使用超短雷射脈衝的雷射器系統的製作方法
2023-10-04 21:44:34 1
專利名稱：使用超短雷射脈衝的雷射器系統的製作方法
對相關申請的交叉參考本申請為2004年3月2日提交的美國專利申請No.10/791,377的繼續申請，為2002年10月4日提交的美國專利申請No.10/265,211的部分繼續申請，為2002年1月8日提交的PCT/US02/02548的部分繼續申請，並要求2001年1月30日提交的美國臨時申請No.60/265,133的優先權，上述申請結合在本申請中作為參考。
背景技術：
本申請一般涉及一種雷射器系統，更具體地，涉及一種使用超短雷射脈衝和脈衝整形器的雷射器系統。
目前還無法得到可在商業上實際應用的飛秒雷射器。例如，能產生10飛秒或更小的雷射脈衝持續時間的雷射器在常規上非常昂貴，要求不現實的高電能消耗(例如過度冷卻(extensive cooling))並且依靠每月都要補充的雷射用染料，因此導致商業上的不現實性。直到2000年，由於對染料和閃光燈的優先需要取代了YAG和TI由光或雷射發射二極體激發的藍寶石晶體，次10飛秒雷射器(sub-10 femtosecond lasers)的效率才可用於實際。
隨著超短脈衝傳播或從光學上反射，由於超短脈衝的帶寬很寬，其從光學器件上透射或反射時，該超短脈衝易於產生相位失真。由於整形的脈衝已顯示出可增加某些化學反應和多光子激發的當量(yield)，因此當前在實驗中已經開始嘗試對超短脈衝的相位進行整形。已知允許用於合成複雜(complex)飛秒光學波形的脈衝整形方法。如通常實際應用地，輸出波形由空間圖形的傅立葉變換(FT)來決定，該空間圖形通過掩模或調變器陣列來傳遞到色散光譜上。例如，FT光脈衝整形器廣泛地用於複雜飛秒波形的合成。在幾何中，輸出波形的時域分布(temporal profile)由傳遞到脈衝的光學頻譜上的掩模圖形的FT給出。FT脈衝整形首先被證明用於持續數十皮秒的簡單脈衝。而後脈衝整形被擴展應用到次100飛秒(fs)(10-15秒)的時間量級，並被證明具有使用微晶圖解(microlithographically)圖形的脈衝整形掩模的高度結構化波形。液態晶體調變器和聲-光(A/O)調變器引入到FT脈衝整形器中形成計算機可編程的脈衝整形，分別具有毫秒和微妙的再編程時間，並廣泛應用於該項科技中。
這些經過整形的脈衝需要非常大的數據集，並且在很多情況下，需要用於確定給定應用的脈衝整形特性的遺傳算法。為了給定應用的最佳脈衝事先並不知道。由於可能的脈衝形狀的變化形狀極大，因此掃描整個的參數空間是不可能的且不能通過理論來預測這樣的最佳脈衝形狀。對於具有N像素的脈衝整形器，人們可以生成(P*A)N整形脈衝，其中P和A為一個像素能帶有的不同相位和幅值的數目。如果假設有100像素，每個象素帶有10個不同幅值和100個不同相位值，那麼不同脈衝的數目為10300的數量級。該數據集極其大，因此，儘管在理論上存在獲得期望的光子轉化或激發的場，但發現該場的存在是巨大的挑戰。期望一種系統能利用更小的數據集來控制超短脈衝，並且是可操作的從而產生對於給定應用來說是最佳的非常複雜的脈衝形狀。
發明內容
根據本發明，提供一種使用超短雷射脈衝的雷射器系統。在本發明的另一方面，該系統包括雷射器、脈衝整形器和探測裝置。本發明的另一方面，使用飛秒雷射器和二元脈衝整形(BPS)。本發明的另一方面，使用雷射束脈衝、脈衝整形器和SHG晶體。本發明的另一方面，多光子脈內幹涉相位掃描(以下稱為「MIIPS」)系統及方法確定了飛秒雷射脈衝的譜相位的特徵。本發明的另一方面，系統採用電磁脈衝整形設計來利用多光子脈內幹涉。光纖通信系統、光動力學治療、功能成像和脈衝特性測試均使用具有本發明其它方面的雷射器系統。
本發明從相位掃描直接獲得整個相位函數，通過將相當多的信息加入到每個脈衝來提高脈衝的編碼-解碼功能。本發明的脈內幹涉造成自分離(例如固有通信信號路由地址差分)，因此允許以異步方式來使用便宜的接收器，換言之，不需要諸如通過常規的自相關或幹涉計的同步探測。使用多光子脈內幹涉的非線性光加工的控制能夠被應用於諸如光化學、通信和醫學等多種領域。
本發明的應用的更多領域將從以下提供的具體說明中顯而易見。需要理解的是儘管給出了本發明的優選實施例，但具體的說明書和例子僅是為了說明的目的而不是要限定本發明的範圍。
根據具體的敘述及圖，本發明將更容易完全理解，其中圖1為顯示本發明的雷射器系統的優選實施例的視圖；圖2a-2d為示出與FROG相比的MIIPS的相位掃描；圖3為顯示相位掃描的圖表；圖4a-4c為顯示相位掃描的圖表；圖5為顯示本發明使用MIIPS的優選實施例的視圖；圖6a為本發明的一些優選實施例中使用的計算機軟體的流程圖；圖6b為本發明的一些優選實施例的自動譜相位確定中使用的計算機軟體的流程圖；圖7為本發明應用於多光子顯微鏡術的優選實施例的視圖；圖8為使用BPS通過雙光子激發可獲得的對比率C的示意圖；
圖9為由使用素數的偽隨機數產生的BPS圖；圖10a和10b顯示了基於不使用BPS的幅度掩模方法的實驗結果和理論預測；圖11a-11b是偽隨機數產生BPS和二次諧波產生後的輸出的圖解示意圖；圖12a-12d為顯示在利用遺傳算法的優化之前和之後，本發明中採用BPS得到的實驗結果和理論結果的圖解；圖13為顯示本發明應用於光學相干斷層掃描和光動力學治療的實施例的圖解；圖14為顯示本發明應用於光譜學的另一優選實施例的圖解；圖15為顯示本發明使用BPS應用於光學相干斷層掃描和光動力學治療的優選實施例系統的圖解；圖16為顯示本發明應用於通信的另一優選實施例的圖解；圖17為顯示本發明應用於通信的另一優選實施例的圖解；圖18a和18b為顯示應用於通信的可選的優選實施例的組件的圖解；圖19a和19b為選擇性雙光子激發的實驗結果和理論預期；圖20a-20f為pH敏感的雙光子顯微鏡術的實驗結果；圖21a-21d為選擇性雙光子顯微鏡術樣品利用不同的螢光探測器進行預測的實驗結果；圖22a-22d為微球體的選擇性雙光子顯微鏡術的實驗結果；和圖23為顯示本發明中使用的固定的二維整形器的優選實施例的透視圖。
具體實施例方式
以下對優選實施例的說明只作為示例而不是要限定本發明及其應用或使用。
本發明提供了使用超短脈衝的雷射器系統的方法及裝置。脈衝整形主要包括對幅值、相位、頻率和/或交互脈衝分離的控制。複雜脈衝整形的目標是以可編程的方式控制上述的一個或多個參數，使得用戶具有完全控制。換句話說，複雜脈衝整形允許根據用戶指定來產生複雜的超快光學波形。
相干控制為隨著其在相干源的作用下發展而在過程的多種階段下控制動力學的能力。許多組成超快脈衝的頻率能同時激發許多相干躍遷(transition)到被激發態，並且使用整形脈衝操作它們的能力導致所述結果。術語「相干控制」指分子態的相干操作，從而避免利用相長幹涉和相消幹涉的對於包括超快時間量級的情況的測不準原理的問題。
最簡單可行的脈衝調製方法之一是啁啾變頻(frequency chirping)。「啁啾」主要是指在雷射脈衝中利用特定的脈衝階次設置頻率分量的過程。線性「階次」能通過一對光柵或通過光纖中的脈衝傳播由色散超快脈衝來簡單地實現。由於測不準原理，該頻率分量的「階次」導致另外的帶寬受限的超快脈衝的延長。儘管已預言了更高階的啁啾產生和它們中的一些當前的實驗應用，通常來說線性啁啾變頻為最常用的整形脈衝。
多光子脈內幹涉本發明的多光子脈內幹涉相位掃描(以下稱「MIIPS」)系統和方法的特徵在於飛秒雷射脈衝的譜相位。跨超快脈衝的光譜的相位能以多種方式影響多光子過程。相位能增加脈衝長度且因此減小脈衝的峰值強度，因此防止作為在高強度激發下的通常結果的飽和(saturation)。相位可用來使電場的變化與分子內波包動力學同步。這一預想已經在理論上進行了探討，並用於解釋一些氣體和壓縮相位的實驗。最後，相位能通過多頻率結合而達到多光子激發的方式形成幹涉。這一過程也被稱為多光子脈內幹涉(MII)，已經在強共振條件，如隔離的原子間的躍遷中得到證實(見Broers，B.，et al.，″Large interference effects of small chirp observed in 2-photon absorption，″Opt.Commun.1992，91，57；and Broers，B.，et al.″Diffraction and focusing ofspectral energy in multiphoton processes，″Phys.Rev.A 1992，46，2749)。
MII技術及它在控制多光子過程中的應用是基於合理地設計一個電場，該電場需要使用最少的參數達到關節目標(articular target)。這種方法通過計算第n階(nth-order)電場的幅度，並將幅度與受控制的分子吸收譜進行比較而實現。它提供了對控制過程的深層次的物理解釋，對於通過基於演算研究或類似方法的電腦程式對場進行優化的實驗的解釋，這是非常有用的。
雙光子躍遷能夠將超快脈衝的能量集中到一個窄的頻率分布內，正如菲涅爾衍射能用來製造聚焦透鏡一樣。概念上而言，MII利用對多光子過程作出貢獻的脈衝的每一頻率vi的相位相聯繫的幹涉項，可以加強或者抑制多光子躍遷，而後者可能更具價值。通過感應(非線性)極化而驅動雙光子過程的有效電場與E2(t)成正比(在單光子能級沒有中間共振的條件下)。它的傅立葉變換E(2)(v)決定了雙光子級的頻率響應。
一種新的方法，被稱為多光子脈內幹涉相位掃描，它能描繪脈衝和補償並發脈衝。在數分鐘之內，這些脈衝被描繪並補償從而產生變換極限(transform-limited)或用戶在樣品處指定的整形脈衝。這一功能非常實用，能應用於某些雷射裝置中。
MIIPS是一種單束方法，不需要幹涉儀(見圖1)。為了利用MIIPS對譜相位進行簡單並精確的測量，使用一個校準用的脈衝整形器將一個已知的相位時延添加到脈衝所含的各個頻率分量上，該脈衝整形器主要起到背靠背的分光計的作用。在一個實施例中，脈衝被稜鏡色散，被200mm的圓柱鏡校準。在傅立葉平面上，所有的頻率被隔離開來，它們的相位通過由電腦控制的LCD空間光調製器(SLM)進行複合。SLM對輸入脈衝使用參考相位函數，通過第二個圓柱鏡和稜鏡在時域完成重構。SLM可以在每個脈衝(目前速率限制在1KHz)被刷新。LCD具有250ms的響應時間，因此理論上，它能以4Khz的速度進行刷新。在需要最優脈衝的位置，將一個0.01mm厚的、用於產生二次諧波的(SHG)β硼酸鋇晶體放置在輸出光束的傳播方向上，對輸出光束進行分析。第二個諧波的使用對該方法而言十分關鍵，在某種意義上，脈衝自身的自相關是在SHG晶體中完成的。對每個受計算機控制的SLM引入的參考相位函數，SHG的輸出光譜在分光計中被色散和記錄。
脈衝描繪包括引入參考相位調製函數，其形式為Φ＝∞cos{γΩ-δ}，其中∞是相位時延的幅度，γ為周期，Ω是脈衝的載波頻率的頻率失諧量，δ代表頻譜中餘弦函數為1的位置。參考相位函數，其典型值為∞＝2π，γ＝脈衝持續時間，被輸入到SLM中，對0到2π之間的δ值進行掃描。對每一個δ值，倍頻脈衝的頻譜將變化，在譜域達到一個最大值，SLM在該處對相位失真進行補償。MIIPS曲線是關於光譜集合的δ的函數(見圖2)。MIIPS產生曲線是關于波長的δ的函數，顯示了雷射脈衝強度在SHG頻譜中的變化情況。一般地，對角特徵之間的距離與線性啁啾成比例，尖角背離(angulardeviation)與二次啁啾成比例。用計算機對曲線進行分析分析來重新得到輸入脈衝(a)的譜相位。FROG(頻率分辨光學門這裡稱為「FROG」)曲線與橢圓形狀的偏差清楚地顯示了脈衝的譜相位失真。經過描繪和補償的三次重複後，從MIIPS數據(c)的平行特徵和SHG-FROG(d)的橢圓特徵可以明顯看出，輸出脈衝是變換受限的。
從性質上來說，對角特徵之間的距離決定了線性啁啾，而特徵之間的角度決定了二次啁啾。通過積分可對譜相位進行定量測定。一旦MIIPS系統描繪了脈衝並重新得到了脈衝的固有相位失真，它就可以利用這些信息驅動SLM對相位失真進行補償。補償的第一步，是將第一次掃描測得的相位編程輸入SLM，但其符號相反以抵消失真。系統執行新一輪相位掃描，以確定剩餘的譜相位調製(一般是原來的10％)。典型地，三次這樣的重複可產生變換受限的脈衝。由於雷射沒有在脈衝整形器中聚焦，該方法能夠用於相對高能量的脈衝。100pJ到1mJ範圍內的脈衝，其持續時間從少於5fs到大約500fs均可應用。一旦脈衝得到補償(變換受限)，雷射就能夠聚焦，根據輸入能量的大小，可以產生1012到1018W/cm2的峰值強度。
該單束方法能夠直接重新得到二階和三階相位調製的幅度和符號(換句話說，也就是線性和二次的啁啾)，而無需重複或者反向過程。MIIPS從超短啁啾脈衝中得到了精確的相位。對於MIIPS，二次諧波頻譜取決於脈衝中的所有頻率分量的相對相位，因此不需要同步自相關，光束分裂或者時延。脈衝的幅度可以直接從通信接收機的分光計得到，為了從一個飛秒雷射器123(見圖1)中精確測定脈衝中所有頻率分量的相位，一個脈衝整形器，正如A.M.Weiner在論文「Femtosecond pulse shaping using spatial lightmodulators，」Rev.Sci.Instrum.71，pp.1929-1960(2000)中描述的，被用來引入專為直接獲取該信息而設計的參考相位函數，下面還會對它進行進一步的描述。整形後的脈衝通過一個薄SHG晶體507倍頻後被送到分光計503。
除了實驗室測試和對樣例的光學失真分析，這一採用了單束構造方法的MIIPS系統和方法還能應用到一些通信系統中，可顯著增加每個脈衝相位包含的編碼信息而提供額外的編碼變量。
MIIPS方法基於下述的原理，即二次諧波的產生，以及其他非線性光學過程，取決於跨雷射脈衝頻譜範圍的相位函數Φ(ω)。該相位函數可以在載波頻率Ω＝ω-ω0處擴展成泰勒級數Φ(ω)＝(ω0)+』(ω0)Ω+1/2」(ω0)Ω2+1/6(ω0)Ω3+...，[1]其中第一、第二項僅分別提供相對(一般)相位和時延，僅第三項和更高階項才會導致相位失真。在MIIPS中通過添加參考相位函數到脈衝上，這些高階項得到了重構，(Ω)＝αcos(γΩ-δ)+(Ω) [2]其中第一項是整形器引入的參考相位函數，具有最大的相位幅度α，周期γ以及頻譜窗口裡的絕對位置δ。φ(Ω)由式1給出。
當d2(Ω)/dΩ2＝0時，可以得到關於Ω的函數的最大SHG信號。通過改變參考相位函數的一個變量，可以描繪一條曲線，從該曲線中，我們可以得到雷射脈衝的相位失真(」，..)。在一個(波長，δ)MIIPS曲線中的最大信號描述了一系列的曲線，由下式給出δmax＝δ0+(λmax-πc/ω0)ω02/(πc){γ-/(αγ2sinδ0)} [3]其中δmax對應最大SHG信號，δ0＝arc cos[/(αγ2)]，λmax是SHG信號最大的位置。
一個可用於重構相位函數的完整數據集，由一系列的頻譜組成，這些頻譜可以作為參數δ的函數得到。MIIPS的結果曲線(trace)如圖16所示，它含有提取″..和高階項的信息。提取過程如下，首先數據用於擬合一系列的線，這些線由式3根據λmax(δmax)確定。二次相位調製(形成了線性啁啾)由SHG最大值間的距離X1和X2直接決定，根據Φ」＝αγ2arc sin[(x1-x2)/4] [4]注意到φ″的幅度和符號可以直接從MIIPS曲線中得到。而且，通過降低參考相位函數的參數αγ2可以提高對小相位失真的測量精度。
三次相位調製(二次啁啾)由λ-δ平面上的最大SHG特徵的傾斜度Δδ/Δγ決定。通過分析，三次相位調製由下式決定＝0.5αγ2πc/ω02cos[(x1-x2)/4]{(Δδ/Δγ)1-(Δδ/Δγ)2}[5]
其中傾斜度的單位為nm-1(見圖16)。高階相位失真如自相位調製和二次相位成分可通過由最大SHG響應確定的曲線的曲率確定。MIIPS被編程後，通過積分可以直接得到雷射脈衝的相位失真，還能引入補償相位函數從而消除失真。這種操作模式可以用來確定任意的相位變形和產生變換受限的脈衝，它們在MIIPS掃描時看起來象被π分離的平行直線。圖16-17C中所示的實驗數據的擬合由3式給出，相位參數由式4和5得到。
圖15所示樣式的MIIPS採用了薄SHG晶體507，分光計506，脈衝整形器129和飛秒雷射器123。飛秒光脈衝是優選的，但是對於此處給出的測試數據，採用了從再生放大的鈦藍寶石雷射器產生的50個飛秒脈衝，脈衝能量被衰減到5uJ量級。對於測試數據，一個0.3mm的βBBO I型晶體被用來製造SHG 507，輸出信號被衰減後，送到含有冷卻的CCD探測器511的分光計503中。系統121可以進一步含一個重新定向鏡片513，兩個石英圓柱透鏡515(焦距200mm，上遊透鏡用於聚焦，下遊透鏡用於校準)。為了測試，用一個包含兩個LCD元件128的空間光調製器作為脈衝整形器129(可從CRI Inc.獲取，模型編號SLM-256)。為了測試，一個空間光調製器被精確校準以提供精確的相位時延(誤差低於1度)而不改變偏振狀態或者幅度。經再生放大後，在脈衝壓縮器處產生用於獲取數據的相位失真。現在根據圖13和圖14，自超快交換是基於脈衝整形器505內的脈衝相位調製，能引起多光子脈內幹涉的薄SHG晶體507，色散光學器件523，以及CCD鏡頭探測器511。該方法的簡單性和精確性使得它在估測變形極限附近的脈衝和光學元器件的相位失真時十分實用。
關於MII和MIIPS的更多信息可在公開號為No.2003-0099264，標題為「Laser system using ultrashort pulses″，由Dantus等人的美國專利申請，公開號為No.WO 02061799，名稱為″Laser system using ultrashort pulses″Dantus等人的PCT申請，I.Pastirk，J.M.DeIa Cruz，K.A.Walowicz，V.V.Lozovoy，M.Dantus的論文″Selective two-photon microscopy with shapedfemtosecond pulses，″Opt.Express 11，1695-1701(2003)；J.M.DeIa Cruz，I.Pastirk，V.V.Lozovoy，K.A.Walowicz，M.Dantus的論文″Multiphotonintrapulse interference 3Probing microscopic chemical environments，″J.Phys.Chem.A 2004；Lozovoy V.V.，Pastirk I.，Walowicz K.A.，Dantus M.的論文″Multiphoton intrapulse interference IIControl of two-and three-photon laserinduced fluorescence with shaped pulses，″J.Chem.Phys.118(7)3187-3196(Feb.15 2003)，及Walowicz K.A.，Pastirk I.，Lozovoy V.V.，Dantus M.的論文「Multiphoton intrapulse interference 1Control of multiphoton processes incondensed phases」J.Phys.Chem.A 106(41)9369-9373(Oct.172002)等文獻中查到。上述專利申請都作為參考文件引入到本發明中。
多光子脈內幹涉並不僅僅在於能量聚焦。其目的在於確定分子經受的場。使用多光子脈內幹涉的非線性光學過程控制可用於各種領域，如光子化學，通信，醫學等。
本發明提供一種系統及方法，用來描繪飛秒脈衝的譜相位。單束方法可以重新得到具有高解析度的線性啁啾和二次啁啾的幅度和符號。脈衝重構可通過包含相位失真的分析式得到，無需重複或反向過程。由於在雷射器上有調節圓柱，用於從機械上調節光束放大器壓縮器間的光柵間隔來校正這一失真，因此線性啁啾和二次啁啾的值，以及某種程度上來說三次啁啾的值，是十分重要的。這一方法可以應用於非常短的脈衝。通過使用圖6a所示的計算機控制的軟體，這一調節過程可以被自動控制。這一方法非常通用，採用任何波長的高強度或極低強度的脈衝，以及現貨供應的廉價SHG晶體即可使用該方法。MIIPS也可在用於得到氣體的三次或更高階次的諧波。其信號最大值也滿足式35，使得在不具備SHG晶體的條件下，該方法對於確定波長範圍內的脈衝的特徵也十分有用。總的來說，MII和MIIPS的用途如下
MII能夠用來產生自交換脈衝，只要它們經歷了一個非線性的光學過程，如SHG，和頻產生，差頻產生或四波混頻；MIIPS能用來使自動雷射器最優化，特別對於二次和三次相位失真更是如此；MIIPS能用於描繪任何相位失真的相位特徵；MIIPS能用於測量由於光學元器件引發的相位調製，類似地，它可用來測量底層的厚度；MIIPS能用於對存儲在相位參數中的信息(地址和/或消息)進行解碼；對MII現象進行最優化的整形器能夠對自解碼消息進行編碼；MII能夠防止fs脈衝引起的DNA三光子損壞；MII能夠對選擇性激活腫瘤光動力學治療劑進行優化，尤其是在一定深度，而避免間接損壞。
圖6a所示是確定任意的平滑相位失真的自動化脈衝啁啾的過程的流程圖。這一方法基於使用一個脈衝整形器，得到相位掃描，其中SHG的頻譜作為相位參數δ的函數可表示為Φ(ω)＝αCos(γω+δ)。這一方法非迭代，並且不經過進化遺傳計算而直接得到所需數值，因此非常穩定。該方法不依賴兩個脈衝在空間和時間上的重疊，而且，脈衝在薄SHG晶體中對其自身進行分析。
採用粉末進行二次諧波產生附著於透明的石英載體的化學粉末，取代薄SHG晶體得到應用。粉末實施例目前優選為能夠大幅降低高能量(例如，1奈耳(nanojoule)或更高)應用中的成本如MIIPS，非線性光學描繪和FROG分析。化學粉末優選磷酸二氫鉀(KDP或者KD*P)或者β硼酸鋇，採用矽膠或者氰基丙烯酸鹽粘合劑(C5H5NO2)將粉末膠合於玻璃，顯微鏡幻燈片表面。採用I型相位匹配。粉末的實際尺寸根據焦距、雷射的強度及其探測器的敏感度優選在0.5和20微米之間。對於顯微鏡術，只要採用更靈敏的探測器，就可以使用更小尺寸的粉末。而且，由於多種隨機晶體取向的平均作用結果而能夠產生低於20fs的脈衝，因此粉末方法更具優勢。
脈衝整形系統採用了本發明的超短光脈衝的雷射系統21的第一個優選實施例如圖1所示。系統21包含飛秒雷射器23，上遊光柵25，上遊凹鏡27，光束脈衝整形器29，下遊凹鏡31，下遊光柵33，探測裝置35，以及個人電腦37。個人電腦37含有基於電子控制的微處理器，內存，輸出顯示屏，數據存儲裝置，輸入鍵盤，可移動磁碟。更進一步，探測裝置是一臺分光計39。光束43的脈衝從雷射器23發射出來，經過光學器件25，27，31和33，也經過脈衝整形器29進行了探測和分光計39進行了進一步估測、分析和比較，再被個人電腦37控制。
雷射器最好是可以釋放高峰值強度(典型值高於1010watts/cm2)的超短飛秒雷射器，優選發射小於100飛秒的雷射脈衝，50飛秒或者小於50飛秒更好，在某些應用中，對於每一個脈衝爆發或者衝擊，10飛秒或小於10飛秒更好。要產生強光脈衝時需要改變材料，該強光脈衝在一個克爾透鏡鎖模鈦藍寶石振蕩器中形成。這樣的雷射器能產生幾百納米的相干帶寬，儘管一般只使用約50納米。輸出可能會經1Khz的再生啁啾脈衝放大器放大，輸出脈衝一般持續100fs，中心波長800nm，脈衝能量0.1到1mJ。優選的雷射器有Kapteyn和Murnane飛秒雷射器，能產生低於15飛秒的脈衝，頻率為100MHz；Spectra Physics Inc.的Hurricane型雷射器，採用二極體進行泵浦，能產生持續時間低於50fs的脈衝，單脈衝能量0.8mJ，頻率1KHz；Clark-MXR的CPA-2001+型雷射器，能產生持續時間低於150fs的脈衝，單脈衝能量1.3mJ，頻率1KHz。非線性參數放大器(以下稱「NOPA」)可以產生能量為0.2mJ，該NOPA系統還能夠產生10fs和4.5fs之間的脈衝。
為了實現該實施例描述的透射式結構，本發明優選傅立葉平面脈衝整形器。超快光脈衝含1到50個光循環，僅持續數個飛秒。這比目前大多數電子器件要快，因此通過快速時間門進行成形是非常困難的。另一方面，由於測不準原理，光譜掃描幾十到幾百納米。這樣一個大的帶寬範圍檢測和濾波起來相對容易，有幾項技術可以在頻域對頻譜進行整形，因此可通過再壓縮對時間脈衝進行整形。
為了得到頻域和組成脈衝的各頻率分量，採用了一個幾何裝置，使用了兩個背靠背的分光計。它們是專為不產生淨時間色散而設計的也就是說，所有顏色的光在相同的時間內通過分光計。第一個分光計(含光柵25和鏡子27)根據它的色散函數將整形前的脈衝的頻譜擴展在一條線上。在該點，光截取(intercepts)空間幅度和相位掩模脈衝整形器29。掩模輸出形成了第二個分光計(含光柵33和鏡子31)的輸入，該分光計將多個脈衝合併為單脈衝。
脈衝整形器29的核心在於傅立葉平面上的可編程256像素液晶掩模(由兩個重疊的128像素液晶陣列組成)。對於此處預想的應用，掩模必須能夠改變單個頻率分量的相位。作為替代的脈衝整形器實施例，對能夠控制相位的不同可編程電子掩模說明如下液晶顯示屏(以下稱「LCD」)，聲光調製器(以下稱「AOM」)，可變形的鏡子，及永久變形的鏡子。LCD脈衝整形器包含電驅動調製器，可從CRI Co.獲得。
AOM是將壓電傳感器粘附於二氧化碲晶體的一端構成，二氧化碲晶體表面鍍有抑制反射(anti-reflection)材料。聲波的中心頻率為αc/2π＝200MHz，晶體中的聲速為4.2km/s，光脈衝在晶體中耗時10ps，因此在光場通過晶體的的過程中聲波運動的距離少於0.002λ。由於在光場通過晶體的過程中聲波基本不動，通過AOM時聲波在Y方向上的復幅度A(t)cosαct＝A(y/vs)cosαct，被映射到光場E(α)。如果某部分的光場遇到了弱聲波，該頻率分量將被衰減；如果聲音載波的相位改變了一個角度φ，則該相位改變被加到光場。這一脈衝整形器總效率為20％，其中包含了AOM的衍射效率和光柵的衍射效率。為了完全調製整形後光束的幅度和相位，使用衍射光束而阻斷未衍射的「零級」光束。整形後的光束具有如下的形式Eshaped(ω)＝Einput(ω)xα(ω)xei(ω)t[6]其中a(ω)ei(ω)＝A[y(ω)/vs]，α是頻率，e是常數。固定的脈衝成形光學器件，如啁啾鏡，也能被使用，圖23將對此進行進一步的說明。
相位中包含所有頻率信息的變形極限脈衝(以下稱「TL」)被送到脈衝整形器中，脈衝整形器通過曲面鏡27將頻譜聚焦到傅立葉平面29。計算機顯示出相位φ和幅度A的變化信息，可用於在重構之前通過第二個曲面鏡31和光柵對光脈衝進行調整。一旦被壓縮，成形的脈衝被送到分光計39作估算。時域和頻域之間的傅立葉變化關係使得我們可以計算出形成某個整形脈衝的所需的掩模，計算基於下式f(v)=120f(t)ei2vctdt---[7]]]>f(t)=0f(v)e-i2vctdv---[8]]]>其中v是以波長為單位的頻率，t為時間，c是光速。
在本實施例中，脈衝整形器的相位和幅度的掩模被計算機控制，脈衝整形過程是一個動態的過程。個人計算機37內部的微處理器控制雷射器23，從分光計39得到一個基本實時的反饋輸入信號，然後進行計算、比較和估計，還可能根據後續脈衝的形狀自動變化。如果需要，利用個人計算機的輸出設備，這些自動過程也能以手動計算和判決來代替。
當應用於在所有這些應用中，利用基於大帶寬短光脈衝的多光子脈內幹涉的簡單脈衝整形方法，可對包括蛋白質在內的大分子內的單個或者多個光子過程進行選擇性控制。結果顯示出很好的控制能力，具有很好的魯棒形而且與樣例無關，具有接近二階幅度(肉眼可看得非常清楚)的對比率。這樣的高對比率使得我們可以對不需要的光子進行更加精確的控制，而對其他雷射束(特徵)，如每個脈衝引起的非線性透射，也可以得到很好的控制。由於簡單的相位函數可被整合到無源光器件，如鏡子129(圖5)中，儘管系統仍然可被使用，這些應用在初次安裝後，可省去計算機控制脈衝整形器的複雜和開銷。
飛秒脈衝整形器裝置通過充分利用多光子脈內幹涉提供的選擇性激發，可用於無背景功能成像(pH，Na或者Ca的濃縮成分，電場，電荷，螢光探針，納米晶體，或量子點，化學合成)。例如，A.H.Bruist等人的論文，「Probingmicroscopic chemical environments with high-intensity chirped pulses」，Optics Letters 24，244-246(1999)，描述了線性啁啾可以用於對PH敏感染料的PH環境進行粗區分。採用相位調製，特別是利用多光子脈內幹涉，本發明可以使用大量PH敏感染料獲得更敏感的PH敏感點。基於同樣的原理，可以有選擇地探測對鈉、鈣或包括電荷在內的其他化學成分敏感的染料。多探針比如染料，納米晶體，量子點可以選擇性地通過雙光子或者三光子二者擇一進行激發。
二元相位整形在低強度情況下，對雷射的控制是由原始狀態和最後狀態之間的非線性光路中的幹涉決定的。挑戰在於確定脈衝中的每一頻率分量的合適的相位，從而在期望的光路上產生相加幹涉，在其他地方上產生相消幹涉。將雙光子顯微鏡中所使用的螢光探針的雙光子激發，作為具有不同的雙光子吸收譜的兩個發色團的優化和預期目標。目的是當期望頻譜窗口外的能量最小時，可通過將可用能量「聚焦」在雙光子光譜的某一特定範圍實現選擇性激發，如圖8所示。
變換受限的脈衝的寬帶二次諧波頻譜可以由高斯曲線表示(淺色線條)。我們的目的是通過引入相位調製，僅在由頻率2ωc和帶寬W定義的範圍內形成強的雙光子譜，而在該窗口之外的背景區域B內使雙光子譜最小。對比率C定義為窗口內的光強與窗口外的光強之比值。
不同頻率的光子之間的相位差僅可優選兩個值0或π，從而使給定的光路中的幹涉達到最大或者最小值。相差為π的任意兩個值等效。根據對此的理論和實驗驗證，將該方法定義為二元相位整形(BPS)。在優選實施例中，BPS被用來解決用超短光脈衝進行選擇性多光子激發的問題。
為了控制雙光子激發，需要控制雷射的非線性強度譜E(2)(ω)，可通過用薄二次諧波產生(SHG)晶體得到二次諧波譜對該值進行測量。當窄帶非線性強度譜可調，以優化兩個發色團之間的激發時，可實現選擇性雙光子激發。
一些組織機構已經對SHG上的譜相位調製的效果進行了研究，這些效果可以被分為寬相位匹配帶寬和窄相位匹配帶寬兩種情況。正弦相位調製，作為常規的控制雷射器的函數，對比率不大於0.5，而當窗口被調到遠離中心頻率時，對比率低於0.1。
考慮兩個相位0和π，則對稱性將十分清楚。為了使頻率2ωc處的SHG強度最大，頻譜需要關於ωc對稱或者不對稱，才能產生相加幹涉。為了使所有其他頻率處的背景強度最小，在遠離ωc的所有頻率處相位譜應該具有不對稱的特徵，從而使得相消幹涉達到最大。正如他人描述的，二元相位濾波掩模或者可變形的鏡子或者SLM僅能產生對稱強度的波形(見A.M.Wiener，″Femtosecond pulse shaping using spatial light modulators，″Rev.Sci.Instrurn.，Vol.71(5)，page 1934)。在另一個優選實施例中，素數被用來產生所需的準隨機相位變化值。用來調製相位的掩模如圖9所示，它是為120像素的調製器設計的。圖9中，滿足對稱條件的掩模使用了素數準隨機值。這個掩模在像素64被反射，得到像素65-128的值，例如，可以是為了得到中心頻譜附近的二次諧波信號而設計的。其他優選實施例使用128像素的SLM，還有一些實施例使用了高於258像素的SLM。
優選從KM實驗室獲得的鈦藍寶石雷射器的雷射系統，它能在經過一個雙通稜鏡壓縮器後產生短至10fs的脈衝。使用電腦控制的脈衝整形器對脈衝的譜相位進行調整。脈衝的中心波長優選在800nm附近。採用MII相位掃描(MIIPS)方法對每個脈衝的譜相位進行校正，能夠補償相位失真從而得到變換受限(TL)的脈衝。二元相位被作為附加引入到相位補償中。
整形後的光脈衝，每個脈衝具有0.5nJ的能量和87MHz的重複率，被溫和地聚焦到20微米厚的(βBBO)I型SHG晶體上的一個直徑為100微米的點上。使用一個光濾波器接收倍頻光，並將它色散到一個緊湊的分光計上，該分光計優選Ocean Optics公司的分光計。
在引入相位調製之前，考慮到頻譜幅度限制，雷射光譜使用傅立葉平面狹縫進行了窄帶處理。頻譜結果如圖10a所示。圖10b示出了經過幅度限制後的SHG強度，可以看出窗口內的能量取決於帶寬的平方。對於可用帶寬10％的頻譜寬度，幅度限制產生了比TL脈衝的強度低100倍的二次諧波。儘管這種情況下的對比率非常高，期望波長處的低強度卻使這種方法在實驗中並不實用。
如圖9所示的相位掩模在SLM上進行了編程，它顯示了如圖4所示的SHG頻譜的動態變窄。當SHG的峰值點位於中心時，圖1中掩模的對比率為2.5。通過改變掩模在SLM上的位置，從而調節對稱中心，就可以調節SHG頻譜，如圖11所示。
圖11中虛線經理論計算得到，電場的頻譜幅度|E(ω)|的絕對值可通過|E(ω)|＝I(ω)0.5和基脈衝I(ω)的實驗強度譜計算得到。為了模擬實驗結果，使用了二重傅立葉變換方法。由頻域的複數頻譜幅度的傅立葉圖可計算得到時域電場E(t)，使用公式E(t)＝∫|E(ω)|exp[i(ω)]exp{-iωt}dω [8]其中譜相位φ(w)是SLM得到的函數，SHG的功率譜使用下式計算得到ISHG(ω)＝|∫E(t)2exp(iωt)dt|2[9]對於TL脈衝，使用SHG強度的最大值對SHG的幅度進行歸一化，φ(ω)≡0。
編寫一個簡單的進化遺傳算法的電腦程式(ELC)，它假定中心頻率為800nm，持續時間為10fs的脈衝的高斯型電場|E(ω)|，為了更接實驗裝置的解析度，八個點被用來代表每一個像素。二次諧波的強度可根據下式計算ISHG(2ωc)＝|∫E(ωc-ω)E(ωc+ω)dω|2[10]對於TL脈衝，使用SHG的最大幅度進行歸一化。
BPS可簡化計算，特別是電場的幅度被假設為一個常數時，也就是在允許的譜域裡頻譜功率為1時。電場的每一頻譜分量在頻域中線性色，可由二個值(±1)進行表示，分別由bk＝exp(iφk)，φk＝0或π時得到。使用下面的公式可以對頻率2ωk處的SHG信號的強度進行計算
Sk=|j=0Nbk-jbk+j|2/N2---[11]]]>其中用離散求和代替式10中的積分，N是一個由模型參數，例如像素個數，決定的參數。頻譜的選擇性問題，現在可以看作一個尋找向量bk，使得對於ωk＝ωc時Sk＝1且Sk在所有其他頻率處最小。
在圖12中，圖9中相位的理論結果(黑色)與用給定相位進行了初始化的ELC的結果(虛線)進行了比較。計算使用了100個樣本，以及一個母體，該母體經過了30代並使用單的雙對稱或三對稱的比特翻轉(bit flips)。ELC的結果給出了高於2.5的對比率。使用包含更多像素的SLM，並將覆蓋相同頻率範圍的像素組組合起來，根據計算，可改進實施方案，獲得更高的對比率。將SHG的頻譜變窄的目的是為了使用選擇性雙光子顯微鏡將成為可能。為了達到這個目的需要滿足兩個條件，非線性功率譜在2ωc處最大，在其他處最小。Silberberg和他的同事已經研究了最大化問題，對於連續函數，他們確定了條件(ωc-ω)＝-φ(ωc+ω)。(見N.Dudovich，B.Dayan，S.M.G.Faeder，Y.Silberberg，″Transform-limited pulses are not optimal for resonantmultiphoton transitions，″Phys.Rev.Lett.86，47-50(2001)and D.Meshulach，Y.Silberberg，″Coherent quantum control of multiphoton transitions by shapedultrashort optical pulses，″Phys.Rev.A 60，1287-1292(1999))。Zheng和Weiner研究了SHG在單頻率下輸出的窄相位匹配帶寬，有一個問題，在通信中使用二編碼脈衝，與原子的雙光子激發類似。他們發現將相位的限制到0和π導出了條件(ωc-ω)＝φ(ωc+ω)。(見Z.Zheng，A.M.Weiner，″Spectral phase correlation of coded femtosecond pulses by second-harmonicgeneration in thick nonlinear crystals，″Opt.Lett.25，984-986(2000)and Z.Zheng，A.M.Weiner，″Coherent control of second harmonic generation usingspectrally phase coded femtosecond waveforms，″Chem.Phys.267，161-171(2001))在兩種整形條件下，最大信號都接近於使用TL脈衝時的情況。
在利用脈衝整形使寬相位匹配SHG的頻譜變窄或大有機體染料和發射團的選擇性激發中，關鍵在於對遠離2ωc處的非線性功率譜進行最小化。如式11所示，與卷積(convolution)類似。在這種情況下，一些二元函數可在某處產生尖銳的「δ函數」卷積信號而具有非常低的背景。
從原理上來說，這一解決方案是那些從任意相位和幅度實現脈衝成形的方案集合的成員之一。對於一個具有N像素的脈衝整形器，我們可以產生(P*A)N個整形後的脈衝，其中P和A是一個像素可以表徵的不同的相位和幅度的數目。如果有100個像素，每一個像素表徵10個不同的幅度和100個不同的相位值，不同的脈衝的個數是100300量級。這一數目非常巨大，因而在理論上，要得到期望的光學變換或者激發，是一個巨大的挑戰。
由於非線性光學過程不依賴於絕對相位或譜相位的線性變換，因此電磁波的周期性導致了脈衝整形時的大量冗餘。這一等效性可以表示為φω＝φ(ω)+a+bω，其中a和b是常數。這一冗餘通過對工作於二級衍生相位處的ELC進行編程而濾除。在SLM中使用的實際相位通過使a＝b＝0時進行積分得到。ELC被用來對頻譜變窄的平滑相位函數進行優化，但不能得到比聯合(unity)時更高的對比率。
BPS的優點是大大降低了計算的冗餘度。對於BPS和128個活動像素，搜索空間被降低到2128。如果具備二重對稱，例如雙光子激發，這個數目被降低到264。最後的搜尋空間限定於1019量級，這個數目比上面討論的對任意相位和幅度進行脈衝成形的情況至少小281個量級。結果佔用的空間足夠小，所有的輸出結果都可以被計算，大部分都可以實驗估測。一個簡單的ELC，如在這裡使用的ELC，可向具有重大改進的方案快速收斂。
BPS具有重要的技術優勢。一個為π的延遲可以快速簡單地被校準。被永久蝕刻的掩模可以預先製造使用在具體應用中，如有選擇性的雙光子顯微鏡。對掩模進行掃描可以產生雙光子激發頻譜。
顯示出前面已說明，雷射器控制，特別是雙光子躍遷的雷射器控制可稱作二元相位整形(addressed)。BPS使分析問題和提出解決方案變得非常簡單。如此處說明的利用素數之間的準隨機空隙的相位掩模。由於大幅降低了搜索空間，簡單的ELC可被用來有效改進所提出的解決方案。
使用二元相位整形的應用對光強度有高階依賴性的非線性光處理在大量的關鍵技術中起主要作用，這些技術包括多光子顯微鏡術、多光子光動力治療、多光子微光刻、光開關、化學傳感器和選擇性光化學。大量的研究努力正在進行中以改善這些處理的效率，這些研究主要集中於具有強非線性光敏感性的材料。能夠增強非線性激發的效率，或者，在某些情況下能夠抑制非線性光學失真，在光子學技術的設計中佔有最優先的地位。多個研究小組一直在使用具有構造和整形技術的雷射系統控制包括蛋白質在內的大分子中的非線性光過程。利用脈衝幅度及其整個帶寬上的譜相位能確定場的功率譜。由整形器引入的譜相位控制著脈衝的頻率累積產生更高非線性頻率成分的過程。相位依賴的概率用於管理雷射脈衝於其上引起的非線性光學過程的頻率。
相位調製引入多光子過程的功率譜的變化。如果SLM中產生相位函數Φ並且從0到2π掃描δ，對應於雙光子的功率譜相應產生螢光變化。此方法對於實現選擇性多光子顯微鏡術是有用的。此系統產生摻有藍或綠螢光染料的顯微聚苯乙烯球珠的選擇性激發。變換受限脈衝激發源自這兩類球珠的多光子躍遷，但是雷射脈衝的譜相位受到調製因而脈衝只激發特定類型的分子，以提供選擇性。對於這些實驗，脈衝整形器的輸出直接聚焦於被顯微鏡成像的樣本；在所有情況下，注入脈衝的頻譜和強度都保持不變。
這種方法的用途包括所有使用多光子激發的技術。這種方法用於脈衝描繪和補償，兩個或三個光子激發的選擇性控制，選擇性顯微環境傳感和成像，以及選擇性多光子顯微鏡術和成像。MIIPS和BPS提供了強有力的用於超短雷射脈衝的脈衝描繪和補償的方法。所有包括非線性光學處理的應用都將受益於譜相位處理所產生的控制，這種處理方法貫穿於多光子脈內幹涉的全過程。
多光子顯微鏡術雙光子顯微鏡術提供了用於螢光成像和光化學的重要的可能性。它具有各種優點，包括更高的清晰度、無背景信號、較低的背景散射，在厚樣品中更好的穿透性，以及減小的光子注入損傷，這種損傷源自吸收決定於激發強度的平方這一基本物理原理。雙光子顯微鏡術可按照多探針(probe)染色處理，由此雙光子躍遷激發在不同波長發射的不同的探針分子，以用於活細胞的功能成像。參見1991年7月23日授予Denk的美國專利No.5034613，2000年12月26日授予Webb的美國專利No.6166385，2002年2月5日授予Webb的美國專利No.6433653，1998年6月2日授予Lakowicz的美國專利No.5759767，以及W.R.Zipfel等的文章「Nonlinear magicmultiphotonmicroscopy in the bioscience」，Nature Biotechnology)，121(11)1369-1377(2003年11月)，所有以上的專利在此引入以供參考。相位調製飛秒脈衝只能選擇性地激發一類探針分子，其他的則留在基態。多光子激發通過多光子脈內幹涉(MII)來完成，並且可以通過二元脈衝整形來有效實現。選擇性激發用於增強對比度和實現對螢光探針染色的樣品的功能成像，這些探針對顯微的化學環境敏感。
優選地，在本發明的雷射系統中使用從KM實驗室獲得的鈦-藍寶石振蕩器，此振蕩器能夠產生的脈衝在通過一個雙透過稜鏡壓縮器後可短至10fs。利用如上文所描述的計算機控制的脈衝整形器來修正脈衝的幅度曲線和譜相位。脈衝整形器使用一對SF-10稜鏡作為色散元件並利用0.4m柱鏡準直。實驗的示意圖如圖7所示。由計算機控制的空間光調製器(SLM-256，CRI Inc.)產生相位調製，該空間相位調製器位於整形器裝置的傅立葉平面前。脈衝中心波長在800nm附近。利用多光子脈內幹涉相位掃描方法(MIIPS)對每個脈衝的譜相位進行校準，首先獲得變換受限(TL)脈衝，然後產生想要得到的相位。實驗中使用的譜相位函數由下式給出(Ω)＝αcos(γΩ-δ)[12]其中Ω為從雷射脈衝的中心波長偏離s-1範圍內測量的頻率失諧量。經整形的雷射脈衝，其具有每脈衝0.2-1nJ的能量及87MHz的重複率，溫和地聚焦於不同樣品表面直徑大約～200微米的區域點上。雙光子所致螢光由無限校正的高度消色顯微鏡物鏡(APO 100X，Mitutoyo)收集，並且在使用InfiniTube的液氮冷卻CCD探測器上成像，此Infini Tube優選地是InfinityPhoto-Optical公司的Proximity系列型號。實驗在三類不同的樣品上實施。第一類樣品是由在酸性(pH6)或鹼性(pH10)緩衝環境中處理過的丙烯腈-亞乙烯基氯化物聚合體來配置的，並由pH敏感的螢光探針8-羥基核-1，3，6-三磺酸鹽酸(HPTS)(10-3M)(Sigma-Aldrich)染色。第二類樣品由摻雜有C540核R6G螢光探針(10-4M)的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)碎片組成。第三類樣品由10μm藍色和15μm綠色螢光氟球體(分子探針)的混合物組成。圖像以黑白圖顯示，不經過光學收集裝置的光濾波器或後續圖像處理。雷射器關閉時的探測器計數作為背景從中減去。
圖19示出了實驗測量和理論預測的在pH10和pH6之間的pH敏感染料溶液樣品的雙光子雷射所致螢光強度對比率曲線，以說明MII原理。圖19示出了不同pH值的HTPS溶液的選擇性雙光子激發的實驗結果和理論預測情況(a)雷射譜加上相位函數；(b)計算出的TL脈衝的E2(t)功率譜；HPTS在pH10(右側)和pH6(左側)的吸收譜。
示例性樣品是不同pH緩衝液中的10-5M HPTS鹽水溶液。當譜相位被調製時雷射譜在整個實驗中保持不變。HTPS激發譜顯示出隨pH值變化的大的改變，然而中心在515nm的發射光譜與pH值無關。通過使用23fs的變換受限脈衝獲得測量結果，該脈衝經整形後為中心波長842.6nm，譜寬48nm，譜相位由式[12]定義的高斯譜形，其中α＝1.5π，γ＝20fs。譜密度|E(Ω)|2和雷射脈衝相位Φ(Ω)由圖19a示出。圖19b展示出電場平方E(2)(Δ)＝E(Δ/2+Ω)E(Δ/2-Ω)dΩ[13]的計算譜，其中Ω＝2πc(1/λ-1/λ0)為偏離雷射脈衝的載波中心頻率2πc/λ0的譜失諧量，且E(Ω)＝|E(Ω)|eiΦ(Ω)。實驗信號的仿真通過使用無可調參數的下式來實現S(2)α∫g(2)|E(2)(Δ)|2dΔ [14]其中γ(2)(Δ)是HTPS在不同pH的雙光子吸收譜(單光子譜由圖19b示出)。脈衝的|E(Ω)|2譜和HTPS的吸收譜g(Δ)由實驗測定。分子內動力學，例如分子振動，由於其對MII有最小的貢獻而被忽略。由於HPTS沒有反對稱性，因此其單分子吸收譜g(Δ)被認為與其雙分子吸收譜γ(2)(Δ)相同。在pH10和pH6之間的螢光測量強度的對比率由函數δ表示。通過激發甲醇溶液(水中10-3M)中的染料獲得的實驗數據通常與計算結果一致。
當掃描雷射脈衝的譜相位Φ(λ)時，MII調製E2(t)的功率譜的幅度。注意到圖19d中功率譜的最大幅度從較長波長向較短波長移動，提供了在不同pH環境中選擇性激發螢光探針的可能性。在不同的pH區域製備HTPS的固態樣品並利用顯微鏡來成像。圖20a顯示了由TL脈衝獲得的圖像。脈衝光譜和譜相位(扁平線)顯示在右側。圖20b顯示了由雷射脈衝獲得的圖像，該脈衝經優化整形以用於酸性環境下的HPTS選擇性激發。用於獲取圖像的譜相位在中間示出。
圖21中的實驗結果顯示了不同螢光探針的選擇性激發。圖21a顯示了由TL脈衝獲得的數據。成像的兩片PMMA顯示出了相似數量的雙光子雷射致螢光。當脈衝的譜相位調整至優化C540摻雜樣品的選擇性激發時，只觀察到頂層樣品發出螢光，如圖21d所示。當脈衝的譜相位被優化用於R6G摻雜的樣品，如圖21c所示，觀察到來自底層樣品的強螢光，而另一側，含有C540探針的，沒有發出螢光。注意到雷射的光譜和強度在所有三種情況的實驗中保持常數。僅有的變化是脈衝譜相位的細微調製，其控制多光子脈內幹涉。對比率(IR6G/IC540)(相對於背景校正的歸一化強度)從優化C540的脈衝的1∶9到優化R6G的脈衝的8∶1變化。選擇性多光子激發不同螢光探針間的串擾最小，並且不需要使用多個濾波器和成像探測器。
在先前面的實驗顯示了不同探針分子的選擇性雙光子激發。為了進一步闡明用於功能成像的相干控制的潛力，圖示出典型地用於生物樣品目標染色的微液滴的選擇性激發。圖22示出了由兩個不同微液滴發出的螢光。上面的圖像表示在450nm處有最大吸收的綠色螢光微液滴，而下面的圖像表示在365nm處有最大吸收的藍色螢光微液滴。圖22a中的圖像由TL脈衝獲得。在這些條件下，可以觀察到兩種液滴都發出大的雙光子致螢光信號。對於圖22d中的圖像，脈衝相位被調製使得藍色液滴的螢光強度達到最大而綠色液滴的螢光強度最小。
對於圖22c中的圖像，脈衝相位被調製使得綠色液滴的螢光強度達到最大而藍色液滴的螢光強度最小。觀察到的對比率(I藍/I綠)對不同相位分別是1∶3和4∶1。
通過共同優化E2(t)的功率譜和雙光子吸收譜，在此實現了具有顯著對比率的選擇性激發。在多光子顯微鏡的基礎上添加計算機控制的脈衝整形器具有許多重要的優點。第一，脈衝整形器可用於補償樣品的有害相位失真。例如，線性啁啾即顯示出減小雙光子顯微鏡的信號強度。通過脈衝整形器，線性的、二次的、三次的以及更高階的啁啾都被補償以獲得最有效的激發。第二，脈衝整形器通過幅度調製來控制雷射脈衝的輸出譜。第三，正如此處所顯示的，脈衝整形器用於選擇性探針激發。由於雷射譜保持不變，相位調製不會影響到一個光子的行為，例如吸收、反射和散射。選擇性激發使樣品中不同螢光探針間的可能串擾最小化。最後，脈衝整形器用以防止三光子或更高階非線性光學過程的出現，例如連續生成(continuum generation)。更高階的過程經常導致樣品的品質下降，並且在活體樣品的情況下導致DNA損傷。已使用MII和BPS方法實現四階量級的三光子躍遷的抑制，並且這種抑制能夠與活體樣本雙光子信號的優化相耦合。
這種方法可以用於選擇性地激發不同的探針分子或不同環境中的同種探針分子。此外，這種方法可以用於發光探針的選擇性激發，例如量子點、金屬微粒和單分子。例如，參見D.R.Larson等的「Water soluble quantumdots for multiphoton imaging in vivo」，Science 300 1434-6，(May 30，2003)；D.A.VandenBout等的「Discrete intensity jumps and intramolecular electronicenergy transfer in the spectroscopy of single conjugated polymer molecules」，Science 277，1074-1077(1997)；基於同樣的原理能夠通過雙光子雷射所致的導電性實現半導體微晶片的功能成像。例如參見C.Xu等的「Two photonoptical beam induced current imaging throughout backside of integratedcircuits」，Appl.Phys.Lett.71，2578-2580(1997)和D.L.Osborn等的「Spectral and intensity dependence of spatially resolved two-photonconductivity defects on a GaAsP photodiode」，J.Appl.Phys.89，626-633(2001)。包含脈衝整形器的多光子顯微鏡術具有選擇性探針激發的靈活性和通過飛秒脈衝譜相位的受控調製實現的最大信號強度。甚至對於具有相似吸收譜的螢光標記，脈衝整形也顯示出能夠選擇性激發。選擇性激發的水平及其增強可適應雙光子或三光子顯微鏡術的不同模式。
多光子光聚合微光刻(microlithography)包括使用UV光來引發聚合。由聚合誘發的雙光子具有允許較小特徵(低於100nm)的3D聚合的優點。光帶隙材料(PBGM)具有與光波長相近的特徵的3D結構，並表現出有趣的行為。雙光子微光刻是製備很複雜的PBGMs的一種方便的方法。
雙光子吸收通過雙光子誘發聚合(TPIP)能用於三維光刻微製造(3DLM)。這是因為同時的雙光子吸收要求很高的光通量，其只能在聚焦點出現。因此TPI聚合受聚焦量的限制。這樣高的空間解析度使得TPIP能夠不僅在x和y方向上掃描雷射，也能夠在不重寫現有特徵的情況下改變聚焦面(z)。因此，通過單步加工可獲得3DLM。3D聚合結構包括光帶隙結構、波導結構和微通道結構。
能用於3DLM中的分子的實例通常具有D-π-A-π-D結構，其中D為端基，π為苯基亞胺官能團以及A為收電子(electron-accepting)氰基。由於氰基被用作側基，電子傳輸的增加導致與供電子甲氧基相關的δ值的顯著增加。此外，通過引入級性亞胺改變共軛主鏈，由於發色團的雙光子吸收特性的影響，可調節四極衍生物(derivative)的線性和非線性光學響應。兩個極性基(CHLN-)將提高從端基到相關兩個氰基的中心的電荷轉移的範圍。在發色團的激發下，p-共軛中心作為電子接收器，相比通過分子間能量和電子轉移，分子內能量和電子轉移將更容易從端基R2N出現。原子團形式能更容易地在端基內產生。而且，發色團的溶解性隨著CHLCH-被極性柔性基-CHLN-的取代而提高。由於它們能高產(high yield)地一步合成且在高敏感度下引發三丙烯酸酯單體的聚合，因此使雙光子誘發聚合的應用成為可能。
以下參考文獻公開了雙光子聚合物引發劑″New Photopolymers basedon Two-Photon Absorbing Chromophores and Application toThree-Dimensional Microfabrication and Optical Storage，″B.H.Cumpston，etal.，Mat.Res.Soc.Symp.Proc，Vol.488，″Electrical，Optical，and MagneticProperties of Organic Solid-State Materials IV，″(MRS，Warrendale，1998)p.217；和″Two-Photon Polymerisation Initiators for Three-Dimensional OpticalData Storage and Microfabrication，″B.H.Cumpston，et al.，Nature，發行中。預計多光子脈內幹涉將有利於增強這種非線性光聚合。
以下參考文獻為用於微光刻和微製造的多光子技術的例子Y.M.Lu，etal.″Highly sensitive two-photon chromophores applied to three dimensionallithographic microfabricationdesign，synthesis and characterization towardstwo-photon absorption cross section″J.Mater Chem.14(1)75-80(2004)；K.D.Belfield，et al.，″Two-photon photoinitiated polymerization，″J.Phys.Org.Chem.13(12)837-849(December 2000)；BJ.Postnikova，et al.，″Towards nanoscalethree-dimensional fabrication using two-photon initiated polymerization andnear-field excitation，″Microelectron.Eng.69(2-4)459-465(September 2003)；H.B.Sun，et al.，″Two-photon laser precision microfabrication and itsapplications to micro-nano devices and systems，″J.Lightwave Technol.2l(3)624-633(March 2003)；Goodman的美國專利6,316,153，受理於11月13日，2001；Baer的美國專利6,259,104，受理於7月10日，2001；以及Worster的美國專利6,288,782，受理於9月11日，2001；所有以上專利在此給出作為參考。
目前，雙光子微光刻及相關技術都只能引發某一類聚合物。如果需要兩種不同類型，則需要漂洗(rinse)，改變單體混合物，以納米精度找到特徵位置並生成新的特徵。
在一個實施例中，BPS用於微光刻和諸如微加工和微製造的相關技術以控制兩種聚合物的聚合。交替生成兩種不同的聚合物使得納米特徵結構具有強的柔性，例如但不限於微電子機械系統(MEMS)。通過控制雙光子激發的發生波長，能夠控制兩個不同聚合物的沉積(deposition)。
量子計算相干控制概念的一個重要應用出現於量子計算領域。由整形雷射技術提供的激發選擇性也可作為第一個實際應用的量子計算機的發展基石。在現有的量子計算的光學方案中，計算機控制脈衝整形來實現信息在量子相位中的存儲和獲取。在八態(eight-state)Rydberg原子波包的情況中，現有方案能將信息作為量子相位存儲於一個或多個觸發(flipped)態中，隨後能在與Grover’s一致的單步驟中獲取信息；該現有方案在J.Ahn，et al.，Science 287(2000)，p.463；and N.Bhattacharya，et al.，Phys.Rev.Lett.88(2002)137901-1中公開。
常規量子計算機網絡的典型可視化將具有包括量子存儲裝置的節點，其中信息能很長時間地存儲在原子、分子或離子的基態或某些亞穩激發態。量子信息能從網絡的一個節點傳輸到其它使用光子。該節點執行指定的計算並用作存儲或記憶單元。存儲時間受消相干(decoherence)時間限制。很難在兩個節點之間傳輸量子信息而不允許出現消相干。已經有一些關於量子通信的提議，用於在遠程用戶之間傳輸和交換量子信息，包括用於安全通信的量子安全密鑰信息的發送。量子隱形傳送(teleportation)允許任何未知的量子態從一個遠程部分傳輸到另一部分，通過兩個遠程量子位(bit)的最大的纏繞態(entangled state)的建立可具有很好的逼真度(fidelity)。但是，遠程用戶之間的通信瓶頸是誤差概率與用戶之間的通道長度的比例。該誤差導致幅度和相位衰減。
有利地，由於整形脈衝能在光學硬體中傳輸並且同一構造還可被用於計算和光學信息傳輸，因此本發明的光學脈衝整形是實現量子計算是有吸引力的方法。該整形脈衝被分為能在不同的時間量程中載有不同脈衝串的數個不同部分。這樣就提供了控制各種節點的槓桿作用(leverage)，其中在這些節點處，分子系統與整形脈衝相互作用來執行各種指令並在脈衝持續過程中的各節點處進行量子計算行為。這樣進一步使各種節點處的不同量子計算步驟的處理同時進行，使得編碼可在整個網絡中並行傳輸來分配任務。在計算結束時，結果通過發送「讀脈衝」並再結合該結果而被讀出。基本上，這就是使用整形脈衝的網絡分布式量子計算。目前，利用現在的光學脈衝整形技術能夠在單群(burst)光中傳輸/編碼106位。來自雷射源的重複率為約50至100MHz。因此，能通過光學領域中已有的基本結構使用通信信道的terabit/sec位。一旦這樣的量子計算機可在遠程位置利用，這些作為「量子軟體」的包就能通過高速通信信道來傳輸。因此，可利用所提出的脈衝整形方案進行遠程量子計算，並可實現速度為terabit/sec的通信和分子控制。例如見，Goswami D，Quantum Physics 0312192(Dec.242003)；Garcia-Ripoll JJ，et al.，Phys.Rev.Let.，91(15)157901(2003)；Yang W，et al.，J.Opt.Comm.Vol.22，No.1，pp.694-697(2001)；Leibfried D，et al.，J.Mod.Optic.50(6-7)11 15-1129(Apr-May 2003)；Pazy E.，et al，.Phys.Rep.374(6)385-481(Feb.2003)；Goswami D.，Phys.Rep.374(6)385-481(Feb.2003)；Brattke S.，et al.，Phys.Rev.Lett.86(16)3534-3537(Apr.16 2001)；和Weinacht T.C.，et al，Nature 397(6716)233-235(Jan.21 1999)；另外見Franson的美國專利No.6,678,450，受理於1月13日，2004；和Devoe的美國專利5,793,091，受理於8月11日，1998；所有以上專利在此給出作為參考。
光學相干斷層掃描本發明的一個優選實施例使用雷射器系統221用於利用光學相干斷層掃描(「OCT」)的雷射激發或離子化。總體上，圖13示出了系統221的OCT應用，其中該系統包括飛秒雷射器223、雷射束整形器229、人或動物的組織標本241、光門251和圖像253。雷射器223發射短於1皮秒的雷射束脈衝。整形器229由三部分組成；兩個色散元件255和夾在中間的相位掩模元件257。如下面將更詳細說明的，整形器229基本上阻擋了能損壞人或動物的DNA的多光子激發。未整形雷射束脈衝用於提供(gate)衝擊光子來渲染(render)圖像用於斷層掃描。通過倍頻晶體中的上轉換或利用液態二硫化碳中的Kerr門能實現光學門。所示的系統221的結構假設傳輸成像；或者能利用背散射成像來實現相同的最終結果。圖像253可看作類似人或動物標本的內部器官的X射線型圖像但無有害的三光子曝光。OCT中整形脈衝的使用使得雷射強度增加從而更好地成像，同時防止了多光子激發對健康組織的損害。以下討論的MIIPS和BPS過程有利於激活(activate)人或動物體組織內的不同的染料(dyes)和其它化合物，從而實現化合物特殊的或功能的OCT或顯微鏡術(microscopy)。使用脈衝整形器來防止諸如連續生成的三光子和更高階非線性光學過程。更高階過程通常導致樣品的品質惡化，且在活樣品的情況下導致該樣品的DNA損壞。使用MII和BPS已經實現了四個數量級的三光子躍遷的抑制且該抑制能與來自活標本的雙光子信號的優化相耦合。或者，能夠實施螢光對比劑使得使用BPS整形的脈衝選擇性地激發針對惡性腫瘤的螢光劑。該實施例被期望以實現功能的深度組織成像。
參考圖5，其顯示了BPS用於功能成像的系統設置。該組織已經被注入了螢光對比劑，該對比劑被腫瘤優先吸收。該螢光劑為pH敏感染料或衍生量子點(derivatized quantum dot)。無需時間光柵。
光動力學治療本發明的另一實施例使用的系統也示為221，其用於利用光動力學治療(「PDT」)的雷射激發或離子化。PDT是一種結合使用可見光和光敏劑的治療。可見光和光敏劑本身是無害的，但當與氧氣結合時，就能產生致死的細胞毒素，該細胞毒素能滅活腫瘤細胞。這樣對患病的組織具有更強的選擇性，因為只對那些同時含有光敏劑的細胞，光和氧氣才能產生細胞毒素的效果。PDT的雙重選擇效果在於通過患病組織的光敏劑的優選攝取(uptake)以及通過限制照明特殊區域的來限制光敏劑對於該患病組織的激活能力。因此，PDT允許選擇性的破壞腫瘤而不傷害正常組織。
PDT基於以下概念(1)某些光敏劑能在腫瘤化(neoplastic)組織中富集(一定程度優選地)，和(2)隨後，這些光敏劑能被合適的光的波長(能量)激活從而產生激活的分子種類(species)，例如對細胞和組織有毒性的自由基和單氧(1O2)。PDT為二元療法，且PDT的潛在優點是其固有的雙重選擇性。首先，通過光敏劑在目標組織內的富集來實現選擇性，其次，放射能被限定在特定的程度。如果該光敏劑是無毒的，則即使光敏劑與正常組織結合，也只有放射區域會受影響。通過將光敏劑結合於對目標組織有高親和力的分子給送系統，能進一步提高選擇性。對於光激活作用，光的波長與光敏劑的電子吸收頻譜相匹配，使得光子被光敏劑吸收並且出現所期望的光化學作用。除了病灶位於非常表面的特殊情況，激活光的範圍典型地是在600至900nm之間。這是因為內生分子，具體地為血色素，強烈地吸收600nm以下的光，且因此捕獲大部分的入射光子。淨效應是激活光穿透組織時的損失。以900nm為上限的原因是超過該波長範圍的能量(energetics)不足以生產1O2，即氧的激活態，而該因素對於PDT十分關鍵。
PDT的光化學和光物理原理在本領域是熟知的。簡要地說，在照明下，光敏劑從基態(s0)被激發到第一激發單態(s1)，而後經過系統間跨越轉換至三重態(T1)。三重態的更長的壽命時間使得被激發的光敏劑與周圍分子的交互作用成為可能，且一般認為PDT過程中生產的細胞毒素類在該態中同時出現。
該激發出的三重態能夠以兩種方式起作用，定義為I型和II型機制。I型機制包括在光敏劑的激發態和生物、溶劑或另一敏感劑的基質之間的氫原子提取或電子轉移反應，從而產生自由基和基離子。這些自由基類通常是高活性的並且能容易地與分子氧相互反應，從而產生諸如過氧化物陰離子或羥基的活性氧類或者能導致不可恢復的生物損傷。這些反應產生氧化損傷最終表現為生物損傷。相比，II型機制產生於敏感劑的激發三重態和基態分子氧之間的能量傳遞，產生氧的第一激發態，即單氧。該兩性離子類具有極強的活性且能與大量的生物基質發生互反應，導致氧化損傷和最終的細胞死亡。儘管通常認為II型過程在PDT過程中佔主導且單氧是在所表現出的生物效果中起主要作用的細胞毒素劑，但I型反應在低氧濃度或更多級環境下變得更為重要。但是，由於I型和II型反應導致在氧的存在下的類似的氧化損傷和相對自由基鏈反應，因此初始的反應重要性相對較低。I型和II型反應路徑的全部效果為在目標細胞內產生氧化損傷，目標細胞終的氧化損傷將最終導致腫瘤的破壞。
在特定的環境下(短脈衝、高強度的輻射)，上激發態可能會增加(populated)，且複雜的光物理和光化學過程可能源於這些態，導致光毒性的增加或減少，可能包括諸如DNA突變的與氧(oxygen-independent)無關的機制。
光敏劑為能夠吸收具有特定波長的光並將其轉化為有用能量的化合物。在PDT中表現為致命細胞毒素的產生。有上百種能夠用作用於PDT的天然材料及合成材料，從植物提取物到複雜的合成大環。任何光敏劑的關鍵特性是要在患病組織中優先富集以及而後產生細胞毒素達到預期的生物效果。(此類光敏劑的例子，見W.M.Sharman，et al.，″Photodynamic therapybasicprinciples and clinical applications，″Drug Discovery Today 4(11)508-517(1999)；T.Hasan，et al.，″Photodynamic Therapy Of Cancer，″Chapter 40 inHolland Frei Cancer Medicine，BC Dekker Inc.(2003)；W.M.Sharman，et al.，″Targeted photodynamic therapy via receptor mediated delivery systems，″Adv.Drug Delivery Rev.56(1)53-76(2004，1月)；and Roy I.，et al.，″Ceramic-basednanoparticles entrapping water-soluble photosensitizing drugsA novel drugcarrier system for photodynamic therapy.″J.Am.Chem.Soc.1257860-7865(2003))。
通常總體上，圖13還示出了系統221的PDT應用，但不需要光門251和圖像253。整形器229允許雙光子激發但基本上阻止了三光子激發。整形器229提高了治療劑的雷射致激活，該治療劑防止健康組織受到損傷。與已公開的常規方法相比，使用本發明的雷射束脈衝整形應提供有關PDT應用的更好的控制及結果，例如美國專利No.6,042,603的名稱為″Method forImproved Selectivity in Photo-Activation of Molecular Agents″，Fisher等人，受理於2000年3月28日，且該申請在此給出作為參考。或者，脈衝整形器能被調節到目標癌細胞來用於多光子基因治療或破壞，其中應用或不應用治療劑，而不會損傷健康組織。以下討論的MIIPS和BPS過程有利於只激活某些藥物或化學物，或利於使雷射脈衝進入人體或動物組織的已知深度，基於雷射束脈衝的相位調節和相關非線性光譜調節。脈衝整形器被用於防止諸如連續產生的三光子及更高階的非線性光學過程。更高級過程一般導致樣品品質惡化，並且在活樣品的情況下導致DNA損傷。通過使用MIIPS和BPS方法已經實現了四個數量級的三光子躍遷的抑制，且該抑制能與來自活標本的雙光子信號的優化相耦合。
出於用作生物醫學目的的雷射器最常見的為診斷工具、外科工具以及成像。超短脈衝整形技術在生物醫學方面應用的直接延伸具有廣闊的前景，有必要深入其影響的領域。儘管目前對超短脈衝整形技術的應用還很少，但隨著相關的領域的應用，其具有重要的意義。近來用於成像的三維分布測量的最常用的方法之一是光學相干斷層掃描或白光幹涉計，其使用寬帶、低相干光源。近來，通過光譜調製的飛秒脈衝整形的原理已結合聯合變換相關器來製作時間空間聯合變換相關器。此技術的優點是其基本上不需要一維深度掃描且因此避免了長時間測量。因此，這樣就省去了獲得目標圖像所需的電子計算，且因此能實現全光學裝置(all-optical set-up)。最初，該設置被證明是表面測量裝置，但作為自然的擴展，很容易將擴展到獲取生物樣品的斷層掃描。實際上，基於脈衝整形的原理，可實現70μm的深度解析度。而且，探測器和組織間沒有接觸，因此是有用的非侵入技術，其為醫生提供了次表面組織形態的近組織學(near-histological)解析度成像，有利於輔助活組織檢查的位置選擇，從而實現「光學活組織檢查」。
非線性光學激發光譜在本發明的一個實施例中，目標是利用對於脈衝的譜型和相位特性的全新(unprecedented)控制來開發能夠產生超短脈衝的雷射器系統。具體的，該系統通過結合相位特性和單相位整形/特性單元內的補償的新穎方法，能產生如通過精確脈衝特性來決定的在1％的轉換受限的超短脈衝。該相同的單元將提供任意脈衝形狀的校準合成。本發明的一個實施例，雷射器系統是形成能夠功能成像的顯微鏡的不可或缺的部分，以及將脈衝裁減以激發對於其顯微化學環境(pH，Ca++，Na+梯度)敏感的發色團(chromophores)的方法。
本發明的另一實施例，雷射器系統由二維空間光調製器來放大和整形。該系統能提供20-30nm範圍，具有0.05nm解析度的單射(single-shot)多光子激發光譜。分子的雙光子激發光譜一般是點接點地獲得且傾向於數量級誤差。該系統能夠在30nm激發區域上每秒獲得1000譜，且為它們查詢標準。該系統提高了非線性頻率分辨激發光譜和通過數量級的截面測量的精確性和速度。此信息是非線性光學材料的選擇和利用的中心。
非線性光學激發光譜(NOES)包括非線性過程的測量，例如作為波長函數的雙光子或三光子激發截面和非線性光學敏感性(susceptibilities)。這些測量對於描述非線性光學材料和諸如雷射染料和量子點的非線性光學發色團非常重要。例如雙光子激發光譜需要在頻率上窄但在多光子激發中具有高效的可調雷射源。典型的，窄帶寬可調雷射用於得到700至950nm的數據，獲得點接點的數據。非線性光譜對於橫模質量、光譜相位、聚焦點的特性、脈衝-1到-脈衝強度變化以及波前變形極其敏感；所有這些能導致汙染結果的更高或更低階的過程。所有的這些因素使得點接點獲取傾向於系統誤差。
一種實際但未試驗過 的方法是產生寬的帶寬脈衝，然後在其光譜上掃描光隙來使特定波長下的光譜解析度變窄。該方法通過兩個或更多的量級減少了二階和更高階過程的效率。
為了解決這些問題，本發明的一個實施例基於二元相位掩模，其基於脈內幹涉(MIIPS)的原理，然後使用由進化遺傳算法提供的遺傳算法來優化。二元相位掩模和對於有限變形和對於整形脈衝的相應輸出在圖8中示出，且一起示出了這些掩模如何用來調二階過程發生位置的示例。紅色痕跡為數據的仿真。雷射集中在薄BBO晶體並利用分光計來收集倍頻輸出。每個相位掩模設計為生成在不同波長下的窄和高的差異最大量。使用128像素脈衝整形器利用18fs脈衝來獲得這些結果。注意，利用TL脈衝觀察到的窄的輸出為約65％的效率。使用放大掩模來阻擋雷射的光譜，如圖11所示，導致只有3％的轉換效率。
本發明的一個實施例通過單雷射束獲得較大帶寬的光譜。高數據吞吐量允許對於一些諸如非線性光學晶體KDP和雷射染料Rhodamine 6G的有名的標準的非常精確的校準。雷射器系統沒有被掃描；實際上，雷射場的振幅在整個實驗中保持不變。這樣就允許對可能影響非線性輸出的所有因素的良好的校準。
衍射兩維可編程相位調製器最初由Hamamatsu設計用於光學計算，其很理想地適合此任務。PPM X8267為1024*768像素電子尋址相位調製器，其使用圖像傳輸元件來耦合併光學尋址PAL-SLM(平行校直向列液晶空間光調製器)。可得到的用於脈衝整形的像素的數量在設計中很關鍵。明確的脈衝的生成需要引入明確的相位函數。平滑相位被參差不齊的相位代替，欠採樣(under-sample)相位的像素紋理(pixilation)效果，是有害的。PPM單元由空間圖像示出，其投射進PAL-SLM。投射系統提供了沒有像素邊界的高精確度複製，使其理想地用於脈衝整形的目的。被調製的飛秒雷射器通過300線/mm黃金塗覆衍射光柵來光譜色散，並通過形成反射2f設置的黃金塗覆圓柱鏡校準。PAL-SLM位於傅立葉平面(可實現最佳光譜解析度的位置)。反射光由與入射光相同的光學設置來收集。彩色像差和組速度差量通過全反射光學設計被保持為最小。非線性光學失真和光學損壞通過使用圓柱形而非球形光學器件而被最小化。光譜在水平維度上被色散。垂直維度上的像素包含不同相位的掩模，該掩模掃描非線性激發發生處的波長。該相位掩模的示意圖如圖14所示。
本發明的一實施例，如圖15所示，產生放大的次-20fs脈衝(比雷射器系統A每脈衝多106倍的能量)，但重複率為1kHz。脈衝的帶寬為50nmFWHM，且用於獲得具有約0.2nm解析度的NOES。種子(seed)脈衝由通過Verdi雷射器(相干)充能(pump)的KM Labs振蕩器產生。放大器為來自Quantronix的Odin多通路放大器，由它們的Quantronix DarwinQ-Switched NdYLF來充能，能夠在1kHz下發出1mj每脈衝。該Quantronix系統引用次-35-fs性能。該放大器能保存大部分的振蕩器帶寬。該振蕩器設計基於Kapteyn和Murnane用來證明17fs脈衝的生成的多通路平臺。為實現很短的脈衝持續，使用了光柵和稜鏡壓縮器。
雷射器安裝在5』×12』振動獨立光學平臺上(Newport)。脈衝特性描述使用FROG、SHG-FROG和MIIPS。對於FROG，使用光學延遲線(Aerotech)。數據收集通過使用Ocean Optics分光計、Boxcar Averager/Integrator(SRS)、500MHz數字示波鏡(Infinium，Hewlett Packard)來完成，並利用個人計算機運行Labview，應用GPIB IEEE 488控制器來控制。
二維脈衝整形允許單射NOES數據從非線性光學材料、雷射染料的雙光子激發光譜、生物標籤的螢光標記、量子點、光學開關及其它光學材料獲得。波長範圍限定在700到900nm，由充能脈衝窗定(window)。雷射器系統用來充能非共線光學參數放大器，產生從450到1300nm的可調寬帶寬脈衝。當需要很不同的波長的材料特性時，這些脈衝被導入二維脈衝整形器。
前邊描述的MIIPS方法要求在雷射的光譜範圍上的參考(reference)相位的掃描。這通常要求獲得100個不同相位函數位置的SHG輸出光譜。為了在單射中實現該任務，豎直維度被分成128個不同的部分。每個部分包含6×1024像素，包含參考相位函數。關鍵是該相位函數在每部分中轉移，從而提供作為MIIPS所需的δ的函數的數據。一旦該飛秒雷射脈衝經過二維相位調製，其利用短焦距，100mm圓柱形鏡，聚焦在厚SHG晶體上。在水平軸線上，該厚SHG晶體導致類似於在GRENOUILLE中使用的光譜色散。在豎直軸線上，由於由PAL-SLM編碼的不同相位函數，可獲得不同套的SHG光譜。然後，包含單射MIIPS數據的整個二維圖像被成像到用於收集和分析的CCD上。
通信如圖16，本發明的雷射器激發系統421的另一個優選實施例包括飛秒雷射器423、光纖451、雷射束脈衝整形裝置429、雷射束脈衝非整形裝置453以及包括光學開關或傳感器和相關電路和電控單元的接收器441。雷射器423發射一系列雷射束脈衝到連接的纖維451，每個均短於1ps。脈衝整形裝置429為具有固定脈衝特性變化形狀(例如具有計算正弦波表面形狀)的預定掩模類型，並具有三個與光纖451相連的元件諸如光纖的色散元件455，其與衍射光柵結合；能使用摻雜玻璃或聚合物層製成的相位掩模元件457；以及類似元件455但為相反的色散元件459，用於接收光譜色散光並將其耦合回光纖451。
整形雷射束脈衝由於其印在或形成在整形裝置429上的獨特的相位函數，因而能夠通過光纖451傳播很長距離而不產生非線性失真。例如，以精確的正弦方式紅色光譜可以提前在藍色光譜的前邊。接下來不整形裝置453反轉通過整形裝置429引入的相位改變。其餘整形裝置構造相同但具有不同的相位掩模元件461，該元件補償由掩模元件457造成的脈衝特性改變。或者，聲光調製器或瞬態光柵能用於通過波的相加或相消反射的光開關。整形和非整形也能通過啁啾鏡或光譜掩模來完成。
這樣，本發明能夠精確地控制雷射束脈衝形狀或其它特性，特別是對於非線性或多光子發射，因此顯著地提高了通信傳輸的質量且同時使自聚焦、自相位調製和光纖的可能損壞降到最低程度。超快雷射束脈衝的脈衝特性控制，如這裡所有的實施例中所述的，如果不能防止，也應使光纖線路中非線性傳播通道的乘積噪聲效果破壞最小化，例如在Mitra等人的″NonlinearLimits to the Information Capacity of Optical Fibre Communications，″Nature，vol.411，pp.1027-1030(1月28日，2001)中所討論的。進一步設想此類的脈衝整形系統能在鹽水海洋中應用，從而使用1ps或更小的短雷射脈衝來用於海底對海底的通信。此類脈衝整形能作為用於通信的最小失真脈衝的解決方案。而且，MIIPS能被用來通過確定獲得的第二級相位調製的量級，隨著雷射脈衝經過空氣或水傳播來測量飛秒雷射發射器的距離。此方法無需回聲或反射。在水中，由於色散較大，因此期望更長的脈衝(1ps)。取決於傳媒媒介，空氣或水，需要距離期望的不同脈衝。對於水，將優選具有持續時間為10-20fs的短脈衝。對於空氣，將優選長得多的脈衝，例如將優選100m距離100ps脈衝。
使用BPS方法，每脈衝能實現的數據密度等於或小於SLM中像素除以2的數目。例如，在SLM429中的實施例中具有256像素解析度，最大數據密度為256/2或128bits每脈衝。在該實施例中，如果脈衝率為100MHz，數據率或帶寬將是1010bits每秒。本發明的其它實施例基於像素解析度和/或雷射脈衝率來改變數據率或帶寬。隨著雷射脈衝率的增加和SLM像素解析度的增加，由本發明實現的帶寬將增加。有利地，只有非線性探測器能夠解碼信號，相比，簡單的光探測器不能從脈衝中確定任何信息。事實上，可異步通信使其用於移動或固定和間斷通信十分理想。
參考圖17、18A和18B，本發明的系統的第四優選實施例用於光纖通信。多個傳輸用戶，每人使用諸如電話491、個人電腦、傳真機等，在彼此相距很遠的地方發送通信信息或信號。這些遠程傳輸器連接到一個「智能」主傳輸器集成件，該集成件包括計算中心處理單元493，經過電線、光纖電纜、微波信號等。相位調製脈衝整形器505由CPU493活動地控制。雷射器509和整形器505也包含作為主傳輸器集成件的一部分。雷射器509發射整形之後載於光纖電纜497內的超短雷射脈衝。超短雷射束脈衝具有基於目前可得到的光纖電纜限制內的約100飛秒的持續時間但優選的是小於50飛秒的脈衝持續，且如果未來的光纖允許的話，10飛秒或10飛秒以下將是最需要的。例如，光帶隙材料如帶孔光纖可允許使用約10飛秒的脈衝。
脈衝整形器/相位掩模505使用二元相位掩模編碼每個雷射束脈衝的相位。第二諧波在頻域內包含多個峰值，例如但不限於頻域中，從而顯示編碼信息。這樣就允許基於雷射束髮射的CPU控制與每個發射脈衝的活動變化整形相結合的活動路由地址的編碼以及相關通信信息在每個雷射束脈衝內編碼。
一種不需要另外的雷射器或複雜的計算能力的「無聲(dumb)」的中心接收器501與光纖電纜497的下遊端相連。接收器501包括聚焦透鏡515、厚SHG晶體507』和探測器511。每個通過光纖電纜497傳輸的雷射束脈衝被色散到用作聚焦和導向每個脈衝的透鏡515上，並以聚合角的形式色散到晶體507』上。厚光學晶體507』這裡定義為具有大於約0.5微米的傳輸路徑厚度，而薄光學晶體507(見圖15)這裡被定義為具有小於約0.5微米的傳輸路徑厚度。厚晶體的優選厚度是約3.0微米持續50飛秒或更短的脈衝，以及5.0微米持續50至200飛秒脈衝持續時間。厚晶體507』在由脈衝整形器先前整形的每個脈衝內產生二次諧波和二次光譜。換言之，由於相位匹配角的要求，該厚晶體基本色散整個色譜而無需獨立的分光計。
有從厚晶體各個色散的每個的顏色頻率由脈衝整形器編碼從而包含個體通信路由地址以及實際的通信信息，而後通過線性陣列來探測，諸如CCD相機的多路器型探測器511。或者，探測器511為通過多增加一維而能實現更高數據密度的二維陣列。或者，可設想探測器511為連接到遠程控制器/分探測器的光纖陣列。該數據僅使用包含信息的傳輸脈衝而不使用附加的參考脈衝，而能被異步地讀出。獨立的探測器511可將探測到的每個脈衝所傳載的信號通過光譜分離數位化，並通過電線、光纖、微波等將該數位訊號傳輸到接收器501內或外部的個體解碼微處理器控制器503。為了解碼探測器511接收到的每個相應的數字通信信號一組預存儲變量或解密(dencryption)信息或密鑰位於每個控制器503的存儲器內，而無需從傳輸器495的同步通信傳輸(換句話說，即提供互補相位的二次雷射脈衝)。然後，被解碼的通信信息被發送到終端用戶，該用戶在識別到的路由地址通過電話505、個人電腦、傳真機等接收這些信息。或者，控制器503可被諸如光電二極體的簡單的光探測裝置替換，該裝置可基於探測器511探測到的信號用於數字開/關自轉換模式中，從而控制或發送信息至遠程目的地。重要的是，本發明的當前優選的通信實施例解碼傳輸的信息時無需幹涉測量和同步雷射脈衝。還值得注意的是，脈衝整形器505能通過使用二次諧波產生或任何其它非線性混頻方法來編碼每個脈衝，其中該非線性混合方法包括但不限於混頻、差頻混頻和四波混頻。
應將本發明與現有實驗對比，該實驗在解碼器中採用了困難和同步的參考脈衝，用於提供互補脈衝來控制特定單波長的發射。該方法公布在Z.Zheng and A.Weiner的″Coherent Control of Second Harmonic GenerationUsing Spectrally Phase Coded Femtosecond Waveforms，″Chemical Physics 267.p.161(2001)；但是該現有方法需要脈衝在時間和空間上的重疊，因此難以控制，且僅能用於單脈衝頻率。
儘管本文中公布了各種實施例，但需要理解的是，可在本發明的系統和方法所覆蓋的範圍內做出其它變化。例如，可採用其它的雷射器、化學物質、光學和計算機控制器，只要它們能具備期望的功能。本發明的說明書僅作為示例，因此，不脫離本發明主旨的變化均在本發明的範圍內。這樣的變化不能被認為是脫離了本發明的精神和範圍。
權利要求
1.一種系統，包括a)可操作用來發射飛秒雷射束脈衝的雷射器；b)可操作用來整形該脈衝的二元相位整形器；以及c)可操作用來控制該雷射器和整形器的控制器。
2.如權利要求1所述的系統，其中所述整形器使用由π分開的兩個相位值。
3.如權利要求1所述的系統，還包括用於脈衝描述和脈衝補償的多光子脈內幹涉相位掃描。
4.如權利要求1所述的系統，還包括遺傳算法。
5.如權利要求1所述的系統，其中該系統用於多光子顯微鏡術。
6.如權利要求1所述的系統，其中該系統用於光通信系統。
7.如權利要求1所述的系統，其中所述脈衝整形器具有以下像素解析度之一(a)約128；(b)約512；(c)約640；和(d)約1024。
8.如權利要求7所述的系統，其中所述雷射器的帶寬在相位調製器的所有像素上色散。
9.如權利要求1所述的系統，其中該系統用於光學相干斷層掃描。
10.如權利要求1所述的系統，其中該系統用於微光刻。
11.如權利要求1所述的系統，其中該系統用於功能成像。
12.如權利要求1所述的系統，其中該系統用於量子信息處理。
13.如權利要求1所述的系統，其中該系統用於非線性光學激發光譜。
14.如權利要求1所述的系統，其中該系統用於光動力學治療。
15.一種系統，包括a)雷射束脈衝；b)可操作用來利用編碼特性整形該雷射束脈衝的二元相位整形器；c)可操作用來分開該脈衝的多個頻率的非線性光學介質；d)可操作用來通過該非線性光學介質探測分開的整形雷射束脈衝的特性的探測裝置；e)可操作解碼該特性的與該裝置相連的單元。
16.如權利要求15所述的系統，其中所述雷射束脈衝利用路由地址來編碼。
17.如權利要求16所述的系統，其中所述雷射束脈衝利用多路由地址來編碼，且二次、其次的雷射束脈衝從所述雷射器發射並且也通過所述脈衝整形器利用多路由地址來編碼。
18.如權利要求17所述的系統，其中包含在所述雷射束脈衝內的每個路由地址由所述脈衝整形器編碼，並且對應於二次諧波之後的分散頻率。
19.如權利要求17所述的系統，其中所述雷射束脈衝用通信信息數據編碼。
20.如權利要求15所述的系統，該包括主傳輸控制器；以及與該傳輸控制器相連的多個遠程初始傳輸源；該主傳輸控制器可操作地使所述脈衝整形器以主動的方式有差別地編碼多個連續雷射束脈衝。
21.如權利要求20所述的系統，其中，為了以異步方式解碼特徵而不用自更正和幹涉測量，所述主傳輸控制器、雷射束脈衝和脈衝整形器用作主通信傳輸器來發送編碼光學信號至接收器，包括探測裝置和晶體的非線性光學介質。
22.如權利要求15所述的系統，還包括載有來自所述脈衝整形器的所述雷射束脈衝的光纖電纜。
23.如權利要求15所述的系統，其中所述探測裝置包括探測器陣列來解碼定義通信信號的特徵。
24.如權利要求15所述的系統，其中所述雷射束脈衝具有小於約50飛秒的脈衝持續時間。
25.如權利要求15所述的系統，其中所述探測裝置包括光纖陣列，該光纖陣列具有連接相應光纖的下遊的多個單元。
26.一種用於活組織的系統，該系統包括高峰值強度雷射束脈衝；和可操作用來通過使用多光子脈內幹涉而在脈衝發射到活組織上之前改變脈衝特徵的裝置；其中由每個脈衝誘發的非線性躍遷由二元相位整形來控制。
27.如權利要求26所述的系統，其中所述裝置使用脈衝整形器和在經受雙光子吸收的組織內的期望的被激發物質。
28.如權利要求26所述的系統，其中所述脈衝具有小於51飛秒的持續時間。
29.如權利要求26所述的系統，還包括生成通過所述整形脈衝經過所述組織而產生的光學斷層掃描圖像。
30.如權利要求26所述的系統，其中所述裝置為脈衝整形器，該整形器通過治療物質提高雙光子吸收並大致上防止相鄰健康組織的三光子誘發損傷。
31.如權利要求26所述的系統，其中所述裝置包括可操作地修改所述雷射束的相位調製掩模。
32.如權利要求26所述的系統，其中所述脈衝被整形以提高目標多光子損傷來修改或消滅活組織中的某些分子。
33.如權利要求26所述的系統，其中所述多光子脈內幹涉可操作地在期望的組織深度處激活期望的光動力學治療劑。
34.一種用於多光子顯微鏡術的系統，該系統包括a)可操作用來發射雷射脈衝的飛秒雷射器；b)可操作用來將樣品保持在脈衝內的目標物；c)可操作地標有至少一個螢光探針的樣品；d)可操作地用來將脈衝整形至探針的選定激發的二元相位整形器。e)可操作地探測來自樣品的發射的探測器。
35.如權利要求34所述的系統，還包括多個探針。
36.如權利要求35所述的系統，其中所述整形器可操作地整形探針來選擇性地激發多個探針中的每個。
37.如權利要求34所述的系統，其中所述探針包括螢光納米顆粒。
38.如權利要求34所述的系統，其中所述探針為化學敏感螢光探針，用於探測至少以下之一H+，Na+和Ca++離子。
39.如權利要求34所述的系統，還包括算法。
40.如權利要求34所述的系統，還包括可操作地控制所述雷射器、整形器、目標物和探測器的控制器。
41.如權利要求40所述的系統，其中所述控制器為微處理器的一部分。
42.如權利要求41所述的微處理器，還包括可操作地收集來自探測器的數據的數據收集器。
43.如權利要求42所述的微處理器，還包括可操作地分析收集到的數據的數據分析器。
44.如權利要求34所述的系統，其中所述整形器包括在層內永久生成的不同相位掩模。
45.如權利要求34所述的系統，其中所述探測器可操作地轉換發生使得該發射可被人眼看到。
46.如權利要求34所述的系統，其中所述樣品用量子點標記。
47.一種用於包含探針的目標材料的顯微鏡術的方法，該探針可由多光子激發來被激發，該方法包括a)生成雷射脈衝；b)使用二元相位整形器整形該脈衝，使得該脈衝選擇性地激發期望的探針；c)將該整形脈衝導向至目標物；d)從該目標物探測發射。
48.如權利要求47所述的方法，還包括通過使用算法來整形脈衝。
49.如權利要求47所述的方法，其中所述目標物具有多個探針。
50.如權利要求49所述的方法，還包括整形脈衝來選擇性地激發多個探針中的每個。
51.如權利要求47所述的方法，還包括利用空間光調製器整形該脈衝。
52.如權利要求47所述的方法，其中所述雷射脈衝小於51飛秒，該方法還包括利用共焦顯微鏡觀察目標物。
53.一種脈衝整形的方法，該方法包括a)發射具有小於110飛秒持續時間的雷射脈衝；b)將該脈衝導入脈衝整形器；c)使用多光子脈內幹涉相位掃描來確定該脈衝的特徵；d)通過僅兩個相位值來整形該脈衝。
54.如權利要求53所述的方法，還包括在多光子顯微鏡術中使用所述整形脈衝。
55.如權利要求53所述的方法，還包括在光學通信中使用所述整形脈衝。
56.如權利要求53所述的方法，還包括在非線性光學激發光譜中使用所述整形脈衝。
57.如權利要求53所述的方法，還包括使用由π分開的兩個相位值。
58.如權利要求53所述的方法，其中所述脈衝包含數據。
59.如權利要求58所述的方法，還包括使用空間光調製器。
60.如權利要求59所述的方法，還包括使用空間光調製器來整形所述脈衝，該空間光調製器具有以下像素解析度之一(a)約128；(b)約512；(c)約640；和(d)約1024。
61.如權利要求60所述的方法，其中所述脈衝內的數據傳輸量等於或小於每脈衝128比特。
62.如權利要求53所述的方法，還包括在微光刻中使用整形脈衝。
63.如權利要求53所述的方法，還包括在光通信中使用整形脈衝。
64.如權利要求53所述的方法，還包括在非線性光學激發光譜中使用整形脈衝。
65.如權利要求53所述的方法，還包括在光學相干斷層掃描中使用整形脈衝。
66.如權利要求53所述的方法，還包括在多光子顯微鏡術中使用整形脈衝。
67.如權利要求53所述的方法，還包括在量子計算中使用整形脈衝。
68.如權利要求53所述的方法，還包括在光動力學治療中使用整形脈衝。
69.如權利要求53所述的方法，還包括在微製造中使用整形脈衝。
70.如權利要求53所述的方法，還包括通過二元相位整形來整形。
71.一種光學系統，包括雷射束脈衝；載體；緊固到該載體上的粉末；該脈衝至少部分地經過該粉末覆蓋的載體。
72.如權利要求71所述的系統，還包括探測器和控制器，其中該探測器在傳輸經過載體上的粉末後接收由所述脈衝產生的二次諧波，該控制器與探測器相連，且可操作地確定該脈衝的譜相位特徵。
73.如權利要求71所述的系統，其中所述脈衝包括多光子脈內幹涉特徵。
74.如權利要求71所述的系統，其中所述脈衝具有小於約51飛秒的持續時間。
75.如權利要求71所述的系統，其中所述粉末包括磷酸二氫鉀。
76.如權利要求71所述的系統，其中所述粉末包括β硼酸鋇。
全文摘要
提供了一種使用超短雷射脈衝的雷射器系統。在本發明的另一方面，該系統包括雷射器、脈衝整形器和探測裝置。本發明的另一方面採用了飛秒雷射器和二元脈衝整形(BPS)。本發明的另一方面使用了雷射束脈衝、脈衝整形器和SHG晶體。
文檔編號G01B9/02GK1943083SQ200580006841
公開日2007年4月4日 申請日期2005年2月24日 優先權日2004年3月2日
發明者馬克思·丹突斯, 瓦迪姆·V·羅澤佛依, 馬太·康斯託克 申請人:密西根州州立大學託管委員會