える（１１２）のパルスレーザ。
（１１５）光学遅延要素は、一定の長さの光ファイバを含む（１１２）のパルスレーザ。
【０３９１】
（１１６）ダイオード・ポンプ・ソースは、約４５０ｎｍと約１１００ｎｍとの間のポンプ放射を与える（１１１）乃至（１１５）のいずれか１つのパルスレーザ。
（１１７）ダイオード・ポンプ・ソースからのビームを再成形するように構成されている一対の交差した円柱レンズをさらに備える（１１１）乃至（１１６）のいずれか１つの
パルスレーザ。
【０３９２】
（１１８）基部構造内にあり、キャビティ内レーザビームを反射するように構成されている可飽和吸収体ミラーと、レーザキャビティの端部に位置する出力カプラとをさらに備える（１１１）乃至（１１７）のいずれか１つのパルスレーザ。
【０３９３】
（１１９）基部構造内に取り付けられている波長変換要素をさらに含み、波長変換要素は、レージング波長を、利得媒体から出力波長へと変換する（１１１）乃至（１１８）のいずれか１つのパルスレーザ。
【０３９４】
（１２０）出力波長は約５００ｎｍと約７００ｎｍとの間であり、出力パルス持続時間は、約１０ピコ秒未満である（１１９）のパルスレーザ。
（１２１）試料を保持し、出力波長にあるパルスレーザからの出力を試料上へと方向付けるように構成されている生物分析機器をさらに備える（１１１）乃至（１２０）のいずれか１つのパルスレーザ。
【０３９５】
（１２２）生物分析機器は、試料からの発光を検出し、蛍光寿命に基づいて２つ以上の蛍光色素分子を区別するように構成されている（１２１）のパルスレーザ。
（１２３）基部構造は、レーザキャビティが配置されるキャビティを備え、基部構造の端部寸法は、約２００ｍｍ以下であり、高さ寸法は、約６０ｍｍ以下である（１１９）乃至（１２２）のいずれか１つのパルスレーザ。
【０３９６】
（１２４）プラットフォームは、基部構造を通じて延在する１つ又は複数のトレンチによって基部構造から部分的に分離されている、基部構造のエリアを含む（１１１）乃至（１２３）のいずれか１つのパルスレーザ。
【０３９７】
（１２５）プラットフォームを基部構造に接続する曲げ部材をさらに備える（１２４）のパルスレーザ。
（１２６）基部構造はアルミニウムを含む（１１１）乃至（１２４）のいずれか１つのパルスレーザ。
【０３９８】
（１２７）パルスレーザキャビティは、２つの波長におけるレージングを支持する利得媒体を含み、可飽和吸収体ミラーは、２つの波長における可飽和吸収を可能にする（１１１）乃至（１２６）のいずれか１つのパルスレーザ。
【０３９９】
（１２８）第１のレージング波長は約１０６４ｎｍであり、第２のレージング波長は約１３４２ｎｍである（１２７）のパルスレーザ。
（１２９）可飽和吸収体ミラーは、反射器と、反射器から第１の距離だけ離間されており、第１のエネルギーバンドギャップを有する第１の多重量子井戸構造と、反射器から第１の距離よりも大きい第２の距離だけ離間されており、第２のエネルギーバンドギャップを有する第２の多重量子井戸構造とを備える（１２７）又は（１２８）のパルスレーザ。
【０４００】
（１３０）第２のエネルギーバンドギャップは第１のエネルギーバンドギャップよりも大きい（１２９）のパルスレーザ。
（１３１）利得媒体内の最小ビーム・ウェストと、可飽和吸収体ミラー上の集束ビーム・ウェストとの比は、約４：１と約１：２との間である（１）乃至（２０）のいずれか１つのモードロックレーザ。
【０４０１】
（１３２）利得媒体内のビーム半径は、２０マイクロメートル（２０ミクロン）と２００マイクロメートル（２００ミクロン）との間である（１）乃至（２０）及び（１３１）
のいずれか１つのモードロックレーザ。
ＶＩ．結論
このように、パルスレーザのいくつかの実施形態のいくつかの態様を説明したが、様々な変更、修正、及び改善が当業者には容易に想到されることが諒解されるべきである。そのような変更、修正、及び改善はこの開示の１部であるように意図されており、本発明の精神及び範囲内にあることが意図されている。本教示を様々な実施形態及び例に関連して説明したが、本教示がこのような実施形態又は例に限定されることは意図されていない。逆に、本教示は、当業者には諒解されるであろう様々な代替形態、修正、及び均等物を包含する。
【０４０２】
例えば、実施形態は、レーザキャビティ内に、上述したよりも多くの又は少ない光学構成要素を含むように修正されてもよい。その上、レーザキャビティ構成は、図示されているものとは異なってもよく、いくつかのレーザキャビティは、光路内でより多い又はより少ない旋回又は折り返しを有してもよい。
【０４０３】
様々な発明の実施形態が説明及び図示されてきたが、当業者は、その機能を実施し、かつ／又は、それらの結果及び／又は説明されている利点の１つもしくは複数を得るための様々な他の手段及び／又は構造を容易に想定し、そのような変形及び／又は修正の各々は、説明されている本発明の実施形態の範囲内にあると考えられる。より一般的には、当業者は、説明されているすべてのパラメータ、寸法、材料、及び構成が例であるように意図されていること、ならびに、実際のパラメータ、寸法、材料、及び／又は構成が、本発明の教示が使用される特定の１つ又は複数の用途に応じて決まることを容易に諒解するであろう。当業者は、日常の実験のみを使用して、説明されている特定の発明の実施形態に対する多くの均等物を認識することになり、又は、それを究明することが可能になる。それゆえ、上記の実施形態は例としてのみ提示されていること、ならびに、添付の特許請求項及びその均等物の範囲内で、発明の実施形態は、具体的に説明及び特許請求されているのとは他の様態で実践されてもよいことが理解されるべきである。本開示の発明の実施形態は、説明されている各個々の特徴、システム、システム・アップグレード、及び／又は方法を対象とし得る。加えて、そのような特徴、システム、システム・アップグレード、及び／又は方法が相互に矛盾しない場合、２つ以上のそのような特徴、システム、及び／又は方法の任意の組み合わせが、本開示の発明の範囲内に含まれる。
【０４０４】
さらに、本発明のいくつかの利点が示され得るが、本発明のすべての実施形態がすべての説明されている利点を含むとは限らないことは諒解されるべきである。いくつかの実施形態は、有利であるとして説明されている任意の特徴を実装しなくてもよい。したがって、上記の説明及び図面は例示のみを目的としたものである。
【０４０５】
限定ではないが、特許、特許出願、論説、著書、論文、及びウェブ・ページを含む、この出願において引用されているすべての文献及び同様の資料は、そのような文献及び同様の資料の形式にかかわらず、参照によりそれらの全体が明示的に組み込まれる。組み込まれている文献及び同様の資料のうちの１つ又は複数が、限定ではないが、定義されている用語、用語の用法、説明されている技法などを含め、この出願と異なるか、又は、相反する場合、この出願が優先する。
【０４０６】
使用されている節の見出しは、構成のみを目的としており、決して説明されている主題を限定するものとして解釈されるべきではない。
また、説明されている技術は、そのうち少なくとも１つの例が設けられている方法として具現化され得る。方法の１部分として実施される動作は、任意の適切な様式で順序付けられてもよい。したがって、動作が示されているものとは異なる順序で実施され、たとえ例示的な実施形態においては順次の動作として示されていたとしても、いくつかの動作を
同時に実施することを含んでもよい実施形態が構築されてもよい。
【０４０７】
定義及び使用されているものとしてのすべての定義は、辞書の定義、参照によって組み込まれている文書における定義、及び／又は、定義されている用語の通常の意味に優先するものとして理解されるべきである。
【０４０８】
数値及び範囲は、本明細書及び特許請求の範囲において、近似する又は正確な値又は範囲として記載されている場合がある。例えば、いくつかの事例において、「約（ａｂｏｕｔ）」、「おおよそ（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」、及び「実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」という用語が、値を参照して使用されている場合がある。そのような参照は、参照されている値、ならびに、その値に妥当な変動が加わった値及び差し引かれた値を包含するように意図されている。例えば、「約１０と約２０との間」という語句は、いくつかの実施形態における「正確に１０と正確に２０との間」、及び、いくつかの実施形態における「１０＋δ１と２０＋δ２との間」を意味するように意図されている。値の変動δ１、δ２の量は、いくつかの実施形態においては値の５％未満であってもよく、いくつかの実施形態においては値の１０％未満であってもよく、さらに、いくつかの実施形態においては値の２０％未満であってもよい。例えば、２桁以上を含む範囲のような、値の大きい範囲が与えられている実施形態では、値の変動δ１、δ２の量は、５０％程度と高くなり得る。例えば、動作可能範囲が２から２００まで延在する場合、「約８０」は、４０と１２０との間の値を包含してもよく、範囲は、１と３００との間と大きくなってもよい。正確な値が意図される場合、例えば、「正確に２と正確に２００との間」のように、「正確に」という用語が使用される。
【０４０９】
「隣接する」という用語は、２つの要素が互いに近接近して（例えば、２つの要素のうちの大きい方の横方向寸法又は垂直方向寸法の約５分の１未満の距離内に）配置されることを指し得る。いくつかの事例において、隣接する要素の間には、介在する構造又は層があってもよい。いくつかの事例において、隣接する要素は、介在する構造又は要素なしに互いに直に隣接してもよい。
【０４１０】
不定冠詞「ａ」及び「ａｎ」は、本明細書及び特許請求の範囲において使用されているものとしては、明確に逆に指示されていない限り、「少なくとも１つ」を意味するように理解されるべきである。
【０４１１】
「及び／又は」という語句は、本明細書及び特許請求の範囲において使用されているものとしては、そのように結合されている要素、すなわち、いくつかの事例では結合して存在し、他の事例では分離して存在する要素の「いずれか又は両方」を意味するものとして理解されるべきである。「及び／又は」を用いてリストされている複数の要素は、同じように、すなわち、そのように結合されている要素の「１つ又は複数」として解釈されるべきである。「及び／又は」条項によって具体的に識別されている要素以外の他の要素が、具体的に識別されているそれらの要素に関連するか、関連しないかにかかわらず、任意選択的に存在してもよい。したがって、非限定例として、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」のような限定しない文言とともに使用されているとき、「Ａ及び／又はＢ」に対する参照は、１実施形態においてはＡのみ（任意選択的にＢ以外の要素を含む）を指し、別の実施形態においてはＢのみ（任意選択的にＡ以外の要素を含む）を指し、また別の実施形態においてはＡとＢの両方（任意選択的に他の要素を含む）を指し得る、などであり得る。
【０４１２】
本明細書及び特許請求の範囲において使用されるものとしては、「又は」は、上記で定義されているような「及び／又は」と同じ意味を有するものとして理解されるべきである。例えば、リスト内で項目を分離しているとき、「又は」又は「及び／又は」は、包含的
である、すなわち、複数の要素又は要素のリストのうちの少なくとも１つを含むが、２つ以上をも含み、また任意選択的に追加のリストされていない項目も含むものとして解釈されるべきである。「〜のうちの１つのみ」もしくは「〜のうちの正確に１つ」、又は、特許請求の範囲において使用されるとき、「〜からなる」のように、明確に逆に指示されている用語だけは、複数の要素又は要素のリストのうちの正確に１つの要素を含むことを指す。一般的に、使用されているような「又は」という用語は、「いずれか」、「〜のうちの１つ」、「〜のうちの１つのみ」又は「〜のうちの正確に１つ」のような、排他性の用語が先行するときは、排他的な選択肢（すなわち「１方又は他方であり、両方ではない」）を示すものとしてのみ解釈されるべきである。「基本的に〜からなる」は、特許請求の範囲において使用されるとき、特許法の分野において使用されるものとしての、その通常の意味を有するべきである。
【０４１３】
本明細書及び特許請求の範囲において使用されるものとしては、１つ又は複数の要素のリストを参照する「少なくとも１つ」という語句は、要素のリスト内の要素のうちのいずれか１つ又は複数から選択される少なくとも１つの要素を意味するものとして理解されるべきであるが、必ずしも、要素のリスト内に具体的にリストされているあらゆる要素のうちの少なくとも１つを含むとは限らず、要素のリスト内の要素の任意の組み合わせを排除するものではない。この定義はまた、「少なくとも１つ」という語句が参照する要素のリスト内で具体的に識別されている要素以外の要素が、具体的に識別されているそれらの要素に関連するか、関連しないかにかかわらず、任意選択的に存在し得ることも可能にする。したがって、非限定例として、「Ａ及びＢのうちの少なくとも１つ」（又は、同等に「Ａ又はＢのうちの少なくとも１つ」、もしくは、同等に「Ａ及び／又はＢのうちの少なくとも１つ」）は、１実施形態においては、Ｂが存在せず、２つ以上のＡを任意選択的に含む少なくとも１つのＡを指し（また、任意選択的にＢ以外の要素を含む）、別の実施形態では、Ａが存在せず、２つ以上のＢを任意選択的に含む少なくとも１つのＢを指し（また、任意選択的にＡ以外の要素を含む）、また別の実施形態では、任意選択的に２つ以上のＡを含む少なくとも１つのＡ、及び、任意選択的に２つ以上のＢを含む少なくとも１つのＢを指し得る（また、任意選択的に他の要素を含む）、などである。
【０４１４】
特許請求の範囲において、及び、上記の本明細書において、「備える」、「含む」、「担持する」、「有する」、「含有する」、「包含する」、「保持する」、「〜から構成される」などのようなすべての移行句は、限定しないものである、すなわち、含むが、それに限定されないことを意味するものとして理解されるべきである。「〜からなる」及び「基本的に〜からなる」という移行句のみが、それぞれ限定的な又は半限定的な移行句であるべきである。
【０４１５】
特許請求の範囲は、その旨述べられていない限り、記載されている順序又は要素に限定されるものとして読み取られるべきではない。添付の特許請求項の精神及び範囲から逸脱することなく、当業者によって、形態及び詳細に様々な変更を行うことができることが理解されるべきである。以下の特許請求項の及びその均等物の精神及び範囲内に入るすべての実施形態が特許請求される。
【図１−１Ａ】
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【図１−１Ｂ】
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【図１−２】
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【図１−３】
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【図１−４】
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【図１−５】
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【図１−６】
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【図１−７】
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【図１−８】
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【図１−９】
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【図１−１０Ａ】
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【図１−１０Ｂ】
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【図１−１１Ａ】
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【図１−１１Ｂ】
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【図１−１１Ｃ】
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【図１−１１Ｄ】
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【図２−１Ａ】
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【図２−１Ｂ】
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【図２−２Ａ】
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【図２−２Ｂ】
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【図３−１】
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【図３−２Ａ】
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【図３−２Ｂ】
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【図３−２Ｃ】
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【図３−２Ｄ】
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【図３−３Ａ】
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【図３−３Ｂ】
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【図３−３Ｃ】
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【図３−４Ａ】
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【図３−４Ｂ】
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【図３−４Ｃ】
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【図３−５Ａ】
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【図３−５Ｂ】
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【図３−６】
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【図３−７Ａ】
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【図３−７Ｂ】
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【図３−７Ｃ】
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【図３−８Ａ】
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【図３−８Ｂ】
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【図３−９】
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【図３−１０】
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【図４−１】
2018518836.tif 000050
【図４−２】
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【図４−３】
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【図５−１】
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【図５−２】
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【図５−３】
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【図６−１Ａ】
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【図６−１Ｂ】
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【図６−１Ｃ】
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【図６−２Ａ】
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【図６−２Ｂ】
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【図６−２Ｃ】
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【図６−３】
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【図６−４Ａ】
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【図６−４Ｂ】
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【図６−４Ｃ】
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【図６−４Ｄ】
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【図６−４Ｅ】
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【図６−４Ｆ】
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【図６−４Ｇ】
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【図６−４Ｈ】
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【図６−４Ｉ】
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【図６−４Ｊ】
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【図６−４Ｋ】
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【図６−４Ｌ】
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【図６−４Ｍ】
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【図６−５Ａ】
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【図６−５Ｂ】
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【図６−５Ｃ】
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【図６−５Ｄ】
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【図６−６Ａ】
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【図６−６Ｂ】
2018518836.tif 000081
【図６−６Ｃ】
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【図７−１Ａ】
2018518836.tif 000083
【図７−１Ｂ−Ｃ】
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【図７−１Ｄ−Ｅ】
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【図８−１】
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【図８−２】
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【図８−３】
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【図８−４】
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【図８−５】
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【図９−１】
2018518836.tif 000091
【図９−２】
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【図９−３】
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【図９−４】
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【図９−５Ａ】
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【図９−５Ｂ】
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【図９−６Ａ】
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【図９−６Ｂ】
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【国際調査報告】
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2018518836.tif 000100
2018518836.tif 000101
2018518836.tif 000102
2018518836.tif 000103
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