(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
モードロックレーザモジュールであって、
ベースシャーシと、
前記ベースシャーシに取り付けられた出力カプラおよび第１の集束光学要素と、
前記ベースシャーシに取り付けられた可飽和吸収体ミラーおよび第２の集束光学要素と、ここで、前記出力カプラおよび前記可飽和吸収体ミラーは、モードロックレーザのレーザキャビティの端部ミラーを含み、
前記レーザキャビティ内のキャビティ内ビームの光軸に沿って配置され、かつ熱レンズ効果を引き起こすように構成された利得媒体と、
前記出力カプラと前記可飽和吸収体ミラーとの間に配置された２つの反射器を含むキャビティ長延長領域と、を備え、前記第１の集束光学要素、前記第２の集束光学要素、および前記２つの反射器は、前記２つの反射器が前記キャビティ内ビームを２回以上折り返すように前記出力カプラと前記可飽和吸収体ミラーとの間の前記レーザキャビティ内に組み合わせて配置されている、モードロックレーザモジュール。
【請求項２】
前記利得媒体をポンプビームで励起するように構成されたレーザダイオードをさらに備え、前記利得媒体内の前記ポンプビームの吸収が、前記モードロックレーザが光パルスを生成しているときに、１ジオプタと１５ジオプタとの間の値に対応する熱レンズ効果を前記利得媒体内に引き起こす、請求項１に記載のモードロックレーザモジュール。
【請求項３】
前記モードロックレーザは、前記ポンプビームの光パワーの変化に起因して８ジオプタから１２ジオプタの範囲に亘って変化する熱レンズ効果の値に対して前記レーザキャビティを機械的に調整することなく安定して光パルスを生成する、請求項２に記載のモードロックレーザモジュール。
【請求項４】
前記ポンプビームの光パワーの変化が２ワットと１０ワットとの間であり、前記モードロックレーザモジュールからの平均出力光パワーが３５０ミリワットと３．５ワットとの間である、請求項３に記載のモードロックレーザモジュール。
【請求項５】
前記利得媒体が、マウント内に配置され、かつ能動的な冷却を行わない固体結晶を含む、請求項１に記載のモードロックレーザモジュール。
【請求項６】
前記利得媒体は、バナジン酸ネオジム（Ｎｄ３＋：ＹＶＯ４）を含む、請求項１に記載のモードロックレーザモジュール。
【請求項７】
前記モードロックレーザモジュールによって生成された光パルスのパルス繰り返し率は５０ＭＨｚと２００ＭＨｚとの間であり、前記ベースシャーシの最大縁部の長さは３５０ｍｍ以下である、請求項１に記載のモードロックレーザモジュール。
【請求項８】
前記モードロックレーザモジュールによって生成された光パルスのパルス繰り返し率は５０ＭＨｚと２００ＭＨｚとの間であり、前記モードロックレーザモジュールが、最大縁部の長さが３５０ｍｍ以下の寸法で、厚さが４０ｍｍ以下の寸法で、前記モードロックレーザモジュールの重量が２キログラム以下であるスラブ形状を有する、請求項１に記載のモードロックレーザモジュール。
【請求項９】
前記モードロックレーザモジュールによって生成された光パルスのパルス繰り返し率が５０ＭＨｚと２００ＭＨｚとの間であり、前記モードロックレーザモジュールによって占有される最大体積が０．００２８立方メートル（０．１立方フィート）以下である、請求項１に記載のモードロックレーザモジュール。
【請求項１０】
前記ベースシャーシのねじれ剛性を増大させる、前記ベースシャーシを斜めに横切って延在する傾斜リブをさらに備え、前記キャビティ内ビームは前記傾斜リブにおける複数の開口部を通過する、請求項１に記載のモードロックレーザモジュール。
【請求項１１】
前記可飽和吸収体ミラーは、前記可飽和吸収体ミラーに入射する前記キャビティ内ビームの光軸に対する角度調整を含まない２つの自由度のみで調整されるように構成されるプレートに取り付けられる、請求項１に記載のモードロックレーザモジュール。
【請求項１２】
前記プレートが金属コーティングを有するプリント回路基板を備えるか、または前記プレートが金属のプレートを備える、請求項１１に記載のモードロックレーザモジュール。
【請求項１３】
前記利得媒体内の前記キャビティ内ビームの第１のビームウェストは１００ミクロンと１５０ミクロンとの間であり、前記可飽和吸収体ミラーにおける前記キャビティ内ビームの第２のビームウェストは７５ミクロンと１２５ミクロンとの間である、請求項１に記載のモードロックレーザモジュール。
【請求項１４】
前記第１の集束光学要素は、前記利得媒体と前記可飽和吸収体ミラーとの間の前記レーザキャビティ内に配置され、
前記第２の集束光学要素は、前記第１の集束光学要素と前記可飽和吸収体ミラーとの間の前記レーザキャビティ内に配置され、
前記第１の集束光学要素と前記第２の集束光学要素との間のキャビティ内ビームは、本質的にコリメートされている、請求項１に記載のモードロックレーザモジュール。
【請求項１５】
前記第１の集束光学要素の焦点距離は２４０ｍｍと２６０ｍｍとの間であり、前記第２の集束光学要素の焦点距離は２４０ｍｍと２６０ｍｍとの間である、請求項１４に記載のモードロックレーザモジュール。
【請求項１６】
前記出力カプラが前記第１の集束光学要素を起点として２８０ｍｍと３００ｍｍとの間に配置され、前記利得媒体が前記出力カプラから４ｍｍと８ｍｍとの間に配置される、請求項１４に記載のモードロックレーザモジュール。
【請求項１７】
前記ベースシャーシに取り付けられ、かつ前記レーザキャビティからの出力ビームの周波数を２倍化するように配置された周波数２倍化結晶をさらに備える、請求項１４に記載のモードロックレーザモジュール。
【請求項１８】
前記レーザキャビティ内に配置されたレーザ窓または光学平面を更に備え、前記第２の集束光学要素及び前記レーザ窓または前記光学平面は、前記レーザ窓または前記光学平面を回転させることによって前記可飽和吸収体ミラー上の前記キャビティ内ビームの入射角を調整するように配置される、請求項１に記載のモードロックレーザモジュール。
【請求項１９】
前記２つの集束反射器のうちの１つは、前記キャビティ内ビームを３回折り返す、請求項１に記載のモードロックレーザモジュール。
【請求項２０】
モードロックレーザモジュールであって、
ベースシャーシと、
５０ＭＨｚと２００ＭＨｚとの間のパルス繰り返し率で動作するように構成された第１のレーザキャビティを有するモードロックレーザと、ここで、前記モードロックレーザは前記ベースシャーシ上に組み立てられ、
前記第１のレーザキャビティの第１の端部に配置された前記第１のレーザキャビティの第１の端部ミラーと、
前記第１のレーザキャビティの第２の端部に配置された前記第１のレーザキャビティの第２の端部ミラーと、前記第２の端部ミラーは、可飽和吸収体ミラーであり、
前記第１のレーザキャビティ内に配置された利得媒体と、を備え、前記利得媒体は、前記第１のレーザキャビティに対する動作パワーでポンピングされたときに熱レンズ効果を示すように構成され、前記熱レンズ効果は、前記第１のレーザキャビティの長さの半分未満である、前記第１のレーザキャビティ内に形成された第２のレーザキャビティであって、前記可飽和吸収体ミラーと、前記第１のレーザキャビティ内の前記ベースシャーシに組み込まれた第３の端部ミラーとを含む前記第２のレーザキャビティ内でのレーザ発振をサポートする、モードロックレーザモジュール。
【請求項２１】
前記可飽和吸収体ミラー、前記第３の端部ミラー、および熱レンズ効果利得媒体が、追加のレンズ素子を有しない安定したレーザ発振キャビティを形成する、請求項２０に記載のモードロックレーザモジュール。
【請求項２２】
前記利得媒体が、マウント内に配置され、かつ能動的な冷却を行わない固体結晶を含む、請求項２０に記載のモードロックレーザモジュール。
【請求項２３】
前記利得媒体は、バナジン酸ネオジム（Ｎｄ３＋：ＹＶＯ４）を含む、請求項２０に記載のモードロックレーザモジュール。
【請求項２４】
前記ベースシャーシの最大縁部の長さは３５０ｍｍ以下である、請求項２０に記載のモードロックレーザモジュール。
【請求項２５】
前記モードロックレーザモジュールが、最大縁部の長さが３５０ｍｍ以下の寸法で、厚さが４０ｍｍ以下の寸法で、前記モードロックレーザモジュールの重量が２キログラム以下であるスラブ形状を有する、請求項２０に記載のモードロックレーザモジュール。
【請求項２６】
前記モードロックレーザモジュールによって占有される最大体積が０．００２８立方メートル（０．１立方フィート）以下である、請求項２０に記載のモードロックレーザモジュール。
【請求項２７】
前記ベースシャーシのねじれ剛性を増大させる、前記ベースシャーシを斜めに横切って延在する傾斜リブをさらに備え、前記第１のレーザキャビティのキャビティ内ビームは前記傾斜リブにおける複数の開口部を通過する、請求項２０に記載のモードロックレーザモジュール。
【請求項２８】
前記第１のレーザキャビティのキャビティ内ビームを複数回折り返す反射器を前記第１のレーザキャビティ内にさらに備える、請求項２０に記載のモードロックレーザモジュール。
【請求項２９】
モードロックレーザを動作させる方法であって、
レーザキャビティの利得媒体を光ポンプビームでポンピングして、前記利得媒体が８ジオプタと１２ジオプタとの間の範囲のジオプタ値を有する熱レンズ効果を示すようにするステップと、
前記レーザキャビティの第１の端部における出力カプラと前記レーザキャビティの第２の端部における可飽和吸収体ミラーと、前記出力カプラと前記可飽和吸収体ミラーとの間に組み合わせて配置された第１の集束光学要素、第２の集束光学要素、および２つの反射器とでキャビティ内ビームを前記２つの反射器が前記キャビティ内ビームを２回以上折り返すように反射するステップと、
ジオプタ値の範囲に亘って安定した光パルスの出力を生成するステップと、を含む方法。
【請求項３０】
前記利得媒体が１ジオプタと１５ジオプタとの間の範囲のジオプタ値を有する熱レンズ効果を示すように、前記レーザキャビティの前記利得媒体をポンピングするステップを更に含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記光ポンプビームの波長を調整することによって前記熱レンズ効果の量を調整するステップを更に含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３２】
前記利得媒体、前記出力カプラ、および前記可飽和吸収体ミラーを支持するシャーシに対する前記可飽和吸収体ミラーの配向角度を調整することなく、前記可飽和吸収体ミラー上の前記キャビティ内ビームの入射角を調整するステップを更に含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３３】
高次モードを抑制するために前記キャビティ内ビームに対する開口を適用するステップを更に含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３４】
前記光パルスが５０ＭＨｚと２００ＭＨｚとの間のパルス繰り返し率を有し、前記出力カプラおよび前記可飽和吸収体ミラーが取り付けられるシャーシが、３５０ｎｍ以下の最大縁部寸法を有する、請求項２９に記載の方法。
【請求項３５】
前記利得媒体をポンピングすることは、前記利得媒体に２ワットと１０ワットとの間の光パワーを供給することを含み、前記モードロックレーザからの平均出力パワーは３５０ミリワットと３．５ワットとの間である、請求項２９に記載の方法。
【請求項３６】
前記光パルスの半値全幅のパルス幅は、９ピコ秒と３８ピコ秒との間である、請求項２９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、１００ピコ秒未満の光パルスを生成するためのコンパクトな装置及び方法に関する。装置は、分析、医療、製造、または通信の目的で光パルスを使用する機器に組み込まれ得る。
【背景技術】
【０００２】
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、時間領域撮像（ＴＤＩ）、光コヒーレンストモグラフィ（ＯＣＴ）、蛍光寿命撮像（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、これらのレーザ発振システムの費用は、特定の用途にとっては法外に高い場合がある。加えて、これらのレーザ発振システムは、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、かなりの重量を有し、かつ相当に大きい容積（例えば、０．０１４２ｍ３（０．５ｆｔ３）程度以上）を占める独立型システムであり得る。そのようなレーザ発振システムは、容易に携帯可能ではないか、または他のポータブルシステム内にモジュールとして容易に組み込まれない。
【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。５０ＭＨｚの低さのパルス繰り返し率において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モジュールとして実施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、レーザからの光パルスは、モジュールに組み込まれた回路を用いて電子的に検出することができ、結果的に生じる信号は、処理されて、他の電子システムをパルスのストリームに同期させる（例えば、レーザモジュールが組み込まれた機器のデータ取得電子機器を同期させる）ために使用することができる電子クロック信号を生成することができる。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、タイムオブフライト撮像機器、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、評価するに至った。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。応用例では、コンパクトなレーザモジュールをポータブル遺伝子シーケンシング機器に組み込むことができ、光パルスを単一の分子シーケンシング事象が検出される反応室に送達することができる。
【０００５】
いくつかの実施形態は、ベースシャーシと、ベースシャーシ上に組み立てられたレーザキャビティを有するモードロックレーザと、レーザキャビティ内に配置され、モードロックレーザが光パルスを生成しているときに、４ジオプタと１５ジオプタとの間の熱レンズ効果の値を示す利得媒体とを備えるモードロックレーザモジュールに関する。
【０００６】
いくつかの実施形態は、ベースシャーシと、ベースシャーシ上に組み立てられたレーザキャビティを有するモードロックレーザと、レーザキャビティの第１の端部において第１のマウントに取り付けられた出力カプラと、ここで、第１のマウントは、出力カプラに入射するキャビティ内ビームの光軸に対する出力カプラの角度調整を提供せず、レーザキャビティの第２の端部において第２のマウントに取り付けられた可飽和吸収体ミラーと、ここで、第２のマウントは、可飽和吸収体ミラーに入射するキャビティ内ビームの光軸に対する可飽和吸収体ミラーの角度調整を提供せず、モードロックレーザと出力カプラとの間に配置された利得媒体とを備えるモードロックレーザモジュールに関する。
【０００７】
いくつかの実施形態は、ベースシャーシと、ベースシャーシに取り付けられた出力カプラおよび第１の集束光学系と、ベースシャーシに取り付けられた可飽和吸収体ミラーおよび第２の集束光学系と、ここで、出力カプラおよび可飽和吸収体ミラーは、モードロックレーザ用のレーザキャビティの端部ミラーを含み、レーザキャビティ内のキャビティ内ビームの光軸に沿って配置された利得媒体と、出力カプラと可飽和吸収体ミラーとの間に配置された２つの反射器を含むキャビティ長延長領域とを備え、２つの反射器は、キャビティ内ビームを２回以上折り返す、モードロックレーザモジュールに関する。
【０００８】
いくつかの実施形態は、ベースシャーシと、５０ＭＨｚと２００ＭＨｚとの間のパルス繰り返し率で動作するように構成された第１のレーザキャビティを有するモードロックレーザと、ここで、モードロックレーザはベースシャーシ上に組み立てられ、第１のレーザキャビティの第１の端部に配置された第１のレーザキャビティの第１の端部ミラーと、第１のレーザキャビティの第２の端部に配置された第１のレーザキャビティの第２の端部ミラーと、第１のレーザキャビティ内に配置された利得媒体とを備え、利得媒体は、第１のレーザキャビティに対する動作パワーでポンピングされたときに熱レンズ効果を示すように構成され、熱レンズ効果は、第１のレーザキャビティの長さの半分未満であり、かつ第１の端部ミラーと、第１のレーザキャビティ内のベースシャーシに組み込まれた第３の端部ミラーとを含む第１のレーザキャビティ内に形成された第２のレーザキャビティ内でのレーザ発振をサポートする、モードロックレーザモジュールに関する。
【０００９】
いくつかの実施形態は、レーザキャビティの利得媒体を光ポンプビームでポンピングして、利得媒体が８ジオプタと１２ジオプタとの間の範囲のジオプタ値を有する熱レンズ効果を示すようにするステップと、レーザキャビティの第１の端部における出力カプラとレーザキャビティの第２の端部における可飽和吸収体ミラーとでキャビティ内ビームを反射するステップと、ジオプタ値の範囲に亘って安定した光パルスの出力を生成するステップとを含む、モードロックレーザを動作させる方法に関する。
【００１０】
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】
【００１１】
【図１−１Ａ】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モジュールを含む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コンパクトなモードロックレーザを示す図。
【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２−１】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モジュールを示す図。
【図３−１Ａ】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で使用することができる利得媒体または他の高出力光学部品用のマウントを示す図。
【図３−１Ｂ】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で使用することができる利得媒体または他の高出力光学部品用のマウントを示す図。
【図３−２Ａ】いくつかの実施形態による、集積光学マウントを示す図。
【図３−２Ｂ】いくつかの実施形態による、集積光学マウント内に取り付けられている光学素子を示す図。
【図３−３】いくつかの実施態様による、可飽和吸収体ミラーおよびマウントを示す図。
【図３−４】いくつかの実施形態による、一体型光学マウントを示す図。
【図３−５Ａ】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３−５Ｂ】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３−５Ｃ】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３−５Ｄ】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３−６Ａ】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系を取り付けるためのプラットフォーム示す平面図。
【図３−６Ｂ】いくつかの実施形態による、図３−６Ａに示すプラットフォームの立面図。
【図３−６Ｃ】いくつかの実施形態による、図３−６Ａに示すプラットフォームの立面図。
【図４−１】いくつかの実施形態による、ダイオードレーザポンプモジュールを示す図。
【図４−２Ａ】一例の調整可能なキネマティックマウント組立体の正面図。
【図４−２Ｂ】一例の調整可能なキネマティックマウント組立体の平面図。
【図５−１】いくつかの実施形態による、機器電子装置を光パルスのタイミングに同期させるためのシステムを示す図。
【図５−２】いくつかの実施形態による、パルス光源を組み込んだ分析機器用のクロック発生回路を示す図。
【図５−３】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。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
Ｉ．導入
本発明者らは、少なくとも５００ｍＷの平均出力電力を供給可能な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には適していないことを認識し、評価するに至った。そのようなレーザは、撮像、測距、もしくはテーブルトップの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むには典型的に非常に大型で重量的に重い。したがって、本発明者らは、選択された波長において、また３．５ワット（Ｗ）の大きさ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ザ発振システムを着想した。レーザ発振システムは、約５０ＭＨｚと約２００ＭＨｚとの間の光パルス繰り返し率を与えるように構成することができ、これは大規模な並列データ取得に適している。いくつかの実施形態において、モードロックレーザモジュール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。モジュールによって占有される容積は多くとも０．００２０ｍ３（０．０７ｆｔ３）であり得、この容積は、それほど多くの光パワーを供給することができない従来の超短パルスレーザによって占有される容積のほぼ１０倍の減少である。レーザはコンパクトなスラブフォームファクタを有するので、交換可能なモジュール、例えばパーソナルコンピュータ上でボードを追加または交換し得るもののようにスワップインまたはスワップアウトする（ｓｗａｐ  ｉｎ  ｏｒ  ｏｕｔ）モジュールとして機器に容易に組み込むことができる。
【００１４】
「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。
生物分析技術の分野において、そのようなコンパクトなモードロックレーザモジュールは、例えば、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、モードロックレーザモジュール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。
【００１５】
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に対処する必要がある。パルスレーザ発振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（適切な励起波長で約３００ｍＷ以上）を供給する必要がある。パルスレーザ発振システムはまた、数十分または数時間続くことがある分析またはシーケンシングの実行の期間に亘って安定した超短光パルスのストリームを生成することが要求され得る。加えて、種々の蛍光色素分子をモードロック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して有用な情報を取得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適切なタイミングで検出するための何らかの方法がなければならない。さらに、チップ上の集積光回路を含む用途のためには、レーザモジュールからの出力ビームをチップの受信光学素子にマッチングさせ、かつ長期間にわたってチップへの安定かつ効率的な結合を維持するように適合する何らかの方法が必要である。
【００１６】
本実施形態によるコンパクトなモードロックレーザは、交換可能なモジュールとしてポータブル機器に組み込むことができる。モジュールのフォームファクタは、最長縁部上で３５０ｍｍ以下の寸法を有し、４０ｍｍ以下の厚さを有し、０．０２８３立方メートル（０．１立方フィート）以下の容積を占有するスラブ形状である。実施形態では、最長縁部寸法は３００ｍｍと３５０ｍｍとの間の値とすることができ、最大厚さは３０ｍｍと４０ｍｍとの間の値とすることができる。モジュールの重量は２キログラム以下で、モジュールによって消費される動作電力は２０ワット以下とすることができる。実施形態では、最大重量は１キログラムと２０キログラムとの間の値とすることができ、最大動作電力は１０ワットと２０ワットとの間の値とすることができる。レーザは、１００ｍＷと１．５Ｗとの間で制御することができる平均出力パワーで、約５３２ｎｍの励起波長で安定した列の４０ピコ秒未満のパルスを生成することができる。選択された出力パワーでのモードロック動作は、何時間も安定させることができる。モジュールはまた、レーザによって生成された光パルスおよび光パワーレベルを検知するための回路を含む。光パルスを検知することで導出された信号は、電子機器（例えば、データ取得サイクル）をレーザによって生成された光パルスのタイミングと同期させるために使用され得る電子クロック信号を生成するために使用され得る。
【００１７】
ＩＩ．  生物分析応用例
説明として、チップ上の複数の反応室内で蛍光色素分子を励起するためにコンパクトなモードロックレーザモジュールが使用される生物分析応用が記載されている。この応用例は、レーザモジュールに対するいくつかのより厳しい必要条件を満たすことを強調することを意図しており、レーザモジュールを生物分析応用のみに限定することを意図していない。モジュールは、通信、撮像、フォトニックチップまたは電子チップのプロービングおよび診断、製造（切断、除去）、ならびに医学的処置および診断などの他の技術に使用することができる。
【００１８】
概要として、図１−１Ａに示すように、ポータブル分析機器１−１００は、機器内に置換可能なモジュールとして取り付けられているか、又は、他の様態で機器に結合されている、１つ又は複数のモードロックレーザモジュール１−１０８を備え得る。ポータブル分析機器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。光学系１−１１５は、（レンズ、ミラー、光学フィルタ、減衰器、ビームステアリング部品、ビーム整形部品の各々を全く含まないか、１つ又は複数を含み得る）光学部品のいくつかの組み合わせを含むことができ、かつモードロックレーザモジュール１−１０８からの出力光パルス１−１２２に対して動作し、かつ／又は、この出力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複数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る。分析システム１−１６０は、１つ又は複数の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。
【００１９】
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図面において示されているが、いくつかの実施形態において、モードロックレーザモジュール１−１０８からの光出力は（例えば、高次の横方向モードを有する）マルチモードであってもよい。そのような実施形態において、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、光学系１−１１５によって、または分析システム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または導波路のアレイ内の導波路に結合されてもよい。モードロック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、モードロック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。
【００２０】
図１−１Ｂは、コンパクトなモードロックレーザモジュール１−１０８を含むポータブル分析機器１−１００のさらに詳細な例を示す。いくつかの実施形態では、モジュールは、機器のシャーシまたは機器のフレーム１−１０２に取り付けることができ、かつ機器の外側ケーシングの内側に配置され得る。いくつかの実施形態によれば、モードロックレーザモジュール１−１０８は、モードロックレーザ１−１１０と、モードロックレーザを動作させ、かつモードロックレーザからの出力ビームを処理するために使用することができる追加の構成要素とを含むことができる。モードロックレーザ１−１１０は、レーザキャビティ内に、またはレーザキャビティに結合された、レーザの縦周波数モードの位相ロックを引き起こす要素（例えば、可飽和吸収体、音響光学変調器、カーレンズ）を含み得る。レーザキャビティは、キャビティ端部ミラー１−１１１、１−１１９によって部分的に画定することができる。いくつかの実施形態では、モードロックレーザ１−１１０は、例えば可飽和吸収体によって受動的にモードロックされることができる。周波数モードのそのようなロックは、レーザのパルス動作をもたらし（例えば、キャビティ内パルス１−１２０がキャビティ端部ミラー間で往復して跳ね返る）、一方の端部ミラー１−１１１から部分的に伝達する出力光パルス１−１２２のストリームが生成される。
【００２１】
いくつかの事例において、分析機器１−１００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、モードロック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。
【００２２】
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。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。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。フィードバック信号は、光パルス１−１２２の出力ビームの１つ又は複数のパラメータを制御するために、レーザモジュール１−１０８および光学系１−１１５の一方または両方に提供され得る。いくつかの事例では、ＰＣＢ１−１３０は、モードロックレーザおよびレーザモジュール内の回路を動作させるために、レーザモジュール１−１０８に電力を供給またはルーティングすることができる。
【００２３】
いくつかの実施形態によれば、モードロックレーザ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、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。モードロックレーザの光学キャビティは、出力カプラ１−１１１及び端部ミラー１−１１９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、ビーム整形、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１−１Ｂにおいて図示せず）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）を備える。レーザモジュール１−１０８は、利得媒体を励起するためのポンプソース（例えば、図１−１Ｂにおいて図示されていないレーザダイオード）をさらに含むことができる。
【００２４】
レーザ１−１１０が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との間で往復して跳ね返るため、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。
【００２５】
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。モードロック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、約５ｐｓ〜約３０ｐｓとすることができる。
【００２６】
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。例えば、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。実施形態では、パルス分離間隔はレーザキャビティ内の往復進行時間に対応し、３メートルのキャビティ長（往復距離６メートル）が約２０ｎｓのパルス分離間隔Ｔを提供する。
【００２７】
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または特性寿命を、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、評価するに至った。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８００，０００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、評価するに至った。
【００２８】
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、モードロックレーザモジュール１−１０８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少なくとも調整するように構成することができる。いくつかの事例では、モードロックレーザモジュールからの出力パルスは、バイオ光電子チップ１−１４０上の光カプラにおけるビーム形状および／またはビーム回転を付加的または代替的に変更するようにビームステアリングモジュールによって操作されることができる。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１−１５０は、出力パルスのビームの、光カプラへの集束および／または偏光の調整をさらに可能にすることができる。ビームステアリングモジュールの一例は、参照により本明細書に組み込まれる、２０１６年５月２０日に出願された「パルスレーザおよび生物分析システム（Ｐｕｌｓｅｄ  Ｌａｓｅｒ  ａｎｄ  Ｂｉｏａｎａｌｙｔｉｃ  Ｓｙｓｔｅｍ）」と題された米国特許出願第１５／１６１，０８８号に記載されている。ビームステアリングモジュールの別の例は、参照により本明細書に組み込まれる、２０１６年１２月１６日に出願された「コンパクトなビーム整形およびステアリングアセンブリ（Ｃｏｍｐａｃｔ  Ｂｅａｍ  Ｓｈａｐｉｎｇ  ａｎｄ  Ｓｔｅｅｒｉｎｇ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）」と題された別の米国特許出願第６２，４３５，６７９号に記載されている。
【００２９】
図１−３を参照すると、モードロックレーザモジュールからの出力パルス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１つ又は複数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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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列が設けられてもよく、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。モードロックレーザ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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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、モードロックレーザからのパルスによる蛍光色素分子（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。いくつかの実施形態では、信号処理（例えば、増幅、読み出し、ルーティングなど）のために、各画素に１つ又は複数の追加の集積デバイス１−３２３を設けることができる。いくつかの実施形態によれば、各画素は、蛍光発光を通過させ、励起パルスからの放射の透過を低減する単一または多層の光学フィルタ１−５３０を含むことができる。いくつかの実装形態は、光学フィルタ１−５３０を使用しなくてもよい。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。
【００３６】
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ＰＡ（ｔ）＝ＰＡ０ｅ−ｔ／τＡ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。
【００３７】
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。
【００３８】
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、評価するに至った。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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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、時間ビンにおいて蓄積されたキャリアは、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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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、評価するに至った。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。
【００５２】
「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。
【００５３】
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、評価するに至った。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、評価するに至った。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、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、評価するに至った。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。
【００５４】
単一の特性の波長を放射する励起源を使用してＤＮＡをシーケンシングする可能性は、いくつかの光学系を単純化することができるが、上述のように技術的に困難な要求を励起源に課すこととなる。例えば、本発明者らは、励起源からの光パルスは、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、評価するに至った。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、評価するに至った。しかしながら、モードロックレーザは、長期間にわたって安定したモードロック状態で動作することが困難であり得る。また、データ取得のためにパルス繰り返し率を１００ＭＨｚより低くする必要があるので、モードロックレーザキャビティの長さは非常に長くなり得る。そのような長い長さは、ポータブルデスクトップ機器に組み込むことができるコンパクトな光源とは対照的である。さらに、モードロックレーザは、６６０ｎｍ未満の波長で蛍光色素分子を励起するのに十分なパルス当たりのエネルギー（または高い平均出力）を提供しなければならず、そのため蛍光は、数千またはさらには数百万の反応チャンバに対してフォトダイオードで並列に検出可能である。本発明者らはさらに、例えば、光カプラおよびバイオ光電子チップ１−１４０の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モードロックレーザのビーム品質は高くなるべき（例えば、１．５未満のＭ２値）であることをさらに認識し、評価した。現在のところ、ポータブルデスクトップ機器に組み込むことができ、かつ長期間にわたって安定した状態を維持するコンパクトなモジュール（例えば、０．００２８ｍ３（０．１ｆｔ３）未満の容積を占有する）において、２５０ｍＷ〜１Ｗの平均出力、５００ｎｍ〜６５０ｎｍの波長、５０ＭＨｚ〜２００ＭＨｚの繰り返し率でパルスを提供する市販の入手可能なモードロックレーザ発振システムは存在しない。
【００５５】
ＩＩＩ．  コンパクトなモードロックレーザモジュール
本発明者らは、光パルスの平均パワー、コンパクトさ、ビーム品質、パルス繰り返し率、励起波長、およびターンオフ速度に関して上述の性能仕様を達成するコンパクトなモードロックレーザモジュール１−１０８（例えば、図１−１Ａおよび図１−１Ｂに概略的に示されるような）を着想し構築した。概要として図２−１を参照すると、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モジュール１−１０８の主要構成要素は、レーザキャビティ（レーザキャビティの第１の端部ミラーとして機能することができる出力カプラ１−１１１と、レーザキャビティの第２の端部ミラーとして機能することができる可飽和吸収体ミラー（ＳＡＭ）１−１１９との間の光学要素を含む）と、モードロックレーザ１−１１０の構成要素の一部または全部が取り付けられる成形ベースシャーシ２−１０５と、モードロックレーザの動作を安定させることができる少なくとも１つのキャビティ内光学要素２−１２８と、レーザからの出力をより短い波長に変換する際に協働することができる周波数２倍化要素２−１７０、２−１６４、２−１６０と、レーザの動作パラメータを監視し、レーザによって生成された光パルスに同期した電子クロック信号を生成する電気部品２−１９０、２−１５４、２−１８２、２−１１６とを含む。ポンプモジュール２−１４０は、ベースシャーシ２−１０５に取り付けられ、かつモードロックレーザの利得媒体１−１０５を励起するために使用されることができる。
【００５６】
ベースシャーシ及びレーザキャビティ
いくつかの実施形態によると、コンパクトなモードロックレーザモジュール１−１０８のベースシャーシ２−１０５は、長さＬが約２０ｃｍと約３０ｃｍとの間、高さＨが約１０ｃｍと約２０ｃｍとの間であり、厚さは約１０ｃｍと約３０ｃｍとの間である。いくつかの事例では、１つ又は複数の寸法が最大２０％大きくなることがある。いくつかの実施形態によれば、コンパクトなモードロックレーザモジュール１−１０８によって占有される容積は、約３０ｃｍ×１８ｃｍ×３ｃｍ、または約０．００２０ｍ３（０．０７ｆｔ３）であり得る。いくつかの実施形態によれば、モードロックレーザモジュール１−１０８の全体形状またはフォームファクタは、高さＨよりも長い長さＬと、長さまたは高さのいずれかよりもはるかに小さい厚さとを有し、０．００２８立方メートル（０．１立方フィート）未満の容積を占有し、かつ重さが約２キログラム未満、または約２キログラムであるスラブである。いくつかの事例では、モジュール１−１０８の重量は１キログラム〜２キログラムである。
【００５７】
いくつかの実施形態では、ベースシャーシ２−１０５は、アルミニウム、チタン、アルミニウムの合金、またはチタンの合金から形成することができる。他の実施形態では他の材料を使用することができる。いくつかの実施形態では、ベースシャーシ２−１０５は、ベースシャーシ内に機械加工または他の方法（例えば、鋳造または組み立てによって）で形成された複数のキャビティ２−１０２を含むことができる。いくつかの実施形態では、直径１２．５ｍｍ（またはそれ以下）の光学部品が、モードロックレーザ１−１１０を構築するために使用され、かつベースシャーシ２−１０５のキャビティ２−１０２内に部分的または完全に埋め込まれることができ、カバー（図示せず）をキャビティ２−１０２の上に配置して、キャビティ内の構成要素を外部の環境要因および汚染物質から保護することができる。いくつかの実施形態では、カバーをキャビティ２−１０２上に配置して、１つまたは複数のキャビティを気密封止することができる。
【００５８】
キャビティ２−１０２の間には、ベースシャーシ２−１０５内に形成されたリブ２−１０７を設けることができる。いくつかのリブには、キャビティ内レーザビームがリブを通って隣接するキャビティへ通過することを可能にする穴または開口部（視認できない）を設けることができる。いくつかの実施形態によれば、ベースシャーシ２−１０５の縁部に対して角度をなして延在する１つ又は複数の傾斜リブ２−１０７を設けることができる。例えば、傾斜リブ２−１０７は、ベースシャーシ２−１０５を横断する角部から角部への方向に延在することができる。本発明者らは、そのような傾斜リブ２−１０７が、傾斜リブを有しない場合と比較して、ベースシャーシ２−１０５のねじり剛性を３倍に増大させることができることを見出した。ねじり剛性が増加することで、レーザ動作の不安定性を防止し、ベースシャーシ２−１０５に作用する摂動力に対するモジュールの耐性を向上させるのに役立つ。いくつかの事例では、リブの少なくとも一部は、キャビティの底部からベースシャーシ２−１０５の上面まで延在して、レーザモジュール１−１０８のための１つ又は複数のカバー（図示せず）をリブに取り付けることができる。これに関して、剛性金属カバー（例えば、約１ｍｍを超える厚さを有する金属）、剛性ポリマーカバー（例えば、約２ｍｍを超える厚さを有するポリマー）、またはベースシャーシ２−１０５に対してシールされるか、または支持片（例えば、金属フレーム）でベースシャーシ２−１０５に対して保持されることができる可撓性材料（金属またはポリマー）を含んだ任意の適切なカバーが使用され得るが、これらに限定されない。いくつかの事例では、カバー材料は、金属製フレーム（約１．５ｍｍ厚）を用いてベースシャーシに対して保持されているタイベック（Ｔｙｖｅｋ（登録商標））（約０．２５ｍｍ厚）を含む。
【００５９】
いくつかの実施形態では、１つまたは複数の取り付け機構２−１０３を１つまたは複数のリブ２−１０７に配置することができる。取り付け機構２−１０３は、コンパクトなレーザモジュール１−１０８を機器または他のプラットフォームに取り付けるために使用することができる。いくつかの場合において、取り付け機構はキネマティックマウントを提供して、各レーザモジュール１−１０８、または同じレーザモジュールが、ほぼ同じ位置および位置合わせで（例えば、±１００ミクロン以内まで）再現可能に取り付けられるようになる。取り付け機構２−１０３は、タップが切られているか、または空の状態である穴を含み得る。穴は皿穴加工されるか、または座ぐり加工されることができる。キネマティックマウントの場合、底面（図２−１には図示せず）が第１の取り付け機構のための円錐形接触面またはリング接触、第２の取り付け機構のためのくさび状接触面または２点接触面、および第３の取り付け機構のための平面または１点接触を含む３つの取り付け機構２−１０３を設けることが７できる。代替的に、取り付け機構２−１０３において２つの皿穴加工された穴を使用して、ベースシャーシ２−１０５を受承支持構造に位置合わせすることができる。
【００６０】
レーザモジュール１−１０８のモードロックレーザ１−１１０は、レーザのキャビティの出力端にある出力カプラ１−１１１、利得媒体１−１０５、およびレーザキャビティの反対側の端部にある可飽和吸収体ミラー（ＳＡＭ）１−１１９を含むことができる。レーザキャビティ内に複数のミラー２−１１６、２−１１７、２−１２０、２−１２１、２−１２２、２−１２３、２−１２４、２−１２５を配置して、レーザの光軸１−１２５を折り返して、レーザキャビティの長さを延長して、所望のパルス繰り返し率またはパルス分離間隔Ｔを達成することができる。レーザキャビティ内にビーム整形光学系（例えば、レンズおよび／または曲面ミラー）を配置して、キャビティ内レーザビームのサイズおよび／または形状を変更することもできる。
【００６１】
ここで、１０６４ｎｍのレーザ発振波長で動作するモードロックレーザ用の例示的な光学部品について説明する。本発明の実施形態は記載された光学部品のみに限定されないことが理解されるであろう。いくつかの実施形態では、より少ないか、またはより多い光学部品を使用することができ（例えば、パルス繰り返し率を変更するためにミラーを追加または除去する）、部品上の光学コーティングは、異なる波長でレーザ発振するレーザに対して異なるものとすることができる。
【００６２】
利得媒体１−１０５は、ベースシャーシ２−１０５内に熱を放散する熱伝導性マウント（例えば、アルミニウムまたは銅のブロックまたは他の熱伝導性材料）に取り付けられたネオジムドープ材料を含むことができる。本発明者らは、モードロックレーザが高い平均パワー（例えば、３００ｍＷを超える）で動作すると、利得媒体１−１０５において熱レンズ効果が生じることを認識した。いくつかの事例では、そのような熱レンズ効果はレーザの動作を不安定にする可能性がある。利得媒体から熱伝導性マウントへの熱伝達を改善するために、利得媒体１−１０５をインジウム箔または熱伝導性マウントへの熱伝達を改善する他の適切な材料で包装することができる。いくつかの事例では、銀エポキシまたは他の適切な熱伝導性接着剤を使用して利得結晶を熱マウントに固定することができる。いくつかの事例では、利得媒体１−１０５および熱伝導性マウントは、熱をベースシャーシ２−１０５に逃がすことができる熱電クーラー（ＴＥＣ：ｔｈｅｒｍｏ−ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｃｏｏｌｅｒ）に取り付けることができる。ＴＥＣまたは液体冷却などの他の能動的冷却技術は、利得媒体１−１０５の能動的温度制御を提供し、熱レンズ効果を減少させることができる。
【００６３】
驚くべきことに、本発明者らは、解析モデリングが不安定な共振器を示したレーザキャビティ構成が実験室で安定してレーザ発振できることを見出した。レーザ発振を説明するために、利得媒体内に約１ジオプタを超える量の熱レンズ効果を含むようにモデルを変更しなければならなかった。いくつかの実施形態によれば、大量の熱レンズ効果を許容できるレーザキャビティ構成を得ることができる。結果として、利得媒体の能動的な冷却は、モードロックレーザモジュール１−１１０から取り除くことができる。実施形態では、利得媒体１−１０５は、利得媒体１−１０５からベースシャーシ２−１０５へ受動的に熱を伝導するように、ベースシャーシと接触する熱伝導性マウント内に配置することができる。
【００６４】
利得媒体１−１０５の能動的冷却を排除することは、レーザのコストおよび複雑性を低減することができる。本発明者らは、最大１０ワットの光ポンピングパワーが利得媒体をポンピングするために使用される場合であっても、利得媒体の能動的温度制御を本実施形態のモードロックレーザ１−１１０に使用する必要がないことを確認した。驚くべきことに、関連する熱レンズ効果（正レンズ効果）がポンプの出力範囲に亘って利得媒体の熱誘起焦点距離を０から約１５ジオプタに変えることができるとしても、モードロックレーザ１−１１０はこの範囲のポンプパワーに亘って安定してモードロックされたままである。１５ジオプタを超える熱レンズ効果の場合、レーザキャビティは、モードロック動作や連続波動作をサポートできない不安定な共振器になる可能性がある。利得媒体におけるこのような広範囲の熱レンズ効果にわたるモードロックの安定性は、部分的にはモードロックレーザ１−１１０のための光学部品の選択および配置によるものである。一実施形態によれば、モードロック動作の安定性および改善された性能は、ある量の熱レンズ効果を利得媒体内で生じさせることに大きく依存する。実施形態では、１ジオプタと１５ジオプタとの間の正のレンズ効果の熱レンズ効果の量に対して、モードロックレーザ１−１１０の安定したモードロック動作を得ることができる。熱レンズ効果がこの範囲に亘って変化しても、安定したモードロックを維持するためにレーザキャビティに対して機械的調整を行う必要はない。利得媒体１−１０５内の熱レンズ効果の量が８ジオプタと１２ジオプタとの間の正の熱レンズ効果であるとき、モードロックレーザの改善された性能を得ることができる。連続波動作では、０ジオプタと少なくとも１５ジオプタとの間の正の熱レンズ効果があり得る。熱レンズ効果の量（約４ジオプタを超える）は、（例えば、ヘリウムネオンレーザまたはレーザダイオードからの）連続波レーザプローブビームを（例えば、ある角度で）利得媒体１−１０５を通過させて、「ポンプビームオン」状態と「ポンプビームオフ」状態との間で利得媒体から一定の距離を置いてプローブビームの相対変位を測定することによって測定することができる。ポンプビームオン状態は、レーザダイオードのポンプビームがオンであり、レーザ１−１１０のモードロックレーザ発振のために利得媒体１−１０５を励起するときである。相対変位が小さくなるため、４ジオプタ以下の値を正確に測定することは困難である。
【００６５】
利得媒体１−１０５における光ポンプビームの吸収は、利得媒体において熱レンズ効果を引き起こす可能性がある。実施形態では、利得媒体における熱レンズ効果の量は、利得媒体１−１０５に適用される光ポンプビームのパワー量を変化させること（例えば、ポンプモジュール２−１４０からのパワー量を変化させること）によって変化させることができる。追加的または代替的に、利得媒体内の熱レンズ効果の量は、利得媒体１−１０５を励起するために使用される光ポンプビームの光波長を調整することによって変化させることができる。光ポンプビームの波長の調整は、例えば、ポンプモジュール２−１４０内のレーザダイオードの温度を調整することによって実行することができる。ポンプビームの波長を調整することは、利得媒体１−１０５における光ポンプビームの吸収量を変化させることができる。
【００６６】
いくつかの実施態様では、利得媒体１−１０５は、１０６４ｎｍでのレーザ発振を提供することができるバナジン酸ネオジム（ｎｅｏｄｙｍｉｕｍ  ｖａｎａｄａｔｅ）（例えば、Ｎｄ３＋：ＹＶＯ４）を含むことができる。他の実施形態では、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、およびＣｒ：フォルステライトなどであるが、これらに限定されない他の固体結晶を使用することができる。いくつかの実施形態では、キャビティ内の光学部品がこの波長でレーザ発振するように設計されコーティングされている限り、バナジン酸ネオジム利得媒体１−１０５を使用して１３４２ｎｍでレーザ発振を代替的または付加的に提供することができる。利得媒体は、いくつかの事例では、３ｍｍ〜１１ｍｍの長さを有することができる。いくつかの実施形態では、利得媒体の長さは５ｍｍ〜９ｍｍであり得る。いくつかの事例では、ネオジムドーパントレベル（原子％）は０．１０％〜１％とすることができる。いくつかの実施形態では、ドーパントレベルは０．１０％〜０．５０％とすることができる。いくつかの実施形態では、ドーパントレベルは０．２４％〜０．３０％とすることができる。いくつかの実施形態によれば、結晶長は約７ｍｍとすることができ、ドーパントレベルは約０．２７％とすることができる。本発明者らは、約７ｍｍの長さに対して０．３％よりかなり高いドーピングレベル（原子％）が、より高い動作パワーでのレーザの動作を不安定にし（例えば、高次空間モードでレーザ発振を誘発するか、またはモードロックを不安定にするかまたは終了させる）、これは、キャビティ内部品を再調整することを不所望に必要とする可能性があることを見出した。例えば、１％ドーピングでは、モードロックがあるポンプパワーレベルを超えて終了され、モードロックを回復するためにキャビティ内光学素子を再調整しなければならなかった。利得媒体１−１０５の横方向寸法（単数または複数）は、任意の適切な値（例えば、１ｍｍ〜４ｍｍ）とすることができる。利得媒体は、円筒形ロッド、矩形バー、または他の任意の形状の形態とすることができる。
【００６７】
いくつかの実施形態では、利得媒体１−１０５の端面は、レーザ発振波長λｌ（バナジン酸ネオジムの場合、約１０６４ｎｍであり得る）およびポンプ波長λｐ（バナジン酸ネオジムの場合、約８０８ｎｍであり得る）に対して反射防止コーティングされ得る。いくつかの実施形態では、利得媒体の一方の端面を出力カプラコーティングで被覆して、端面がレーザキャビティの端部ミラーとして機能し、別個の出力カプラ１−１１１を使用する必要がないようにすることができる。
【００６８】
利得媒体１−１０５は、レーザキャビティの光軸１−１２５に対して約１度と約３度との間の角度に配向された法線ベクトルを利得媒体の端面が有するような向きで、非調整可能なマウント（微細な角度調整または位置調整を提供しないマウント）に取り付けることができる。例えば、利得媒体用の熱伝導性マウントは、利得媒体１−１０５が配置される凹部を含むことができる。凹部は、利得媒体を熱伝導性マウントに整列させることができる。熱伝導性マウントは、ベースシャーシ２−１０５上の特徴（例えば、機械加工された表面、ピン、ねじ穴のうちのいずれか１つまたはそれらの組み合わせ）に位置合わせして、利得媒体をレーザキャビティの光軸１−１２５に対してある角度で位置合わせさせることができる。いくつかの実施形態によれば、利得媒体１−１０５は、レーザ発振を目的とした好ましい偏光と整列するように、そのマウント内でカットおよび配向されることができる。例えば、利得媒体１−１０５は、図２−１のＹ軸に平行な直線偏光でレーザ発振するように配向することができる。
【００６９】
いくつかの実施形態による、利得媒体用の熱伝導性マウント３−１００の一例が図３−１Ａに示されている。図示のマウント３−１００は、正方形の断面を有する利得媒体用に設計されているが、マウント３−１００は、長方形、円形、楕円形、または多角形などの他の断面用に設計することもできる。いくつかの実施形態によれば、利得媒体用の熱伝導性マウント３−１００は、クランプ構成で互いに接合されるように構成されている第１の部分３−１２０および第２の部分３−１２２を含むことができる。例えば、第１の部分３−１２０および第２の部分３−１２２は、２つの部分をベースシャーシ２−１０５に固定して熱的に接触させることを可能にするねじ（図示せず）用の貫通孔３−１４０を含むことができる。貫通孔３−１４０内に配置されたねじは、マウント３−１００をベースシャーシ２−１０５に位置合わせし、利得媒体１−１０５をクランプすることができる。第１の部分３−１２０および第２の部分３−１２２は、銅またはアルミニウムなどの高熱伝導材料から形成することができるが、他の実施形態では他の材料を使用することができる。第１および第２の部分は、利得媒体１−１０５と熱的に接触するように配置されるように構成された内面３−１１５を有することができる。いくつかの実施形態によれば、（例えば、利得媒体１−１０５がマウント構造３−１００に取り付けられるとき）利得媒体１−１０５の角部が位置し得るマウントの領域に配置されたトレンチまたは開口部３−１３０を設けることができる。トレンチ又は開口部は、利得媒体１−１０５の角部の位置のいずれかの側で約０．５ｍｍと約３ｍｍとの間で延在してもよい。本発明者らは、利得媒体１−１０５に対するマウント３−１００の角部にある開口部が、そうでなければ利得媒体１−１０５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。
【００７０】
利得媒体１−１０５用の熱伝導性マウント３−１０１の他の例が図３−１Ｂに示されている。マウント３−１０１は第１の部分３−１２１と第２の部分２−１２３を含むことができる。第１の部分３−１２１は、利得媒体１−１０５（図示せず）と比較してわずかに大型の第１の部分に機械加工された凹部３−１３１を含むことができる。いくつかの実施形態では、利得媒体（例えば、バナジン酸ネオジム結晶）を、熱伝導性接着剤またはゲルを用いて凹部３−１３１内に凹部の内面３−１１６に接着することができる。大型の凹部３−１３１は、利得媒体１−１０５に作用し得るマウント３−１０１からの機械的応力を回避することができる接着剤またはゲルの薄い層（例えば、４００ミクロン未満の厚さ）を収容することができる。利得媒体はまた、レーザキャビティ１−１１０内に固定されたときに、第２の部分３−１２３の表面に接着することができる。いくつかの実施形態では、第２の部分３−１２３は、ベースシャーシ２−１０５（例えば、プラットフォームまたはベースシャーシ２−１０５に機械加工された他の支持構造）に形成することができる。第１の部分３−１２１は、例えば、ねじで第２の部分３−１２３に連結することができる。
【００７１】
いくつかの実施形態によれば、コンパクトなモードロックレーザ用の出力カプラ１−１１１は、表面品質が１０〜５（スクラッチおよびディグ）であり、波面誤差が最大でλ／１０の高品質のレーザ光学素子とすることができる。出力カプラ１−１１１の一方の表面は多層誘電体で被覆されて、レーザ発振波長λｌに対して約７５％と約９５％との間の値を有する反射率を提供し、かつ（最小の反射率で）利得媒体１−１０５を励起するために使用されるポンプ波長λｐの透過を可能にする。他の実施形態では、レーザ発振波長は約１０６４ｎｍであり、ポンプ波長は約８０８ｎｍであり得るが、いくつかの実施形態では、他の波長を使用することができる。いくつかの実施形態では、レーザ発振波長での出力カプラの反射率は８２％と８８％との間である。本発明者らは、この範囲の反射率内の出力カプラが、レーザの安定動作で所望の量の出力パワーを提供し、かつレーザの動作範囲に亘って可飽和吸収体ミラー１−１１９上に適切な量のフルエンスを提供することを見出した。
【００７２】
出力カプラ１−１１１の第２の面（レーザ出力側）は、ポンプ波長とレーザ発振波長の両方に対して反射防止コーティングで被覆することができ、かつ出力カプラの反射面に対してある角度（例えば、約１度と約４度との間）で配向されることができる。本発明者らは、出力カプラ１−１１１の出力（透過）面からのレーザ発振波長の少量の反射が、モードロックレーザからのパルスを著しくかつ不利に広げる可能性があることを見出した。いくつかの実施形態によれば、出力カプラ上のコーティングは、ごくわずかな反射でポンプ波長λｐを透過させるように二色性である。
【００７３】
いくつかの実施形態によれば、出力カプラ１−１１１は、２つの直交軸（例えば、図２−１のＹ軸およびＸ軸を中心とする）の周りで光軸１−１２５に対して角度調整を提供する２軸調整マウントに取り付けることができる。いくつかの実施形態では、出力カプラ１−１１１は、ベースシャーシ２−１０５に一体化することができる非調整可能なマウントに取り付けることができる。非調整可能なマウントは、コンパクトなレーザのコストおよび複雑性を低減する。さらに他の実施形態では、出力カプラ１−１１１は、透明基板と１つまたは複数の光学コーティングとを備える別個の光学部品の代わりに、利得媒体１−１０５の端面上の多層光学コーティングとして形成することができる。
【００７４】
出力カプラまたは他の光学部品用の一体型の非調整可能なマウントの一例を図３−２Ａおよび図３−２Ｂに示す。一体型マウントは、光学部品をレーザの光軸１−１２５にセルフアライメントすることができる。図３−２Ａに示されるような一体型光学マウント３−２１０は、モードロックレーザ１−１１０のベースシャーシ２−１０５に機械加工されるか、そうでなければ形成される軸方向トレンチ３−２２０を含むことができる。軸方向トレンチ３−２２０は、モードロックレーザキャビティの光軸と平行な方向に延在することができる。一体型光学マウント３−２１０は、軸方向トレンチ３−２２０に対してほぼ横方向に形成されている共平面３−２３０をさらに含むことができる。共平面は、軸方向トレンチ３−２２０とほぼ直交する方向に短いトレンチを機械加工また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３−２３０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、小さい角度で配向されることができる。軸方向トレンチ３−２２０の基部には、傾斜面３−２４０（図３−２Ａでは１つのみが見えている）があり得る。傾斜面３−２４０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３−２２０の両側に位置することができる。傾斜面３−２４０は、共平面３−２３０に向かう方向に傾斜し、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。
【００７５】
例えば、モードロックレーザ用の光学部品（光学素子）３−２５０は、図３−２Ｂに示すように、一体型光学マウント３−２１０によって支持することができる。光学素子３−２５０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を含むことができる。いくつかの事例において、光学素子３−２５０は、図面に示すように、単独で一体型光学マウント３−２１０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、一体型光学マウント３−２１０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、調整可能なマウント）内に取り付けることができる。
【００７６】
いくつかの実施形態によれば、光学部品３−２５０、または支持固定具は、一体型光学マウント３−２１０の同一平面上の表面３−２３０に位置合わせされて当接する平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、ベースシャーシ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）によって一体型マウント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３−２５０又は支持固定具の上縁に接することができ、傾斜面３−２４０及び共平面３−２３０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３−２５０又は支持固定具の下縁は、傾斜面３−２４０上の点に接することができる。傾斜面３−２４０もまた、部分的に共平面３−２３０に向かって方向付けられる成分を有する、光学素子又は固定具に対抗する力を提供することができる。傾斜面３−２４０にある接点及び共平面３−２３０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セルフアライメント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一体型光学マウント内に（例えば、接着剤を用いて）接合することができる。
【００７７】
いくつかの実施形態によれば、１つまたは複数の一体型光学マウント３−２１０をモードロックレーザ１−１１０のベースシャーシに形成することができる。いくつかの事例では、図３−２Ａに示すように、軸方向トレンチ３−２２０はいくつかの一体型光学マウントを通じて延在することができる。一体型光学マウントの有利な特徴の中でも、モードロック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シャーシの表面から延在する光学マウントに結合され、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シャーシの表面から延在する光学マウントの動きによって増幅される場合がある熱膨張（例えば、ベースシャーシ２−１０５がわずかに反る）の影響を低減することができる。
【００７８】
再び図２−１を参照すると、本発明者らは、出力カプラ１−１１１と利得媒体１−１０５との間の距離を変更することによって、モードロックパルスの時間プロファイル（パルス持続時間とも呼ばれる）のＦＷＨＭ値を変更することができることを見出した。レーザのモードロックは、出力カプラ１−１１１と利得媒体１−１０５との間の距離を０ｍｍから１０ｍｍの間で変化させることによって達成することができ、パルス持続時間は、約９ピコ秒から約３８ピコ秒の間で変化させることができる。この範囲の距離は、異なるパルス幅を得るために異なる距離を選択することによって得られる。いくつかの実施形態によれば、出力カプラ１−１１１と利得媒体１−１０５との間の距離は、４ｍｍと８ｍｍとの間に設定される。
【００７９】
本発明者らはまた、出力カプラ１−１１１におけるレーザのキャビティ内ビームウェストが１００ミクロンから１８０ミクロンの間であるときに、ある範囲の平均レーザ発振パワーにわたって安定で効率的な動作が達成されることを見出した。出力カプラ１−１１１におけるビームウェストの値は、曲面ミラー２−１１７のようなキャビティ内光学素子によって、出力カプラから曲面ミラーまでの距離によって、および利得媒体１−１０５内のポンプビームウェストによって部分的に決定される。いくつかの実施形態によれば、利得媒体におけるレーザ発振波長のビームウェストは、利得媒体１−１０５におけるポンプビームウェストよりも著しく小さくすることができる。例えば、利得媒体におけるレーザ発振波長に対するビームウェストは、利得媒体において１００ミクロンと１５０ミクロンとの間とすることができ、ポンプビームに対する最小ウェストは、１８０ミクロンと２５０ミクロンとの間とすることができ、ポンプビームは、その光軸に関して完全に対称的ではないものとし得る。出力カプラ１−１１１における、かつ利得媒体１−１０５内のビームウェストの値はまた、第２の曲面ミラー２−１２７の焦点距離および可飽和吸収体ミラー１−１１９までの第２の曲面ミラー２−１２７の距離によって影響され得る。レーザダイオードポンプビームよりもモードロックレーザ１−１１０のレーザ発振ビームに対するビームウェストを小さくすることは、モードロックレーザ動作の安定性を改善することができる（例えば、レーザが利得媒体１−１０５内のレーザビームとレーザダイオードポンプビームとの相対運動によるパワー変動およびモードロック変動の影響を受けにくくすることができる）。用語「ビームウェスト」は、レーザビーム強度がビームの両側でピーク値から１／ｅ２値まで低下する空間的範囲を指すために使用される。円形ビームは、単一ビームウェストによって特徴付けられ得る。楕円形のビームは、ビームの短軸に対するビームと長軸に対するビームの２つのビームウェストで特徴付けられ得る。
【００８０】
レーザキャビティの反対側の端部には、可飽和吸収体ミラー（ＳＡＭ）１−１１９が取り付けられている。図３−３を参照すると、ＳＡＭは、非線形光吸収を示す多層半導体構造３−３１２（例えば、多重量子井戸）と、基板３−３０５上に形成された高反射器３−３３０とを含むことができる。非線形光吸収は、レーザに受動モードロックを誘起することができる。例えば、ＳＡＭは、低い光強度でより高い吸収および損失を示し、高い光強度でブリーチングするかまたはほとんど吸収を示さず、かつより少ない損失を示し得る。半導体構造３−３１２は、高反射器３−３３０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半導体構造が位置するように、ＳＡＭ内の高反射器３−３３０から離間されることができる。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、高強度の光パルスは低強度の連続波レーザ動作よりもキャビティ内での損失が少ないので、レーザはパルス動作モード（受動モードロック）で優先的に動作する。
【００８１】
いくつかの実施形態では、ＳＡＭの表面を光軸１−１２５（図中のＺ軸）に対して横断する方向に移動させることができるように、ＳＡＭ１−１１９を回転および／また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。いくつかの場合において、ＳＡＭ１−１１９は、例えばレーザキャビティのアライメントに役立つように角度調整を提供するマウント上に取り付けられることができる。
【００８２】
他の実施形態では、ＳＡＭは非調整可能なマウント２−１１９上に取り付けられることができる。非調整可能なマウントは、ＳＡＭからベースシャーシ２−１０５（図示せず）に熱を放散するアルミニウムまたは銅などの熱伝導体を含むことができる。いくつかの実施形態では、ＳＡＭマウント２−１１９は、ＳＡＭが熱伝導性接着剤で接着されるアルミニウムまたは銅または任意の適切な熱伝導性材料のプレートを含むことができる。いくつかの実施形態では、ＳＡＭは、ＳＡＭマウント２−１１９として使用されるプリント回路基板の一部分上の銅箔に接着することができる。ＳＡＭマウントは、ベースシャーシ内の機械加工面またはベースシャーシに取り付けられた固定具の表面に、ＳＡＭマウントがレーザの光軸１−１２５に対しておおよそ位置合わせされることを可能にする１つまたは複数のねじで取り付けることができる。例えば、ＳＡＭマウントは、ベースシャーシに固定されたときにＸ方向およびＹ方向に手で粗く位置決めすることができるが、それ以外に、ＳＡＭ上に入射するモードロックレーザのキャビティ内ビームの光軸に対してＳＡＭの表面を精密に角度調整する（例えば、２つの自由度で）ことはできない。レーザキャビティ内の他の光学部品を使用して、ＳＡＭ上の光軸の入射角および位置を調整することができる。ＳＡＭ１−１１９を固定マウント上に取り付けることによって、多軸／多角度調整マウントに関連するコストおよび複雑性を取り除くことができる。
【００８３】
いくつかの実施形態によれば、ＳＡＭはヒ化ガリウム半導体組成物から形成することができる。ＳＡＭは、より大きな基板またはウェハから切り取ることができ、ＳＡＭの面を横切る最大寸法が１ｍｍと３ｍｍとの間の正方形の形状とすることができる。ＳＡＭの吸収の緩和時間は１０ｐｓと３０ｐｓとの間とすることができる。ＳＡＭの不飽和吸収は、２％と６％との間とすることができる。ＳＡＭの変調度は、ＳＡＭの不飽和吸収の６０％と７４％との間とすることができる。いくつかの実施態様では、緩和時間は約２５ｐｓであり、非飽和吸収は約４％である。そのようなＳＡＭ１−１１９は、１２ｐｓと２０ｐｓとの間のパルス持続時間を有するモードロックレーザ発振をサポートすることができる。いくつかの実施形態では、ＳＡＭの飽和フルエンスは、約７０マイクロジュール／ｃｍ２（μＪ／ｃｍ２）とすることができる。
【００８４】
本発明者らは、ヒ化ガリウムＳＡＭの長期動作のためには、キャビティ内レーザビームからのＳＡＭ上の光フルエンスが２．５ミリジュール／ｃｍ２（ｍＪ／ｃｍ２）未満に保たれるべきであることを認識し、評価するに至った。５ｍＪ／ｃｍ２以上の値では、ＳＡＭが損傷する可能性がある。いくつかの実施形態では、ＳＡＭ上のフルエンスは、ＳＡＭの飽和フルエンスの約１０倍未満に保つことができる。ＳＡＭ上のフルエンスは、ＳＡＭにおけるビームウェストを制御することによって（例えば、レーザキャビティ内に配置された曲面ミラー２−１２７を用いて）、および出力カプラ１−１１１の反射率を選択してキャビティ内パワーを制御することによって制御することができる。いくつかの実施形態によれば、ＳＡＭにおけるビームウェストは、出力カプラ反射率が８２％と８８％との間であるとき、８０ミクロンと１２０ミクロンとの間とすることができる。
【００８５】
出力カプラ１−１１１とＳＡＭ１−１１９との間に、レーザキャビティの光軸を複数回折り返す複数のミラーを設けることができる。これらのミラーのいくつか（例えば、図２−１を参照すると、ミラー２−１１５、２−１２０、２−１２１、２−１２２、２−１２３、２−１２４、２−１２５）は、平坦な面を有することができ、かつ非調整可能なマウントに取り付けられることができる。いくつかの実施形態によれば、２つのミラー２−１１７、２−１２７は曲面を有することができ、かつ集束反射器（ｆｏｃｕｓｉｎｇ  ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）を含むことができる。いくつかの事例では、ミラー２−１１７、２−１２７用の集束反射器の代わりに、他のタイプの集束光学系（ｆｏｃｕｓｉｎｇ  ｏｐｔｉｃ）（例えば、レンズまたは複合レンズ）を使用することができる（例えば、キャビティ内ビームがミラー２−１１７またはミラー２−１２７の位置で折り返されない場合）。レーザの光軸を折り返すために使用される平面ミラーおよび曲面ミラーに関して、ミラーの反射率は、ミラーが使用される入射角でのレーザ発振波長に対して非常に高くなり得る。例えば、そのようなミラーの反射率は、ある場合には９９％よりも大きく、さらにある場合には９９．５％よりも大きくすることができる。１つまたは複数の折り返しミラーの表面品質は、少なくとも１０〜５（スクラッチおよびディグ）とすることができ、波面誤差は最大でλ／１０とすることができる。いくつかの事例では、１つまたは複数の折り返しミラーの表面品質は、少なくとも４０〜２０（スクラッチおよびディグ）とすることができ、波面誤差は最大でλ／１０とすることができる。スクラッチおよびディグの表面品質に対するより高い値は、折り返しミラーのコストを大幅に削減することができる。
【００８６】
いくつかの実施形態では、ミラーのうちの少なくとも１つ（たとえば、ミラー２−１２４）は、利得媒体１−１０５からＳＡＭ１−１１９への単一の通過のためにキャビティ内ビームを複数回折り返すことができる。図２−１に示す例示的な構成では、利得媒体１−１０５からＳＡＭ１−１１９に進む光パルス１−１２０の跳ね返りシーケンスは、ミラー２−１１５、２−１１７、２−１２０、２−１２１、２−１２２、２−１２３、２−１２４、２−１２５、２−１２４、２−１２７、２−１２４からＳＡＭ１−１１９に達する反射のシーケンスである。このシーケンスでは、キャビティ内ミラーのうちの１つのミラー２−１２４が多重反射のために使用され、ビームがレーザキャビティの一端から他端へ進むときに、少なくとも２回の反射に対してこのミラー上で入射角の符号が反転される。例えば、図２−１を参照すると、ビームが出力カプラ１−１１１からＳＡＭ１−１１９に進むとき、ミラー２−１２４上の第１の入射角は＋Ｚ方向であり、第２の入射角は−Ｚ方向である。ＳＡＭ１−１１９から反射した後、パルスは次に逆跳ね返りシーケンスで利得媒体に戻る。コンパクトなレーザモジュール内で光軸が複数回折り返すことによって、キャビティ長を延長して、２００ＭＨｚ未満で５０ＭＨｚ程度の低いパルス繰り返し率を得ることができる。パルス繰り返し率は、レーザキャビティの長さに依存し、これは、キャビティ内のミラー間の跳ね返りの数およびミラー間の距離によって部分的に決定される。いくつかの実施形態によれば、パルス繰り返し率は、ミラーを再配置し、かつ第１の曲面ミラー２−１１７と第２の曲面ミラー２−１２７との間のキャビティ内のミラーを追加または除去して、出力カプラ１−１１０と可飽和吸収体ミラー１−１１９との間の光路長を増減することによって変更することができる。キャビティ内ビームは第１の曲面ミラー２−１１７と第２の曲面ミラー２−１２７との間でほぼコリメートされているので、ビームがこの領域でコリメートされていない場合よりも、パルス繰り返し率への変更をより容易に行うことができる。いくつかの実施形態では、ミラーを再配置して異なるパルス繰り返し率を得るために、追加の一体型光学マウントをベースシャーシ内に形成することができる。
【００８７】
上記のように、本発明者らは、バイオ光電子チップ上のサンプルの超並列分析には、２００ＭＨｚ未満かつ５０ＭＨｚ程度の低いパルス繰り返し率が望ましいことを認識し、評価するに至った。しかしながら、複数回使用されるいくつかのミラーを有する複数のミラーを使用することは、何時間にも亘る安定したモードロックレーザ発振を維持するために、ミラーの互いに対する非常に高度の安定性を必要とする。補強リブを含むベースシャーシ２−１０５内の支持面に対してミラーを一体的に取り付けることにより、ミラーの必要な安定性および安定したモードロック動作を達成することができる。
【００８８】
図３−４に、折り返しミラー用の非調整可能なマウントの例を示す。いくつかの実施形態によれば、マウントは、機械加工されるか、それ以外にベースシャーシ２−１０５に形成することができる。マウントは、間隔を置いて配置された２つの傾斜面３−４２４に隣接して配置された支持および整列壁３−４１０を備えることができる。いくつかの実施形態によれば、傾斜面は２つの突出部３−４２０上に形成することができる。いくつかの実施形態では、単一の傾斜面を設けることができる。図に示されているように、傾斜面（単数または複数）は整列壁３−４１０に向かって傾斜することができる。１つまたは複数のねじ穴３−４３０が壁に隣接して設けることができる。光学部品（例えば、平面ミラーまたは曲面ミラー）は、裏側が整列壁３−４１０に当接した状態で、傾斜面（単数または複数）３−４２４に配置することができる。柔軟なまたは可撓性の構成要素を有するクランプ構成要素（図示せず）は、光学部品を整列壁に対して保持するために、１つまたは複数のねじ穴（単数または複数）３−４３０を介して固定されることができる。
【００８９】
整列壁３−４１０は、整列壁３−４１０に対して保持されている光学部品がレーザキャビティを通るレーザビームの計画した光軸に対して所望の角度でほぼ位置合わせされるように、選択された向きでベースシャーシ２−１０５に機械加工されることができる。本発明者らは、ベースシャーシに平行な平面内における角度（例えば、図２−１のＸＺ平面内レーザビームの入射角および反射角を画定する角度）に対して機械加工することによって、整列壁３−４１０を高度な角度精度で形成できることを認識し、かつ評価するに至った。しかしながら、整列壁３−４１０を形成することの機械加工精度は、ベースシャーシに平行な平面外にレーザビームを偏向させ得る角度に関しては著しく低い。従って、利得媒体１−１０５とＳＡＭ１−１１９との間のミラーマウントの１つは、ベースシャーシと平行な平面外にレーザビームの偏向を生じさせ得る製造誤差に適応するための角度調整（１つの自由度）を含むことができる。いくつかの実施形態によれば、単一の自由度を有するミラーマウントは、利得媒体とＳＡＭとの間の距離の４分の１と４分の３との間に配置される。
【００９０】
いくつかの実施形態では、１つの折り返しミラー２−１１５は、キャビティ内の放射の偏光を制御し、ポンプビーム放射（図２−１の太い破線として示される）の監視を可能にするように構成することができる。例えば、折り返しミラー２−１１５は、偏光（ベースシャーシの面外へのＹ方向への偏光）を９９％を超える高い反射率、さらに、いくつかの事例では、９９．５％を超える高い反射率で反射し、かつ直交ｐ偏光に対する反射率が低くなって、ｐ偏光のレーザ発振が防止されるようにコーティングされることができる。いくつかの事例では、折り返しミラー２−１１５は、２０％を超えるｐ偏光を透過させ、かつｓ偏光を高い反射率で反射する偏光ビームスプリッタとすることができる。折り返しミラー２−１１５はさらに、ミラーの後方に位置する光検出器２−１１６にポンプビーム放射の大部分またはほぼ全部を伝達することができる。いくつかの実施形態では、折り返しミラーは、ポンプビーム放射の透過を可能にするための二色性コーティングを含むことができる。他の実施形態では、二色性コーティングを使用しなくてもよく、レーザ発振波長用のコーティングは、検出のために折り返しミラー２−１１５を通過するポンプビーム放射の適切な透過を可能にし得る。光検出器２−１１６からの出力は、信号処理および／または外部信号プロセッサへの送信のためにＰＣＢ２−１９０に供給することができる。
【００９１】
いくつかの実施形態では、利得媒体１−１０５およびＳＡＭ１−１１９内で所望のビームウェストサイズを得るために、２つの曲面ミラー２−１１７、２−１２７を設計し、レーザキャビティ内に配置することができる。第１の曲面ミラー２−１１７は、利得媒体１−１０５の近傍のレーザキャビティの第１の部分に配置することができる。第２の曲面ミラー２−１２７は、ＳＡＭ１−１１９の近傍のレーザキャビティの第２の部分に配置することができる。少なくとも曲面ミラーの間には、レーザの光軸を折り返してキャビティ長延長領域においてレーザキャビティの長さを延長する複数の折り返しミラーを設けることができる。キャビティ長延長領域においてキャビティの長さを延長するために、ミラー２−１２７とＳＡＭ１−１１９との間にキャビティ内レーザビームを複数回折り返すミラー２−１２４を追加的に設けることができる。例えば、図２−１に示すように、曲面ミラー２−１２７およびミラー２−１２４は、これら２つの反射器からのキャビティ内ビームを即時の連続的な跳ね返りで３回折り返すことができる。
【００９２】
いくつかの実施形態によれば、第１の曲面ミラー２−１１７は、球面反射器とすることができ、かつ２４０ｍｍと２６０ｍｍとの間の焦点距離ｆ１を有することができる。この反射器の焦点距離の許容誤差は、焦点距離の±１％とすることができる。本発明者らは、焦点距離が約２５０ｍｍの第１の曲面ミラー２−１１７を出力カプラ１−１１１から２３０ｍｍと３１０ｍｍとの間に配置することができ、異なる特性を有する安定したモードロック動作を得ることができることを見出した。いくつかの実施形態によれば、第１の曲面ミラーを出力カプラから２８０ｍｍと３００ｍｍとの間に配置して、コンパクトなレーザモジュールの広範囲の動作パワーに亘って安定したモードロック動作を得ることができる。この構成では、利得媒体１−１０５を出力カプラから４ｍｍと８ｍｍとの間に配置することができる。第１の曲面ミラー２−１１７の焦点距離と利得媒体１−１０５および出力カプラ１−１１１に対する第１の曲面ミラー２−１１７の位置、および第２の曲面ミラー２−１２７の焦点距離とＳＡＭ１−１１９に対する第２の曲面ミラー２−１２７の位置は、利得媒体内のキャビティ内ビームのビームウェストを決定することができる。
【００９３】
他の実施形態では、第１の曲面ミラー２−１１７の焦点距離は他の値を有してもよい。例えば、より低いパワーで動作するよりコンパクトなモードロックレーザに対しては、より短い焦点距離ｆ１＜２３０ｍｍを使用することができる。実施形態において、出力カプラ１−１１１は、焦点距離ｆ１の３０％以内の値の範囲（例えば、０．７ｆ１＜ｄ１＜１．３ｆ１）内にある第１の曲面ミラー２−１１７からの距離ｄ１に配置することができる。いくつかの事例では、０．９ｆ１＜ｄ１＜１．３ｆ１である。
【００９４】
いくつかの実施形態では、第１の曲面ミラー２−１１７は、レーザの光軸に対するミラーの配向角度（面内の角度および面外の角度）を調整するための２つの自由度のみを提供する調整可能なマウントに取り付けられることができる。調整可能なマウントは、オペレータが、レーザの動作を安定性、ビーム品質、出力パワー、および／またはパルス特性に関して調整することができるように、レーザがレーザ発振している間に、光学部品の位置（Ｘ、Ｙ、Ｚのうちの１つまたは複数）および／または向き（入射キャビティ内ビームの光軸に対するピッチおよび／またはヨー）を微調整することを可能にする。微調整は、例えば、ミラーマウント上でのマイクロメータ及び／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。
【００９５】
レーザがレーザ発振している間にリアルタイムでレーザキャビティを位置合わせするための唯一の調整として、第１の曲面ミラー２−１１７に対して２つの自由度のみを提供し、折り返しミラー（例えば、ミラー２−１２３）に対して１つの自由度のみを提供することにより、コンパクトなモードロックレーザモジュールのコストおよび複雑性を低減することができる。他の事例では、例えば、第１の曲面ミラー２−１１７用のミラーマウントは、ミラーの位置を調整するための追加の自由度を含むことができる。いくつかの実施形態によれば、ポンプビームを整列または再整列させ、モードロックレーザからの出力パワーを増大させるために、曲面ミラー２−１１７を調整した後にポンプモジュール２−１４０に対する調整を行うことができる。
【００９６】
第２の曲面ミラー２−１２７は球面反射器とすることができ、かつ２４０ｍｍと２６０ｍｍの間の焦点距離ｆ２を有することができる。この反射器の焦点距離の許容誤差は、焦点距離の±１％とすることができる。本発明者らは、焦点距離が約２５０ｍｍの第２の曲面ミラー２−１２７をＳＡＭ１−１１９から２６０ｍｍと２９０ｍｍとの間に配置することができ、異なる特性を有する安定したモードロック動作を得ることができることを見出した。いくつかの実施形態によれば、第２の曲面ミラーをＳＡＭ１−１１９から２７０ｍｍと２８５ｍｍとの間に配置して、コンパクトなレーザモジュールの広範囲の動作パワーに亘って安定したモードロック動作を得ることができる。第２の曲面ミラー２−１２７の焦点距離およびＳＡＭ１−１１９に対する第２の曲面ミラー２−１２７の位置は、ＳＡＭ１−１１９におけるキャビティ内ビームのビームウェストを決定することができ、かつ利得結晶におけるビームウェストにも影響を与えることができる。
【００９７】
他の実施形態では、第２の曲面ミラー２−１２７の焦点距離は他の値を有してもよい。例えば、より短いパワーで動作するよりコンパクトなモードロックレーザに対しては、より短い焦点距離ｆ２＜２４０ｍｍを使用することができる。実施形態では、ＳＡＭ１−１１９は、焦点距離ｆ２の２０％以内の値の範囲（例えば、０．８ｆ２＜ｄ２＜１．２ｆ２）内にある第２の曲面ミラー２−１２７からの距離ｄ２に配置することができる。いくつかの事例では、ｆ２＜ｄ２＜１．２ｆ２である。
【００９８】
レーザモジュールのコストおよび複雑さを低減するために、第２の曲面ミラー２−１２７は、例えば図３−４に関連して上述したように、非調整可能なマウントに取り付けることができる。上述のように、（第１の曲面ミラー２−１１７および折り返しミラー２−１２３を除く）レーザキャビティ内のすべての反射部品は、セルフアライニング式の非調整可能なマウントに取り付けることができる。さらに、第１の曲面ミラー２−１１７は角度調整に対して２つの自由度のみを有し、折り返しミラー２−１２３は角度調整に対して１つの自由度のみを有するようにすることができる。本発明者らは、いくつかの実施形態によれば、これら３つの調整のみを使用して、モードロックレーザキャビティを長期間安定した動作のために位置合わせすることができることを見出した。例えば、第１の曲面ミラー２−１１７を使用して、利得媒体１−１０５からビームを受け取るために固定位置に取り付けられているＳＡＭ１−１１９へビームを導くことができる。（図２−１の±Ｙ方向における）いかなる面外変位も、折り返しミラー２−１２３上の単一度の角度調整を調整することによって対処することができる。ＳＡＭ１−１１９が、同じ経路に沿ってビームが反射して戻るように垂直入射でキャビティ内ビームを受け取らない場合、ＳＡＭへの入射角は、第２の曲面ミラー２−１２７上でキャビティ内ビームを並進させることによって調整することができる。ＳＡＭ１−１１９はほぼ第２の曲面ミラーの焦点にあるので、このミラー上のビームの並進によって、ＳＡＭにおける入射角が変更される。第１の曲面ミラー２−１１７に対して角度調整を行うことによって、キャビティ内ビームを第２の曲面ミラーの表面を横切って並進させることができる。キャビティ内ビームがＳＡＭ１−１１９から第１の曲面ミラー上に反射して戻るまで、第１の曲面ミラーに対して調整を行うことができる。
【００９９】
本発明者らは、ＳＡＭ上のキャビティ内レーザビームのスポットサイズが、第２の曲面ミラー２−１２７とＳＡＭ１−１１９との間の距離の変化よりも、第１の曲面ミラー２−１１７とレーザの出力カプラ１−１１１との間の距離の変化に対してより敏感であり得ることを見出した。この結果は、第１の曲面ミラー２−１１７と第２の曲面ミラー２−１２７との間の延長されたキャビティの長さに関連する。この延長されたキャビティの長さは、レーザキャビティの長さの半分より長くすることができ、その長さを通してキャビティ内レーザビームはほぼコリメートされることができる。曲面ミラー２−１１７と出力カプラ１−１１１との間の距離の変化は、延長されたキャビティ内のコリメーションに影響を与える可能性があり、それは第２の曲面ミラー２−１２７におけるビームサイズの変化を増幅する可能性がある。増幅は、第２の曲面ミラー２−１２７とＳＡＭ１−１１９との間の距離の変化よりも強くＳＡＭ１−１１９におけるスポットサイズに引き続き影響を与える。従って、第１の曲面ミラー２−１１７の配置は、ＳＡＭ１−１１９上のフルエンスを調整するために使用することができる。いくつかの実施形態では、増幅効果は、第２の曲面ミラー２−１２７の焦点距離を長くすることによって低減することができる。
【０１００】
利得媒体１−１０５内のビームウェストが１００ミクロンと１５０ミクロンとの間であり、かつＳＡＭ１−１１９でのビームウェストが８０ミクロンと１２０ミクロンとの間であるように、レーザキャビティが上述のように位置合わせされかつ構成される場合、本発明者らは、利得媒体１−１０５における熱レンズ効果の０ジオプタから１５ジオプタに変化が及ぶ光共振器（レーザの当業者に公知の条件）に関し、かつ２つの曲面ミラー２−１１７、２−１２７の±１％の焦点距離誤差に関する「安定性基準」をレーザキャビティが満たすことを見出した。高い光パワーでは、利得媒体１−１０５はポンプ放射から顕著な熱を獲得することができ、加熱された利得媒体は、媒体の温度に依存する合焦パワー（ジオプタ）を有する光学レンズ（熱レンズ効果とも呼ばれる）を作り出すことができる。光ポンピング高出力レーザの場合、この熱レンズ効果による変化はレーザを不安定にし、ポンプパワーの初期安定動作点からの５０％の増加に対するレーザ発振を消滅させる可能性がある。本発明者らは、コンパクトなモードロックレーザモジュール１−１０８が２ワットから８ワットへのポンプパワーの変動、初期安定動作点からのポンプパワーの３００％の増加に対して安定したモードロック動作を維持することを確認した。レーザキャビティの安定性の範囲は驚くほど広く、コンパクトなモードロックレーザを広い範囲のキャビティ内パワーおよび出力パワーに亘って動作させることが可能となる。例えば、レーザからの平均出力パワーは、この範囲のポンプパワーに亘って３５０ミリワットから３．５ワットの間で変化することができ、一方、ＦＷＨＭパルス持続時間は、１２ピコ秒と１８ピコ秒との間に維持される。この出力を周波数２倍化して、例えば、１００ミリワットと１．５ワットとの間の平均パワーレベルで、５３２ｎｍの波長で同じ持続時間のパルスを生成することができる。
【０１０１】
いくつかの実施形態によれば、モードロックレーザの動作を安定化させるのに役立ち、かつ／またはモードロックレーザのビーム品質を改善するために、レーザキャビティ内に光学部品を取り付けることができる。例えば、空間モードフィルタ２−１１８をレーザキャビティ内に配置し、高次空間モードでのレーザ発振を防止するように構成することができる。モードフィルタ２−１１８は、任意の適切な形状（例えば、円形、楕円形、三日月形、正方形、長方形、多角形など）の開口を含むことができる。開口は、非調整可能なマウントに取り付けることができ、あるいは開口がキャビティ内ビームの光軸を横切る方向に移動できるように取り付けることができる。いくつかの事例（例えば、絞り）では、開口のサイズは、調整可能とすることができる。様々な実施形態において、開口は、レーザ発振動作をレーザキャビティの最低次の横方向空間モードに制限し、それはモードロックの安定性を向上させることができる。
【０１０２】
動的安定化および位置合わせのために、いくつかの実施形態では、ビームステアリング部品をレーザモジュール１−１０８に含ませることができる。例えば、キャビティ内ビームに対してある角度で回転させることができる１つ又は複数の反射防止コーティングされたレーザ窓または光学平面２−１２８は、ＳＡＭ１−１１９のキャビティ内ビームの入射角を並進および／または変更するためにアクチュエータ２−１６２によって自動的に動作されることができる。アクチュエータとレーザ窓との間の機械的リンク機構２−１６４、およびレーザ窓２−１２８に対するピッチまたはヨーの自動調整を可能にするピッチまたはヨーマウントを設けることができる。アクチュエータ２−１６２は、ステッピングモータ、圧電トランスデューサ、容量トランスデューサ、または他の任意の適切なアクチュエータを含むことができる。
【０１０３】
キャビティ内レーザ窓の回転は、レーザ窓からの出射ビームを回転方向に横方向にシフトさせる。横方向のシフト量は、スネルの法則をレーザ窓の２つの界面に適用することにより決定することができる。レーザ窓が第２の曲面ミラー２−１２７とＳＡＭ１−１１９との間に位置する場合、レーザ窓の回転は主にＳＡＭ上のキャビティ内ビームを並進させることとなる。そのようなレーザ窓の回転は、キャビティ内ビームをＳＡＭを横切って移動させることによってＳＡＭの寿命を延ばすように使用することができる。走査運動はＳＡＭの疲労を減少させることができ、あるいはＳＡＭが損傷を受けている場合、ビームを損傷を受けたスポットから離れるように移動させることができる。レーザ窓２−１２８が図２−１に示すように第２の曲面ミラー２−１２７の前方に配置されている場合、レーザ窓の回転は主にＳＡＭ上へのキャビティ内ビームの入射角を変更することとなる。そのようなレーザ窓の回転は、レーザキャビティを動的に整列または再整列して安定したモードロック動作を得るように、かつ／または維持するように使用することができる。
【０１０４】
レーザ性能を示し、かつキャビティ内ビームステアリング部品を自動的に調整するために使用され得る信号は、（光検出器２−１１６またはポンプモジュールに搭載されているポンプ光検出器（図示せず）で検出される）ポンプ出力、レーザパワーおよび／またはパルス特性（レーザ発振波長に感度が良いレーザ出力光検出器２−１５４で検出される）、および第２高調波パワー（２倍化出力光検出器２−１８２で検出される）のうちの任意の１つまたはそれらの組み合わせを含むことができる。信号（単数または複数）は、１つまたは複数のアクチュエータ２−１６２を動作させるためのフィードバック制御信号の処理および生成のためにＰＣＢ２−１９０上の回路に供給することができる。いくつかの実施形態では、レーザ出力光検出器２−１５４および２倍化出力光検出器２−１８２の一方または両方は、ＰＣＢ２−１９０上に取り付けられ、かつモードロックレーザモジュール１−１０８の側面に配置された穴および／または窓（図示せず）を介して放射線を受け取ることができる。いくつかの実施形態では、キャビティ内ビームステアリング部品の回転は、１つまたは複数のフィードバック信号に基づいて、キャビティアライメントを微調整し、かつ／またはＳＡＭ１−１１９上のキャビティ内ビームの位置を変更するように自動化することができる。
【０１０５】
いくつかの実施形態によれば、追加的または代替的に、利得媒体１−１０５内に非対称熱勾配を誘起することによってキャビティアライメントを得ることができる。非対称の熱勾配は、熱レンズ効果に影響を及ぼし、利得媒体１−１０５を通過する際に、キャビティ内レーザビームに小さな角度偏向を生じさせるように利得媒体１−１０５内の屈折率を変化させることができる。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の温度制御デバイス（例えば、抵抗加熱素子、ＴＥＣクーラー、またはそれらの組み合わせ）を利得媒体の１つまたは複数の側面に接続することができる。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２〜４つの面（４つの長手方向端部）に熱的に結合された２〜４つの独立して動作可能な温度制御デバイス（図２−１には示さず）を有し得る。熱的結合は、温度制御デバイスと利得媒体１−１０５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。いくつかの事例では、１つまたは複数の温度制御デバイスの動作により、光軸２−１１１を横切る方向にビームを偏向させることができる。温度制御デバイスで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ステアリングして再整列させることができる。いくつかの事例では、１つまたは複数のキャビティ内レーザ窓２−１２８を利得媒体内での熱ビームステアリングと並行して調整して、たとえばキャビティ内ビームをＳＡＭ上に再配置し、かつ／またはレーザの安定したモードロック動作を維持することができる。
【０１０６】
本発明者らは、モードロックレーザの平均パワーおよび／またはスペクトル特性が、安定したモードロック動作を決定することができることを認識し、評価するに至った。たとえば、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、モードロックをサポートするのに十分な非線形光吸収がＳＡＭ１−１１９にない場合がある。レーザはこのとき、ＱスイッチしてＳＡＭ１−１１９を損傷し得る。いくつかの事例では、レーザの平均出力パワーの急速な変動により、レーザがモードロックに加えてＱスイッチングしていることを示し、これは、ＳＡＭ１−１１９を損傷する可能性がある。いくつかの実施形態では、レーザ１−１１０によって生成された光パワーおよび／またはレーザの出力パルスまたはモードロック特性を検知するように少なくとも１つのセンサ２−１５４（例えば、フォトダイオード）を含み、かつ配置することができる。例えば、第１のセンサ２−１５４からの信号をスペクトル分析してモードロック周波数付近の側波帯を検出することができ、これはＱスイッチングの開始および／またはレーザ１−１１０のモードロックパルス列における不安定性を示すことができる。第２のセンサ（図示せず）は、レーザ１−１１０によって生成された平均光パワーを検出することができる。検出された平均レーザパワーが予め設定されたレベルを下回ってドリフトする場合、および／または側波帯変動またはパワー変動が第１のセンサ２−１５４によって検出された場合、自動キャビティアライメントルーチンを実行してパワーを回復し、かつ／または修理のためにレーザを遮断することができる。いくつかの事例では、モードロックパルス列の不安定性を示す側波帯は、高次空間キャビティモードのレーザ発振によるものである。このような不安定性は、例えば、キャビティ内空間モードフィルタ２−１１８を自動または手動で調整することによって修正することができる。いくつかの実施形態によれば、レーザ発振波長に感度の良い１つまたは複数のセンサ２−１５４をＰＣＢ２−１９０上に取り付けることができる。
【０１０７】
いくつかの事例では、追加の信号を処理してレーザの動作を分析することができる。例えば、ポンプパワーは、レーザからの平均パワーレベルと共に、（フォトダイオードまたは他の適切な光検出器とすることができる）ポンプパワーセンサ２−１１６を用いて評価することができる。いくつかの実施形態では、周波数２倍化パワーの量は、追加的にまたは代替的に、センサ２−１８２（フォトダイオードまたは他の適切な光検出器とすることができる）で監視することができる。例えば、平均レーザパワーがほぼ一定を維持している間に、平均周波数２倍化パワーが減少することは、モードロックパルス長の変化、または周波数２倍化光学部品に関する問題を示す可能性がある。
【０１０８】
動作中、利得媒体としてＮｄ３＋：ＹＶＯ４を使用し、上記のように配置されたモードロックレーザ１−１１０は、約１５ｐｓ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以内に約８０ｄＢで消失する。パルス繰り返し率は約６７ＭＨｚであり、基本波長におけるモードロックレーザの平均パワーは３５０ｍＷから３．５Ｗまで変化させることができる。周波数２倍化波長への変換効率（以下にさらに説明する）は、いくつかの事例では、３０％の高さとすることができ、１００ｍＷと１．５Ｗとの間の平均出力パワーで５３２ｎｍのパルスを生成することができる。いくつかの事例では、変換効率は３５％の高さとすることができる。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０．００２８ｍ３（０．１ｆｔ３）未満であり、重量は２ｋｇよりも僅かに少なく、モジュールとして、ＤＮＡをシーケンシングするためのテーブルトップ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。
【０１０９】
レーザキャビティのための代替構成
上述のコンパクトなモードロックレーザモジュール１−１０８は、キャビティ長を延長しパルス繰り返し率を減少させる複数のミラーを使用しているが、他の実施形態はキャビティ長を延長するために追加的または代替的に他の光学部品を使用することができる。光学遅延要素のいくつか例が、図３−５Ａ〜図３−５Ｄに示されている。一実施形態によれば、光学遅延要素３−５１０は、図３−５Ａ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３−５２０及び第２の直角プリズム３−５２２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以上の波面誤差および１０〜５の表面品質を有する、高い光学品質になるように研磨することができる。
【０１１０】
第１のプリズム３−５２０及び第２のプリズム３−５２２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３−５１０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。キャビティ内レーザビーム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。
【０１１１】
いくつかの実施形態によれば、遅延要素は、遅延要素によって提供される光路長を２倍にするためにダブルパスにされ得る。例えば、遅延要素のシングルパス出力ポートからの出力ビームは、遅延要素を通って空間オフセットで逆反射され、その結果、戻りビームは入力ポートから射出するが入力ビーム３−１０１から変位する。これは、レーザキャビティの第１の部分で受け取られことができる。変位した出力ビームはレーザキャビティの第２の部分に向けることができる。
【０１１２】
光学遅延要素３−５１２の別の実施形態が、図３−５Ｂ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３−５１２は、図面内で点線によって示すような、キャビティ内ビームを遅延要素内で往復して反射する垂直な端面３−５３０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３−５３２及び出射ポート２−５３４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。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３−５１２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以上の波面誤差および１０〜５の表面品質を有する、高い光学品質になるように研磨することができる。遅延要素３−５１２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。
【０１１３】
図３−５Ｃは、光学遅延要素３−５１４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Ｍ１、Ｍ２は、長さＬを有することができる。ミラーＭ１、Ｍ２の間隔Ｄは、いくつかの実施形態によれば、約１０ｍｍと約５０ｍｍとの間にすることができる。ミラーＭ１、Ｍ２の長さＬは、いくつかの実施形態によれば、約２０ｍｍと約６０ｍｍとの間にすることができる。角度αは、いくつかの実施形態によれば、約０度と約１０度との間にすることができる。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Ｍ１、Ｍ２の反射面は、例えば、λ／１０以上の平面度および１０〜５の表面品質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。ミラー対に第１の方向で入射するキャビティ内ビーム３−１０１は、入射角およびミラーＭ１、Ｍ２間の角度αに応じて複数の反射を受ける。
【０１１４】
光学遅延要素３−５１６の別の実施形態が、図３−５Ｄに示されている。この実施形態は、図３−５Ｃ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３−５１６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３−５３４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、キャビティ内ビーム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往復して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３−５１６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３−５３２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３−５１６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３−５３４は、例えば、λ／１０以上の平面度および１０〜５の表面品質を有する、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。
【０１１５】
図３−５Ａ、図３−５Ｂ、および図３−５Ｄにそれぞれ示されている固体遅延素子３−５１０、３−５１２、３−５１６の利点は、これらの素子がレーザキャビティに挿入されたときに、図３−５Ｃの２つのミラーまたは図２−１に示される複数の平面ミラーのような多部品遅延素子に必要とされ得るような慎重な位置合わせを必要としないことである。しかしながら、固体部品は、２００ＭＨｚ未満のパルス繰り返し率のためにミラー表面からのより多数の反射を必要とし得、製造中により多くの精度を必要とすることとなる。その結果、固体遅延素子のコストが高くなる可能性がある。上述したように、一体型の非調整可能なマウントを一体成形のベースシャーシ２−１０５に使用し、非調整可能なマウントにおける機械加工誤差を吸収するために１つまたは２つの調整可能なマウントを使用することによって、所望の光遅延を提供するために低コストのミラーを使用することができる。マルチミラー遅延素子の利点は、１つまたは複数のキャビティ折り返しミラーの位置を変更してレーザキャビティを再形成することによってキャビティの長さをより容易かつ柔軟に変更することができることである。
【０１１６】
利得媒体１−１０５内の熱効果は、上述のようにキャビティ内ビームをステアリングし整列させるために使用することができるが、本発明者らは、レーザキャビティ内の光学素子に対する熱的加熱効果および／または機械的応力が、コンパクトなモードロックレーザの性能に望ましくない影響を及ぼす可能性がある重要な要因となる可能性があることを認識し、評価するに至った。例えば、モードロックレーザ１−１１０が基本レーザ発振波長に対して２５０ｍＷを超える平均パワーレベルで動作するとき、ポンプモジュール２−１４０および利得媒体１−１０５で熱的加熱が起こり得る。利得媒体１−１０５に関して、本発明者らは、バナジン酸ネオジムのような利得結晶を取り付けるときにはさらなる注意を払わなければならないことを認識し、評価するに至った。マウントは、熱放散を可能にし、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。図３−１Ａに示すように、頂点にレリーフカットがあるマウントは、放熱を可能にし、結晶への望ましくない応力を回避することができる。追加的または代替的に、利得媒体１−１０５をマウントに固定するための熱伝導性接着剤の使用は、利得媒体１−１０５に対する応力緩和を提供することができる。
【０１１７】
本発明者らは、熱を放散させる取り付け構造が、レーザキャビティの光学アライメントに悪影響を与える場合があることをさらに認識し、評価するに至った。例えば、利得媒体１−１０５および／またはポンプダイオードモジュール２−１４０用のマウント３−１００は、ベースシャーシ２−１０５に固定され、かつベースシャーシに熱を放散させることができる。ベースシャーシは高パワーレーザに対して比較的小さいので、この加熱はベースシャーシの膨張および／または反りまたは他の歪みを引き起こす可能性がある。その結果、ベースシャーシ２−１０５の歪みは、レーザキャビティの光学素子のミスアライメントを生じさせ、経時的にレーザの動作に悪影響を及ぼす可能性がある。深刻な場合には、熱的加熱はパワーを著しく低下させ、レーザのモードロックを停止させる可能性がある。
【０１１８】
いくつかの実施形態では、顕著な熱放散を必要とするモードロックレーザの取り付け構造または取り付け部品は、図３−６Ａの平面図に示すように、部分的に断熱されたプラットフォーム３−６１０上に取り付けることができる。プラットフォームは、プラットフォーム３−６１０に取り付けられた高温構造または部品によって放散される熱からベースプレート本体３−６０５を部分的に断熱することができる。図３−６Ａの切断線で取られたプラットフォームの立面図が図３−６Ｂおよび図３−６Ｃに示されている。いくつかの実施形態によれば、部分的に分離されたプラットフォーム３−６１０は、機械加工プロセスによってベースプレート２−１０５内に形成することができる。例えば、ベースプレート本体３−６０５は、上述のようにコンパクトなモードロックレーザ用のハウジングを形成するように機械加工された固体材料の一部とすることができる。１つ又は複数の貫通トレンチ３−６３０をベースプレート本体３−６０５を通して機械加工して、部分的に分離されたプラットフォーム３−６１０を形成することができる。これらのトレンチは、プラットフォーム３−６１０をベースプレート３−６０５から部分的に分離し、かつ断熱することができる。例えば、熱はプラットフォームからベースプレートにそれほど容易に放散させることはできない。いくつかの実施形態によれば、プラットフォーム３−６１０の下面は、熱電クーラー（図示せず）に熱的に接触することができる。いくつかの事例では、プラットフォームの下面は、放熱フィン３−６１２を有するように機械加工または他の方法で形成することができる。
【０１１９】
トレンチ３−６３０を形成する機械加工プロセスの後に、複数の支持ブリッジ３−６２０を残留させることができる。支持ブリッジはプラットフォーム３−６１０を機械的に支持し、プラットフォーム３−６１０からベースプレート３−６０５への熱伝導を減少させる。いくつかの実施形態では、ブリッジはプラットフォームとは異なる材料から形成することができる。様々な実施形態において、ブリッジ３−６２０は、図３−６Ｂに示されるように、プラットフォーム３−６１０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、中央に配置される。例えば、ブリッジ３−６２０は、図３−６Ｂに示すように、ベースプレート３−６０５の機械的中立平面内に配置することができる。ブリッジ３−６２０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、ベースプレート本体３−６０５とプラットフォーム３−６１０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。ベースプレートに放散される熱の量を減らし、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部品の不所望の相対運動を低減することができる。いくつかの実施形態では、ブリッジは、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２−１０５に対して面内で相対的に動くことを可能にする曲げ部材を備える。いくつかのレーザ部品（例えば、利得媒体１−１０５）の動きは、他の部品（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可能性があり、それゆえ許容することができる。プラットフォーム３−６１０の部分的な熱機械分離によって、レーザの安定性が向上し、熟練したオペレータによる調整の必要性を低減させることができる。
【０１２０】
いくつかの実施形態によれば、１つまたは複数のプラットフォーム３−６１０を使用してモードロックレーザ内の高温部品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３−６１０を用いてダイオードポンプ源を支持することができ、第２のプラットフォームを用いてレーザの利得媒体を支持することができる。いくつかの実施形態では、第３のプラットフォームを使用して、周波数２倍化部品（例えば、非線形結晶）を支持することができる。
【０１２１】
上述のレーザキャビティは利得媒体がバナジン酸ネオジム結晶であることを示しているが、他の波長でレーザ発振およびモードロックを得るために他の種類の材料を使用することができる。これに対応して、利得媒体を励起するのに適したポンプ波長を提供するために異なるポンプ源を使用することができる。いくつかの実施形態によれば、コンパクトなレーザモジュールのポンプ波長λｐは、３９０ｎｍと約１１００ｎｍとの間とすることができる。コンパクトなレーザモジュールのモードロックレーザ発振波長λ１は、７５０ｎｍと１５００ｎｍとの間とすることができる。いくつかの事例では、コンパクトなレーザモジュールの出力波長λ２は周波数２倍化することができ、かつ３２５ｎｍと７５０ｎｍとの間とすることができる。周波数２倍化要素３−１０９は、いくつかの実施形態では、ＫＴＰ、ＬＢＯまたはＢＢＯとすることができる。いくつかの事例では、出力波長λ２は５００ｎｍと７００ｎｍとの間とすることができる。いくつかの実施形態によれば、基本波長λ１または周波数２倍化波長λ２における出力パルス持続時間は、１ピコ秒と１００ピコ秒との間とすることができる。いくつかの事例では、出力パルス持続時間は１０ピコ秒と３０ピコ秒との間とすることができる。
【０１２２】
別の例として、緑色出力波長が所望とされる場合、利得媒体は、１０６４ｎｍでレーザ発振するＮｄ：ＹＡＧまたは１０５３ｎｍでレーザ発振するＮｄ：ＹＬＦであり得る。いくつかの実施形態では、１２８０ｎｍにおいてレーザ発振することができ、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：フォルステライト（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、Ｐｒ：ＬｉＹＦ４が利得媒体として使用され、周波数２倍化することなく、６４０ｎｍ（赤色）において直接レーザ発振し得る。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においてレーザ発振するために、Ｎｄ：ＹＶＯ４を利得媒体として使用し得ることを認識し、評価するに至った。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、評価するに至った。例えば、Ｎｄ：ＹＶＯ４からの２つのレーザ発振波長にあるパルスは、非線形結晶内で混合されて、約５９４ｎｍの放射を生成することができる。他の利得媒体は、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：ガラス）、エルビウムドープＹＡＧ（Ｅｒ：ＹＡＧ）、およびチタンドープサファイア（Ｔｉ：サファイア）を含むが、これらに限定されない。
【０１２３】
ポンプ源及びモジュール
利得媒体１−１０５を励起してレーザのモードロック動作を開始するために、カップリングレンズ２−１４２を用いて高出力レーザダイオードからの連続波放射（図２−１と図４−１の黒の点線で示す）を利得媒体に合焦させることができる。レーザダイオードからの光パワーは１ワットと２０ワットとの間とすることができ、これは顕著な電気的発生および光学的熱発生に関連するパワーレベルである。このような熱の発生は、ベースシャーシ２−１０５内に放散されると、モードロックレーザモジュール１−１０８の安定性に悪影響を及ぼす可能性がある。レーザダイオードは、ポンプモジュールからベースシャーシへの熱伝導を低減し、かつベースシャーシ２−１０５からポンプモジュール２−１４０を断熱するのに役立つように、ベースシャーシ２−１０５の貫通孔２−１４５に取り付けられているポンプモジュール２−１４０に取り付けることができる。
【０１２４】
いくつかの実施形態によるポンプモジュール２−１４０の一例が図４−１に示されている。ポンプモジュールは、密閉ハウジング４−１１０内にレーザダイオード４−１３０を封止し、レーザダイオードに対する熱放散を提供し、かつポンプビームをモードロックレーザキャビティの光軸に整列させることができる調整可能なヘッド４−１２０を含むことができる。ポンプモジュールで使用することができるレーザダイオードポンプ源の例としては、中国陝西省西安のフォーカスライト・コーポレーション（ＦｏｃｕｓＬｉｇｈｔ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）から入手可能なレーザダイオードモデルＦＬ−ＦＭ０１−１０−８０８がある。いくつかの実施形態では、レーザダイオード４−１３０は、ポンプモジュール２−１４０内のＦマウントまたはＣマウントに取り付けることができる。
【０１２５】
いくつかの実施形態によれば、ポンプモジュールハウジング４−１１０は、低熱伝導率（例えば、ステンレス鋼、ナイロン、硬質プラスチック）を有するねじおよび／またはスタンドオフポスト４−１５２を用いてベースシャーシ２−１０５に確実に取り付けられることができる。ハウジング４−１１０の一部はベースシャーシ２−１０５の裏側から突出し、ハウジングの一部はベースシャーシ２−１０５の貫通孔２−１４５を通過して延在することができる。ポンプモジュールハウジング４−１１０とベースシャーシ２−１０５との間のギャップ及び低熱伝導率ねじまたはファスナは、ポンプモジュール２−１４０をベースシャーシ２−１０５から断熱し、かつモードロックレーザ１−１１０の安定性を維持するのに役立つ。調節可能なヘッド４−１２０は、低熱伝導率を有するねじ４−１５４を用いてハウジング４−１１０に同様に取り付けることができる。ハウジングは、レーザダイオード４−１３０からの熱抽出に役立つ、本体に機械加工された放熱フィン４−１２４を有することができる。ファン（図示せず）をハウジング４−１１０の近傍に取り付けるか、またはハウジング４−１１０に取り付けて、熱除去にさらに役立つよう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４−１３０は、レーザダイオード４−１３０の熱制御および温度安定化を可能にする熱電クーラー（ＴＥＣ）４−１６０に取り付けることができる。いくつかの実施形態では、レーザダイオード４−１３０および／またはＴＥＣに接続してそれらを動作させるための回路を含むＰＣＢ４−１７０は、ハウジング４−１１０に取り付けられ、かつ外部のほこりや湿度に対する露出からレーザダイオード４−１３０を密閉するのに役立つカバーを形成することができる。
【０１２６】
いくつかの実施形態によれば、ポンプモジュール２−１４０は、ベースシャーシ２−１０５の端部の約３０ｍｍ以内に、端部に向かう熱を例えば、ファンによってベースシャーシから離れるように放散するように配置することができる。ベースシャーシ２−１０５は加えて、ベースシャーシ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機能することができる。実施形態では、説明したようにポンプモジュールハウジング４−１１０を取り付けることによって、ポンプモジュールハウジング４−１１０をモードロックレーザの利得媒体１−１０５の近傍に配置することが可能になり、このことは、利得媒体内のポンプモジュールハウジング４−１３５の位置の安定性の向上（モードロック安定性の向上）に役立つとともに、コンパクトなモードロックレーザモジュール１−１０８を提供するのにも役立つ。
【０１２７】
いくつかの実施形態によれば、ポンプモジュールハウジング４−１１０はまた、ビームコリメート光学系を含むことができる。速軸コリメータ（ＦＡＣ：ｆａｓｔ−ａｘｉｓ  ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒ）４−１４２は、レーザダイオードの近傍に配置されるか、またはレーザダイオード内に組み込まれることができる。いくつかの事例では、このコリメータは、シリンドリカルレンズまたは一対の交差シリンドリカルレンズを含むことができる。いくつかの実施形態では、ＦＡＣ４−１４２は単一のシリンドリカルレンズを含むことができ、かつ短い焦点距離（例えば、約５ｍｍ未満）を有することができる。いくつかの実施形態では、ＦＡＣ４−１４２は、約１５０ミクロン未満の直径を有する、ある長さの光ファイバを含むことができ、その光ファイバの焦点距離は５００ミクロン未満とすることができる。ＦＡＣ４−１４２は、直交する横方向に５度と１５度との間のほぼ等しい広がり角を有するビームをレーザダイオードに供給するように構成することができる。いくつかの実施形態では、レーザダイオード４−１３０およびＦＡＣ４−１４２からのビームは、（例えば、放射源アレイに対応する）長方形または正方形の断面を有することができる。
【０１２８】
ポンプモジュールハウジング４−１１０は、レーザダイオードポンプビームをコリメートするコリメートレンズ４−１４４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、このレンズは、ポンプ波長λｐに対して両面が反射防止コーティングされた平凸レンズであり得る。レンズの平面はダイオード４−１３０に対向することができる。コリメートレンズ４−１４４の焦点距離は、１５ｍｍと３５ｍｍとの間とすることができる。いくつかの実施形態によれば、コリメートレンズ４−１４４は、コリメートレンズ４−１４４の後側焦点距離にほぼ等しい距離だけＦＡＣレンズ４−１４２から離間することができる。
【０１２９】
コリメートされるか、またはほぼコリメートされたポンプモジュールハウジング４−１１０からのビームは、調整可能なポンプヘッド４−１２０に取り付けられているダイクロイックミラー４−１４６によって反射することができる。ダイクロイックミラー４−１４６は、ポンプ波長をカップリングレンズ２−１４２および利得媒体１−１０５（図４−１には示されていない）に向かって反射し、モードロックレーザキャビティからのレーザ発振波長でモードロックパルスを伝達する多層コーティングを含むことができる。ポンプヘッド４−１２０は調整ねじ４−１５４によって調整可能であるので、ダイクロイックミラーはピッチ（図に示されるＸ軸に平行な軸を中心に回転）およびロール（Ｚ軸に平行な軸を中心に回転）して、利得媒体内のポンプビームの位置を調整することができる。
【０１３０】
いくつかの実施形態によれば、レーザダイオード４−１３０からのポンプビーム４−１３５がミラー４−１４６に入射するダイクロイックミラー４−１４６の位置は、カップリングレンズ２−１４２のほぼ焦点距離に配置される。この位置決めのために、出射ポンプビーム４−１３５を偏向させるダイクロイックミラー４−１４６に対する角度調整は、利得媒体１−１０５を通るポンプビームの主に平行なビーム経路変位を生じさせる。これは、ダイクロイックミラー４−１４６における焦点からカップリングレンズ２−１４２を通って出射する光線が、カップリングレンズから平行光線として現れるので、理解することができる。従って、ダイクロイックミラー４−１４６は、利得媒体１−１０５を通る励起ビームの角度をほとんど変化させることなく、利得媒体においてＸ方向及びＹ方向（図４−１及び図２−１を参照）にポンプビームを主に並進させるように調整されることができる。この効果を考慮すると、ダイクロイックミラー４−１４６へのピッチ調整は利得媒体におけるＹ方向のポンプビーム変位をもたらし、ダイクロイックミラーに対するロール調整は利得媒体１−１０５におけるＸ方向（および、一部Ｙ方向）のポンプビーム変位を提供する。利得媒体１−１０５を通るポンプビーム４−１３５の角度の変化は、利得媒体１−１０５内のモードロックレーザビームとのポンプビーム４−１３５の重なり体積を減少させる可能性があるため、望ましくない可能性がある。
【０１３１】
組み立てを単純化し、ポンプヘッド４−１２０上の調整可能なねじの数を低減するために、調整可能なヘッドは、３点接触で、調整可能な、キネマティック取り付け方式でハウジング４−１１０に取り付けることができる。ヘッド４−１２０は、（図４−２Ａおよび図４−２Ｂに示すように）少なくとも１つの弾性ばね４−１５７を用いてハウジング４−１１０に向かって引っ張られるか、または付勢されることができる。３点接触の１つは、ヘッドの全ての回転自由度を可能にするボールアンドコーン（ｂａｌｌ−ａｎｄ−ｃｏｎｅ）であり得る。例えば、ボール形状の接触機構４−１５５（例えば、ボールベアリング）を、ポンプハウジングモジュール４−１１０の近傍のヘッド４−１２０の側に配置することができる。ボール形状の接触機構４−１５５は、円錐形状の凹部によって受承され得る。残りの２つの接点は、調整ねじ４−１５４ａ、４−１５４ｂである。これらのねじ４−１５４ａのうちの１つは、ヘッドのヨー運動を制限するために溝に受承されるボール形状の端部を有することができる。他方のねじ４−１５４ｂは、平らな面に受承されるボール形状の端部を有することができる。いくつかの実施形態では、調整ねじ４−１５４ａ、４−１５４ｂが利得媒体１−１０５を通るポンプビーム４−１３５を整列するために設定された後、調節可能なヘッドを所定の位置にロックするために、少なくとも１つの反力ねじ４−１５８が締め付けられることができる。
【０１３２】
いくつかの実施形態では、カップリングレンズ２−１４２の焦点距離は、約２０ｍｍと約３０ｍｍとの間とすることができる。いくつかの実施形態では、レンズは平凸とすることができるが、いくつかの場合では、両凸レンズを使用することができる。カップリングレンズは、ポンプ波長およびモードロックレーザ波長のために両側に反射防止コーティングを有することができる。さらに、レーザキャビティ及びレーザダイオードに戻り得る面からの反射を防止するために、カップリングレンズ２−１４２は、モードロックレーザの光軸２−１１１に対して１度と４度との間の角度に配向することができる（図２−１を参照）。いくつかの実施形態では、利得媒体１−１０５は、カップリングレンズ２−１４２から離れたほぼ後側焦点距離のところに配置される。いくつかの実施形態によれば、吸収されなかったポンプ放射は、レーザキャビティ折り返しミラー２−１１５を通過し、ビームダンプに吸収され、かつ／または光検出器２−１１６によって検出されることができる。
【０１３３】
いくつかの実施形態では、ＦＡＣ４−１４２、コリメートレンズ４−１４４、およびカップリングレンズ２−１４２は、レーザダイオード４−１３０からの出力のほぼ１対１の結像を利得媒体１−１０５に提供するように構成される。利得媒体内のレーザダイオードの出力（例えば、放射源アレイ）の像は、利得媒体内のモードロックレーザのキャビティ内ビームのウェストサイズとほぼ一致すべきである。利得媒体内のモードロックレーザのビームのウェストサイズは、曲面ミラー２−１１７の焦点距離、曲面ミラー２−１１７の出力カプラ１−１１１からの距離、および出力カプラからの利得媒体１−１０５の距離によって主に決定することができる。上述した構成及び１対１の結像に関して、利得媒体内のレーザダイオードの結像された放射源サイズは、１００ミクロンと１５０ミクロンとの間にあるべきである。本発明者らは、小さい放射源サイズは急速な劣化をより受けやすく、大きい放射源サイズはモードロックレーザを高次空間モードでレーザ発振させることができるが、９０ミクロンと２２０ミクロンとの間の放射源サイズがモードロックレーザ発振を提供することを確認した。さらに、放射の偏光は、モードロックレーザ１−１１０の意図されたレーザ発振の偏光にかなりよく一致させるべきである。これに関して、ポンプモジュール２−１４０および／またはモードロックレーザモジュール１−１０８は、利得媒体上１−１０５のポンプ放射の偏光状態を制御するように回転または調整することができる１つまたは複数の光学部品（例えば、１／４波長板、１／２波長板）を含むことができる。レーザ発振効率およびモードロックレーザ１−１１０からの出力パワーを増大させるために偏光を制御することができる。
【０１３４】
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を使用することができ、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では、モードロックレーザ１−１１０の利得媒体１−１０５をポンピングするために、ファイバレーザまたはファイバ結合レーザ（図示せず）を使用することができる。ファイバレーザは、１つまた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としての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た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、レーザダイオードポンプ源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、利得媒体に指向させ、かつ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源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。いくつかの実施形態では、ファイバレーザポンプ源は、ベースシャーシ２−１０５以外の固定具に取り付けられても、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が、ベースシャーシの利得媒体１−１０５と同じ側または反対側に配置されたモードロックレーザモジュール１−１０８上のマウントに取り付けられることができる。
【０１３５】
キャビティアライメント
認識され得るように、モードロックレーザキャビティ光学素子のアライメントは、レーザキャビティ内の多数のミラーおよび光学部品の起因して、困難である可能性がある。いくつかの実施形態において、図２−１を再び参照すると、モードロックレーザは、利得媒体１−１０５と第２の曲面ミラー２−１２７との間にレーザキャビティの光軸に沿って配置された取り付け機構２−１１０（例えば、ねじ穴および／または位置合わせ機構）を含むことができる。取り付け機構２−１１０は、第２の出力カプラ（図２−１では図示せず）を取り付けることができる光学マウントを受承するように構成することができる。光学マウント及び第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ザ発振するように整列されることができる。第２の出力カプラは、少量の電力（例えば、２％と２０％との間）を伝達して、挿入された光学マウントとＳＡＭ１−１１９との間でレーザの光学部品を整列させるのに使用することができるレーザビームを供給することができる。これらの残りの部品が整列されると、挿入された光学マウントを取り外すことができ、それによって、レーザ１−１１０は、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されることができる。
【０１３６】
本発明者らは、短いキャビティのアラインメントのための第２の出力カプラ（図２−１には図示せず）を利得媒体１−１０５の近傍で方向変換ミラー２−１１５の前に取り付けることができることを見出した。いくつかの実施形態によれば、利得媒体における熱レンズ効果は、モードロックレーザ１−１０８のモードロック動作を可能にする光パワーでポンピングされるとき、短縮されたキャビティの長さがモードロックレーザキャビティの長さの半分未満であっても、短縮されたキャビティ内の追加のレンズ素子を必要とすることなく、短縮されたキャビティにおけるレーザ発振をサポートし、かつ安定したレーザ発振キャビティを提供する。いくつかの事例において、短縮されたキャビティの長さは、モードロックレーザキャビティの長さの４分の１、さらには８分の１未満とすることができる。従って、利得媒体１−１０５の近傍に配置された第２の出力カプラは、方向変換ミラー２−１１５からＳＡＭ１−１１９までのすべての光学素子の容易かつ迅速なアライメントを可能にすることができる。方向変換ミラー２−１１５の前に取り付けられた出力カプラを有し、短縮されたレーザキャビティ内の他のレンズ素子を有していない構成では、少なくとも２ジオプタの利得媒体内の熱レンズ効果を有してレーザ発振を得るとともに、短縮されたキャビティのアライメントを容易にし、いくつかの事例では、熱レンズ効果なし（０ジオプタ）で連続波レーザ発振を生じさせるのに有用であり得る。
【０１３７】
周波数２倍化
図２−１を再び参照すると、モードロックレーザ１−１１０の出力は、出力パルスの光波長を半分にする（または光周波数を２倍化する）ためにレンズ２−１６４を介して周波数２倍化結晶２−１７０に集束されることができる。例えば、モードロックレーザ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。周波数が２倍化された出力は、バイオ光電子チップ１−１４０に提供され、バイオ光電子チップ１−１４０で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され得る。いくつかの実施形態によれば、周波数を２倍化し、かつ周波数を２倍化する電力を制御するための部品は、コンパクトなモードロックレーザモジュール１−１０８内に取り付けることができる。
【０１３８】
レンズ２−１６４は、１５ｍｍと３０ｍｍとの間の焦点距離を有し、かつレーザ発振波長の反射を最小限するための両面の反射防止コーティングを含むことができる。レンズは、周波数２倍化結晶において１５ミクロンと３５ミクロンとの間のモードロックパルスに対するビームウェストを生成することができる。
【０１３９】
周波数２倍化結晶２−１７０は、チタン酸リン酸カリウム（ＫＴＰ：ｐｏｔａｓｓｉｕｍ  ｔｉｔａｎｙｌ  ｐｈｏｓｐｈａｔｅ）、ＩＩ型結晶とすることができる。結晶の長さは３ｍｍと７ｍｍとの間とすることができる。いくつかの実施形態によれば、周波数２倍化結晶２−１７０は、高グレイトラック耐性（ＨＧＴＲ：ｈｉｇｈ  ｇｒｅｙ  ｔｒａｃｋ  ｒｅｓｉｓｔａｎｔ）結晶である。本発明者らは、フラックス成長結晶は、緑色波長において高い平均パワーで劣化する可能性があることを確認した。ＨＧＴＲ結晶の場合、カット角は、ファイについては２４度と２５度との間、シータについては８９度と９１度との間とすることができる。結晶の両方の面は、レーザ発振波長および２倍化波長用の反射防止コーティングで被覆することができる。いくつかの実施形態によれば、周波数２倍化結晶２−１７０は、ベースシャーシ２−１０５に形成されたセルフアライニング面に対して取り付けられる。結晶からの周波数が２倍化された放射をコリメートするために、周波数２倍化結晶の後にコリメートレンズ（図２−１には図示せず）を配置することができる。
【０１４０】
いくつかの実施形態では、半波長板２−１６０は、回転角度がアクチュエータ２−１６２によって制御される回転可能なマウントに取り付けることができる。半波長板は、周波数２倍化結晶２−１７０の前のモードロックレーザの出力光路に配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２−１６０（又は周波数２倍化結晶２−１７０）を回転させることによって、基本波長λ１におけるモードロック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λ２における光パワーを、広い範囲に亘って（例えば、１桁以上に亘って）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、熱放散、およびパワーモードロックレーザ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では、他の調整部を追加的または代替的に使用して、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および／またはレンズ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倍化効率を変更および／または最大化することができる。
【０１４１】
いくつかの実施形態では、周波数２倍化出力パルスは、方向変換ミラー２−１８０によって、および／またはビーム整形およびステアリングモジュールに向けられることができる。方向変換ミラー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、二色性とすることができる。いくつかの実施形態では、方向変換ミラー２−１８０は、少量の周波数２倍化出力をフォトダイオード２−１８２に伝達することができる。基本波長を遮断または反射するために、波長選択フィルタをフォトダイオード２−１８２の前に配置することができる。フォトダイオード２−１８２からの出力はＰＣＢ２−１９０に提供され、ＰＣＢ２−１９０にて信号が処理されて、モードロック安定性を評価し、かつ／又は安定した出力パワーを維持するために半波長板２−１６０を回転させるための制御信号を生成することができる。いくつかの実施形態では、フォトダイオード２−１８２をＰＣＢ２−１９０上に取り付けることができ、周波数２倍化出力は、反射され、散乱され、光ファイバを介した結合されるか、またはその他の方法でベースシャーシ２−１０５の穴および／または窓を通してフォトダイオードに向けられることができる。
【０１４２】
いくつかの実施形態では、２０１６年１２月１６日に出願され、「コンパクトなビーム整形およびステアリングアセンブリ（Ｃｏｍｐａｃｔ  Ｂｅａｍ  Ｓｈａｐｉｎｇ  ａｎｄ  Ｓｔｅｅｒｉｎｇ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）」と題された別の米国特許出願第６２，４３５，６７９号に記載されるビーム整形およびステアリングモジュールをベースプレート上に組み立てるか、またはベースシャーシ２−１０５に隣接して取り付けることができる。レーザモジュールからの出力ビームは、分析システム１−１６０において使用するために、基本波長または周波数２倍化波長で出力ビームを適合させるためにビーム整形およびステアリングアセンブリに供給され得る。
【０１４３】
クロック生成及びシステム制御
図１−１を再び参照すると、短パルスまたは超短パルスを生成するために使用される方法および装置にかかわらず、ポータブル分析機器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、データ取得および信号処理）を、モードロックレーザ１−１１０からの光パルス１−１２２の繰り返し率と同期させるように構成される回路を含むことができる。例えば、バイオ光電子チップ１−１４０における蛍光寿命を評価する場合に、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は有益である。いくつかの実施形態によれば、タイミング信号は、モードロックレーザによって生成された光パルスから導出することができ、導出されたタイミング信号は電子機器をトリガするために使用することができる。
【０１４４】
本発明者らは、モードロックレーザ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、評価するに至った。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、評価するに至った。
【０１４５】
図５−１は、タイマ５−１２０が分析システム１−１６０に同期信号を提供するシステムを示す。いくつかの実施形態では、タイマ５−１２０は、パルス光源１−１１０によって生成された光パルスに同期したクロック信号を生成し、そのクロック信号を分析システム１−１６０に提供することができる。図５−１において、光パルス１−１２０は、距離Ｄだけ空間的に分離されているものとして図示されている。この分離距離は、関係式Ｔ＝Ｄ／ｃに従うパルス間の時間Ｔに対応する。ここで、ｃは光速である。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＝１／ｆｓｙｎｃＮであり、ここで、Ｎは１以上の整数であり、ｆｓｙｎｃは生成されたクロック信号の周波数を表す。いくつかの実施形態では、Ｔ＝Ｎ／ｆｓｙｎｃであり、Ｎは１以上の整数である。
【０１４６】
いくつかの実施形態によれば、タイマ５−１２０は、パルス源１−１１０からの光パルスを検出するフォトダイオードからアナログまたはデジタル化信号を受信することができる。フォトダイオード２−１５４は、ベースシャーシ２−１０５上に取り付けることができ、かつ高速ＩｎＧａＡｓフォトダイオードとすることができる。タイマ５−１２０は、受信したアナログまたはデジタル化信号から同期信号を形成またはトリガするために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また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列を形成することができる。いくつかの実施形態では、タイマ５−１２０はさらに、遅延ロックループまたは位相ロックループを使用して、安定した電子クロック源からの安定したクロック信号を、検出された光パルスから生成されたデジタルパルス列に同期させることができる。デジタルパルス列またはロックされた安定したクロック信号は、機器上の電子機器を光パルスと同期させるために、分析システム１−１６０に提供することができる。
【０１４７】
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５−２００の例が、図５−２に示されている。クロック発生回路は、ベースシャーシ２−１０５上に搭載されたＰＣＢ２−１９０上に含まれることができる。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。
【０１４８】
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５−２１０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、任意の適切な値とすることができ、固定値抵抗器を使用して固定されてもよく、又は、調整可能とすることができる。いくつかの事例において、コンデンサＣが、フォトダイオード５−２１０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５−２００のパルス検出段は、モードロックレーザ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。
【０１４９】
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５−２２０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５−２００の増幅段は、自動利得制御増幅器５−２４０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５−２３０を、（例えば、高周波数（例えば、約５００ＭＨｚを超える）及び／又は低周波数雑音（例えば、約１００Ｈｚ未満）を除去するために）アナログ増幅器５−２２０の出力に接続することができる。いくつかの実施形態によれば、アナログ利得増幅器５−２２０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５−２４０に与えることができる。
【０１５０】
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、評価するに至った。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５−２４０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５−２４０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。
【０１５１】
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５−２５０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５−２５０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。
【０１５２】
評価され得るように、光パルス振幅の変動が、ＡＧＣ増幅器５−２４０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５−２５０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５−２７０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。
【０１５３】
クロック発生回路５−２００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５−２８０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５−２８０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５−２６０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５−２６０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５−２６０は、モードロックレーザ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５−２８０は、電子又は電気機械発振器５−２６０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。
【０１５４】
いくつかの実施形態によれば、ＰＬＬ回路５−２８０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５−２８０は、そのクロック出力上に位相調整回路２−２８２、５−２８４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、モードロックレーザ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５−２８０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。
【０１５５】
いくつかの実施形態によれば、ＰＬＬ回路５−２８０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）５−２９０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。
【０１５６】
本発明者らは、ＡＧＣ増幅器５−２４０のループ帯域幅と、位相ロックループ５−２９０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、評価するに至った。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、ＰＬＬ５−２９０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５−２４０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。
【０１５７】
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５−２３２は、ＡＧＣ増幅器５−２４０の前で分割され得、モードロックレーザ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５−２３２は、モードロックレーザによる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るか、又は、システムは、エラーを示し、かつ／もしくは、モードロックレーザを停止することができる。
【０１５８】
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５−２４２（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５−２４２を使用して、モードロック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、評価するに至った。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。
【０１５９】
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。
【０１６０】
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、パルス繰り返し率の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。
【０１６１】
いくつかの実施形態による、システム制御のためのシステム回路の一例が図５−３に示されている。ポンプモジュール制御回路５−３００は、ＰＣＢ上に組み立てられ、かつコンパクトなモードロックレーザモジュール１−１０８に取り付けることができる（例えば、図２−１に示すモジュール１−１０８の裏側に取り付けられる）。ポンプモジュール制御回路５−３００は、システム基板５−３２０およびレーザモジュール１−１０８に搭載されているクロック発生およびレーザ検知回路５−３５０（例えばＰＣＢ２−１９０）とインタフェースすることができる。いくつかの実施形態では、ポンプモジュール制御回路５−３００及びクロック発生およびレーザ検知回路５−３５０は同じＰＣＢ上に組み立てることができる。他の実施形態では、ポンプモジュール制御回路５−３００、クロック生成およびレーザ検知回路５−３５０、およびシステム制御回路を同じＰＣＢ上に組み立てることができ、このため、別個のシステム基板５−３２０は使用されない。
【０１６２】
システム基板５−３２０は、レーザモジュール１−１０８が取り付けられているシステムの動作を調整する中央プロセッサ（例えば、マイクロコントローラまたはマイクロプロセッサ）を含むことができる。システム基板５−３２０はさらに、電力分配回路およびデータ処理回路（例えば、メモリ、トランシーバ、ネットワークインターフェース基板等）を含むことができる。
【０１６３】
いくつかの実施形態において、ポンプモジュール制御回路５−３００は、利得媒体１−１０５をポンピングするために使用されるレーザダイオード４−１３０に電流を供給するように構成された電流源５−３３２を含むことができる。いくつかの実施形態によれば、電流源５−３３２はシステム基板５−３２０により制御することができる。ポンプモジュール制御回路５−３００は、レーザダイオード４−１３０上の温度センサまたはサーミスタ（図示せず）に接続することができる温度検知回路５−３４１をさらに含むことができる。温度検知回路５−３４１からの出力は温度制御回路５−３４３に提供され、温度制御回路５−３４３はレーザダイオード４−１３０が取り付けられているＴＥＣ４−１６０を駆動することができる。いくつかの実施形態によれば、温度コントローラは、システム基板５−３２０からレーザダイオード４−１３０の温度を調整し、かつ／または安定化させるための制御信号を受信することができる。
【０１６４】
いくつかの実施形態では、ポンプモジュール制御回路５−３００は、１つまたは複数のアクチュエータ制御回路（２つ図示）５−３５１、５−３５２を含むことができる。アクチュエータ制御回路は、システム基板５−３２０から制御信号を受信して、モードロックレーザモジュール１−１０８に配置された１つ又は複数のアクチュエータを動作させることができる。例えば、第１のアクチュエータ制御回路５−３５１は、モードロックレーザ１−１１０のレーザキャビティ内のレーザ窓２−１２８を回転させる第１のアクチュエータ２−１６２を動作させるように構成することができる。第１のアクチュエータの動作は、キャビティのアラインメントを調整することができ、かつレーザ１−１１０のモードロックを改善するために使用されることができる。第２のアクチュエータ制御回路５−３５２は、例えば、レーザモジュール１−１０８上の半波長板２−１６０を回転させる第２のアクチュエータ２−１６２を動作させるように構成することができる。半波長板２−１６０の回転は、例えば、周波数２倍化波長に変換されるレーザパワーの量を制御するために使用され得る。
【０１６５】
いくつかの実施形態によれば、アクチュエータ回路５−３５１、５−３５２に対する制御信号は、クロック発生およびレーザ検知回路５−３５０からの出力に基づいてシステム基板５−３２０上で算出することができる。クロック発生およびレーザ検知回路５−３５０からの出力は、（レーザ１−１１０からの基本波長λ１を検知するように構成されたフォトダイオード２−１５４を含むかまたはそれに接続することができる）基本センサ回路５−３１１、（レーザの出力パルスから生成された周波数２倍化波長λ２を検知するように構成されたフォトダイオード２−１８２を含むかまたはそれに接続することができる）周波数２倍化センサ回路５−３１２、および（レーザ１−１１０内の利得媒体１−１０５を励起するために使用されるポンプ波長λｐを検知するように構成されたフォトダイオード２−１１６を含むかまたはそれに接続することができる）ダイオードポンプセンサ回路５−３１３によって生成することができる。従って、モードロックレーザ１−１１０および周波数２倍化出力パワーのフィードバック制御は、レーザの動作パラメータおよび出力パラメータを検知し、かつモードロックレーザモジュール１−１０８の動作を修正または改善するアクチュエータ回路５−３５１、５−３５２を介して信号を印加することによって実施することができる。いくつかの実施形態は、コンパクトなモードロックレーザモジュール１−１０８上の同じおよび／または追加の部品を制御するための追加のセンサ回路および／または追加のアクチュエータ制御回路を含むことができることは理解されるであろう。
【０１６６】
記載された技術の実施形態は、以下の構成および方法を含む。
（１）モードロックレーザモジュールは、ベースシャーシと、ベースシャーシ上に組み立てられたレーザキャビティを有するモードロックレーザと、レーザキャビティ内に配置され、モードロックレーザが光パルスを生成しているときに、１ジオプタと１５ジオプタとの間の正の熱レンズ効果の値を示す利得媒体とを備える。
【０１６７】
（２）利得媒体をポンプビームで励起するように構成されたレーザダイオードをさらに備え、利得媒体内のポンプビームの吸収が熱レンズ効果を引き起こす、構成（１）のモードロックレーザモジュール。
【０１６８】
（３）利得媒体は、マウント内に配置され、能動的な冷却を行わない固体結晶を含む、構成（１）または（２）のモードロックレーザモジュール。
（４）モードロックレーザは、ポンプビームの光パワーの変化に起因して８ジオプタから１２ジオプタの範囲に亘って変化する熱レンズ効果の値に対してレーザキャビティを機械的に調整することなく安定して光パルスを生成する、構成（２）または（３）のモードロックレーザモジュール。
【０１６９】
（５）モードロックレーザは、ポンプビームの光パワーの変化に起因して１ジオプタから１５ジオプタの範囲に亘って変化する熱レンズ効果の値に対して安定して光パルスを発生する、構成（１）から（４）のいずれか１つのモードロックレーザモジュール。
【０１７０】
（６）ポンプビームの光パワーの変化が２ワットと１０ワットとの間であり、モードロックレーザモジュールからの平均出力光パワーが３５０ミリワットと３．５ワットとの間である、構成（５）のモードロックレーザモジュール。
【０１７１】
（７）光パルスのパルス繰り返し率は、５０ＭＨｚと２００ＭＨｚとの間であり、ベースシャーシの最大縁部の長さは、３５０ｍｍ以下である、構成（１）から（６）のいずれか１つのモードロックレーザモジュール。
【０１７２】
（８）光パルスのパルス繰り返し率は、５０ＭＨｚと２００ＭＨｚとの間であり、モジュールが、最大縁部の長さが３５０ｍｍ以下の寸法で、厚さが４０ｍｍ以下の寸法で、モジュールの重量が２キログラム以下であるスラブ形状を有する、構成（１）から（７）のいずれか１つのモードロックレーザモジュール。
【０１７３】
（９）光パルスのパルス繰り返し率が、５０ＭＨｚと２００ＭＨｚとの間であり、モードロックレーザモジュールによって占有される最大体積が０．００２８立方メートル（０．１立方フィート）以下である、構成（１）から（８）のいずれか１つのモードロックレーザモジュール。
【０１７４】
（１０）光パルスの半値全幅のパルス幅は、９ピコ秒と３８ピコ秒との間である、構成（１）から（９）のいずれか１つのモードロックレーザモジュール。
（１１）利得結晶は、バナジン酸ネオジム（Ｎｄ３＋：ＹＶＯ４）からなる構成（１）から（１０）のいずれか１つのモードロックレーザモジュール。
【０１７５】
（１２）シャーシのねじれ剛性を増大させる、シャーシを斜めに横切って延在する傾斜リブをさらに備え、レーザキャビティのキャビティ内ビームは傾斜リブにおける複数の開口を通過する、構成（１）から（１１）のいずれか１つのモードロックレーザモジュール。
【０１７６】
（１３）レーザキャビティの端部でプレートに取り付けられた可飽和吸収体ミラーをさらに備え、プレートは可飽和吸収体ミラーに入射するレーザキャビティのキャビティ内ビームの光軸に対する角度調整を含まない２つの自由度のみで調整されるように構成される、構成（１）から（１２）のいずれか１つのモードロックレーザモジュール。
【０１７７】
（１４）プレートが金属コーティングを有するプリント回路基板を備えるか、またはプレートが金属のプレートを備える、構成（１３）のモードロックレーザモジュール。
（１５）利得媒体内のキャビティ内ビームの第１のビームウェストは１００ミクロンと１５０ミクロンとの間であり、可飽和吸収体におけるキャビティ内ビームの第２のビームウェストは７５ミクロンと１２５ミクロンとの間である、構成（１３）または（１４）のモードロックレーザモジュール。
【０１７８】
（１６）レーザキャビティ内に配置された第１の集束光学系と、レーザキャビティ内のレーザ窓または光学平面とをさらに備え、第１の集束光学系およびレーザ窓または光学平面は、レーザ窓または光学平面を回転させることによって可飽和吸収体ミラー上のキャビティ内ビームの入射角を調整するように配置される、構成（１３）から（１５）のいずれか１つのモードロックレーザモジュール。
【０１７９】
（１７）利得媒体と可飽和吸収体ミラーとの間のレーザキャビティ内に位置するキャビティ長延長領域を更に備え、キャビティ長延長領域は、キャビティ内ビームを少なくとも４回折り返す、構成（１３）から（１６）のいずれか１つのモードロックレーザモジュール。
【０１８０】
（１８）キャビティ長延長領域が第１の集束反射器と、可飽和吸収体ミラーと利得媒体との間に配置された第２の集束反射器とを含み、第１の反射器および第２の集束反射器は、キャビティ内ビームを連続反射で３回折り返す、構成（１７）に記載のモードロックレーザモジュール。
【０１８１】
（１９）キャビティ長延長領域は、キャビティ内ビームを複数回折り返す第１の反射器を備える、構成（１７）または（１８）のモードロックレーザモジュール。
（２０）レーザキャビティの第１の端部に配置された出力カプラと、レーザキャビティの第２の端部に配置された可飽和吸収体ミラーと、利得媒体と可飽和吸収体ミラーとの間のレーザキャビティ内に配置された第１の集束光学系と、第１の集束光学系と可飽和吸収体ミラーとの間のレーザキャビティ内に配置された第２の集束光学系とを更に備える、構成（１）から（１５）のいずれか１つのモードロックレーザモジュール。
【０１８２】
（２１）第１の集束光学系と第２の集束光学系との間のキャビティ内ビームは、本質的にコリメートされている、構成（２０）のモードロックレーザモジュール。
（２２）第１の集束光学系の焦点距離は２４０ｍｍと２６０ｍｍとの間であり、第２の集束光学系の焦点距離は２４０ｍｍと２６０ｍｍとの間である、構成（２０）または（２１）のモードロックレーザモジュール。
【０１８３】
（２３）出力カプラが第１の集束光学系を起点として２８０ｍｍと３００ｍｍとの間に配置され、利得媒体が出力カプラから４ｍｍと８ｍｍとの間に配置される、構成（２０）から（２２）のいずれか１つのモードロックレーザモジュール。
【０１８４】
（２４）レーザキャビティ内に配置された唯一の１つのミラーを更に備え、１つのミラーは、モードロックレーザが動作している間に１つのミラーの角度調整を備える、構成（１）から（２３）のいずれか１つのモードロックレーザモジュール。
【０１８５】
（２５）ベースシャーシに取り付けられ、レーザキャビティからの出力ビームの周波数を２倍化するように配置された周波数２倍化結晶を更に備える、構成（１）から（２４）のいずれかに記載のモードロックレーザモジュール。
【０１８６】
（２６）モードロックレーザモジュールは、ベースシャーシと、ベースシャーシ上に組み立てられたレーザキャビティを有するモードロックレーザと、レーザキャビティの第１の端部において第１のマウントに取り付けられた出力カプラと、ここで、第１のマウントは、出力カプラに入射するキャビティ内ビームの光軸に対する出力カプラの角度調整を提供せず、レーザキャビティの第２の端部において第２のマウントに取り付けられた可飽和吸収体ミラーと、ここで、第２のマウントは、可飽和吸収体ミラーに入射するキャビティ内ビームの光軸に対する可飽和吸収体ミラーの角度調整を提供せず、モードロックレーザと出力カプラとの間に配置された利得媒体とを備える。
【０１８７】
構成（２６）は、構成（２）から（２５）のうちのいずれか１つまたは複数の態様および特徴を含むことができる。
（２７）モードロックレーザモジュールは、ベースシャーシと、ベースシャーシに取り付けられた出力カプラおよび第１の集束光学系と、ベースシャーシに取り付けられた可飽和吸収体ミラーおよび第２の集束光学系と、ここで、出力カプラおよび可飽和吸収体ミラーは、モードロックレーザ用のレーザキャビティの端部ミラーを含み、レーザキャビティ内のキャビティ内ビームの光軸に沿って配置された利得媒体と、出力カプラと可飽和吸収体ミラーとの間に配置された２つの反射器を含むキャビティ長延長領域とを備え、２つの反射器は、キャビティ内ビームを２回以上折り返す。
【０１８８】
構成（２７）は、構成（２）から（２５）のいずれか１つまたは複数の態様および特徴を含むことができる。
（２８）モードロックレーザモジュールは、ベースシャーシと、５０ＭＨｚと２００ＭＨｚとの間のパルス繰り返し率で動作するように構成された第１のレーザキャビティを有するモードロックレーザと、ここで、モードロックレーザはベースシャーシ上に組み立てられ、第１のレーザキャビティの第１の端部に配置された第１のレーザキャビティの第１の端部ミラーと、第１のレーザキャビティの第２の端部に配置された第１のレーザキャビティの第２の端部ミラーと、第１のレーザキャビティ内に配置された利得媒体とを備え、利得媒体は、第１のレーザキャビティに対する動作パワーでポンピングされたときに熱レンズ効果を示すように構成され、熱レンズ効果は、第１のレーザキャビティの長さの半分未満である、第１のレーザキャビティ内に形成された第２のレーザキャビティであって、第１の端部ミラーと、第１のレーザキャビティ内のベースシャーシに組み込まれた第３の端部ミラーとを含む前記第２のレーザキャビティ内でのレーザ発振をサポートする。
【０１８９】
構成（２８）は、構成（２）から（２５）のいずれか１つまたは複数の態様および特徴を含むことができる。
（２９）モードロックレーザを動作させる方法は、レーザキャビティの利得媒体を光ポンプビームでポンピングして、利得媒体が８ジオプタと１２ジオプタとの間の範囲のジオプタ値を有する熱レンズ効果を示すようにするステップと、レーザキャビティの第１の端部における出力カプラとレーザキャビティの第２の端部における可飽和吸収体ミラーとでキャビティ内ビームを反射するステップと、ジオプタ値の範囲に亘って安定した光パルスの出力を生成するステップとの動作を含む。
【０１９０】
（３０）利得媒体が１ジオプタと１５ジオプタとの間の範囲のジオプタ値を有する熱レンズ効果を示すように、レーザキャビティの利得媒体をポンピングするステップを更に含む、（２９）の方法。
【０１９１】
（３１）光ポンプビームの波長を調整することによって熱レンズ効果の量を調整するステップを更に含む、（２９）または（３０）の方法。
（３２）利得媒体と可飽和吸収体ミラーとの間に配置された第１の集束反射器と第２の集束反射器とでキャビティ内ビームを反射するステップを更に含む、（２９）から（３１）のいずれか１つの方法。
【０１９２】
（３３）利得媒体、出力カプラ、および可飽和吸収体ミラーを支持するシャーシに対する可飽和吸収体ミラーの配向角を調整することなく、可飽和吸収体ミラー上のキャビティ内ビームの入射角を調整するステップを更に含む、（３２）の方法。
【０１９３】
（３４）レーザキャビティの長さを延長するために、利得媒体と可飽和吸収体ミラーとの間に配置された複数のミラーでキャビティ内ビームを反射するステップを更に含む、（２９）から（３３）のいずれか１つの方法。
【０１９４】
（３５）複数のミラーのうちの２つのミラー間でキャビティ内ビームを直接的に連続反射で３回以上反射するステップを更に含む、（３４）の方法。
（３６）高次モードを抑制するためにキャビティ内ビームに対する開口を適用するステップを更に含む、（３４）または（３５）の方法。
【０１９５】
（３７）光パルスが５０ＭＨｚと２００ＭＨｚとの間のパルス繰り返し率を有し、出力カプラおよび可飽和吸収体ミラーが取り付けられるシャーシが、３５０ｍｍ以下の最大縁部寸法を有する、（２９）〜（３６）のいずれか１つの方法。
【０１９６】
（３８）利得媒体をポンピングすることが、利得媒体に２ワットと１０ワットとの間の光パワーを供給することを含み、モードロックレーザモジュールからの平均出力パワーは、３５０ミリワットと３．５ワットとの間である、（２９）から（３７）のいずれか１つの方法。
【０１９７】
（３９）光パルスの半値全幅のパルス幅は、９ピコ秒と３８ピコ秒との間である、（２９）から（３８）のいずれか１つの方法。
ＩＶ．  結論
このように、モードロック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理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、当業者には理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。
【０１９８】
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。
【０１９９】
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理解するであろう。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。
【０２００】
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理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。
【０２０１】
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。
【０２０２】
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。
【０２０３】
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。
【０２０４】
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。
【０２０５】
「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。
【０２０６】
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。
【０２０７】
「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。
【０２０８】
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。
【０２０９】
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。
【０２１０】
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。
【０２１１】
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２−１】
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【図３−１Ａ】
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【図３−１Ｂ】
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【図３−２Ａ】
0006913169.tif 000021
【図３−２Ｂ】
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【図３−３】
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【図３−４】
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【図３−５Ａ】
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【図３−５Ｂ】
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【図３−５Ｃ】
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【図３−５Ｄ】
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【図３−６Ａ】
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【図３−６Ｂ】
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【図３−６Ｃ】
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【図４−１】
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【図４−２Ａ】
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【図４−２Ｂ】
0006913169.tif 000034
【図５−１】
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【図５−２】
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【図５−３】
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