以下对优选实施例的说明只作为示例而不是要限定本发明及其应用或 使用。
本发明提供了使用超短脉冲的激光器系统的方法及装置。脉冲整形主要 包括对幅值、相位、频率和/或交互脉冲分离的控制。复杂脉冲整形的目标 是以可编程的方式控制上述的一个或多个参数，使得用户具有完全控制。换 句话说，复杂脉冲整形允许根据用户指定来产生复杂的超快光学波形。
相干控制为随着其在相干源的作用下发展而在过程的多种阶段下控制 动力学的能力。许多组成超快脉冲的频率能同时激发许多相干跃迁 (transition)到被激发态，并且使用整形脉冲操作它们的能力导致所述结果。 术语“相干控制”指分子态的相干操作，从而避免利用相长干涉和相消干涉 的对于包括超快时间量级的情况的测不准原理的问题。
最简单可行的脉冲调制方法之一是啁啾变频(frequency chirping)。“啁 啾”主要是指在激光脉冲中利用特定的脉冲阶次设置频率分量的过程。线性 “阶次”能通过一对光栅或通过光纤中的脉冲传播由色散超快脉冲来简单地 实现。由于测不准原理，该频率分量的“阶次”导致另外的带宽受限的超快 脉冲的延长。尽管已预言了更高阶的啁啾产生和它们中的一些当前的实验应 用，通常来说线性啁啾变频为最常用的整形脉冲。
                         多光子脉内干涉
本发明的多光子脉内干涉相位扫描(以下称“MIIPS”)系统和方法的 特征在于飞秒激光脉冲的谱相位。跨超快脉冲的光谱的相位能以多种方式影 响多光子过程。相位能增加脉冲长度且因此减小脉冲的峰值强度，因此防止 作为在高强度激发下的通常结果的饱和(saturation)。相位可用来使电场的 变化与分子内波包动力学同步。这一预想已经在理论上进行了探讨，并用于 解释一些气体和压缩相位的实验。最后，相位能通过多频率结合而达到多光 子激发的方式形成干涉。这一过程也被称为多光子脉内干涉(MII)，已经 在强共振条件，如隔离的原子间的跃迁中得到证实(见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 of spectral energy in multiphoton processes，″Phys.Rev.A 1992，46，2749)。
MII技术及它在控制多光子过程中的应用是基于合理地设计一个电场， 该电场需要使用最少的参数达到关节目标(articular target)。这种方法通过 计算第n阶(nth-order)电场的幅度，并将幅度与受控制的分子吸收谱进行比 较而实现。它提供了对控制过程的深层次的物理解释，对于通过基于演算研 究或类似方法的计算机程序对场进行优化的实验的解释，这是非常有用的。
双光子跃迁能够将超快脉冲的能量集中到一个窄的频率分布内，正如菲 涅尔衍射能用来制造聚焦透镜一样。概念上而言，MII利用对多光子过程作 出贡献的脉冲的每一频率vi的相位相联系的干涉项，可以加强或者抑制多 光子跃迁，而后者可能更具价值。通过感应(非线性)极化而驱动双光子过 程的有效电场与E2(t)成正比(在单光子能级没有中间共振的条件下)。它的 傅立叶变换E(2)(v)决定了双光子级的频率响应。
一种新的方法，被称为多光子脉内干涉相位扫描，它能描绘脉冲和补偿 并发脉冲。在数分钟之内，这些脉冲被描绘并补偿从而产生变换极限 (transform-limited)或用户在样品处指定的整形脉冲。这一功能非常实用， 能应用于某些激光装置中。
MIIPS是一种单束方法，不需要干涉仪(见图1)。为了利用MIIPS对 谱相位进行简单并精确的测量，使用一个校准用的脉冲整形器将一个已知的 相位时延添加到脉冲所含的各个频率分量上，该脉冲整形器主要起到背靠背 的分光计的作用。在一个实施例中，脉冲被棱镜色散，被200mm的圆柱镜 校准。在傅立叶平面上，所有的频率被隔离开来，它们的相位通过由电脑控 制的LCD空间光调制器(SLM)进行复合。SLM对输入脉冲使用参考相位 函数，通过第二个圆柱镜和棱镜在时域完成重构。SLM可以在每个脉冲(目 前速率限制在1KHz)被刷新。LCD具有250ms的响应时间，因此理论上， 它能以4Khz的速度进行刷新。在需要最优脉冲的位置，将一个0.01mm厚 的、用于产生二次谐波的(SHG)β硼酸钡晶体放置在输出光束的传播方向 上，对输出光束进行分析。第二个谐波的使用对该方法而言十分关键，在某 种意义上，脉冲自身的自相关是在SHG晶体中完成的。对每个受计算机控 制的SLM引入的参考相位函数，SHG的输出光谱在分光计中被色散和记录。
脉冲描绘包括引入参考相位调制函数，其形式为Φ＝∞cos{γΩ-δ}，其 中∞是相位时延的幅度，γ为周期，Ω是脉冲的载波频率的频率失谐量，δ代 表频谱中余弦函数为1的位置。参考相位函数，其典型值为∞＝2π，γ＝脉冲 持续时间，被输入到SLM中，对0到2π之间的δ值进行扫描。对每一个δ值， 倍频脉冲的频谱将变化，在谱域达到一个最大值，SLM在该处对相位失真 进行补偿。MIIPS曲线是关于光谱集合的δ的函数(见图2)。MIIPS产生 曲线是关于波长的δ的函数，显示了激光脉冲强度在SHG频谱中的变化情 况。一般地，对角特征之间的距离与线性啁啾成比例，尖角背离(angular deviation)与二次啁啾成比例。用计算机对曲线进行分析分析来重新得到输入 脉冲(a)的谱相位。FROG(频率分辨光学门这里称为“FROG”)曲线与 椭圆形状的偏差清楚地显示了脉冲的谱相位失真。经过描绘和补偿的三次重 复后，从MIIPS数据(c)的平行特征和SHG-FROG(d)的椭圆特征可以明显 看出，输出脉冲是变换受限的。
从性质上来说，对角特征之间的距离决定了线性啁啾，而特征之间的角 度决定了二次啁啾。通过积分可对谱相位进行定量测定。一旦MIIPS系统描 绘了脉冲并重新得到了脉冲的固有相位失真，它就可以利用这些信息驱动 SLM对相位失真进行补偿。补偿的第一步，是将第一次扫描测得的相位编 程输入SLM，但其符号相反以抵消失真。系统执行新一轮相位扫描，以确 定剩余的谱相位调制(一般是原来的10％)。典型地，三次这样的重复可产 生变换受限的脉冲。由于激光没有在脉冲整形器中聚焦，该方法能够用于相 对高能量的脉冲。100pJ到1mJ范围内的脉冲，其持续时间从少于5fs到大 约500fs均可应用。一旦脉冲得到补偿(变换受限)，激光就能够聚焦，根 据输入能量的大小，可以产生1012到1018W/cm2的峰值强度。
该单束方法能够直接重新得到二阶和三阶相位调制的幅度和符号(换句 话说，也就是线性和二次的啁啾)，而无需重复或者反向过程。MIIPS从超 短啁啾脉冲中得到了精确的相位。对于MIIPS，二次谐波频谱取决于脉冲中 的所有频率分量的相对相位，因此不需要同步自相关，光束分裂或者时延。 脉冲的幅度可以直接从通信接收机的分光计得到，为了从一个飞秒激光器 123(见图1)中精确测定脉冲中所有频率分量的相位，一个脉冲整形器， 正如A.M.Weiner在论文“Femtosecond pulse shaping using spatial light modulators，”Rev.Sci.Instrum.71，pp.1929-1960(2000)中描述的，被用来 引入专为直接获取该信息而设计的参考相位函数，下面还会对它进行进一步 的描述。整形后的脉冲通过一个薄SHG晶体507倍频后被送到分光计503。
除了实验室测试和对样例的光学失真分析，这一采用了单束构造方法的 MIIPS系统和方法还能应用到一些通信系统中，可显著增加每个脉冲相位包 含的编码信息而提供额外的编码变量。
MIIPS方法基于下述的原理，即二次谐波的产生，以及其他非线性光学 过程，取决于跨激光脉冲频谱范围的相位函数Φ(ω)。该相位函数可以在载波 频率Ω＝ω-ω0处扩展成泰勒级数：
Φ(ω)＝(ω0)+’(ω0)Ω+1/2”(ω0)Ω2+1/6(ω0)Ω3+...，[1]
其中第一、第二项仅分别提供相对(一般)相位和时延，仅第三项和更 高阶项才会导致相位失真。在MIIPS中通过添加参考相位函数到脉冲上，这 些高阶项得到了重构，
(Ω)＝αcos(γΩ-δ)+(Ω)                     [2]
其中第一项是整形器引入的参考相位函数，具有最大的相位幅度α，周 期γ以及频谱窗口里的绝对位置δ。φ(Ω)由式1给出。
当d2(Ω)/dΩ2＝0时，可以得到关于Ω的函数的最大SHG信号。通过改 变参考相位函数的一个变量，可以描绘一条曲线，从该曲线中，我们可以得 到激光脉冲的相位失真(”，..)。在一个(波长，δ)MIIPS曲线中的最 大信号描述了一系列的曲线，由下式给出：
δmax＝δ0+(λmax-πc/ω0)ω02/(πc){γ-/(αγ2sinδ0)}   [3]
其中δmax对应最大SHG信号，δ0＝arc cos[/(αγ2)]，λmax是SHG信 号最大的位置。
一个可用于重构相位函数的完整数据集，由一系列的频谱组成，这些频 谱可以作为参数δ的函数得到。MIIPS的结果曲线(trace)如图16所示， 它含有提取″..和高阶项的信息。提取过程如下，首先数据用于拟合一 系列的线，这些线由式3根据λmax(δmax)确定。二次相位调制(形成了线性啁 啾)由SHG最大值间的距离X1和X2直接决定，根据
Φ”＝αγ2arc sin[(x1-x2)/4]                         [4]
注意到φ″的幅度和符号可以直接从MIIPS曲线中得到。而且，通过降 低参考相位函数的参数αγ2可以提高对小相位失真的测量精度。
三次相位调制(二次啁啾)由λ-δ平面上的最大SHG特征的倾斜度 Δδ/Δγ决定。通过分析，三次相位调制由下式决定：
＝0.5αγ2πc/ω02cos[(x1-x2)/4]{(Δδ/Δγ)1-(Δδ/Δγ)2}    [5]
其中倾斜度的单位为nm-1(见图16)。高阶相位失真如自相位调制和二 次相位成分可通过由最大SHG响应确定的曲线的曲率确定。MIIPS被编程 后，通过积分可以直接得到激光脉冲的相位失真，还能引入补偿相位函数从 而消除失真。这种操作模式可以用来确定任意的相位变形和产生变换受限的 脉冲，它们在MIIPS扫描时看起来象被π分离的平行直线。图16-17C中所 示的实验数据的拟合由3式给出，相位参数由式4和5得到。
图15所示样式的MIIPS采用了薄SHG晶体507，分光计506，脉冲整 形器129和飞秒激光器123。飞秒光脉冲是优选的，但是对于此处给出的测 试数据，采用了从再生放大的钛蓝宝石激光器产生的50个飞秒脉冲，脉冲 能量被衰减到5uJ量级。对于测试数据，一个0.3mm的βBBO I型晶体被用 来制造SHG 507，输出信号被衰减后，送到含有冷却的CCD探测器511的 分光计503中。系统121可以进一步含一个重新定向镜片513，两个石英圆 柱透镜515(焦距200mm，上游透镜用于聚焦，下游透镜用于校准)。为了 测试，用一个包含两个LCD元件128的空间光调制器作为脉冲整形器129 (可从CRI Inc.获取，模型编号SLM-256)。为了测试，一个空间光调制器 被精确校准以提供精确的相位时延(误差低于1度)而不改变偏振状态或者 幅度。经再生放大后，在脉冲压缩器处产生用于获取数据的相位失真。现在 根据图13和图14，自超快交换是基于脉冲整形器505内的脉冲相位调制， 能引起多光子脉内干涉的薄SHG晶体507，色散光学器件523，以及CCD 镜头探测器511。该方法的简单性和精确性使得它在估测变形极限附近的脉 冲和光学元器件的相位失真时十分实用。
关于MII和MIIPS的更多信息可在公开号为No.2003-0099264，标题为 “Laser system using ultrashort pulses″，由Dantus等人的美国专利申请，公 开号为No.WO 02061799，名称为″Laser system using ultrashort pulses″ Dantus等人的PCT申请，I.Pastirk，J.M.DeIa Cruz，K.A.Walowicz，V.V. Lozovoy，M.Dantus的论文″Selective two-photon microscopy with shaped femtosecond pulses，″Opt.Express 11，1695-1701(2003)；J.M.DeIa Cruz，I. Pastirk，V.V.Lozovoy，K.A.Walowicz，M.Dantus的论文″Multiphoton intrapulse interference 3：Probing microscopic chemical environments，″J.Phys. Chem.A 2004；Lozovoy V.V.，Pastirk I.，Walowicz K.A.，Dantus M.的论文 ″Multiphoton intrapulse interference II：Control of two-and three-photon laser induced 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.的论文 “Multiphoton intrapulse interference 1：Control of multiphoton processes in condensed phases”J.Phys.Chem.A 106(41)：9369-9373(Oct.172002)等文 献中查到。上述专利申请都作为参考文件引入到本发明中。
多光子脉内干涉并不仅仅在于能量聚焦。其目的在于确定分子经受的 场。使用多光子脉内干涉的非线性光学过程控制可用于各种领域，如光子化 学，通信，医学等。
本发明提供一种系统及方法，用来描绘飞秒脉冲的谱相位。单束方法可 以重新得到具有高分辨率的线性啁啾和二次啁啾的幅度和符号。脉冲重构可 通过包含相位失真的分析式得到，无需重复或反向过程。由于在激光器上有 调节圆柱，用于从机械上调节光束放大器压缩器间的光栅间隔来校正这一失 真，因此线性啁啾和二次啁啾的值，以及某种程度上来说三次啁啾的值，是 十分重要的。这一方法可以应用于非常短的脉冲。通过使用图6a所示的计 算机控制的软件，这一调节过程可以被自动控制。这一方法非常通用，采用 任何波长的高强度或极低强度的脉冲，以及现货供应的廉价SHG晶体即可 使用该方法。MIIPS也可在用于得到气体的三次或更高阶次的谐波。其信号 最大值也满足式35，使得在不具备SHG晶体的条件下，该方法对于确定波 长范围内的脉冲的特征也十分有用。总的来说，MII和MIIPS的用途如下：
MII能够用来产生自交换脉冲，只要它们经历了一个非线性的光学过 程，如SHG，和频产生，差频产生或四波混频；
MIIPS能用来使自动激光器最优化，特别对于二次和三次相位失真更是 如此；
MIIPS能用于描绘任何相位失真的相位特征；
MIIPS能用于测量由于光学元器件引发的相位调制，类似地，它可用 来测量底层的厚度；
MIIPS能用于对存储在相位参数中的信息(地址和/或消息)进行解码；
对MII现象进行最优化的整形器能够对自解码消息进行编码；
MII能够防止fs脉冲引起的DNA三光子损坏；
MII能够对选择性激活肿瘤光动力学治疗剂进行优化，尤其是在一定深 度，而避免间接损坏。
图6a所示是确定任意的平滑相位失真的自动化脉冲啁啾的过程的流程 图。这一方法基于使用一个脉冲整形器，得到相位扫描，其中SHG的频谱 作为相位参数δ的函数可表示为Φ(ω)＝αCos(γω+δ)。这一方法非迭代，并且 不经过进化遗传计算而直接得到所需数值，因此非常稳定。该方法不依赖两 个脉冲在空间和时间上的重叠，而且，脉冲在薄SHG晶体中对其自身进行 分析。
                  采用粉末进行二次谐波产生
附着于透明的石英载体的化学粉末，取代薄SHG晶体得到应用。粉末 实施例目前优选为能够大幅降低高能量(例如，1奈耳(nanojoule)或更高) 应用中的成本如MIIPS，非线性光学描绘和FROG分析。化学粉末优选磷酸 二氢钾(KDP或者KD*P)或者β硼酸钡，采用硅胶或者氰基丙烯酸盐粘合 剂(C5H5NO2)将粉末胶合于玻璃，显微镜幻灯片表面。采用I型相位匹配。 粉末的实际尺寸根据焦距、激光的强度及其探测器的敏感度优选在0.5和 20微米之间。对于显微镜术，只要采用更灵敏的探测器，就可以使用更小 尺寸的粉末。而且，由于多种随机晶体取向的平均作用结果而能够产生低于 20fs的脉冲，因此粉末方法更具优势。
                       脉冲整形系统
采用了本发明的超短光脉冲的激光系统21的第一个优选实施例如图1 所示。系统21包含飞秒激光器23，上游光栅25，上游凹镜27，光束脉冲 整形器29，下游凹镜31，下游光栅33，探测装置35，以及个人电脑37。 个人电脑37含有基于电子控制的微处理器，内存，输出显示屏，数据存储 装置，输入键盘，可移动磁盘。更进一步，探测装置是一台分光计39。光 束43的脉冲从激光器23发射出来，经过光学器件25，27，31和33，也经 过脉冲整形器29进行了探测和分光计39进行了进一步估测、分析和比较， 再被个人电脑37控制。
激光器最好是可以释放高峰值强度(典型值高于1010watts/cm2)的超短 飞秒激光器，优选发射小于100飞秒的激光脉冲，50飞秒或者小于50飞秒 更好，在某些应用中，对于每一个脉冲爆发或者冲击，10飞秒或小于10飞 秒更好。要产生强光脉冲时需要改变材料，该强光脉冲在一个克尔透镜锁模 钛蓝宝石振荡器中形成。这样的激光器能产生几百纳米的相干带宽，尽管一 般只使用约50纳米。输出可能会经1Khz的再生啁啾脉冲放大器放大，输出 脉冲一般持续100fs，中心波长800nm，脉冲能量0.1到1mJ。优选的激光器 有：Kapteyn和Murnane飞秒激光器，能产生低于15飞秒的脉冲，频率为 100MHz；Spectra Physics Inc.的Hurricane型激光器，采用二极管进行泵浦， 能产生持续时间低于50fs的脉冲，单脉冲能量0.8mJ，频率1KHz；Clark-MXR 的CPA-2001+型激光器，能产生持续时间低于150fs的脉冲，单脉冲能量 1.3mJ，频率1KHz。非线性参数放大器(以下称“NOPA”)可以产生能量 为0.2mJ，该NOPA系统还能够产生10fs和4.5fs之间的脉冲。
为了实现该实施例描述的透射式结构，本发明优选傅立叶平面脉冲整形 器。超快光脉冲含1到50个光循环，仅持续数个飞秒。这比目前大多数电 子器件要快，因此通过快速时间门进行成形是非常困难的。另一方面，由于 测不准原理，光谱扫描几十到几百纳米。这样一个大的带宽范围检测和滤波 起来相对容易，有几项技术可以在频域对频谱进行整形，因此可通过再压缩 对时间脉冲进行整形。
为了得到频域和组成脉冲的各频率分量，采用了一个几何装置，使用了 两个背靠背的分光计。它们是专为不产生净时间色散而设计的：也就是说， 所有颜色的光在相同的时间内通过分光计。第一个分光计(含光栅25和镜 子27)根据它的色散函数将整形前的脉冲的频谱扩展在一条线上。在该点， 光截取(intercepts)空间幅度和相位掩模脉冲整形器29。掩模输出形成了第二 个分光计(含光栅33和镜子31)的输入，该分光计将多个脉冲合并为单脉 冲。
脉冲整形器29的核心在于傅立叶平面上的可编程256像素液晶掩模(由 两个重叠的128像素液晶阵列组成)。对于此处预想的应用，掩模必须能够 改变单个频率分量的相位。作为替代的脉冲整形器实施例，对能够控制相位 的不同可编程电子掩模说明如下：液晶显示屏(以下称“LCD”)，声光调 制器(以下称“AOM”)，可变形的镜子，及永久变形的镜子。LCD脉冲 整形器包含电驱动调制器，可从CRI Co.获得。
AOM是将压电传感器粘附于二氧化碲晶体的一端构成，二氧化碲晶体 表面镀有抑制反射(anti-reflection)材料。声波的中心频率为αc/2π＝200MHz， 晶体中的声速为4.2km/s，光脉冲在晶体中耗时10ps，因此在光场通过晶体 的的过程中声波运动的距离少于0.002λ。由于在光场通过晶体的过程中声 波基本不动，通过AOM时声波在Y方向上的复幅度A(t)cosαct＝ A(y/vs)cosαct，被映射到光场E(α)。如果某部分的光场遇到了弱声波，该频 率分量将被衰减；如果声音载波的相位改变了一个角度φ，则该相位改变被 加到光场。这一脉冲整形器总效率为20％，其中包含了AOM的衍射效率和 光栅的衍射效率。为了完全调制整形后光束的幅度和相位，使用衍射光束而 阻断未衍射的“零级”光束。整形后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是频率，e是常数。固定的脉冲成形光 学器件，如啁啾镜，也能被使用，图23将对此进行进一步的说明。
相位中包含所有频率信息的变形极限脉冲(以下称“TL”)被送到脉 冲整形器中，脉冲整形器通过曲面镜27将频谱聚焦到傅立叶平面29。计算 机显示出相位φ和幅度A的变化信息，可用于在重构之前通过第二个曲面镜 31和光栅对光脉冲进行调整。一旦被压缩，成形的脉冲被送到分光计39作 估算。时域和频域之间的傅立叶变化关系使得我们可以计算出形成某个整形 脉冲的所需的掩模，计算基于下式
$f\left(v\right)=\frac{1}{2\pi }{\int }_{\infty }^{0}f\left(t\right)e^{i2\mathrm{\pi vct}}\mathrm{dt}---\left[7\right]$
$f\left(t\right)={\int }_{\infty }^{0}f\left(v\right)e^{-i2\mathrm{\pi vct}}\mathrm{dv}---\left[8\right]$
其中v是以波长为单位的频率，t为时间，c是光速。
在本实施例中，脉冲整形器的相位和幅度的掩模被计算机控制，脉冲整 形过程是一个动态的过程。个人计算机37内部的微处理器控制激光器23， 从分光计39得到一个基本实时的反馈输入信号，然后进行计算、比较和估 计，还可能根据后续脉冲的形状自动变化。如果需要，利用个人计算机的输 出设备，这些自动过程也能以手动计算和判决来代替。
当应用于在所有这些应用中，利用基于大带宽短光脉冲的多光子脉内干 涉的简单脉冲整形方法，可对包括蛋白质在内的大分子内的单个或者多个光 子过程进行选择性控制。结果显示出很好的控制能力，具有很好的鲁棒形而 且与样例无关，具有接近二阶幅度(肉眼可看得非常清楚)的对比率。这样的 高对比率使得我们可以对不需要的光子进行更加精确的控制，而对其他激光 束(特征)，如每个脉冲引起的非线性透射，也可以得到很好的控制。由于简 单的相位函数可被整合到无源光器件，如镜子129(图5)中，尽管系统仍 然可被使用，这些应用在初次安装后，可省去计算机控制脉冲整形器的复杂 和开销。
飞秒脉冲整形器装置通过充分利用多光子脉内干涉提供的选择性激发， 可用于无背景功能成像(pH，Na或者Ca的浓缩成分，电场，电荷，荧光探 针，纳米晶体，或量子点，化学合成)。例如，A.H.Bruist等人的论文，“Probing microscopic chemical environments with high-intensity chirped pulses”， Optics Letters 24，244-246(1999)，描述了线性啁啾可以用于对PH敏感染料 的PH环境进行粗区分。采用相位调制，特别是利用多光子脉内干涉，本发 明可以使用大量PH敏感染料获得更敏感的PH敏感点。基于同样的原理， 可以有选择地探测对钠、钙或包括电荷在内的其他化学成分敏感的染料。多 探针比如染料，纳米晶体，量子点可以选择性地通过双光子或者三光子二者 择一进行激发。
                         二元相位整形
在低强度情况下，对激光的控制是由原始状态和最后状态之间的非线性 光路中的干涉决定的。挑战在于确定脉冲中的每一频率分量的合适的相位， 从而在期望的光路上产生相加干涉，在其他地方上产生相消干涉。将双光子 显微镜中所使用的荧光探针的双光子激发，作为具有不同的双光子吸收谱的 两个发色团的优化和预期目标。目的是当期望频谱窗口外的能量最小时，可 通过将可用能量“聚焦”在双光子光谱的某一特定范围实现选择性激发，如 图8所示。
变换受限的脉冲的宽带二次谐波频谱可以由高斯曲线表示(浅色线 条)。我们的目的是通过引入相位调制，仅在由频率2ωc和带宽W定义的范 围内形成强的双光子谱，而在该窗口之外的背景区域B内使双光子谱最小。 对比率C定义为窗口内的光强与窗口外的光强之比值。
不同频率的光子之间的相位差仅可优选两个值：0或π，从而使给定的 光路中的干涉达到最大或者最小值。相差为π的任意两个值等效。根据对此 的理论和实验验证，将该方法定义为二元相位整形(BPS)。在优选实施例中， BPS被用来解决用超短光脉冲进行选择性多光子激发的问题。
为了控制双光子激发，需要控制激光的非线性强度谱E(2)(ω)，可通过用 薄二次谐波产生(SHG)晶体得到二次谐波谱对该值进行测量。当窄带非线性 强度谱可调，以优化两个发色团之间的激发时，可实现选择性双光子激发。
一些组织机构已经对SHG上的谱相位调制的效果进行了研究，这些效 果可以被分为宽相位匹配带宽和窄相位匹配带宽两种情况。正弦相位调制， 作为常规的控制激光器的函数，对比率不大于0.5，而当窗口被调到远离中 心频率时，对比率低于0.1。
考虑两个相位0和π，则对称性将十分清楚。为了使频率2ωc处的SHG 强度最大，频谱需要关于ωc对称或者不对称，才能产生相加干涉。为了使所 有其他频率处的背景强度最小，在远离ωc的所有频率处相位谱应该具有不对 称的特征，从而使得相消干涉达到最大。正如他人描述的，二元相位滤波掩 模或者可变形的镜子或者SLM仅能产生对称强度的波形(见A.M.Wiener， ″Femtosecond pulse shaping using spatial light modulators，″Rev.Sci.Instrurn.， Vol.71(5)，page 1934)。在另一个优选实施例中，素数被用来产生所需的准随 机相位变化值。用来调制相位的掩模如图9所示，它是为120像素的调制器 设计的。图9中，满足对称条件的掩模使用了素数准随机值。这个掩模在像 素64被反射，得到像素65-128的值，例如，可以是为了得到中心频谱附 近的二次谐波信号而设计的。其他优选实施例使用128像素的SLM，还有 一些实施例使用了高于258像素的SLM。
优选从K&M实验室获得的钛蓝宝石激光器的激光系统，它能在经过一 个双通棱镜压缩器后产生短至10fs的脉冲。使用电脑控制的脉冲整形器对 脉冲的谱相位进行调整。脉冲的中心波长优选在800nm附近。采用MII相 位扫描(MIIPS)方法对每个脉冲的谱相位进行校正，能够补偿相位失真从而 得到变换受限(TL)的脉冲。二元相位被作为附加引入到相位补偿中。
整形后的光脉冲，每个脉冲具有0.5nJ的能量和87MHz的重复率，被 温和地聚焦到20微米厚的(βBBO)I型SHG晶体上的一个直径为100微米的 点上。使用一个光滤波器接收倍频光，并将它色散到一个紧凑的分光计上， 该分光计优选Ocean Optics公司的分光计。
在引入相位调制之前，考虑到频谱幅度限制，激光光谱使用傅立叶平面 狭缝进行了窄带处理。频谱结果如图10a所示。图10b示出了经过幅度限制 后的SHG强度，可以看出窗口内的能量取决于带宽的平方。对于可用带宽 10％的频谱宽度，幅度限制产生了比TL脉冲的强度低100倍的二次谐波。 尽管这种情况下的对比率非常高，期望波长处的低强度却使这种方法在实验 中并不实用。
如图9所示的相位掩模在SLM上进行了编程，它显示了如图4所示的 SHG频谱的动态变窄。当SHG的峰值点位于中心时，图1中掩模的对比率 为2.5。通过改变掩模在SLM上的位置，从而调节对称中心，就可以调节 SHG频谱，如图11所示。
图11中虚线经理论计算得到，电场的频谱幅度|E(ω)|的绝对值可通过 |E(ω)|＝I(ω)0.5和基脉冲I(ω)的实验强度谱计算得到。为了模拟实验结果，使 用了二重傅立叶变换方法。由频域的复数频谱幅度的傅立叶图可计算得到时 域电场E(t)，使用公式
E(t)＝∫|E(ω)|exp[i(ω)]exp{-iωt}dω                       [8]
其中谱相位φ(w)是SLM得到的函数，SHG的功率谱使用下式计 算得到
ISHG(ω)＝|∫E(t)2exp(iωt)dt|2                 [9]
对于TL脉冲，使用SHG强度的最大值对SHG的幅度进行归一化， φ(ω)≡0。
编写一个简单的进化遗传算法的计算机程序(ELC)，它假定中心频率为 800nm，持续时间为10fs的脉冲的高斯型电场|E(ω)|，为了更接实验装置的 分辨率，八个点被用来代表每一个像素。二次谐波的强度可根据下式计算
ISHG(2ωc)＝|∫E(ωc-ω)E(ωc+ω)dω|2       [10]
对于TL脉冲，使用SHG的最大幅度进行归一化。
BPS可简化计算，特别是电场的幅度被假设为一个常数时，也就是在允 许的谱域里频谱功率为1时。电场的每一频谱分量在频域中线性色，可由二 个值(±1)进行表示，分别由bk＝exp(iφk)，φk＝0或π时得到。使用下面的公式 可以对频率2ωk处的SHG信号的强度进行计算
$S_k=|\underset{j=0}{\overset{N}{\Sigma }}{b}_{k-j}{b}_{k+j}{|}^2/N^2---[11]$
其中用离散求和代替式10中的积分，N是一个由模型参数，例如像素 个数，决定的参数。频谱的选择性问题，现在可以看作一个寻找向量bk，使 得对于ωk＝ωc时Sk＝1且Sk在所有其他频率处最小。
在图12中，图9中相位的理论结果(黑色)与用给定相位进行了初始 化的ELC的结果(虚线)进行了比较。计算使用了100个样本，以及一个母体， 该母体经过了30代并使用单的双对称或三对称的比特翻转(bit flips)。ELC 的结果给出了高于2.5的对比率。使用包含更多像素的SLM，并将覆盖相同 频率范围的像素组组合起来，根据计算，可改进实施方案，获得更高的对比 率。将SHG的频谱变窄的目的是为了使用选择性双光子显微镜将成为可能。 为了达到这个目的需要满足两个条件，非线性功率谱在2ωc处最大，在其他 处最小。Silberberg和他的同事已经研究了最大化问题，对于连续函数，他 们确定了条件(ωc-ω)＝-φ(ωc+ω)。(见N.Dudovich，B.Dayan，S.M.G. Faeder，Y.Silberberg，″Transform-limited pulses are not optimal for resonant multiphoton transitions，″Phys.Rev.Lett.86，47-50(2001)and D.Meshulach， Y.Silberberg，″Coherent quantum control of multiphoton transitions by shaped ultrashort optical pulses，″Phys.Rev.A 60，1287-1292(1999))。Zheng和 Weiner研究了SHG在单频率下输出的窄相位匹配带宽，有一个问题，在通 信中使用二编码脉冲，与原子的双光子激发类似。他们发现将相位的限制到 0和π导出了条件(ωc-ω)＝φ(ωc+ω)。(见Z.Zheng，A.M.Weiner， ″Spectral phase correlation of coded femtosecond pulses by second-harmonic generation in thick nonlinear crystals，″Opt.Lett.25，984-986(2000)and Z. Zheng，A.M.Weiner，″Coherent control of second harmonic generation using spectrally phase coded femtosecond waveforms，″Chem.Phys.267，161-171 (2001))在两种整形条件下，最大信号都接近于使用TL脉冲时的情况。
在利用脉冲整形使宽相位匹配SHG的频谱变窄或大有机体染料和发射 团的选择性激发中，关键在于对远离2ωc处的非线性功率谱进行最小化。如 式11所示，与卷积(convolution)类似。在这种情况下，一些二元函数可在某 处产生尖锐的“δ函数”卷积信号而具有非常低的背景。
从原理上来说，这一解决方案是那些从任意相位和幅度实现脉冲成形的 方案集合的成员之一。对于一个具有N像素的脉冲整形器，我们可以产生 (P*A)N个整形后的脉冲，其中P和A是一个像素可以表征的不同的相位和 幅度的数目。如果有100个像素，每一个像素表征10个不同的幅度和100 个不同的相位值，不同的脉冲的个数是100300量级。这一数目非常巨大，因而 在理论上，要得到期望的光学变换或者激发，是一个巨大的挑战。
由于非线性光学过程不依赖于绝对相位或谱相位的线性变换，因此电磁 波的周期性导致了脉冲整形时的大量冗余。这一等效性可以表示为φω<＝> φ(ω)+a+bω，其中a和b是常数。这一冗余通过对工作于二级衍生相位处 的ELC进行编程而滤除。在SLM中使用的实际相位通过使a＝b＝0时进行积 分得到。ELC被用来对频谱变窄的平滑相位函数进行优化，但不能得到比联 合(unity)时更高的对比率。
BPS的优点是大大降低了计算的冗余度。对于BPS和128个活动像素， 搜索空间被降低到2128。如果具备二重对称，例如双光子激发，这个数目被 降低到264。最后的搜寻空间限定于1019量级，这个数目比上面讨论的对任意 相位和幅度进行脉冲成形的情况至少小281个量级。结果占用的空间足够 小，所有的输出结果都可以被计算，大部分都可以实验估测。一个简单的 ELC，如在这里使用的ELC，可向具有重大改进的方案快速收敛。
BPS具有重要的技术优势。一个为π的延迟可以快速简单地被校准。被 永久蚀刻的掩模可以预先制造使用在具体应用中，如有选择性的双光子显微 镜。对掩模进行扫描可以产生双光子激发频谱。
显示出前面已说明，激光器控制，特别是双光子跃迁的激光器控制可称 作二元相位整形(addressed)。BPS使分析问题和提出解决方案变得非常简 单。如此处说明的利用素数之间的准随机空隙的相位掩模。由于大幅降低了 搜索空间，简单的ELC可被用来有效改进所提出的解决方案。
                   使用二元相位整形的应用
对光强度有高阶依赖性的非线性光处理在大量的关键技术中起主要作 用，这些技术包括多光子显微镜术、多光子光动力治疗、多光子微光刻、光 开关、化学传感器和选择性光化学。大量的研究努力正在进行中以改善这些 处理的效率，这些研究主要集中于具有强非线性光敏感性的材料。能够增强 非线性激发的效率，或者，在某些情况下能够抑制非线性光学失真，在光子 学技术的设计中占有最优先的地位。多个研究小组一直在使用具有构造和整 形技术的激光系统控制包括蛋白质在内的大分子中的非线性光过程。利用脉 冲幅度及其整个带宽上的谱相位能确定场的功率谱。由整形器引入的谱相位 控制着脉冲的频率累积产生更高非线性频率成分的过程。相位依赖的概率用 于管理激光脉冲于其上引起的非线性光学过程的频率。
相位调制引入多光子过程的功率谱的变化。如果SLM中产生相位函数 Φ并且从0到2π扫描δ，对应于双光子的功率谱相应产生荧光变化。此方 法对于实现选择性多光子显微镜术是有用的。此系统产生掺有蓝或绿荧光染 料的显微聚苯乙烯球珠的选择性激发。变换受限脉冲激发源自这两类球珠的 多光子跃迁，但是激光脉冲的谱相位受到调制因而脉冲只激发特定类型的分 子，以提供选择性。对于这些实验，脉冲整形器的输出直接聚焦于被显微镜 成像的样本；在所有情况下，注入脉冲的频谱和强度都保持不变。
这种方法的用途包括所有使用多光子激发的技术。这种方法用于脉冲描 绘和补偿，两个或三个光子激发的选择性控制，选择性显微环境传感和成像， 以及选择性多光子显微镜术和成像。MIIPS和BPS提供了强有力的用于超短 激光脉冲的脉冲描绘和补偿的方法。所有包括非线性光学处理的应用都将受 益于谱相位处理所产生的控制，这种处理方法贯穿于多光子脉内干涉的全过 程。
                      多光子显微镜术
双光子显微镜术提供了用于荧光成像和光化学的重要的可能性。它具有 各种优点，包括更高的清晰度、无背景信号、较低的背景散射，在厚样品中 更好的穿透性，以及减小的光子注入损伤，这种损伤源自吸收决定于激发强 度的平方这一基本物理原理。双光子显微镜术可按照多探针(probe)染色 处理，由此双光子跃迁激发在不同波长发射的不同的探针分子，以用于活细 胞的功能成像。参见1991年7月23日授予Denk的美国专利No.5034613， 2000年12月26日授予Webb的美国专利No.6166385，2002年2月5日授 予Webb的美国专利No.6433653，1998年6月2日授予Lakowicz的美国专 利No.5759767，以及W.R.Zipfel等的文章“Nonlinear magic：multiphoton microscopy in the bioscience”，Nature Biotechnology)，121(11)： 1369-1377(2003年11月)，所有以上的专利在此引入以供参考。相位调制飞 秒脉冲只能选择性地激发一类探针分子，其他的则留在基态。多光子激发通 过多光子脉内干涉(MII)来完成，并且可以通过二元脉冲整形来有效实现。 选择性激发用于增强对比度和实现对荧光探针染色的样品的功能成像，这些 探针对显微的化学环境敏感。
优选地，在本发明的激光系统中使用从K&M实验室获得的钛-蓝宝石 振荡器，此振荡器能够产生的脉冲在通过一个双透过棱镜压缩器后可短至 10fs。利用如上文所描述的计算机控制的脉冲整形器来修正脉冲的幅度曲线 和谱相位。脉冲整形器使用一对SF-10棱镜作为色散元件并利用0.4m柱镜 准直。实验的示意图如图7所示。由计算机控制的空间光调制器(SLM-256， CRI Inc.)产生相位调制，该空间相位调制器位于整形器装置的傅立叶平面 前。脉冲中心波长在800nm附近。利用多光子脉内干涉相位扫描方法(MIIPS) 对每个脉冲的谱相位进行校准，首先获得变换受限(TL)脉冲，然后产生 想要得到的相位。实验中使用的谱相位函数由下式给出：
(Ω)＝αcos(γΩ-δ)                            [12]
其中Ω为从激光脉冲的中心波长偏离s-1范围内测量的频率失谐量。经整 形的激光脉冲，其具有每脉冲0.2-1nJ的能量及87MHz的重复率，温和地聚 焦于不同样品表面直径大约～200微米的区域点上。双光子所致荧光由无限 校正的高度消色显微镜物镜(APO 100X，Mitutoyo)收集，并且在使用Infini Tube的液氮冷却CCD探测器上成像，此Infini Tube优选地是Infinity Photo-Optical公司的Proximity系列型号。实验在三类不同的样品上实施。 第一类样品是由在酸性(pH6)或碱性(pH10)缓冲环境中处理过的丙烯 腈-亚乙烯基氯化物聚合体来配置的，并由pH敏感的荧光探针8-羟基核 -1，3，6-三磺酸盐酸(HPTS)(10-3M)(Sigma-Aldrich)染色。第二类样品 由掺杂有C540核R6G荧光探针(10-4M)的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA) 碎片组成。第三类样品由10μm蓝色和15μm绿色荧光氟球体(分子探针) 的混合物组成。图像以黑白图显示，不经过光学收集装置的光滤波器或后续 图像处理。激光器关闭时的探测器计数作为背景从中减去。
图19示出了实验测量和理论预测的在pH10和pH6之间的pH敏感染料 溶液样品的双光子激光所致荧光强度对比率曲线，以说明MII原理。图19 示出了不同pH值的HTPS溶液的选择性双光子激发的实验结果和理论预测 情况：(a)激光谱加上相位函数；(b)计算出的TL脉冲的E2(t)功率谱； HPTS在pH10(右侧)和pH6(左侧)的吸收谱。
示例性样品是不同pH缓冲液中的10-5M HPTS盐水溶液。当谱相位被 调制时激光谱在整个实验中保持不变。HTPS激发谱显示出随pH值变化的 大的改变，然而中心在515nm的发射光谱与pH值无关。通过使用23fs的 变换受限脉冲获得测量结果，该脉冲经整形后为中心波长842.6nm，谱宽 48nm，谱相位由式[12]定义的高斯谱形，其中α＝1.5π，γ＝20fs。谱密度|E(Ω)|2 和激光脉冲相位Φ(Ω)由图19a示出。图19b展示出电场平方E(2)(Δ)＝E(Δ /2+Ω)E(Δ/2-Ω)dΩ[13]的计算谱，其中Ω＝2πc(1/λ-1/λ0)为偏离激光脉冲 的载波中心频率2πc/λ0的谱失谐量，且E(Ω)＝|E(Ω)|eiΦ(Ω)。实验信号的仿 真通过使用无可调参数的下式来实现：
S(2)α∫g(2)|E(2)(Δ)|2dΔ                       [14]
其中γ(2)(Δ)是HTPS在不同pH的双光子吸收谱(单光子谱由图19b示 出)。脉冲的|E(Ω)|2谱和HTPS的吸收谱g(Δ)由实验测定。分子内动力学， 例如分子振动，由于其对MII有最小的贡献而被忽略。由于HPTS没有反对 称性，因此其单分子吸收谱g(Δ)被认为与其双分子吸收谱γ(2)(Δ)相同。在 pH10和pH6之间的荧光测量强度的对比率由函数δ表示。通过激发甲醇溶 液(水中10-3M)中的染料获得的实验数据通常与计算结果一致。
当扫描激光脉冲的谱相位Φ(λ)时，MII调制E2(t)的功率谱的幅度。注 意到图19d中功率谱的最大幅度从较长波长向较短波长移动，提供了在不同 pH环境中选择性激发荧光探针的可能性。在不同的pH区域制备HTPS的固 态样品并利用显微镜来成像。图20a显示了由TL脉冲获得的图像。脉冲光 谱和谱相位(扁平线)显示在右侧。图20b显示了由激光脉冲获得的图像， 该脉冲经优化整形以用于酸性环境下的HPTS选择性激发。用于获取图像的 谱相位在中间示出。
图21中的实验结果显示了不同荧光探针的选择性激发。图21a显示了 由TL脉冲获得的数据。成像的两片PMMA显示出了相似数量的双光子激 光致荧光。当脉冲的谱相位调整至优化C540掺杂样品的选择性激发时，只 观察到顶层样品发出荧光，如图21d所示。当脉冲的谱相位被优化用于R6G 掺杂的样品，如图21c所示，观察到来自底层样品的强荧光，而另一侧，含 有C540探针的，没有发出荧光。注意到激光的光谱和强度在所有三种情况 的实验中保持常数。仅有的变化是脉冲谱相位的细微调制，其控制多光子脉 内干涉。对比率(IR6G/IC540)(相对于背景校正的归一化强度)从优化 C540的脉冲的1∶9到优化R6G的脉冲的8∶1变化。选择性多光子激发不同 荧光探针间的串扰最小，并且不需要使用多个滤波器和成像探测器。
在先前面的实验显示了不同探针分子的选择性双光子激发。为了进一步 阐明用于功能成像的相干控制的潜力，图示出典型地用于生物样品目标染色 的微液滴的选择性激发。图22示出了由两个不同微液滴发出的荧光。上面 的图像表示在450nm处有最大吸收的绿色荧光微液滴，而下面的图像表示 在365nm处有最大吸收的蓝色荧光微液滴。图22a中的图像由TL脉冲获得。 在这些条件下，可以观察到两种液滴都发出大的双光子致荧光信号。对于图 22d中的图像，脉冲相位被调制使得蓝色液滴的荧光强度达到最大而绿色液 滴的荧光强度最小。
对于图22c中的图像，脉冲相位被调制使得绿色液滴的荧光强度达到最 大而蓝色液滴的荧光强度最小。观察到的对比率(I蓝/I绿)对不同相位分 别是1∶3和4∶1。
通过共同优化E2(t)的功率谱和双光子吸收谱，在此实现了具有显著对 比率的选择性激发。在多光子显微镜的基础上添加计算机控制的脉冲整形器 具有许多重要的优点。第一，脉冲整形器可用于补偿样品的有害相位失真。 例如，线性啁啾即显示出减小双光子显微镜的信号强度。通过脉冲整形器， 线性的、二次的、三次的以及更高阶的啁啾都被补偿以获得最有效的激发。 第二，脉冲整形器通过幅度调制来控制激光脉冲的输出谱。第三，正如此处 所显示的，脉冲整形器用于选择性探针激发。由于激光谱保持不变，相位调 制不会影响到一个光子的行为，例如吸收、反射和散射。选择性激发使样品 中不同荧光探针间的可能串扰最小化。最后，脉冲整形器用以防止三光子或 更高阶非线性光学过程的出现，例如连续生成(continuum generation)。更 高阶的过程经常导致样品的品质下降，并且在活体样品的情况下导致DNA 损伤。已使用MII和BPS方法实现四阶量级的三光子跃迁的抑制，并且这 种抑制能够与活体样本双光子信号的优化相耦合。
这种方法可以用于选择性地激发不同的探针分子或不同环境中的同种 探针分子。此外，这种方法可以用于发光探针的选择性激发，例如量子点、 金属微粒和单分子。例如，参见D.R.Larson等的“Water soluble quantum dots for multiphoton imaging in vivo”，Science 300 1434-6，(May 30，2003)； D.A.VandenBout等的“Discrete intensity jumps and intramolecular electronic energy transfer in the spectroscopy of single conjugated polymer molecules”， Science 277，1074-1077(1997)；基于同样的原理能够通过双光子激光所致 的导电性实现半导体微晶片的功能成像。例如参见C.Xu等的“Two photon optical beam induced current imaging throughout backside of integrated circuits”，Appl.Phys.Lett.71，2578-2580(1997)和D.L.Osborn等的 “Spectral and intensity dependence of spatially resolved two-photon conductivity defects on a GaAsP photodiode”，J.Appl.Phys.89，626-633 (2001)。包含脉冲整形器的多光子显微镜术具有选择性探针激发的灵活性和 通过飞秒脉冲谱相位的受控调制实现的最大信号强度。甚至对于具有相似吸 收谱的荧光标记，脉冲整形也显示出能够选择性激发。选择性激发的水平及 其增强可适应双光子或三光子显微镜术的不同模式。
                        多光子光聚合
微光刻(microlithography)包括使用UV光来引发聚合。由聚合诱发的 双光子具有允许较小特征(低于100nm)的3D聚合的优点。光带隙材料 (PBGM)具有与光波长相近的特征的3D结构，并表现出有趣的行为。双 光子微光刻是制备很复杂的PBGMs的一种方便的方法。
双光子吸收通过双光子诱发聚合(TPIP)能用于三维光刻微制造 (3DLM)。这是因为同时的双光子吸收要求很高的光通量，其只能在聚焦 点出现。因此TPI聚合受聚焦量的限制。这样高的空间分辨率使得TPIP能 够不仅在x和y方向上扫描激光，也能够在不重写现有特征的情况下改变聚 焦面(z)。因此，通过单步加工可获得3DLM。3D聚合结构包括光带隙结 构、波导结构和微通道结构。
能用于3DLM中的分子的实例通常具有D-π-A-π-D结构，其中D为端 基，π为苯基亚胺官能团以及A为收电子(electron-accepting)氰基。由于 氰基被用作侧基，电子传输的增加导致与供电子甲氧基相关的δ值的显著增 加。此外，通过引入级性亚胺改变共轭主链，由于发色团的双光子吸收特性 的影响，可调节四极衍生物(derivative)的线性和非线性光学响应。两个极 性基(CHLN-)将提高从端基到相关两个氰基的中心的电荷转移的范围。在 发色团的激发下，p-共轭中心作为电子接收器，相比通过分子间能量和电子 转移，分子内能量和电子转移将更容易从端基R2N出现。原子团形式能更 容易地在端基内产生。而且，发色团的溶解性随着CHLCH-被极性柔性基 -CHLN-的取代而提高。由于它们能高产(high yield)地一步合成且在高敏 感度下引发三丙烯酸酯单体的聚合，因此使双光子诱发聚合的应用成为可 能。
以下参考文献公开了双光子聚合物引发剂：″New Photopolymers based on Two-Photon Absorbing Chromophores and Application to Three-Dimensional Microfabrication and Optical Storage，″B.H.Cumpston，et al.，Mat.Res.Soc.Symp.Proc，Vol.488，″Electrical，Optical，and Magnetic Properties of Organic Solid-State Materials IV，″(MRS，Warrendale，1998)p. 217；和″Two-Photon Polymerisation Initiators for Three-Dimensional Optical Data Storage and Microfabrication，″B.H.Cumpston，et al.，Nature，发行中。预 计多光子脉内干涉将有利于增强这种非线性光聚合。
以下参考文献为用于微光刻和微制造的多光子技术的例子：Y.M.Lu，et al.″Highly sensitive two-photon chromophores applied to three dimensional lithographic microfabrication：design，synthesis and characterization towards two-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 nanoscale three-dimensional fabrication using two-photon initiated polymerization and near-field excitation，″Microelectron.Eng.69(2-4)：459-465(September 2003)； H.B.Sun，et al.，″Two-photon laser precision microfabrication and its applications to micro-nano devices and systems，″J.Lightwave Technol.2l(3)： 624-633(March 2003)；Goodman的美国专利6,316,153，受理于11月13日， 2001；Baer的美国专利6,259,104，受理于7月10日，2001；以及Worster的 美国专利6,288,782，受理于9月11日，2001；所有以上专利在此给出作为 参考。
目前，双光子微光刻及相关技术都只能引发某一类聚合物。如果需要两 种不同类型，则需要漂洗(rinse)，改变单体混合物，以纳米精度找到特征 位置并生成新的特征。
在一个实施例中，BPS用于微光刻和诸如微加工和微制造的相关技术以 控制两种聚合物的聚合。交替生成两种不同的聚合物使得纳米特征结构具有 强的柔性，例如但不限于微电子机械系统(MEMS)。通过控制双光子激发 的发生波长，能够控制两个不同聚合物的沉积(deposition)。
                            量子计算
相干控制概念的一个重要应用出现于量子计算领域。由整形激光技术提 供的激发选择性也可作为第一个实际应用的量子计算机的发展基石。在现有 的量子计算的光学方案中，计算机控制脉冲整形来实现信息在量子相位中的 存储和获取。在八态(eight-state)Rydberg原子波包的情况中，现有方案能 将信息作为量子相位存储于一个或多个触发(flipped)态中，随后能在与 Grover’s一致的单步骤中获取信息；该现有方案在J.Ahn，et al.，Science 287 (2000)，p.463；and N.Bhattacharya，et al.，Phys.Rev.Lett.88(2002)137901-1 中公开。
常规量子计算机网络的典型可视化将具有包括量子存储装置的节点，其 中信息能很长时间地存储在原子、分子或离子的基态或某些亚稳激发态。量 子信息能从网络的一个节点传输到其它使用光子。该节点执行指定的计算并 用作存储或记忆单元。存储时间受消相干(decoherence)时间限制。很难在 两个节点之间传输量子信息而不允许出现消相干。已经有一些关于量子通信 的提议，用于在远程用户之间传输和交换量子信息，包括用于安全通信的量 子安全密钥信息的发送。量子隐形传送(teleportation)允许任何未知的量子 态从一个远程部分传输到另一部分，通过两个远程量子位(bit)的最大的缠 绕态(entangled state)的建立可具有很好的逼真度(fidelity)。但是，远程 用户之间的通信瓶颈是误差概率与用户之间的通道长度的比例。该误差导致 幅度和相位衰减。
有利地，由于整形脉冲能在光学硬件中传输并且同一构造还可被用于计 算和光学信息传输，因此本发明的光学脉冲整形是实现量子计算是有吸引力 的方法。该整形脉冲被分为能在不同的时间量程中载有不同脉冲串的数个不 同部分。这样就提供了控制各种节点的杠杆作用(leverage)，其中在这些 节点处，分子系统与整形脉冲相互作用来执行各种指令并在脉冲持续过程中 的各节点处进行量子计算行为。这样进一步使各种节点处的不同量子计算步 骤的处理同时进行，使得编码可在整个网络中并行传输来分配任务。在计算 结束时，结果通过发送“读脉冲”并再结合该结果而被读出。基本上，这就 是使用整形脉冲的网络分布式量子计算。目前，利用现在的光学脉冲整形技 术能够在单群(burst)光中传输/编码106位。来自激光源的重复率为约50 至100MHz。因此，能通过光学领域中已有的基本结构使用通信信道的 terabit/sec位。一旦这样的量子计算机可在远程位置利用，这些作为“量子 软件”的包就能通过高速通信信道来传输。因此，可利用所提出的脉冲整形 方案进行远程量子计算，并可实现速度为terabit/sec的通信和分子控制。例 如见，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)；另外见Franson的美国专利No. 6,678,450，受理于1月13日，2004；和Devoe的美国专利5,793,091，受理 于8月11日，1998；所有以上专利在此给出作为参考。
                      光学相干断层扫描
本发明的一个优选实施例使用激光器系统221用于利用光学相干断层 扫描(“OCT”)的激光激发或离子化。总体上，图13示出了系统221的 OCT应用，其中该系统包括飞秒激光器223、激光束整形器229、人或动物 的组织标本241、光门251和图像253。激光器223发射短于1皮秒的激光 束脉冲。整形器229由三部分组成；两个色散元件255和夹在中间的相位掩 模元件257。如下面将更详细说明的，整形器229基本上阻挡了能损坏人或 动物的DNA的多光子激发。未整形激光束脉冲用于提供(gate)冲击光子 来渲染(render)图像用于断层扫描。通过倍频晶体中的上转换或利用液态 二硫化碳中的Kerr门能实现光学门。所示的系统221的结构假设传输成像； 或者能利用背散射成像来实现相同的最终结果。图像253可看作类似人或动 物标本的内部器官的X射线型图像但无有害的三光子曝光。OCT中整形脉 冲的使用使得激光强度增加从而更好地成像，同时防止了多光子激发对健康 组织的损害。以下讨论的MIIPS和BPS过程有利于激活(activate)人或动 物体组织内的不同的染料(dyes)和其它化合物，从而实现化合物特殊的或 功能的OCT或显微镜术(microscopy)。使用脉冲整形器来防止诸如连续生 成的三光子和更高阶非线性光学过程。更高阶过程通常导致样品的品质恶 化，且在活样品的情况下导致该样品的DNA损坏。使用MII和BPS已经实 现了四个数量级的三光子跃迁的抑制且该抑制能与来自活标本的双光子信 号的优化相耦合。或者，能够实施荧光对比剂使得使用BPS整形的脉冲选 择性地激发针对恶性肿瘤的荧光剂。该实施例被期望以实现功能的深度组织 成像。
参考图5，其显示了BPS用于功能成像的系统设置。该组织已经被注入 了荧光对比剂，该对比剂被肿瘤优先吸收。该荧光剂为pH敏感染料或衍生 量子点(derivatized quantum dot)。无需时间光栅。
                         光动力学治疗
本发明的另一实施例使用的系统也示为221，其用于利用光动力学治疗 (“PDT”)的激光激发或离子化。PDT是一种结合使用可见光和光敏剂的 治疗。可见光和光敏剂本身是无害的，但当与氧气结合时，就能产生致死的 细胞毒素，该细胞毒素能灭活肿瘤细胞。这样对患病的组织具有更强的选择 性，因为只对那些同时含有光敏剂的细胞，光和氧气才能产生细胞毒素的效 果。PDT的双重选择效果在于通过患病组织的光敏剂的优选摄取(uptake) 以及通过限制照明特殊区域的来限制光敏剂对于该患病组织的激活能力。因 此，PDT允许选择性的破坏肿瘤而不伤害正常组织。
PDT基于以下概念：(1)某些光敏剂能在肿瘤化(neoplastic)组织中 富集(一定程度优选地)，和(2)随后，这些光敏剂能被合适的光的波长 (能量)激活从而产生激活的分子种类(species)，例如对细胞和组织有毒 性的自由基和单氧(1O2)。PDT为二元疗法，且PDT的潜在优点是其固有 的双重选择性。首先，通过光敏剂在目标组织内的富集来实现选择性，其次， 放射能被限定在特定的程度。如果该光敏剂是无毒的，则即使光敏剂与正常 组织结合，也只有放射区域会受影响。通过将光敏剂结合于对目标组织有高 亲和力的分子给送系统，能进一步提高选择性。对于光激活作用，光的波长 与光敏剂的电子吸收频谱相匹配，使得光子被光敏剂吸收并且出现所期望的 光化学作用。除了病灶位于非常表面的特殊情况，激活光的范围典型地是在 600至900nm之间。这是因为内生分子，具体地为血色素，强烈地吸收600nm 以下的光，且因此捕获大部分的入射光子。净效应是激活光穿透组织时的损 失。以900nm为上限的原因是超过该波长范围的能量(energetics)不足以 生产1O2，即氧的激活态，而该因素对于PDT十分关键。
PDT的光化学和光物理原理在本领域是熟知的。简要地说，在照明下， 光敏剂从基态(s0)被激发到第一激发单态(s1)，而后经过系统间跨越转 换至三重态(T1)。三重态的更长的寿命时间使得被激发的光敏剂与周围分 子的交互作用成为可能，且一般认为PDT过程中生产的细胞毒素类在该态 中同时出现。
该激发出的三重态能够以两种方式起作用，定义为I型和II型机制。I 型机制包括在光敏剂的激发态和生物、溶剂或另一敏感剂的基质之间的氢原 子提取或电子转移反应，从而产生自由基和基离子。这些自由基类通常是高 活性的并且能容易地与分子氧相互反应，从而产生诸如过氧化物阴离子或羟 基的活性氧类或者能导致不可恢复的生物损伤。这些反应产生氧化损伤最终 表现为生物损伤。相比，II型机制产生于敏感剂的激发三重态和基态分子 氧之间的能量传递，产生氧的第一激发态，即单氧。该两性离子类具有极强 的活性且能与大量的生物基质发生互反应，导致氧化损伤和最终的细胞死 亡。尽管通常认为II型过程在PDT过程中占主导且单氧是在所表现出的生 物效果中起主要作用的细胞毒素剂，但I型反应在低氧浓度或更多级环境下 变得更为重要。但是，由于I型和II型反应导致在氧的存在下的类似的氧化 损伤和相对自由基链反应，因此初始的反应重要性相对较低。I型和II型反 应路径的全部效果为在目标细胞内产生氧化损伤，目标细胞终的氧化损伤将 最终导致肿瘤的破坏。
在特定的环境下(短脉冲、高强度的辐射)，上激发态可能会增加 (populated)，且复杂的光物理和光化学过程可能源于这些态，导致光毒性 的增加或减少，可能包括诸如DNA突变的与氧(oxygen-independent)无关 的机制。
光敏剂为能够吸收具有特定波长的光并将其转化为有用能量的化合物。 在PDT中表现为致命细胞毒素的产生。有上百种能够用作用于PDT的天然 材料及合成材料，从植物提取物到复杂的合成大环。任何光敏剂的关键特性 是要在患病组织中优先富集以及而后产生细胞毒素达到预期的生物效果。 (此类光敏剂的例子，见W.M.Sharman，et al.，″Photodynamic therapy：basic principles and clinical applications，″Drug Discovery Today 4(11)：508-517 (1999)；T.Hasan，et al.，″Photodynamic Therapy Of Cancer，″Chapter 40 in Holland 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-based nanoparticles entrapping water-soluble photosensitizing drugs：A novel drug carrier system for photodynamic therapy.″J.Am.Chem.Soc.125：7860-7865 (2003))。
通常总体上，图13还示出了系统221的PDT应用，但不需要光门251 和图像253。整形器229允许双光子激发但基本上阻止了三光子激发。整形 器229提高了治疗剂的激光致激活，该治疗剂防止健康组织受到损伤。与已 公开的常规方法相比，使用本发明的激光束脉冲整形应提供有关PDT应用 的更好的控制及结果，例如美国专利No.6,042,603的名称为″Method for Improved Selectivity in Photo-Activation of Molecular Agents″，Fisher等人， 受理于2000年3月28日，且该申请在此给出作为参考。或者，脉冲整形器 能被调节到目标癌细胞来用于多光子基因治疗或破坏，其中应用或不应用治 疗剂，而不会损伤健康组织。以下讨论的MIIPS和BPS过程有利于只激活 某些药物或化学物，或利于使激光脉冲进入人体或动物组织的已知深度，基 于激光束脉冲的相位调节和相关非线性光谱调节。脉冲整形器被用于防止诸 如连续产生的三光子及更高阶的非线性光学过程。更高级过程一般导致样品 品质恶化，并且在活样品的情况下导致DNA损伤。通过使用MIIPS和BPS 方法已经实现了四个数量级的三光子跃迁的抑制，且该抑制能与来自活标本 的双光子信号的优化相耦合。
出于用作生物医学目的的激光器最常见的为诊断工具、外科工具以及成 像。超短脉冲整形技术在生物医学方面应用的直接延伸具有广阔的前景，有 必要深入其影响的领域。尽管目前对超短脉冲整形技术的应用还很少，但随 着相关的领域的应用，其具有重要的意义。近来用于成像的三维分布测量的 最常用的方法之一是光学相干断层扫描或白光干涉计，其使用宽带、低相干 光源。近来，通过光谱调制的飞秒脉冲整形的原理已结合联合变换相关器来 制作时间空间联合变换相关器。此技术的优点是其基本上不需要一维深度扫 描且因此避免了长时间测量。因此，这样就省去了获得目标图像所需的电子 计算，且因此能实现全光学装置(all-optical set-up)。最初，该设置被证明 是表面测量装置，但作为自然的扩展，很容易将扩展到获取生物样品的断层 扫描。实际上，基于脉冲整形的原理，可实现70μm的深度分辨率。而且， 探测器和组织间没有接触，因此是有用的非侵入技术，其为医生提供了次表 面组织形态的近组织学(near-histological)分辨率成像，有利于辅助活组织检 查的位置选择，从而实现“光学活组织检查”。
                      非线性光学激发光谱
在本发明的一个实施例中，目标是利用对于脉冲的谱型和相位特性的全 新(unprecedented)控制来开发能够产生超短脉冲的激光器系统。具体的， 该系统通过结合相位特性和单相位整形/特性单元内的补偿的新颖方法，能 产生如通过精确脉冲特性来决定的在1％的转换受限的超短脉冲。该相同的 单元将提供任意脉冲形状的校准合成。本发明的一个实施例，激光器系统是 形成能够功能成像的显微镜的不可或缺的部分，以及将脉冲裁减以激发对于 其显微化学环境(pH，Ca++，Na+梯度)敏感的发色团(chromophores)的 方法。
本发明的另一实施例，激光器系统由二维空间光调制器来放大和整形。 该系统能提供20-30nm范围，具有0.05nm分辨率的单射(single-shot)多光 子激发光谱。分子的双光子激发光谱一般是点接点地获得且倾向于数量级误 差。该系统能够在30nm激发区域上每秒获得1000谱，且为它们查询标准。 该系统提高了非线性频率分辨激发光谱和通过数量级的截面测量的精确性 和速度。此信息是非线性光学材料的选择和利用的中心。
非线性光学激发光谱(NOES)包括非线性过程的测量，例如作为波长 函数的双光子或三光子激发截面和非线性光学敏感性(susceptibilities)。这 些测量对于描述非线性光学材料和诸如激光染料和量子点的非线性光学发 色团非常重要。例如双光子激发光谱需要在频率上窄但在多光子激发中具有 高效的可调激光源。典型的，窄带宽可调激光用于得到700至950nm的数 据，获得点接点的数据。非线性光谱对于横模质量、光谱相位、聚焦点的特 性、脉冲-1到-脉冲强度变化以及波前变形极其敏感；所有这些能导致污染 结果的更高或更低阶的过程。所有的这些因素使得点接点获取倾向于系统误 差。
一种实际但未试验过 的方法是产生宽的带宽脉冲，然后在其光谱 上扫描光隙来使特定波长下的光谱分辨率变窄。该方法通过两个或更多的量 级减少了二阶和更高阶过程的效率。
为了解决这些问题，本发明的一个实施例基于二元相位掩模，其基于脉 内干涉(MIIPS)的原理，然后使用由进化遗传算法提供的遗传算法来优化。 二元相位掩模和对于有限变形和对于整形脉冲的相应输出在图8中示出，且 一起示出了这些掩模如何用来调二阶过程发生位置的示例。红色痕迹为数据 的仿真。激光集中在薄BBO晶体并利用分光计来收集倍频输出。每个相位 掩模设计为生成在不同波长下的窄和高的差异最大量。使用128像素脉冲整 形器利用18fs脉冲来获得这些结果。注意，利用TL脉冲观察到的窄的输出 为约65％的效率。使用放大掩模来阻挡激光的光谱，如图11所示，导致只 有3％的转换效率。
本发明的一个实施例通过单激光束获得较大带宽的光谱。高数据吞吐量 允许对于一些诸如非线性光学晶体KDP和激光染料Rhodamine 6G的有名的 标准的非常精确的校准。激光器系统没有被扫描；实际上，激光场的振幅在 整个实验中保持不变。这样就允许对可能影响非线性输出的所有因素的良好 的校准。
衍射两维可编程相位调制器最初由Hamamatsu设计用于光学计算，其 很理想地适合此任务。PPM X8267为1024*768像素电子寻址相位调制器， 其使用图像传输元件来耦合并光学寻址PAL-SLM(平行校直向列液晶空间 光调制器)。可得到的用于脉冲整形的像素的数量在设计中很关键。明确的 脉冲的生成需要引入明确的相位函数。平滑相位被参差不齐的相位代替，欠 采样(under-sample)相位的像素纹理(pixilation)效果，是有害的。PPM 单元由空间图像示出，其投射进PAL-SLM。投射系统提供了没有像素边界 的高精确度复制，使其理想地用于脉冲整形的目的。被调制的飞秒激光器通 过300线/mm黄金涂覆衍射光栅来光谱色散，并通过形成反射2f设置的黄 金涂覆圆柱镜校准。PAL-SLM位于傅立叶平面(可实现最佳光谱分辨率的 位置)。反射光由与入射光相同的光学设置来收集。彩色像差和组速度差量 通过全反射光学设计被保持为最小。非线性光学失真和光学损坏通过使用圆 柱形而非球形光学器件而被最小化。光谱在水平维度上被色散。垂直维度上 的像素包含不同相位的掩模，该掩模扫描非线性激发发生处的波长。该相位 掩模的示意图如图14所示。
本发明的一实施例，如图15所示，产生放大的次-20fs脉冲(比激光器 系统A每脉冲多106倍的能量)，但重复率为1kHz。脉冲的带宽为50nm FWHM，且用于获得具有约0.2nm分辨率的NOES。种子(seed)脉冲由通 过Verdi激光器(相干)充能(pump)的K&M Labs振荡器产生。放大器 为来自Quantronix的Odin多通路放大器，由它们的Quantronix Darwin Q-Switched Nd：YLF来充能，能够在1kHz下发出1mj每脉冲。该Quantronix 系统引用次-35-fs性能。该放大器能保存大部分的振荡器带宽。该振荡器设 计基于Kapteyn和Murnane用来证明17fs脉冲的生成的多通路平台。为实 现很短的脉冲持续，使用了光栅和棱镜压缩器。
激光器安装在5’×12’振动独立光学平台上(Newport)。脉冲特性描述 使用FROG、SHG-FROG和MIIPS。对于FROG，使用光学延迟线(Aerotech)。 数据收集通过使用Ocean Optics分光计、Boxcar Averager/Integrator(SRS)、 500MHz数字示波镜(Infinium，Hewlett Packard)来完成，并利用个人计算 机运行Labview，应用GPIB IEEE 488控制器来控制。
二维脉冲整形允许单射NOES数据从非线性光学材料、激光染料的双光 子激发光谱、生物标签的荧光标记、量子点、光学开关及其它光学材料获得。 波长范围限定在700到900nm，由充能脉冲窗定(window)。激光器系统 用来充能非共线光学参数放大器，产生从450到1300nm的可调宽带宽脉冲。 当需要很不同的波长的材料特性时，这些脉冲被导入二维脉冲整形器。
前边描述的MIIPS方法要求在激光的光谱范围上的参考(reference)相 位的扫描。这通常要求获得100个不同相位函数位置的SHG输出光谱。为 了在单射中实现该任务，竖直维度被分成128个不同的部分。每个部分包含 6×1024像素，包含参考相位函数。关键是该相位函数在每部分中转移，从 而提供作为MIIPS所需的δ的函数的数据。一旦该飞秒激光脉冲经过二维相 位调制，其利用短焦距，100mm圆柱形镜，聚焦在厚SHG晶体上。在水平 轴线上，该厚SHG晶体导致类似于在GRENOUILLE中使用的光谱色散。 在竖直轴线上，由于由PAL-SLM编码的不同相位函数，可获得不同套的SHG 光谱。然后，包含单射MIIPS数据的整个二维图像被成像到用于收集和分析 的CCD上。
                           通信
如图16，本发明的激光器激发系统421的另一个优选实施例包括飞秒 激光器423、光纤451、激光束脉冲整形装置429、激光束脉冲非整形装置 453以及包括光学开关或传感器和相关电路和电控单元的接收器441。激光 器423发射一系列激光束脉冲到连接的纤维451，每个均短于1ps。脉冲整 形装置429为具有固定脉冲特性变化形状(例如具有计算正弦波表面形状) 的预定掩模类型，并具有三个与光纤451相连的元件：诸如光纤的色散元件 455，其与衍射光栅结合；能使用掺杂玻璃或聚合物层制成的相位掩模元件 457；以及类似元件455但为相反的色散元件459，用于接收光谱色散光并 将其耦合回光纤451。
整形激光束脉冲由于其印在或形成在整形装置429上的独特的相位函 数，因而能够通过光纤451传播很长距离而不产生非线性失真。例如，以精 确的正弦方式红色光谱可以提前在蓝色光谱的前边。接下来不整形装置453 反转通过整形装置429引入的相位改变。其余整形装置构造相同但具有不同 的相位掩模元件461，该元件补偿由掩模元件457造成的脉冲特性改变。或 者，声光调制器或瞬态光栅能用于通过波的相加或相消反射的光开关。整形 和非整形也能通过啁啾镜或光谱掩模来完成。
这样，本发明能够精确地控制激光束脉冲形状或其它特性，特别是对于 非线性或多光子发射，因此显著地提高了通信传输的质量且同时使自聚焦、 自相位调制和光纤的可能损坏降到最低程度。超快激光束脉冲的脉冲特性控 制，如这里所有的实施例中所述的，如果不能防止，也应使光纤线路中非线 性传播通道的乘积噪声效果破坏最小化，例如在Mitra等人的″Nonlinear Limits to the Information Capacity of Optical Fibre Communications，″Nature， vol.411，pp.1027-1030(1月28日，2001)中所讨论的。进一步设想此类的脉 冲整形系统能在盐水海洋中应用，从而使用1ps或更小的短激光脉冲来用于 海底对海底的通信。此类脉冲整形能作为用于通信的最小失真脉冲的解决方 案。而且，MIIPS能被用来通过确定获得的第二级相位调制的量级，随着激 光脉冲经过空气或水传播来测量飞秒激光发射器的距离。此方法无需回声或 反射。在水中，由于色散较大，因此期望更长的脉冲(1ps)。取决于传媒 媒介，空气或水，需要距离期望的不同脉冲。对于水，将优选具有持续时间 为10-20fs的短脉冲。对于空气，将优选长得多的脉冲，例如将优选100m 距离100ps脉冲。
使用BPS方法，每脉冲能实现的数据密度等于或小于SLM中像素除以 2的数目。例如，在SLM429中的实施例中具有256像素分辨率，最大数据 密度为256/2或128bits每脉冲。在该实施例中，如果脉冲率为100MHz，数 据率或带宽将是1010bits每秒。本发明的其它实施例基于像素分辨率和/或激 光脉冲率来改变数据率或带宽。随着激光脉冲率的增加和SLM像素分辨率 的增加，由本发明实现的带宽将增加。有利地，只有非线性探测器能够解码 信号，相比，简单的光探测器不能从脉冲中确定任何信息。事实上，可异步 通信使其用于移动或固定和间断通信十分理想。
参考图17、18A和18B，本发明的系统的第四优选实施例用于光纤通信。 多个传输用户，每人使用诸如电话491、个人电脑、传真机等，在彼此相距 很远的地方发送通信信息或信号。这些远程传输器连接到一个“智能”主传 输器集成件，该集成件包括计算中心处理单元493，经过电线、光纤电缆、 微波信号等。相位调制脉冲整形器505由CPU493活动地控制。激光器509 和整形器505也包含作为主传输器集成件的一部分。激光器509发射整形之 后载于光纤电缆497内的超短激光脉冲。超短激光束脉冲具有基于目前可得 到的光纤电缆限制内的约100飞秒的持续时间但优选的是小于50飞秒的脉 冲持续，且如果未来的光纤允许的话，10飞秒或10飞秒以下将是最需要的。 例如，光带隙材料如带孔光纤可允许使用约10飞秒的脉冲。
脉冲整形器/相位掩模505使用二元相位掩模编码每个激光束脉冲的相 位。第二谐波在频域内包含多个峰值，例如但不限于频域中，从而显示编码 信息。这样就允许基于激光束发射的CPU控制与每个发射脉冲的活动变化 整形相结合的活动路由地址的编码以及相关通信信息在每个激光束脉冲内 编码。
一种不需要另外的激光器或复杂的计算能力的“无声(dumb)”的中 心接收器501与光纤电缆497的下游端相连。接收器501包括聚焦透镜515、 厚SHG晶体507’和探测器511。每个通过光纤电缆497传输的激光束脉冲 被色散到用作聚焦和导向每个脉冲的透镜515上，并以聚合角的形式色散到 晶体507’上。厚光学晶体507’这里定义为具有大于约0.5微米的传输路径厚 度，而薄光学晶体507(见图15)这里被定义为具有小于约0.5微米的传输 路径厚度。厚晶体的优选厚度是约3.0微米持续50飞秒或更短的脉冲，以 及5.0微米持续50至200飞秒脉冲持续时间。厚晶体507’在由脉冲整形器 先前整形的每个脉冲内产生二次谐波和二次光谱。换言之，由于相位匹配角 的要求，该厚晶体基本色散整个色谱而无需独立的分光计。
有从厚晶体各个色散的每个的颜色频率由脉冲整形器编码从而包含个 体通信路由地址以及实际的通信信息，而后通过线性阵列来探测，诸如CCD 相机的多路器型探测器511。或者，探测器511为通过多增加一维而能实现 更高数据密度的二维阵列。或者，可设想探测器511为连接到远程控制器/ 分探测器的光纤阵列。该数据仅使用包含信息的传输脉冲而不使用附加的参 考脉冲，而能被异步地读出。独立的探测器511可将探测到的每个脉冲所传 载的信号通过光谱分离数字化，并通过电线、光纤、微波等将该数字信号传 输到接收器501内或外部的个体解码微处理器控制器503。为了解码探测器 511接收到的每个相应的数字通信信号一组预存储变量或解密(dencryption) 信息或密钥位于每个控制器503的存储器内，而无需从传输器495的同步通 信传输(换句话说，即提供互补相位的二次激光脉冲)。然后，被解码的通 信信息被发送到终端用户，该用户在识别到的路由地址通过电话505、个人 电脑、传真机等接收这些信息。或者，控制器503可被诸如光电二极管的简 单的光探测装置替换，该装置可基于探测器511探测到的信号用于数字开/ 关自转换模式中，从而控制或发送信息至远程目的地。重要的是，本发明的 当前优选的通信实施例解码传输的信息时无需干涉测量和同步激光脉冲。还 值得注意的是，脉冲整形器505能通过使用二次谐波产生或任何其它非线性 混频方法来编码每个脉冲，其中该非线性混合方法包括但不限于混频、差频 混频和四波混频。
应将本发明与现有实验对比，该实验在解码器中采用了困难和同步的参 考脉冲，用于提供互补脉冲来控制特定单波长的发射。该方法公布在Z. Zheng and A.Weiner的″Coherent Control of Second Harmonic Generation Using Spectrally Phase Coded Femtosecond Waveforms，″Chemical Physics 267. p.161(2001)；但是该现有方法需要脉冲在时间和空间上的重叠，因此难 以控制，且仅能用于单脉冲频率。
尽管本文中公布了各种实施例，但需要理解的是，可在本发明的系统和 方法所覆盖的范围内做出其它变化。例如，可采用其它的激光器、化学物质、 光学和计算机控制器，只要它们能具备期望的功能。本发明的说明书仅作为 示例，因此，不脱离本发明主旨的变化均在本发明的范围内。这样的变化不 能被认为是脱离了本发明的精神和范围。
对相关申请的交叉参考
本申请为2004年3月2日提交的美国专利申请No.10/791,377的继续申 请，为2002年10月4日提交的美国专利申请No.10/265,211的部分继续申 请，为2002年1月8日提交的PCT/US02/02548的部分继续申请，并要求 2001年1月30日提交的美国临时申请No.60/265,133的优先权，上述申请 结合在本申请中作为参考。